Понятие усадки, методы её компенсации

Самой сложной задачей при литье деталей зубных протезов является компенсация усадки восковых композиций и сплавов. Этому подчинены все промежуточные операции: компенсация усадки восковых композиций, создание специальных компенсационных формовочных масс, система и характер литников и методы плавления сплавов.

Все восковые композиции, а также сплавы металлов при переходе из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в твердое) дают усадку. Усадка – уменьшение линейных размеров и объёма тела при его охлаждении, затвердевании и хранении. У восковых композиций она составляет 0,5-2%, у сплавов: нержавеющая сталь – 3,0%; серебряно-палладиевые сплавы - до 2%; кобальто-хромовые - до 2%; сплавы золота - 1,25% .

Усадка восковых композиций компенсируется путем созда­ния смесей с введением карнаубского, монтанового и дру­гих восков, моделировкой деталей не из расплавлен­ной смеси, а из размягченной, а также использованием компенсационного лака, которым покрываются гипсовые культи. Усадку сплавов компенсиру­ют с помощью специальных компенсационных формовочных масс, имеющих двойной коэффициент расширения: первый в процессе затвердевания (0,8-1%) и второй - свойственное всем телам тепловое расширение при нагревании (0,6-0,75%). Чем больше удается уравновесить процент усадки восковых смесей и сплавов металлов расширением формовочных масс, тем точнее и качественнее получается изготавливаемая методом литья ортопедическая конструкция.

Методы литья деталей зубных протезов

В ортопедической стоматоло­гии требования к точности отлитых конструкций особенно высоки. Именно высокоточ­ное литьё определяет качество все­го лечения, дает возможность получить зубной протез, отвечающий всем клиническим требованиям.

В основе изготовления зубных протезов лежит специальная техноло­гия получения металлических заготовок будущих конструкций методом литья по выплавляемым восковым или пластмассовым мо­делям. Другими словами, из специ­ального беззольного (сгорающего без шлаков) воска или пластмассы изго­тавливают нужную форму, отводя от нее литниковую систему. Всё это по­гружается в специальную огне­упорную массу, после затверде­вания которой, воск (пластмасса) выжигается, а получившиеся пус­тоты заполняются сплавом.

Высокоточное литье — это целый комплекс совместных, последова­тельных действий врача, зубного техника, инженера-литейщика, на­правленных на строгое соблюдение технологических процессов, зако­нов физики, химии, биомеханики, материаловедения.

В настоящее время существует два метода получения металлических деталей посредством ли­тья:

• метод литья по выплавляе­мым моделям из моделировочного воска (или беззольной пластмассы) в формах из огнеупорного материала. Восковая композиция будущего протеза с установленными литникообразующими штифтами и созданной литниковой системой снимается с гипсовой модели и фиксируется на подопочный конус. Метод применяется для изготовления коронок, вкладок, мостовидных протезов;

• метод литья по выплавляемым моделям из моделировочного воска на огнеупорных моде­лях, помещенных в формы из огнеупорного материала. Восковая композиция будущего протеза моделируется на огнеупорной модели, вместе с которой помещается в огнеупорную формовочную массу. После кристаллизации массы воск выплавляется, а образовавшиеся пустоты в дальнейшем заполняются расплавленным металлом. Данный метод является более точным, так как исключается возможность деформации восковой композиции при её снятии с модели, а процент усадки металла компенсируется аналогичным процентом расширением огнеупорной массы. Это имеет большое значение при изготовлении бюгельных протезов и протезов с металлическим базисом.

Аппараты для литья (литейные установки), используемые для получения металлических деталей зубных протезов, различаются по способу расплавления металла и по способу заполнения формы. Сплавы, применяемые в ортопедической стоматологии, в зависимости от температуры плавления делятся на 3 группы:

1) сплавы с точкой плавления до 300°С (сплавы на основе олова);

2) сплавы с точкой плавления до 1100°С (золотые, серебряно-палладиевые сплавы);

3) сплавы с точкой плавления свыше 1200°С (нержавеющая сталь, кобальто-хромовые сплавы).

После расплавления сплава следует его заливка в форму. Так как самотеком металл не может заполнить всю форму, применяют принудительные методы заливки.

При всех способах литья в литейной форме предусматривается литниковая система, представляющая собой каналы, по которым жидкий металл подводится к отливке. Литниковая система создается путем подвода к восковой детали литникобразующих штифтов.

Построение литниковой системы в точном литье по выплавляемым моделям определяется следующими принципами: 1) все участки отливки должны находиться в равных условиях при литье; 2) все толстостенные участки отливки должны иметь дополнительное депо жидкого металла для устранения усадочной раковины, рыхлости и пористости в металле; 3) к тонким участкам отливок должен быть подведен наиболее горячий металл.

Опыты показали, что не только длина и диаметр литьевого канала, но его направление и расположение имеют огромное значение для получения качественного литья.

Направление литьевых каналов должно соответствовать направлению полого пространства, чтобы расплавленный металл не менял резко направление, а применяемая при литье центробежная сила способствовала бы уплотнению металла. Расплавленный металл должен течь от толстостенных участков к тонкостенным. Если деталь имеет несколько толстостенных участков, связанных посредством тонкостенных, то каждый толстостенный участок должен иметь свой литьевой канал (литникобразующий штифт).

Толщина литникобразующего штифта должна быть даже у маленькой отливочной детали не менее 1,5 мм. Чем толще деталь или чем больше ее протяженность, тем большее количество литников большего диаметра должно быть к ней подведено. Не рекомендуется брать литникобразующий штифт диаметром больше 3—4 мм, так как может возникнуть опасность, что расплавленный металл под влиянием силы тяжести войдет в широкий канал еще до центрифугирования и забьет его. При получении большой детали (цельнолитой мостовидный или бюгельный протез) устанавливают один центральный литьевой канал, который затем разъединяется на более мелкие, подводимые к объемным деталям протеза.

Качество деталей может сильно пострадать вследствие образования усадочных раковин. Отлитый в форму металл начинает затвердевать с наружных слоев, и некоторое время поверхность отливки представляет собой как бы твердую корку, под которой имеется жидкий металл. Естественно, что раньше затвердевает остаток металла, находящийся над поверхностью формы. Сокращаясь при охлаждении, он втягивает в себя частицу еще расплавленного металла, находящегося в глубине кюветы, или, уменьшаясь в объеме, не заполняет всего пространства формы.

Чтобы избежать образования усадочных раковин и снизить степень усадки детали, создают депо металла вне пределов детали, так называемые муфты. Усадочные раковины как бы перемещаются в эти муфты, так как последние дольше являются резервуаром расплавленного металла, и застывающее изделие, а также остаток металла на поверхности словно втягивают из муфты в себя жидкий металл. При этом, несомненно, должна быть предусмотрена последовательность затвердевания; вначале изделие, а затем муфта.

Муфта обязательно должна быть нанесена на каждый литникобразующий штифт. Это делается или путем постепенного наслоения по каплям расплавленного воска, или предварительным изготовлением штифта с муфтой из размягченного воска. Чтобы при литье тонкостенных деталей или деталей большой протяженности и разной толщины не образовывалось недоливов, в литниковую систему необходимо ввести отводные каналы для воздуха. После установки литникобразующих штифтов и размещения восковой композиции детали на подопочный конус от тонких участков к конусу устанавливают штифты из воска толщиной до 1 мм. Создание отводных каналов значительно улучшает качество литья, так как газопроницаемость многих формовочных масс недостаточна. После установки литниковой системы приступают к созданию литейной формы.

Вспомогательные материалы - огнеупорные (формовочные) массы.

Свойства и качество литья из различных сплавов зависят от многих факторов - свойств металлов, точности формы для литья (материал, состав) и знания технологии применения этих форм. Для воспроизведения точной отливки по модели необходим формовочный материал.

Сформулированы следующие требования к формовочным материалам:

- они не должны содержать вещества, которые, реагируя с расплавленным металлом, понижают его качества;

- поверхность формы не должна «пригорать» к металлу;

- для обеспечения качественной поверхности отливки огнеупорный порошок должен иметь высокую дисперсность;

- время затвердевания должно быть в пределах 7-10 минут;

- они должны создавать газопроницаемую оболочку, которая будет в состоянии поглощать газы, образующиеся при заливке расплавленного металла;

- они должны иметь величину коэффициента температурного расширения, достаточную для компенсации усадки сплава металла.

В современном литейном производстве используют гипсовые, фосфатные и силикатные формовочные материалы.

Для зубного протезирования в дополнение к классическим формовочным материалам был налажен выпуск специальных формовочных масс: «Силамин», «Кристосил», «Силаур», «Формасит», «Аурит», «Смолит», «Стомаформа».

Гипсовый формовочный материал состоит из гипса (20-40%) и окиси кремния. Гипс в этом случае является связующим, а окись кремния придает массе необходимую величину усадочной деформации и теплостойкость. В качестве регуляторов скорости затвердевания и коэффициента температурного расширения в смесь добавляется 2-3% хлорида натрия или борной кислоты. Номинальная температура разогревания формы подобного состава до заливки металла составляет 700-750°С - применяют для литья изделий из сплава золота. Усадка золотых сплавов составляет около 1,25%, и эту усадку компенсирует гипсовая форма.

Фосфатные формовочные материалы состоят из порошка (цинкфосфатный цемент, кварц молотый, кристоболит, окись магния, гидрат окиси алюминия и др.) и жидкости (фосфорная кислота, окись магния, вода, гидрат окиси алюминия).

Сиолит. Предназначен для несъемных (в том числе металлокерамических) протезов. Состоит из порошка (смесь кварцевого песка, фосфатов и периклазы) и жидкости (силиказоль).

Силикатные формовочные материалы отличаются высокой термостойкостью и прочностью. Их внедрение вызвано применением КХС и нержавеющих сталей. Кроме гипса и фосфатов, в качестве связующих здесь используют кремниевые гели. Вяжущая жидкость силикатной формовочной массы состоит из смеси этилового спирта, воды и концентрированной соляной кислоты, куда постепенно вводят этилсиликат. В качестве огнеупорной составляющей (порошка) применяется кварц, маршаллит, корунд, кристоболит. Силикатные формовочные массы отличаются большим коэффициентом термического расширения. Для обеспечения точности отливки необходимо соблюдать правильное соотношение между порошком и жидкостью (вяжущим раствором).

Бюгелит использовался при отливке моделей для изготовления цельнолитых дуговых (бюгельных) протезов из КХС. Многокомпонентный материал, в состав которого входят: наполнитель, связующее - этилсиликат, отвердитель - 10% водный раствор едкого натра. Выпускался в комплекте: масса формовочная, пчелиный воск и масса для дублирования.

Силамин применялся при отливке огнеупорных моделей для изготовления цельнолитых дуговых (бюгельных) протезов из сплава КХС. Порошок состоит из кремнезема с фосфатной цементирующей связкой. При замешивании с водой масса схватывается, образуя прочный монолит. Термическое расширение массы при температуре 500-700°С составляет не менее 0,6-0,7%.

Кристосил-2 - формовочная масса для отливки цельнолитых конструкций зубных протезов из КХС. Порошок состоит из кристоболита, окиси магния, аммония фосфата, замешивается с водой. Термическое расширение массы при температуре 300-700°С - не менее 0,8%.

Силаур наиболее пригоден для изготовления форм при отливке мелких золотых зубоврачебных изделий (вкладок, зубов, кламмеров, дуг и др.). Выпускается в виде тонко измельченного порошка смеси кремнезема и гипса.

Формолит служит для отливки зубов и деталей из нержавеющей стали. Представляет собой набор материалов - молотого кварца и этилсиликата, предназначенного для получения огнеупорных покрытий (оболочек) на восковых моделях; песка формовочного и борной кислоты, используемых как наполнитель.

Аурит — масса формовочная огнеупорная для отливки зубных протезов из сплавов золота. Представляет собой смесь кристоболита с техническим гипсом. Термическое расширение при 700°С составляет не менее 0,8%. Массу замешивают на воде в соотношении 100 г порошка и 35-40 мл воды. Для более качественного изготовления формы для литья рекомендуется проводить смешивание компонентов огнеупорной массы в вакуум-смесителе и заливку на вибростолике.

В настоящее время большую распространенность получили следующие формовочные массы:

- Silikan (SPGFA-Dental, Чехия) - формовочная масса для тугоплавких сплавов (например, кобальто-хромовый сплав West, Heraeus Kulzer, Германия), применяется при изготовлении каркасов съемных и несъемных протезов.

- Белоформ («Владмива», Белгород) - фосфатная формовочная масса для изготовления коронок, мостовидных протезов из нержавеющей стали.

- Heravest Speed Е (Heraeus Kulzer, Германия) - формовочная масса для изготовления коронок, мостовидных протезов из благородных и неблагородных сплавов.

- Optivest (Heraeus Kulzer, Германия) - формовочная масса для изготовления коронок, мостовидных протезов из благородных и неблагородных сплавов.

- Deguvest (Degudent GmbH, Г ермания) - формовочная масса для изготовления каркасов бюгельных протезов и протезов с металлическим базисом.

Огнеупорную форму для литья можно получить либо с использованием металлических опочных колец, которые изнутри обкладываются компенсационными вкладками из специального материала, либо силиконовых колец, которые после кристаллизации формовочной массы снимаются. Последний метод получил наибольшую распространенность, так как удается компенсировать процент усадки сплавов металлов расширением формовочной массы на необходимую величину при нагревании. Кроме того отпадает необходимость использования компенсационных вкладок.

Плавление сплава.

В соответствии с температурой расплавление сплавов металлов может проводиться

1. использование открытого пламени. В этом случае применяют гомогенную газовую смесь пропана и кислорода. Газово-кислородная смесь при сгорании дает достаточно высокую температуру (~ 3000°C). Настроенное пламя вносят в тигель. Очень важно для управления нагревом совершать постоянное вращательное движение пламенем по наружной поверхности сплава. Это действие оказывает равномерное влияние на нижнюю часть расплава и позволяет достичь оптимального плавления. Вращательное движение пламени ни в коем случае нельзя прекращать во время плавки, иначе на дне тигля образуются обильные отложения углерода, которые могут попадать в расплав во время литья, или сплав прогревается неравномерно, и возникают проблемы при его вытекании – сплавы золота, серебрянно-палладиевые сплавы.

2.за счет электрического сопротивления – в печах электросопротивления нагрев осуществляется за счет сопротивления нагревательной проводниковой катушки при прохождении по ней электрического тока. Нагревательная катушка охватывает снизу приемный лоток, в который вставлен тигель с расплавом. Тепло нагретой катушки передается на тигель и сплав. Регулируют температуру с помощью термоэлемента. В противоположность плавке открытым пламенем литье может быть проведено при регулируемой температуре. Показатель температуры нагревательного элемента зависит от потерь при переносе тепла на тигель с расплавом. Тепловая энергия, вырабатываемая нагревательной проводниковой катушкой, должна воздействовать на центр тигля со сплавом. В центре тигля расплав должен достигать температуры заливки для обеспечения оптимальных литейных свойств;

3.использование высокочастотного индукционного тока. Электропечь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемый индуктор, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – находящийся в тигле металл. Во время процесса литья индукционную катушку охлаждают жидкостью для предотвращения сгорания. Напряжение высокой частоты с индукционной катушки воздействует на расплавленный сплав, внутри керамического или графитового тигля возникают вихревые токи и переменное магнитное поле (в соответствии с тепловым законом Джоуля) нагревает сплав и приводит к его плавлению. Этот метод расплавления применяется наиболее широко.

В зависимости от свойств металлов плавление может также производиться

1) в воздушной среде (благородные сплавы),

2) в вакууме (неблагородные сплавы),

3) в среде с инертным газом (сплавы титана).

Для заполнения литейной полости расплавом в зубопротезной технике применяют такие методы принудительной заливки, как под давлением, с использованием вакуумного разряжения и под действием центробежной силы.

Центробежное литье.

При этом способе литья сплав может быть расплавлен по выбору: открытым пламенем, в печи сопротивления или индукционным нагревом. Когда сплав разжижен и достигнута необходимая температура литья, он заполняет литейную полость под воздействием центробежной силы. Эта сила действует на расплав со стороны центрифуги при активировании движения привода кронштейна. Вращение центрифуги происходит в горизонтальной плоскости. Заполнение формы расплавом происходит при вращении привода центрифуги и влиянии трех разнонаправленных действующих сил. Основное воздействие оказывает центробежная сила. Она направлена наружу при вращении привода кронштейна центрифуги. Так как привод центрифуги приводится в движение по горизонтали, на нее действует также вторая, всегда противонаправленная, сила - сила тяжести. Чем больше плотность, тем активнее действует сила тяжести. Ее величина будет зависеть от удельного веса и от массы расплава. Направление действия центробежной силы зависит от направления движения кронштейна центрифуги. При вращении центрифуги влево центробежная сила действует вправо. Значение центробежной силы будет определяться плотностью сплава и скоростью вращения центрифуги.

Расплав под воздействием силы тяжести (действующей в соответствии с законом всемирного тяготения) и силы инерции заполняет литейную форму.

Если эти силы взаимосвязаны, то расплав затекает по самому короткому пути под углом 45° против вращения центрифуги вниз вправо в литейную полость. После заполнения литейной формы, центробежная сила уплотняет расплав. Кронштейн центрифуги в начале вращения имеет непрерывно растущий крутящий момент для медленного затекания расплава на первом обороте, и самое позднее после второго оборота центрифуга должна набрать полную скорость вращения. Гомогенный расплав должен равномерно затекать при первом обороте и испытывать оптимальное давление для уплотнения на втором. Кронштейн центрифуги должен вращаться минимум 20 секунд, чтобы эффект охлаждения оказал влияние на залитую форму и способствовал уплотнению сплава, пока он не остыл и не затвердел.

Вакуумное литье.

Вакуумное литье основано на создании нулевого давления в форме для литья детали.

Для создания нулевого давления в кювете во время литья подставку, на которой установлена кювета, соединяют с баллоном, в котором предварительно создано отрицательное давление вакуум-насосом. После расплавления металла в воронке формы (кюветы) или в момент заливки металла в кювету, предварительно расплавленного в электропечи, включают вакуумную камеру.

В кювете, в пористой формовочной массе, создается отрицательное давление, воздух, находящийся в полости формы, куда должен затекать металл, отсасывается, и металл легко затекает в кювету.

Процесс вакуумного литья зависит не только от степени создания в кювете низкого давления, но и от газопроницаемости формовочной массы, газопроницаемости огнеупорной оболочки восковой модели.

После расплавления металла в тигле, его заливают в кювету (форму) путем вращения печи на 180°, в это время включают вакуум-насос и металл заполняет форму.

После литья детали кювету с опокой охлаждают. Опоку выбирают из кюветы, литую деталь очищают от обмазки, опиливают напильниками.

Литье под давлением.

Этот вид литья основан на создании давления в тигле во время литья детали. Для этого используется компрессор. После расплавления металла в тигле создается давление, и металл вдавливается в форму.

Метод литья под давлением по выплавляемым моделям из моделировочного воска в формах из огнеупорного материала (изготовление коронок, вкладок, мостовидных протезов).

Рассмотрим лабораторные этапы изготовления металлических каркасов зубных протезов методом безопочного литья под давлением.

Пациенту планируется изготовить мостовидный металлокерамический протез с опорами на 4.4, 4.5, 4.6, 4.8 зубы. После препарирования снимается двойной оттиск с нижней челюсти силиконовой массой, изготавливается разборная комбинированная модель. После определения центральной окклюзии модели загипсовываются в артикулятор, культи отпрепарированных зубов покрывают слоем компенсационного лака. Затем изготавливаются восковые колпачки, путем погружения культей зубов в воскотопку с последующей моделировкой восковой композиции каркаса. При этом используется «погружной воск» желтого цвета для моделировки колпачков, воск красного цвета – для уточнения шеек и моделировочный – синего цвета, для промежуточных частей. После этого создается литниковая система.

Далее восковую композицию снимают с модели и взвешивают на электронных весах для определения необходимого количества сплава, из расчета 10г металла на 1г воска. Затем восковую композицию устанавливают на конус и обрабатывают аэрозолем «Waxit» для снятия поверхностного натяжения, лучшей смачиваемости и более точной паковки формовочной массы, что обеспечивает гладкую, без шероховатостей, отливаемую поверхность. После этого устанавливают силиконовое кольцо.

Формовочная масса замешивается в вакуум-смесителе, что предупреждает образование пор, и заполняет силиконовое кольцо. После затвердевания формовочной массы удаляют силиконовое кольцо и конус. Далее форму помещают в муфельную печь.

В лаборатории для ускорения процесса литья используют 3 муфельные печи: в 1-ой при температуре 400ºС 30 мин воск выплавляют, во 2-ой при температуре около 580ºС 30 мин производят сушку формы, а в 3-ей – её обжиг при температуре 1020ºС в течение 30 мин.

Затем открывают крышку литейной камеры, в керамический тигель помещают металл и крышку закрывают. Происходит плавление металла в вакууме под действием токов высокой частоты; процесс плавления контролируется через прозрачное стекло. После расплавления металла крышку литейной камеры открывают, разогретую форму достают из муфельной печи, как можно быстрее помещая ее в литейную камеру, где закрепляют ее при помощи ключа.

Камера автоматически поворачивается на ¼ оборота, одновременно подается давление в 3,5 атм., и металл под этим давлением нагнетается в литейную форму. Это уменьшает образование литьевых раковин. После литья открывают крышку камеры и достают форму, которая охлаждается на воздухе до комнатной температуры около 40 мин.

Отлитые детали осторожно освобождают от формовочной массы и помещают в камеру аппарата для пескоструйной обработки крупнодисперсным песком. Литниковую систему удаляют на шлифмоторе и каркасы протезов подвергают окончательной пескоструйной обработке мелко дисперсным песком.