Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể: thảo luận được lịch sử phát triển của hợp kim nha khoa, trình bày được những đòi hỏi của hợp kim nha khoa, liệt kê và mô tả sơ lược được các công nghệ tạo mẫu kim loại, trình bày được sự phát triển của các phân loại và phân biệt hợp kim đúc nha khoa, trình bày được các tính chất vật lý của hợp kim đúc nha khoa, trình bày được sự co đúc và các phương pháp xử lý nhiệt hợp kim quí và rất quí, liệt kê được các hợp kim đúc rất quí, quí và thường trong các ứng dụng nha khoa.
Trang 1HỢP KIM ĐÚC NHA KHOA
GS Hoàng Tử Hùng
MỤC TIÊU:
Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể:
1 Thảo luận được lịch sử phát triển của hợp kim nha khoa,
2 Trình bày được những đòi hỏi của hợp kim nha khoa,
3 Liệt kê và mô tả sơ lược được các công nghệ tạo mẫu kim loại,
4 Trình bày được sự phát triển của các phân loại và phân biệt hợp kim đúc nha khoa,
5 Trình bày được các tính chất vật lý của hợp kim đúc nha khoa,
6 Trình bày được sự co đúc và các phương pháp xử lý nhiệt hợp kim quí và rất quí,
7 Liệt kê được các hợp kim đúc rất quí, quí và thường trong các ứng dụng nha khoa
Các kim loại có thể chia làm hai nhóm:
Sắt (ferrous), và
Không sắt (nonferrous)
Kim loại “sắt” gồm sắt, bao gồm các loại thép
Các kim loại “không sắt” gồm:
Các kim loại quí (noble metals), Các kim loại thường (base metals), và Các kim loại nhẹ (light metals)
Kim loại quí gồm vàng, nhóm platinum (gồm platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium
và osmium) Chúng được đặc trưng bởi tính bền vững về hóa học đối với sự oxy hóa, kháng ăn
mòn và đổi màu Các hợp kim quí thường được gọi là “quí kim” (precious metal) vì giá cả của
nó Mặc dầu bạc (silver) cũng là một quí kim, nhưng không phải là kim loại quí trong nha khoa vì kém đề kháng với ăn mòn và đổi màu Các kim loại nhẹ như titanium, đặc trưng bởi khối lượng riêng thấp; các kim loại thường bao gồm nickel, cobalt… và các kim loại nặng khác
Hầu hết kim loại dùng trong nha khoa là dưới dạng hợp kim (alloys) Hơp kim có nhiều
ưu điểm so với các kim loại nguyên chất về đặc tính cơ học và lý học do được chế tạo để đạt đến tối ưu từ những kim loại thành phần
Thí dụ: vàng nguyên chất mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, nhưng không đáp ứng được đòi hỏi để làm mão (chụp) hoặc cầu răng, nếu thêm 10% đồng vào vàng, sẽ tạo thành một hợp kim có độ bền kéo và độ cứng tăng gấp bốn lần
1.1 Sơ lược lịch sử
Lịch sử hợp kim đúc nha khoa chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: những thay đổi công nghệ làm phục hình, các tiến bộ về luyện kim và những thay đổi về giá cả của kim loại quí từ 1968 Năm 1907, Taggart trình bày tại tập đoàn nha khoa New York (New York Odontological
Group) về thực hiện inlay đúc, đây là báo cáo đầu tiên về áp dụng kỹ thuật đúc thay thế sáp (lost
wax technique) trong nha khoa Kỹ thuật này mau chóng được áp dụng cho cả onlay, mão, cầu, hàm khung Sau đó, vì vàng nguyên chất không đủ đáp ứng về tính chất vật lý, các hợp kim vốn dùng làm trang sức (có thêm đồng, bạc, platinum) được sử dụng trong nha khoa Từ năm 1948,
các hợp kim quí nha khoa đã trở thành một phân nhóm riêng, với những công thức mới, khuynh
hướng vật liệu bị đổi màu được khắc phục, vì bạc đã được thay thế bằng palladium
Khoảng những năm 30 của thế kỷ XX, hợp kim thường để làm hàm tháo lắp được giới thiệu Từ đó, cả nikel-chromium lẫn cobalt-chromium ngày càng trở nên phổ biến so với hợp kim
vàng Typ IV vốn được dùng cho loại hàm giả này Những ưu điểm nổi bật của hợp kim thường
là nhẹ, đặc tính cơ học tốt và giá thành rẻ, vì vậy, các loại hợp kim thường đã ngày càng thay thế hợp kim quí để làm phục hình kim loại
Cuối những năm 50, một bước đột phá đã diễn ra trong công nghệ nha khoa, ảnh hưởng
sâu sắc đến việc chế tạo các phục hồi Đó là sự thành công trong việc làm mặt dán sứ trên kim
www.hoangtuhung.com
Trang 2loại Cho đến trước thời điểm đó, hệ số dãn nở nhiệt của các hợp kim vàng cao hơn hẳn sứ, làm cho không thể đạt được sự dán giữa hai cấu trúc này Người ta nhận thấy thêm cả platinum và palladium vào vàng, sẽ làm giảm hệ số dãn nở nhiệt, đủ để kết dính vật lý hai cấu trúc Một cách tình cờ, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim cũng tăng lên đủ để cho phép nung (thiêu kết) sứ trên
hợp kim quí ở 1400ºC (1900ºF) mà không làm biến dạng lún (lún) kim loại
Thành công của các hợp kim thường để làm hàm khung hướng đến việc chế tạo những hợp kim mới cho những ứng dụng khác trong nha khoa phục hồi Nhưng đến những năm 70, và nhất
là từ 1978, khi giá vàng tăng cao, vấn đề mới thực sự thu hút
Do sự phong phú của các loại hợp kim với các thành phần khác nhau cho những ứng dụng
đa dạng, việc phân loại các hệ thống trở nên khó khăn, cần có sự uyển chuyển để bao gồm những vật liệu mới hoặc những thay đổi đối với vật liệu đang có Vì vậy, các phân loại được thường xuyên xem xét lại (xem phần phân loại)
1.2 Những đòi hỏi của hợp kim đúc nha khoa
Hợp kim đúc nha khoa được dùng trong labo để làm inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các phục hình cố định kim loại-sứ, kim loại-nhựa, chốt ống tủy, hàm khung…Hợp kim cần đáp ứng được các đòi hỏi chung như sau:
1 Phải có tính tương hợp sinh học, không tạo ra độc chất gây nguy hiểm hoặc gây dị ứng đối với người sử dụng và với bệnh nhân
2 Phục hình phải có tính kháng ăn mòn và không bị thay đổi trong môi trường miệng
3 Các đặc tính lý học và cơ học, như tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, hệ số dãn nở vì nhiệt, độ bền… cần được đáp ứng, thoả mãn các giá trị tối thiểu và thay đổi theo những đòi hỏi khác nhau của các ứng dụng phục hình
4 Phải không có những đòi hỏi quá đáng trong sử dụng, cần đạt được tính khả thi đối với đòi hỏi về trình độ chuyên môn thông thường của kỹ thuật viên cũng như bác sĩ
5 Các kim loại, hợp kim và vật liệu đi kèm phải đầy đủ, không đắt quá
6 Riêng đối với gia công trong labo, hợp kim cần dễ nấu chảy, dễ đúc, dễ hàn, dễ đánh bóng, ít co, không phản ứng với vật liệu làm khuôn đúc, kháng mòn, không bị lún khi nung sứ
1.3 Công nghệ tạo mẫu kim loại
Các phục hình toàn kim loại có thể được thực hiện trực tiếp trên miệng: trám bằng vàng lá và amalgam Một loại vật liệu nhồi nén liên kim loại khác (intermetallic compound) cũng đã được nghiên cứu phát triển bởi Viện quốc gia tiêu chuẩn và công nghệ Hoa kỳ (National Institute of Standards and Technology) để thay thế amalgam nhưng chưa được triển khai trong thực hành
Công nghệ đúc: Các loại phục hình kim loại: inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các phục hình
cố định kim loại-sứ, kim loại-nhựa, chốt ống tủy… đã được thực hiện bằng phương pháp đúc từ một thế kỷ qua Hợp kim vàng đã chứng tỏ có ưu thế về độ cứng và độ bền so với các vật liệu phục hồi khác Phục hình sứ-kim loại được làm với sườn (lõi) kim loại đúc (alloy casting coping) cũng chứng tỏ sự bền vững và thẩm mỹ
Đối với sườn kim loại được sử dụng làm nền cho sứ, công nghệ lá kim loại (metal foil) cũng được sử dụng thay cho sườn đúc Các lớp lá kim loại được ép nóng (swage) trên dye và xử
lý nhiệt trên lửa gas để làm tăng độ bền trước khi đắp sứ Quá trình này tuy tránh được việc phải tạo mẫu sáp nhưng phải tạo khuôn chịu lửa (refractory mold), nấu chảy và đúc kim loại vào khuôn, cũng cần nhiều thời gian để ép nóng và chỉnh sửa sườn kim loại Hơn nữa, bề mặt các lớp
kim loại để đắp sáp còn có những vùng tích tụ ứng suất (stress concentration areas) có thể làm
giảm độ bền của phục hình Tuy vậy, kỹ thuật này cho phép tạo những lõi kim loại có độ dày chỉ khoảng 100 µm hoặc mỏng hơn, do đó có thể giúp tiết kiệm mô răng và tăng độ dày của lớp sứ, nhờ đó tăng tính thẩm mỹ
Công nghệ CAD-CAM được sử dụng trong nha khoa để thiết kế (computer-aided
designing) kích thước và hình dáng của phục hồi, và chế tạo (computer-aided machining) phục hồi bằng sứ từ các khối sứ (ceramic block) hoặc các chi tiết kim loại khó đúc: titanium và hợp kim titanium
Công nghệ mài: trong phương pháp này, người ta không dùng công nghệ đúc để thực hiện
mão toàn kim loại hoặc sườn kim loại Quá trình mài bản sao (copy milling process) gồm tạo www.hoangtuhung.com
Trang 3mặt ngoài và lấy bỏ phần lõi để tạo bề mặt bên trong căn cứ theo bề mặt của dye chính đã được ghi lại trong computer
Tuy vậy, phương pháp nấu chảy và đúc hợp kim vẫn là phương pháp được sử dụng phổ
biến nhất cho các quá trình làm việc ngoài miệng Phương pháp đúc cổ điển gồm việc tạo một khoảng trống do mẫu sáp đã được lấy đi, thay thế bằng hợp kim Mẫu sáp được tạo trên mẫu hàm được đổ từ dấu trong miệng, sau đó dược bao lại bằng vật liệu tạo khuôn (mold material) gọi là
bột đúc hay bột bao (investment) Bột đúc là hỗn hợp của nước, silica và chất gắn (binder) gồm
thạch cao (calcium sulphate hemihydrate), magnesium ammonium phosphate, ethyl silicate Sau khi vữa bột đúc (investment slurry) cứng, sáp được đốt cháy khỏi khuôn đúc, kim loại nóng chảy được đúc vào khoảng trống trong khuôn đúc dưới áp lực hoặc lực ly tâm
Nhiều lưu ý về kỹ thuật được đưa ra, phụ thuộc vào hiểu biết về hợp kim Trong khoảng 20 năm trở lại đây, đã có nhiều tiến bộ trong lãnh vực này Do có nhiều loại hợp kim khác nhau, bác sĩ cần biết lựa chọn cho những chỉ định khác nhau: nhựa-kim loại, sứ-kim loại, toàn kim loại… Kỹ thuật viên cũng cần hiểu biết hơn về các loại hợp kim, vì nhiều bác sĩ không rõ lợi ích cũng như bất lợi của các hệ thống hợp kim trong các ứng dụng cụ thể khác nhau Như vậy, sự liên hệ giữa bác sĩ
và kỹ thuật viên là điều quan trọng cho sự lựa chọn
2.1 Các phân loại hợp kim trong nha khoa
2.1.1 Năm 1932, Ban vật liệu nha khoa tại Văn phòng quốc gia về tiêu chuẩn Hoa kỳ (dental
materials group at National Bureau of Standards) đã phân loại đại thể thành bốn typ:
• Typ I: mềm, Vickers hardness number (VHN) từ 50 – 90
• Typ II: trung bình, VHN từ 90 – 120
• Typ III: cứng, VHN từ 120 – 150
• Typ IV: rất cứng, VHN ≥ 150
Phân loại của American Dental Association (ADA), gồm bốn loại: từ typ I đến IV như trên
chỉ áp dụng cho hợp kim vàng
Trong nửa cuối thế kỷ XX, nhiều hợp kim thường đã phát triển, thay thế cho hợp kim quí ở nhiều lãnh vực Hầu hết hàm khung cũng như các phục hồi mão, cầu được làm từ hợp kim thường,
2.1.2 Năm 1984, ADA đưa ra một phân loại đơn giản dựa trên cơ sở thành phần kim loại quí
Đối với hợp kim nha khoa
Hệ thống này phân loại thành các hợp kim rất quí (high noble: HN); quí (noble: N) và
thường (predominantly base metal: PB) (được nêu trong bảng 20-1) Phân loại hợp kim nha
khoa theo thành phần kim loại quí cần để ước lượng giá của phục hồi, cần cho bác sĩ, kỹ thuật viên, bệnh nhân và cơ quan bảo hiểm
TABLE 20 -1 Phân loại hợp kim nha khoa của ADA 1984 (Alloy Classification of the
American Dental Association (1984))
Typ hợp kim Tổng lượng kim loại quí trong thành phần (theo khối
lượng)
Rất quí (HN)
Quí (N)
Thường (PB)
≥ 40 wt% Au & ≥ 60 wt% nguyên tố kim loại quí (Au + Ir + Os + Pd + Rh + Ru)
≥ 25 wt% nguyên tố kim loại quí
< 25 wt% nguyên tố kim loại quí
Từ “hợp kim bán quí” (precious, semipreciuos) không nên dùng vì không chính xác
Các kỹ thuật viên thường dùng từ “bán quí” để chỉ các hợp kim có nền là palladium hoặc bạc Các hợp kim có >50% khối lượng paladium, bao gồm Pd-Ag, Pd-Cu, Pd-Co, Pd-Ga-Ag, Pd-Au, Pd-Au-Ag được gọi là quí Từ quí cũng được dùng cho hợp kim Ag-Pd nếu chứa >25% www.hoangtuhung.com
Trang 4palladium và các kim loại quí khác Các hợp kim rất quí và quí thường được đóng gói và tính giá theo các lô 1, 2, hoặc 20 dwt (pennyweight)∗
2.1.3 Từ 1989, phân loại vẫn gồm bốn typ đã đưa thêm tất cả các hợp kim đúc đáp ứng đòi hỏi
các test về độc tính, đổi màu, giới hạn chảy dẻo, phần trăm dãn dài (Bảng 20-2 cho thấy bên
cạnh độ cứng, giới hạn chảy dẻo và % dãn dài là cơ sở của phân loại này)
Bảng 20 -2 Đòi hỏi về đặc tính cơ học của hợp kim (Mechanical Property Requirements of
American Dental Association Specification No.5)
Typ hợp kim
Giới hạn chảy dẻo (MPa) (độ lệch 0,1%)
sau ủ sau làm cứng
Dãn dài tối thiểu (%)
sau ủ sau làm cứng
I (mềm)
II (trung bình)
III (cứng)
IV (rất cứng)
Tối đa 140 không
140 – 200 không
200 – 340 không
≥340 500
18 không
19 không
12 không
10 2
• Typ I: mềm, cho những phục hồi ít chịu lực: inlay
• Typ II: trung bình, phục hồi chịu lực trung bình: onlay
• Typ III: cứng, cho những phục hồi chịu lực: onlay, mão, các cầu ngắn
• Typ IV: rất cứng, cho những phục hồi chịu lực cao: chốt ống tủy, mão veneer mỏng, cầu dài, khung
Theo phân loại 4 typ cua ADA và tu chỉnh năm 1989, 4 typ hợp kim để làm phục hồi toàn
kim loại và mặt dán nhựa được sắp xếp, dựa theo đặc tính (chứ không theo thành phần) như sau:
• Typ I: mềm, VHN từ 50 – 90, cho những phục hồi ít chịu lực: inlay
• Typ II: trung bình, VHN từ 90 – 120, phục hồi chịu lực trung bình: onlay, mão ¾ dày, cùi răng, pontic, mão đầy
• Typ III: cứng, VHN từ 120 – 150 cho những phục hồi chịu lực cao: onlay, mão, các cầu ngắn, mão ¾ mỏng, các pontic và cùi nhỏ, nền hàm
• Typ IV: rất cứng, VHN ≥ 150 cho những phục hồi chịu lực rất cao: chốt ống tủy, mão veneer mỏng, cầu dài, khung và các thanh ngang của khung
Loại I và II thường còn được gọi là “hợp kim inlay”, loại III và IV còn được gọi là
“hợp kim mão và cầu”
2.1.4 Năm 2003, Hội đồng khoa học của ADA đã xem xét lại sự phân loại, bao gồm thêm
titanium như một mục riêng trong nha khoa Titanium là một trong những kim loại có tính tương
hợp sinh học cao nhất trong các ứng dụng nha khoa và có ứng dụng rộng với đặc tính tương tự kim loại quí
Ngoài các phân loại chính thức nêu trên, còn cần chú ý hai cách phân biệt sau:
2.2 Phân biệt hợp kim nha khoa
Do có nhiều loại hệ thống hợp kim để lựa chọn, cần phải xem xét theo chỉ định áp dụng
và thành phần của hợp kim
2.2.1 Phân biệt loại các hợp kim theo chỉ định: Bảng 20-3 liệt kê các loại hợp kim theo chỉ
định áp dụng đối với mão toàn kim loại, kim loại-sứ và hàm khung Cần chú ý là hợp kim dùng
∗ 1troy ounce = 20 pennyweight
www.hoangtuhung.com
Trang 5cho phục hình sứ-kim loại có thể dùng cho toàn kim loại nhưng không phải là ngược lại Nguyên
nhân chính là do hợp kim không thể tạo một lớp oxid mỏng và ổn định để liên kết với sứ, độ
nóng chảy có thể thấp nên gây biến dạng lún hoặc bị chảy ở nhiệt độ thiêu kết (nung) sứ, độ dãn
nở nhệt cũng không tương thích với sứ
Bảng 20-3 Phân loại hợp kim để làm phục hình toàn kim loại, sứ-kim loại, hàm khung
(Classification of Alloys for All-Metal Restorations, Metal-Ceramic Restorations, and
Frameworks for Removable Partial Dentures)
Rất quí
Quí
Thường
Au-Ag-Cu-Pd Hợp kim cho sứ-kim loại
Ag-Pd-Au-Cu Ag-Pd
Hợp kim cho sứ-kim loại
Ti nguyên chất Ti-Al-V Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W Al-đồng thiếc
Au-Pt-Pd Au-Pd-Ag (5-12 wt% Ag) Au-Pd-Ag (>12 wt% Ag) Au-Pd
Pd-Au Pd-Au-Ag Pd-Ag Pd-Cu Pd-Co Pd-Ga-Ag
Ti nguyên chất Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W
Au-Ag-Cu-Pd
Ag-Pd-Au-Cu Ag-Pd
Ti nguyên chất Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W
2.2.2 Phân biệt hợp kim bằng các nguyên tố chính
Khi phân biệt hợp kim theo thành phần, người ta xếp theo trình tự giảm dần, từ thành phần
chiếm nhiều nhất rồi đến các thành phần khác Các bảng 20-3, 20-7 và 20-8 sắp xếp theo trình tự
này Ngoại lệ cho sự sắp xếp là khi có thành phần ảnh hưởng nhiều đến đặc tính hoặc ảnh hưởng
đến tính tương hợp sinh học của vật liệu hoặc cả hai Thí dụ, hợp kim
nickel-chromium-molybdenum-beryllium thường được gọi là hợp kim nickel-chromium-beryllium vì beryllium
vừa góp phần quan trọng đối với tính dễ đúc và kiểm soát sự tạo thành lớp oxid ở nhiệt độ cao
nhưng có độc tính so với các kim loại khác Molybdenum (Mo), tungsten (W) thường có nhiều
hơn beryllium để làm giảm hệ số dãn nở nhiệt
2.3 Các kim loại dùng trong hợp kim nha khoa
Trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có tám kim loại quí: vàng, các kim loại nhóm
platinum (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium) và bạc Tuy vậy, trong
môi trường miệng, bạc khá hoạt động nên không được coi là kim loại quí Các kim loại quí
thường được dùng trong hợp kim làm inlay, onlay, mão, cầu, sứ-kim loại Chúng là những hợp
kim ít bị đổi màu và ăn mòn Từ “kim loại quí” chỉ có nghiã tương đối Trong số bảy kim loại
quí, chỉ có vàng, palladium và platinum đóng vai trò quan trọng trong các hợp kim nha khoa
www.hoangtuhung.com
Trang 62.3.1 Karat và Fineness
Karat (carat) dùng để chỉ phần của vàng nguyên chất có trong 24 phần của một hợp kim
Thí dụ: vàng 24 karat là vàng nguyên chất, vàng 22 karat là hợp kim chứa 22 phần vàng nguyên chất và 2 phần kim loại khác
Fineness dùng để mô tả hợp kim có vàng bằng số phần vàng trên 1000 Thí dụ: vàng
nguyên chất có fineness 1000; hợp kim 650 chứa 65% vàng Như vậy, thang đo fineness chính là bằng 10 lần của thang đo % Trong thí dụ trên, 650 fine alloy có 65% vàng nguyên chất
Trong thực tế, fineness được coi là thực tế hơn karat, nhưng nói chung, không được dùng
phổ biến trong hợp kim nha khoa Bảng 20-4 trình bày phân loại hợp kim vàng theo karat và
fineness
Bảng 20-4 Các hợp kim vàng phân loại theo karat và fineness (Gold alloys commonly use
karat and fineness classifications)
100 24 1000
75 18 750
58 14 583
42 10 420
2.4 Hợp kim kim loại thường (hợp kim thường)
Là những hợp kim chứa ≥ 75% khối lượng là các nguyên tố kim loại thường hoặc < 25% khối lượng là kim loại quí Kim loại thường (base metal) là thành phần “không có giá trị” của hợp kim đúc nha khoa, vì chúng rẻ và thường có mức phản ứng cao với môi trường Tuy vậy, chúng có ảnh hưởng đến khối lượng riêng, độ bền và độ cứng, cũng như tạo thành lớp oxid (điều này lại rất cần cho phục hồi kim loại-sứ); cũng có một vài kim loại thường có thể dùng để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn bằng cách thụ động hóa (passivation)) Kim loại thường có mặt trong thành phần hợp kim nha khoa khá phong phú: bạc, nickel, chromium, nhôm, đồng, kẽm, indium, thiếc, gallium, molybdenium, beryllium, tungsten…
Từ “hợp kim chủ yếu là kim loại thường” (predominantly base metal alloys) được dùng
là do trước trước đây, trong hợp kim loại này, có một lượng nhỏ palladium Ngày nay, các từ
“hợp kim kim loại thường, hợp kim thường và hợp kim chủ yếu kim loại thường” được dùng đồng nghĩa Theo trình tự thời gian, có ba loại hợp kim thường đã được sử dụng trong nha khoa:
Hợp kim thép không rỉ (stainless steel alloys)
Hợp kim nickel-chrome (nickel-chrome alloys)
Hợp kim cobalt-chromium (cobalt-chromium alloys)
Titanium và các hợp kim titanium, nickel-titanium siêu đàn hồi (super-elastic) sẽ được trình bày trong một bài riêng
3.1 Sự co đúc (casting shrinkage)
Hầu hết kim loại, hợp kim, kể cả vàng, co lại khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn Đây là điểm quan trọng đối với nha khoa Thí dụ, nếu khuôn đúc vừa vặn với mẫu đúc, vật đúc sẽ nhỏ hơn so với mẫu do bị co lại
Sự co diễn ra theo ba giai đoạn:
• Co do nhiệt độ của kim loại lỏng từ nhiệt độ nóng chảy đến khuôn đúc, giai đoạn này không ảnh hưởng đến vật đúc vì khi kim loại co lại trong khuôn đúc, kim loại nóng chảy tiếp tục chảy vào để bù trừ
• Co của kim loại trong quá trình thay đổi từ lỏng sang rắn
• Co do nhiệt độ của kim loại từ khi rắn đến nhiệt độ thường
www.hoangtuhung.com
Trang 7Độ co đúc của một số hợp kim được ghi trong bảng 20-6 sự co khác nhau của các hợp
kim là do thành phần của chúng Platinum, palladium, đồng làm giảm độ co đúc; vàng nguyên chất co nhiều, xấp xỉ độ co dãn vì nhiệt
Nói chung, độ co đúc ít hơn độ co tuyến tính vì nhiệt (linear thermal shrinkage), điều này
có vẻ bất hợp lý vì hai suy luận giả định sau:
- Khi khuôn đúc được lấp đầy kim loại lỏng, kim loại sẽ đặc lại bắt đầu ở thành khuôn do nhiệt độ của khuôn thấp hơn nhiệt độ kim loại nóng chảy
- Trong giai đoạn cứng đầu tiên, lớp kim loại cứng sát với thành khuôn còn yếu, và
nó có khuynh hướng dính vào thành khuôn cho đến khi đủ độ cứng Khi kim loại
đủ cứng để co một cách độc lập với khuôn, nó tiếp tục co do giảm nhiệt độ cho đến nhiệt độ phòng
Tuy vậy trên thực tế, sự co do nhiệt độ của lớp kim loại yếu đầu tiên được hạn chế do sự dính cơ học vào thành khuôn, trong quá trình này, nó thường bị căng do thâm nhập vào bột đúc, như vậy, sự co trong quá trình hóa rắn được giảm thấp, mặt khác, sự co toàn bộ do nhiệt cũng được hạn chế Như vậy, sư co đúc ít hơn sự co nhiệt Do sự co nhiệt từ khi kim loại rắn đến nhiệt
độ phòng đóng vai trò lớn trong độ co đúc, hợp kim có độ nóng chảy cao hơn có khuynh hướng
co nhiều hơn, điều này cần được bù trừ trong kỹ thuật đúc
Bảng 20-6 Độ co tuyến tính khi hóa rắn của hợp kim đúc (Linear Solidification Shrinkage of
Casting Alloys)
Typ I, hợp kim vàng
Typ II, hợp kim vàng
Typ III, hợp kim vàng
Ni-Cr-Mo-Be
Co-Cr-Mo
1.56
1.37 1.42 2.3 2.3
1.2 Tính chất vật lý
Các tính chất vật lý quan trọng của các hợp kim rất quí và quí được nêu ở bảng 20-5, của các hợp kim thường trong Bảng BBB Những bảng tương tự cũng được các nhà sản xuất cụ thể
cung cấp
Khoảng nóng chảy là nhiệt độ cơ sở của việc đúc, giới hạn trên là trạng thái liquidus
(lỏng) Như vậy, đòi hỏi tăng 75º C đến 150 º C (150 - 300 ºF) để đạt được nhiệt độ đúc đúng Giới hạn dưới của khoảng nóng chảy có thể dùng để ước lượng nhiệt độ hàn tối đa Các hợp kim dùng cho sứ-kim loại cần có khoảng nóng chảy cao để giữ được trạng thái cứng trong quá trình thiêu kết sứ, tránh hiện tượng biến dạng lún Mặt khác, các hợp kim từ typ I đến typ IV cần có
nhiệt độ nóng chảy (fusion temperature) thấp khi được dùng với các phương pháp đúc cổ điển
hoặc bột đúc thuộc loại thạch cao Chênh lệch rộng của khoảng nóng chảy cũng cần chú ý vì
khoảng này càng rộng, càng có xu hướng tạo thiên tích dạng nhánh cây (coring) trong quá trình
hóa cứng1
Thể tích riêng (specific volume) tính bằng (cm3/g) có liên hệ tương hỗ với khối lượng riêng (mật độ: specific density), là một chỉ tố của trung bình số đơn vị có thể đúc từ một đơn vị khối lượng hợp kim Tỷ số của mật độ tối đa trong các bảng (thí dụ từ 10, 7 đến 18, 3 đối với hợp kim-sứ) chỉ ra rằng nhiều vật đúc tương đương có thể đúc từ các hợp kim mật độ thấp hơn là
từ các hợp kim có mật độ cao (trong thí dụ này là trên 70%)
Giới hạn chảy dẻo (yield strength), giới hạn tỷ lệ (proportional limit), giới hạn đàn hồi
(elastic limit) về cơ bản cùng phản ánh một đặc tính, đó là khả năng của một hợp kim trước các lực cơ học mà không bị biến dạng vĩnh viễn Nói chung, giới hạn chảy dẻo tăng dần từ typ I đến typ IV Làm cứng theo thời gian có thể làm tăng giới hạn chảy dẻo lên đến 100%
1 Thiên tích dạng nhánh cây xảy ra trong xử lý nhiệt, khi hợp kim dược làm lạnh trong điều kiện không cân bằng, lớp bên ngoài của vật liệu vẫn còn nhiều nguyên tố có độ nóng chảy cao hơn Các nhánh bên ngoài có thành phần hợp kim khác với phần bên trong
www.hoangtuhung.com
Trang 8Độ cứng (hardness) của hợp kim quí tỷ lệ thuận với giới hạn chảy dẻo Độ cứng dùng để
chỉ sự thích hợp của một hợp kim đối với một chỉ định lâm sàng cho trước
Độ dãn dài (elongation) là số đo độ dễ uốn hay mức độ biến dạng dẻo của một hợ p kim cĩ thể
vượt qua trước khi gãy Độ dãn dài cần thiết là địi hỏi cơ bản trong trường hợp cần cĩ sự biến dạng trong lâm sàng Làm cứng theo thời gian làm giảm độ dãn dài Hợp kim cĩ độ dãn dài thấp dễ bị gãy
vì dịn
Hầu hết hợp kim Ni-Hầu hết hợp kim Ni-Cr sử dụng làm mão răng và các phục hồi cố định từng phần chứa từ 61% - 81% Ni, 11% - 27% Cr, 2%- 5% Molypđen (theo trọng lượng) Thành phần điển hình một số hợp kim được sử dụng trước đây (vài loại đến nay vẫn còn sử dụng) cho các phục hồi sứ có sườn kim loại được cho ở bảng 20-8 Trong hợp kim, Crôm rất cần thiết để cung cấp sự oxi hóa chống gỉ và kháng mòn Những công thức hợp kim khác như Cr-Co và Fe-Cr Các hợp kim này có thể chứa 1 hay nhiều những nguyên tố sau: Al, Beri, Bo, Co, đồng, Xeri, Gali, Sắt, Mn, Niobi, thiếc, Titan, Ziriconi Những hợp kim Co-Cr điển hình chứa 53%- 67% Co, 25%-32% Cr, 2%- 6% Molupđen (theo trọng lượng) Những hợp kim không quý nóng chảy ở nhiệt độ cao, bột đúc sử dụng cho hợp kim này phải có chất kết dính là photphat hay silica Thêm vào đó, phải sử dụng nguồn nhiệt cao khi đúc Quan trọng hơn là bù trừ sự co rút của vật đúc đòi hỏi ở nhiệt độ cao để đạt được sự khít sát chấp nhận trên lâm sàng Gần đây, những hợp kim Ti-Al-V và Titan nguyên chất được đưa vào thực hiện những phục hồi sứ sườn kim loại
So sánh với hợp kim vàng loại IV đã được ADA chứng nhận, những hợp kim của Co, Ni và Titan nguyên chất có đặc điểm là giá thành và tỷ trọng thấp hơn, độ cứng cao hơn, môđun đàn hồi cao hơn và có thể so sánh được khả năng kháng mờ và kháng mòn trên lâm sàng
Bảng 20-5 Đặc tính lý học của một số hợp kim kim loại quí nha khoa hiện đại (Physical
Properties of Some Modern Noble Metal Dental Alloys)
Typ Nguyên tố
chính
Khoảng nĩng chảy
Khối lượng riêng (g/cm3)
Giới hạn chảy dẻo ≠
(MPa) (psi)
Độ cứng (VHN)
Độ dãn dài% hợp kim
943-960 o C (1730-1760 o F) 924-960 o C (1695-1760 o F) 924-960 o C (1710-1760 o F) 843-916 o C (1550-1680 o F) 1021-1099 o C (1870-2010 o F) 921-943 o C (1690-1720 o F) 871-932 o C (1600-1710 o F) 930-1021 o C (1705-1870 o F) 1271-1304 o C (2320-2380 o F) 1232-1304 o C
Rất quí
Rất quí
Rất quí
I
II
III
IV
S
16.6 103 (15,000)
186 (27,000)
207 (30,000) H275 (H40,000)
241 (35,000) H586 (H85,000)
262 (38,000) H323 (H47,000)
275 (40,000) H493 (H71,000)
372 (54,000) H720 (H104,000)
434 (63,000) H586 (H85,000)
572 (83,000)
462 (67,000)
80 101
121 H182 138 H213 143 H154 149 H264 186 H254 180 H270 220 189
36 15.9
15.5 12.8 10.6 15.2 13.6 11.3
39 H19
H13 Ag-Pd Quí
Rất quí
Rất quí
10 H8
Quí
ứ-kim loại
35 H7 38 H2 10 H6 20 20 www.hoangtuhung.com
Trang 9*Màu trắng
+Màu vàng
≠H: Làm cứng theo thời gian (các số liệu khác là trong điều kiện xử lý nhiệt làm mềm)
VHN: Vickers hardness number
Bảng BBB Tính chất vật lý và cơ học của hợp kim thường
Physical and mechanical properties of dental metal materials
Alloy Condition Tensile strength
(MPa)
Yield strength (MPa)
Elastic modulus (GPa)
Elongation (%)
Density (g/cm 2 )
316 wire
As received 2275-2351 1955-2070 185-191
896-1014 790-827 167-200 20-25 7.9-7.95
Co- Cr-Mo
Casting 655-889 390-644 155-240 1.5-10 8.5 Co-Ni-Cr-Mo Wrought/Annealed 795-1007 240-655 232 50-70 9.2
Ti – 6A1 -4V- ELI Annealed 860-1076 520-896 110-116 10-15 4.43-4.5
+ Rất quí Quí
(2250-2380 o F) 1149-1177 o C (2100-2150 o F) 1155-1320 o C (2111-2375 o F)
18.3 10.6-11.5
450 (65,300) 476-685 (68,000-95,000)
182 235-270
5 10-34
www.hoangtuhung.com
Trang 10Ti- 6A1-7Nb
Ti- 15Mo Annealed Annealed/aged 978-1024 874 913 544 105 78 4.52 4.96
Abbreviations: ELI, extra low interstitial; Gpa, gigapascal; Mpa, megapascal
3.2 Xử lý nhiệt các hợp kim rất quí và quí
Các hợp kim vàng có thể làm cứng đáng kể nếu chứa một lượng đồng nhất định Typ I và
II không thể làm cứng hoặc cứng thêm ít hơn so với typ III, IV Cơ chế của sự cứng lên là do
nhiều tác động của sự chuyển dạng trạng thái rắn (solid-state transformation), quá trình này cần
thời gian và nhiệt độ
Những hợp kim có thể làm cứng hơn được thì cũng có thể làm mềm hơn được Theo thuật
ngữ luyện kim, việc xử lý nhiệt gồm xử lý nhiệt làm mềm (softening heat treatment), xử lý nhiệt
làm cứng (hardening heat treatment) gọi là làm cứng theo thời gian (age-hardening treatment)
1.2.1 Xử lý nhiệt làm mềm
Vật đúc được đặt trong lò điện ở nhiệt độ 700º C trong 10 phút, sau đó làm nguội nhanh (quench) trong nước Trong quá trình này, tất cả các pha trung gian có thể đã thay đổi thành các
dung dịch rắn hỗn độn (disordered solid solution), việc làm nguội nhanh làm quá trình lập lại trật
tự không thực hiện được Các đặc tính về độ bền kéo, giới hạn tỷ lệ (proportion limit) và độ cứng
giảm nhưng tính dễ kéo sợi (dễ uốn: ductility) tăng lên
Xử lý nhiệt làm mềm được chỉ định cho những cấu trúc sử dụng trong miệng hoặc ngoài miệng, đã định dạng hoặc gia công nguội (cold working) Mặc dù 700º C là nhiệt độ trung bình
làm mềm, mỗi nhà sản xuất thường có chỉ dẫn cụ thể về nhiệt độ và thời gian
1.2.2 Xử lý nhiệt làm cứng
Xử lý nhiệt làm cứng có thể được thưc hiện theo nhiều cách Một trong những cách thường dùng nhất là “thấm” (nung khử co: “soaking”), hay làm cứng theo thời gian ở nhiệt độ và thời
gian thích hợp Thường là khoảng 15 – 30 phút, trước khi nó được làm nguội nhanh trong nước
Nhiệt độ làm cứng theo thời gian của hợp kim tùy thuộc thành phần, thường khoảng 200º - 400º
C, thời gian do nhà sản xuất qui định
Trước khi hợp kim được làm cứng theo thời gian, nó cần được xử lý nhiệt làm mềm để làm
dịu các lực hoá cứng do biến dạng (strain hardening), nếu còn các lực này, và hợp kim được làm
cứng khi còn là dung dịch rắn hỗn độn, quá trình này sẽ không thể kiểm soát đúng, do sự tăng
lên của sức bền, giới hạn tỷ lệ, độ cứng và giảm tính dễ uốn được quyết định bởi lượng chuyển
dạng trạng thái rắn cho phép Sự chuyển dạng này, ngược trở lại, được kiểm soát bởi nhiệt độ và
thời gian của quá trình xử lý nhiệt làm cứng theo thời gian
Do giới hạn tỷ lệ được tăng lên trong quá trình làm cứng theo thời gian, sự tăng của modun năng lượng đàn hồi (suất biến dạng đàn hồi: modulus of resilience) có thể đạt được Làm cứng
theo thời gian được chỉ định cho hàm khung, yên, cầu, và các cấu trúc tương tự Đối với các chi
tiết nhỏ, như inlay, làm cứng không được đặt ra
www.hoangtuhung.com
