Development of a new metal alloy based on palladium within the framework of practical implementation of the concept of development of the domestic dental materials science

Full Text

В 3-й части статьи “Стратегия развития отечественного стоматологического материаловедения в области сплавов благородных металлов” автор проанализировал составы и значения коэффициентов термического линейного расширения 93 зарубежных и 2 российских сплавов на основе палладия для металлокерамических зубных протезов. Показаны результаты исследований структуры отечественных палладиевых сплавов с использованием микроскопического и микро- рентгеноспектрального анализов [1]. Установлено, что составы отечественных сплавов на основе палладия не попадают в найденный оптимальный диапазон. Серьезный недостаток отечественных стоматологических сплавов на основе палладия - наличие двухфазной структуры, которое может приводить к избыточным значениям прочности и твердости и недостаточной пластичности, что в свою очередь обусловливает недостаточную технологичность на этапах изготовления каркасов металлокерамических протезов [1]. Двухфазные сплавы не обладают такой-же коррозионной стойкостью, как однофазные сплавы, так как возникает разница потенциалов между участками с разной фазовой структурой. Кроме того, потенциально возможно уменьшение прочности и разрушение металлокерамического соединения зубных протезов из-за неоднородности металлической поверхности [2]. Цель работы - создание рецептуры модифицированного однофазового сплава палладия для металлокерамических зубных протезов с оптимальным содержанием основных элементов, с КТЛР 13,9 • 10-6 К-1 до 14,9 • 10-6 К-1. Материал и методы Для создания модифицированного сплава на основе палладия для металлокерамических зубных протезов, согласно предложенной нами концепции развития стоматологических сплавов благородных металлов были определены следующие требования: 1) содержание основных элементов сплава должно обеспечить однофазовую структуру; 2) коэффициент термического линейного расширения сплава должен находиться в интервале значений от 13,9 • 10-6 К-1 до 14,9 • 10-6 К-1; 3) сплав должен соответствовать всем требованиям международного стандарта ISO 9693 (часть 1) «Metal - ceramic dental restorative systems” [3]; 4) должен обладать высокой коррозионной устойчивостью и биосовместимостью. В качестве основы нового отечественного сплава выбран палладий, содержание которого должно соответствовать значению найденного оптимального состава палладиевых стоматологических сплавов (50-59% масс) [1]. Основными легирующими элементами для большинства палладиевых сплавов для металлокерамики были выбраны золото и медь, потому что палладий, золото и медь имеют одинаковую кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку [2, 4, 5]. Золото имеет высокое сопротивление коррозии, повышает КТЛР палладиевых сплавов и снижает их температуру плавления. Совместное использование палладия и золота в одном сплаве позволяет им взаимно уравновешивать свойства друг друга [2, 4-6]. Медь добавляют в палладиевые сплавы для увеличения КТЛР и улучшения физико-механических и технологических свойств [2, 5]. Олово служит важной легирующей добавкой для образования оксида, участвующего в образовании прочного соединения металлической поверхности и керамической облицовки [2, 5]. Разнонаправленное влияние легирующих элементов служит фактором достижения соответствия КТЛР сплава, необходимых физико-механических и технологических свойств исходным требованиям. В реальной многокомпонентной системе влияние отдельных элементов на структуру и свойства сплава в целом однозначно непредсказуемо и зависит от влияния других легирующих элементов как в отдельности, так и в сочетании друг с другом [7]. Поскольку выбранные составляющие палладиевых сплавов могут образовывать большое число интерметаллических соединений, которые способны негативно влиять на свойства сплавов, для предварительного выбора состава нового палладиевого сплава проведено химическое изучение фазовых равновесий в трехкомпонентных системах Pd-Cu-Sn и Pd-Au-Sn и термодинамическое моделирование этих систем [8]. На основании полученных данных термодинамического моделирования для дальнейшего изучения физикомеханических свойств и фазовой структуры были выбраны 3 состава палладиевого стоматологического сплава (дальше в тексте - сплав № 1, сплав № 2 и сплав № 3). В качестве сравнения использованы образцы из сплава Палладент (АО НПК «Суперметалл», Россия). Результаты Для выбранных сплавов, химические составы которых представлены в табл. 1, проведены исследования структуры и фазового состояния сплавов на участке диаграммы системы Pd-Au-Cu-Sn в области, богатой палладием. Исследования структуры сплавов, выполненные методами электронно-микроскопического и микрорентгеноспек- трального анализов, показали, что сплавы № 1 (рис. 1) и № 2 (рис. 2) - однофазные и представляют собой твердые растворы на основе палладия. Сплав № 3 (рис. 3), как и сплав Палладент, является двухфазным и был исключен из дальнейшего исследования. На литых образцах выбранных сплавов № 1 и № 2 опре- Палладент 60 10 15 15 1 50,9 23,4 21,7 4,0 2 68,1 7,8 13,8 10,3 3 64,0 7,8 11,8 16,4 Таблица 1. Составы опытных палладиевых сплавов Сплав Содержание элементов, % по массе Pd Au Cu Sn Таблица 2 . Свойства исследованных сплавов Original article Сплав КТЛР, • 10-6 К-1 Предел текучести, о0 МПа Относительное удлинение, % Твердость, HV5 Температура плавления, °С солидус Палладент 14,1 645 2 350 1105 1 14,0±0,12 320±4,03 12±0,52 150±1,11 1160±2,5 2 13,4±0,10 475±2 15±0,45 178±2,8 1450 Рис. 1. Микроструктура сплава № 1. ’ Электронное изображение 1 Рис. 3. Микроструктура сплава № 3. деляли предел текучести и относительное удлинение в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84. Испытания на растяжение выполняли на испытательной машине FP 10/1 Fritz Heckert. Определяли твердость по шкале Виккерса согласно ГОСТу 2999-75. Полученные значения физико-механических испытаний образцов опытных сплавов продемонстрировали их преимущество над сплавом Палладент. Это снижение чрезмерной твердости поверхности по Виккерсу (150 и 178 ед. вместо 350) и увеличение относительного удлинения (12 и 15% вместо недостаточных 2%). Значения предела текучести сплавов № 1 и № 2 соответствуют требованиям части 1 стандарта ISO 9693 «Metal - ceramic dental restorative systems» [2] и составили 340 и 475 МПа соответственно. При определении КТЛР исследования показали, что КТЛР сплава № 1 (14,0 -10'6 К-1) соответствует, а КТЛР сплава № 2 (13,4 • 10-6 К-1) не соответствует заданному в требованиях критерию КТЛР, равному 13,9 ^ 14,9 • 10-6 К-1. Кроме этого, температура плавления сплава № 2 (> 1450°С) слишком высока для большинства используемого литейного оборудования в отличие от температуры плавления сплава № 1 (1160oC). Полученные свойства опытных образцов палладиевых сплавов № 1 и № 2 представлены в табл. 2. Таким образом, по результатам изучения фазовых структур и физико-механических испытаний опытных образцов выбран для работы сплав № 1. Рис. 2. Микроструктура сплава № 2. Сплав получил название «ПАЛЛАДЕНТ-УНИ» и был запатентован. Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

Vitaliy Anatol’evich Parunov

”Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery” Ministry of health of Russia

Author for correspondence.
Email: vparunov@mail.ru

Cand.. med. Sci., senior researcher of the laboratory of development and physico-chemical testing of dental materials crid And maxillofacial surgery

Moscow, Russia

M. A Kareva

”Moscow state University M.V. Lomonosov”

Email: info@eco-vector.com
Moscow, Russia

D. S Tykochinskiy

”E.I. Rytvin Nauchno-proizvodstvennyy kompleks “supermetall”

Email: info@eco-vector.com
115184, Moscow

I. Yu Lebedenko

"Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery" Ministry of health of Russia

Email: info@eco-vector.com
Moscow, Russia

References

Supplementary files