Изменения свойств сплавов на различных технологических этапах

Изготовление любого зубного протеза, ортопедического аппарата представляет собой сложный технологический про­цесс, в ходе которого материал подверга­ется различным механическим, термиче­ским и химическим воздействиям. В ре­зультате в материале происходят слож­ные структурные превращения, изменя­ются физико-химические свойства. Зна­ние механизма и сущности указанных процессов дает возможность управлять ими, регулировать и использовать в же­лаемом направлении.

Изменяя режим технологического про­цесса, можно из одного сплава получать изделия с различными свойствами. В свою очередь, изменение свойств спла­вов приводит к необходимости изменения приемов работы с ними, например, при обработке резанием, штамповке ит.д. Наиболее заметные изменения структуры и физико-химических свойств сплавов наблюдаются при литье, обработке давле­нием, термической обработке, паянии.

Литье. Для изготовления литых дета­лей при изготовлении зубных протезов

используют различные материалы: спла­вы на основе золота, нержавеющую сталь, кобальто-хромовые и др. Выбор материала в каждом конкретном случае определяется требованиями врача, предъявляемыми к готовой конструк­ции, а также прочностными и технологи­ческими свойствами материала.

Физико-механические, химические и технологические свойства сплава опре­деляются его составом, структурой и ха­рактером связи компонентов. Четкая структура сплава формируется при крис­таллизации из расплава. Расплавленный металл заполняет литейную форму и по­степенно затвердевает с образованием кристаллической решетки. Этому сопут­ствует некоторое уменьшение объема от­ливки или усадки.

Затвердевание всегда начинается с по­верхности. Кристаллы растут и распола­гаются перпендикулярно к охлаждаемой поверхности. Скорость затвердевания в утолщенных местах отливки меньше, чем в тонких сечениях, где металл затвер­девает раньше. Расплавленный металл оттягивается к участкам с более быстрой кристаллизацией и дает там более мелко­кристаллическую структуру. В утолщен­ных местах образуется крупнозернистая структура. Вследствие недостатка метал­ла в них могут образоваться усадочные раковины, возникающие обычно в верх­ней части отливки. Усадка металла может привести к внутренним напряжениям в отдельных частях отливки.

Усадочные раковины, внутренние на­пряжения, крупнозернистая структура сплава ухудшают механические показа­тели и антикоррозионные свойства. Борьба с этими нежелательными явлени­ями ведется в различных направлениях: 1) введение в состав сплава добавок, спо­собствующих образованию мелкокрис­таллической структуры; 2) соблюдение температурного режима плавки и скоро­сти охлаждения; 3) создание депо метал-

Глава 15. Основные конструкционные материалы

ла в питательных муфтах за пределами отливки.

Если в расплавленном состоянии сплав является однородным, то при кристалли­зации в отдельных частях отливки или от­дельных зернах его возникает неоднород­ность, ликвация. Она обусловлена тем, что кристаллизация компонентов сплава происходит неодинаково. В сплавах типа твердого раствора, к которым относятся сплавы золота, нержавеющая сталь, ко-бальто-хромовый сплав и др., один из на­иболее тяжелых компонентов вследствие разности плотностей отделяется от основ­ной массы, находящейся в жидком состо­янии. Этот процесс зависит от скорости охлаждения и типа сплава.

Ликвацию можно уменьшить, пони­жая температуру нагрева, увеличивая скорость заливки металла и замедляя его охлаждение. Этому способствуют добав­ки к сплавам металлов, придающие им мелкокристаллическую структуру (ни­кель для нержавеющей стали, молибден для кобальто-хромового сплава). Ликва­ция снижает прочностные свойства, уменьшает пластичность, снижает кор­розионную стойкость сплава.

В процессе литья необходимо обеспе­чить удаление из литейной формы возду­ха, влаги и газа, выделяющегося из жид­кого металла. Для этого форма должна быть газопроницаемой. При недостаточ­ном удалении газа в отливке образуются газовые раковины.

На свойства отливки большое влияние оказывает температурный режим, при котором происходит плавка. Каж­дый металл или сплав имеет определен­ную точку плавления. При литье допус­кается некоторый перегрев металла, од­нако температура не должна превышать 100—150°С. В этом температурном режи­ме металл имеет повышенную жидкоте-кучесть. Дальнейшее увеличение нагрева приведет к значительному поглощению газов и в последующем к образованию

газовых раковин. Структура металла по­лучится более прочной, если плавка ве­дется быстро, без перегрева металла. При медленной плавке происходит выго­рание (вследствие окисления) компо­нентов, имеющих более низкую точку плавления. Это приводит к изменению сплава.

Для предупреждения образования вну­тренних напряжений, трещин рекомен­дуется охлаждение отливок проводить медленно. Это особенно важно для дета­лей сложных конфигураций. Для снятия внутренних напряжений, получения мел­козернистой структуры и улучшения ме­ханических свойств отливки можно под­вергать термообработке. Этот процесс для стальных сплавов заключается в мед­ленном нагреве отливки в муфельной пе­чи до температуры около 800°С, выдер­живании в нагретом состоянии, медлен­ном охлаждении до 400—45()°С и последу­ющем остывании на воздухе.

Физико-механические характеристи­ки сплавов в определенной степени зави­сят от содержания в них углерода. Одна­ко не все методы плавки позволяют со­хранить его стабильное содержание. Так, при плавке открытым пламенем электро­дугой или ацетилен-кислородным пла­менем содержание углерода в сплавах может повыситься до 0,4% сверх нормы, что приводит к повышению хрупкости и твердости. Стабильность в содержании углерода наблюдается при плавке в высо­кочастотных установках, которым следу­ет отдавать предпочтение.

Обработка металлических сплавов дав­лением. Обработка давлением возможна для металлов, обладающих пластичнос­тью. Она основана на свойстве изменять первоначальную форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять новую форму после снятия нагрузки. Об­работку давлением обычно проводят для получения из заготовок изделий более сложной формы. К обработке металлов

Раздел II. Материалы, применяемые для изготовления пластиночных протезов при полной утрате зубов

давлением относятся ковка, штамповка, прокатка, вытяжка и др.

Ковкой называют процесс последова­тельной деформации металла под ударами молота, совершающего возвратно-посту­пательные движения, при этом изменение формы изделия не ограничивается каки­ми-либо строгими пределами. Так, неко­торые детали зубных протезов или вспо­могательные приспособления из металла могут подвергаться ковке на зуботехниче-ской наковальне ударами молотка.

Штамповка отличается от ковки тем, что деформируемый металл придавлива­ется к стенкам заранее приготовленной формы, при этом форма полностью и точно определяет конфигурацию изго­тавливаемого изделия. В зуботехниче-ских лабораториях методами наружной и внутренней штамповки изготавливают гильзы, коронки, каппы и другие части съемных и несъемных протезов.

Прокаткой называют процесс обжатия металла двумя вращающимися валками прокатного устройства. Прокаткой в промышленности изготавливают лис­ты, трубы, рельсы и т.п. В зубопротезной практике используют прокатные вальцы для получения изделий плоского профи­ля из металлических слитков.

Волочение представляет собой процесс протягивания металлического прутка че­рез отверстие в матрице, имеющее мень­ший размер поперечного сечения, чем аналогичный размер исходного прутка. Волочение используют для получения проволоки разных сечений.

Пластическая деформация металлов вызывает сложный процесс структурной перестройки. В кристаллических зернах происходят сдвиги в связи с пластичес­ким смещением отдельных кристаллов. Зерна могут дробиться на более мелкие части, поворачиваться и вытягиваться; возникают взаимные смещения зерен.

Деформируемый металл, оставаясь постоянным в объеме, течет в сторону

наименьшего сопротивления. Течение металла начинается в то время, когда на­пряжения в плоскости сдвига достигают определенных для данного металла вели­чин, зависящих от свойств металла и ус­ловий деформации (например, холодный или горячий металл). Холодная пласти­ческая деформация сопровождается об­разованием волокнистой микрострукту­ры металла, кристаллические зерна вы­глядят вытянутыми.

Физико-механические свойства ме­талла при этом изменяются: увеличива­ется твердость, прочность, резко снижа­ется пластичность. Такое состояние но­сит название наклеп. Наклеп при холод­ной обработке давлением не позволяет производить дальнейшую деформацию металла во избежание его разрушения.

Перечисленные виды пластической деформации и наклеп, сопровождающий эти процессы, используют в ряде случаев для упрочнения металлических изделий наряду с цементацией (насыщение по­верхности изделий углеродом), азотиро­ванием (насыщение азотом), цианирова­нием (насыщение азотом и углеродом), хромированием и т.д.

Термическая обработка. Термическая обработка сплавов проводится с целью изменения их структуры и свойств в же­лаемом направлении. Термическая обра­ботка обычно состоит из нагрева до оп­ределенной температуры, выдержки на­гретого металла при этой температуре и охлаждения.

В основе термической обработки ле­жат сложные процессы внутриструктур-ных преобразований. Так, при нагрева­нии стали выше 730°С ее структура нач­нет превращаться в аустенитную. При различных скоростях охлаждения можно получить стали с различными физико-механическими свойствами и структура­ми: очень твердые (мартенсит), умеренно твердые (троосит и сорбит) и относи­тельно мягкие (перлит). Основное отли-

Глава 15. Основные конструкционные материалы

чие этих структур заключается в характе­ре связи углерода с железом и другими компонентами (карбиды, твердый рас­твор, смешанные формы).

Термическую обработку применяют также для устранения наклепа, возника­ющего в процессе обработки сплавов дав­лением (ковка, штамповка, прокатка, во­лочение и т.п.). В этом случае при опреде­ленных режимах нагрева происходит процесс восстановления деформирован­ной кристаллической структуры сплава или его рекристаллизация. В сплаве исче­зают внутренние напряжения, искажения кристаллической решетки, восстанавли­ваются физико-механические свойства (М.Т.Александров и А.А.Александров).

Основными видами термической обра­ботки сплавов являются отжиг и закалка.

Отжиг. Этот процесс используют для придания сплавам пластичности, умень­шения внутренних напряжений и твер­дости. Сталь нагревают до температуры Ю5()°С, при которой формируется аусте-нитная структура, выдерживают при этой температуре и фиксируют аустенит-ную структуру охлаждением. Аустенит-ная структура обладает физико-механи­ческими свойствами, необходимыми для стали, используемой для зуботехниче-ских работ.

В зубопротезных лабораториях отжиг используют для снятия наклепа при ра­боте со сталью и золотыми сплавами. Для отжига золотых сплавов нагрев ведут до появления красного цвета (около 700°С). Далее выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают на воздухе.

Закалка. Закалка — один из основных способов упрочнения изделий из стали. Нагревают сталь так же, как и при отжи­ге, однако охлаждают быстро. Сталь по­лучает твердую и прочную структуру, на­зываемую закалочной. В зависимости от скорости охлаждения показатель твердо­сти может заметно колебаться. Для при-

дания закаленным изделиям вновь плас­тичности и вязкости их нагревают при температурном интервале от 200 до 700°С, выдерживают и охлаждают. Этот процесс носит название отпуск. В зубо-тсхнической практике закалкой и отпус­ком пользуются редко.