Теория связи между металлом и керамикой
Обновлено: 20.09.2024
Поверхность металлического колпачка тщательно шлифуют алмазными головками и обрабатывают в пескоструйном аппарате. При этом частицы абразива очищают поверхность металла и делают ее шероховатой, что значительно увеличивает площадь контакта с керамикой. Колпачок, например, из кобальтохромового сплава обрабатывают корундом с диаметром частиц 200-300 мкм при давлении в 5—6 атм в течение 1 мин. Затем колпачок очищают от частиц песка кипячением 3— 5 мин в дистиллированной воле и обезжиривают этиловым эфиром уксусной кислоты (этилацетат). После обезжиривания каркас удерживают специальным зажимом. Касание металлической поверхности руками нарушает чистоту металла.
Высушенный колпачок подвергают обжигу для создания окисной пленки.
Для увеличения силы сцепления металла с фарфором В.Н. Стрельников (1989) предлагает перед созданием окисной пленки каркас протеза обрабатывать 20-25% раствором борного ангидрида в метиловом спирте. Термическая обработка осуществляется в вакуумной печи при температуре 980 0 С в течение 10 мин. Как указывает В.Н. Копейтсин (1985). термическая обработка вызывает образование на поверхности металла пленки из оксидов, что является главным условием надежного сцепления металлического каркаса с фарфором. Обжиг керамики в вакууме при высоких температурах создает условия для диссоциации окислов некоторых металлов (Курляндский В.Ю.. 1978). Кроме того, термическая обработка способствует снятию внутренних напряжений в металле и одновременно является показателем качества механической и химической обработки каркаса. Для кобатьтохромового сплава и керамической массы рекомендуется обработка каркаса в течение 5 мин при температуре 1000 0 С и атмосферном давлении, а затем медленное охлаждение до комнатной температуры. После термической обработки правильно обработанный металлический каркас из кобатьто-хромового сплава покрывается равномерным слоем темно-зеленой или почти черной окисной пленки. При образовании неравномерной окисной пленки каркас необходимо вновь подвергнуть пескоструйной обработке, промывке, обезжириванию и термическому обжигу. Всегда следует иметь в виду, что для каждого вида сплава и керамической массы существует свой режим термообработки.
Теория соединения металлов и керамики
В специальной литературе дается описание нескольких видов соединения керамической облицовки с металлической частью протеза:
1) механическое удержание;
4) химическое соединение.
Механическое удержание создается за счет проникновения керамики в микроцарапины на поверхности металлического каркаса, которые образуются при обработке металла камнями или дисками и последующей его воздушной очистке. По сравнению с необработанным металлом подготовленная поверхность способствует лучшему соединению с керамикой. Воздушная очистка, возможно, увеличивает смачиваемость, обеспечивает механическое сцепление и увеличивает площадь поверхности для химического соединения. Использование специальных агентов типа платиновых шариков диаметром от 3 до 6 мм также увеличивает прочность соединения.
Силы сжатия внутри металлокерамнческой конструкции развиваются благодаря точно изготовленному каркасу и чуть более высокому коэффициенту теплового расширения (КТР) металла, чем покрывающего его фарфора. Эта незначительная разница в КТР заставляет фарфор «тянуться» по направлению к металлическому каркасу, когда протез охлаждается после обжига.
Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают прочность соединения. обусловленную взаимным притяжением заряженных молекул. Но эта связь признается незначительной и не имеет той важности, которую ей когда-то придавали. Несмотря на то что молекулярное взаимодействие вносит совсем незначительный вклад в прочность соединения, оно считается существенным в инициировании наиболее важного механизма — химического соединения.
Химическое соединение образуется благодаря формированию оксидного слоя на металле и прочности соединения, которая увеличивается посредством обжига в богатой кислородом атмосфере. Когда обжиг происходит в воздухе, вещества, встречающиеся в сплаве золота в остаточных количествах, такие как олово, индий, галлий или железо, мигрируют к поверхностным окислам и впоследствии соединяются с подобными окислами в опаковом слое фарфора. Сплав золота, содержащий ничтожные количества олова и железа, образует значительно более крепкую связь с фарфором, чем чистое золото. При этом достигается такая прочность соединения, что переломы будут встречаться чаще в фарфоре, чем на границе его соединения с металлом. Чистое разделение фарфора и металлического каркаса — редкий случай нарушения связи, происходящий в результате загрязнения поверхности металла или образования чрезмерного оксидного слоя. Основные сплавы металлов легко образуют окиси хрома, которые прочно соединяются с фарфором без каких-либо других веществ.
Сложность проблемы прочного соединения металла и керамики заключается прежде всего в различии межатомных связей, определяющих кристаллическую структуру, физические, химические и механические свойства этих материалов. При соединении металлов с керамикой важную роль играет состояние поверхности металла. Связь между атомами в поверхностном слое является ненасыщенной. Отличительная черта этой связи — более свободный выход атомов из поверхностного слоя металла и образование пустот в кристаллической решетке. Поверхностный слой металла имеет асимметричное силовое поле. Проявлением его воздействия является поверхностное напряжение, которое с ростом температуры постепенно снижается. При плавлении же происходит резкое падение энергии поверхностного слоя. Асимметричное силовое поле поверхности металла притягивает к нему атомы или молекулы из окружающего пространства. Кроме того, на поверхности кристалла имеются свободные электроны. Концентрация их падает от внутрикристаллического уровня до пуля. Наличие пустот и оторвавшихся электронов влияет на электрическую поляризацию поверхности кристалла Отрицательный заряд оторвавшихся электронов притягивает из окружающего пространства положительно заряженные частицы.
Металлические сплавы, используемые для металлокерамических протезов, условно можно разделить на 4 группы. Наиболее дорогими являются сплавы золота, которым повышают температуру плавления путем добавления платины и палладия. Добавление небольшого количества индия или олова в эти сплавы способствует более прочному соединению их с керамикой. Вторая группа состоит из сплавов, содержащих золото (50% от общего объема), большое количество палладия, иногда серебро и незначительное количество других элементов. Третью группу представляют сплавы на основе палладия, легированного серебром и другими менее благородными элементами. Однако общей проблемой этих трех групп сплавов является необходимость повышения прочности их соединения с керамикой. Наиболее дешевую и в то же время одну из самых надежных с точки зрения прочности соединения с керамикой группу представляют сплавы: Со — Сг - Мо и Ni — Сг - Мо.
Атомы керамики постоянно ионизированы, а связи между ними создаются за счет кулоновских сил электрического взаимодействия между катионами Si, Al и К и анионами кислорода. Ионная связь очень прочна, что подтверждается высокой температурой плавления лейцита 1250 0 С, высоким модулем упругости и низким коэффициентом термического расширения.
Керамические материалы являются диэлектриками. Низкая тепло- и электропроводность подтверждают отсутствие в них свободных электронов. Распространение же силового поля ионов на поверхности кристалла или стеклофазы керамики, так же как и у металлов, является асимметричным. В отличие от металлов заряды ионов на поверхности керамики могут быть как положительными, так и отрицательными. Поэтому поверхность керамики может притягивать к себе частицы с положительными и отрицательными зарядами. Для того чтобы поверхности металла и керамики могли быть использованы для прочного соединения, они должны взаимодействовать, и поэтому их необходимо держать друг от друга на расстоянии, не превышающем доли нанометра. Для того же чтобы предотвратить какое-либо взаимодействие, оба материала следует поместить в сверхвысокий вакуум. Качество же поверхностей должно соответствовать идеалу. В обычной практике эти условия невыполнимы, поэтому соединение металла с керамикой требует других технологий.
Взаимодействие керамики с поверхностью металла заключается как в растворении в расплаве керамики, так и в насыщении кислородом из жидкой фазы поверхности металла. Растворение осуществляется при переходе атомов металла из поверхностного слоя в расплавленную керамику. Слабосвязанные между ветвей дендритов атомы будут перескакивать быстрее, чем атомы, расположенные в ветвях. Различная скорость подобных «перескоков» проявляется в виде разделения переходного слоя между металлом и жидкой фазой керамики. Неровная форма пространства между ветвями дендритов сохраняется и после завершения обжига. Кроме того, выступы и впадины, соответствующие шероховатой поверхности металла, также способствуют механическому связыванию керамического слоя с поверхностью металла.
Между керамикой и металлической поверхностью имеется неравновесное состояние. Основной причиной его является большая термодинамическая активность кислорода в расплаве керамики по сравнению с твердой поверхностью металла. При этом растворимость кислорода в твердом металле крайне незначительна, что легко приводит к перенасыщению. Из перенасыщенного раствора осаждаются частицы оксидов, которые постепенно срастаются друг с другом, образуя плотную оксидную пленку, отделяющую металл от расплава керамики. В оксидную пленку диффундируют электроны и катионы металлов от переходного слоя металл/оксид к переходному слою оксид/расплав керамики, Анионы кислорода диффундируют в обратном направлении. Так как катионы и анионы имеют разную подвижность, то и оксидная пленка растет быстрее в направлении расплава керамики.
Оксидная пленка представляет собой электрически поляризованный слой, соединяющий металл с расплавом керамики. При обжиге опаковой керамической массы на границе с металлом возникает тонкий оксидный слой, соединяющий металл и керамику. В образовании оксидов участвуют преимущественно металлы с наибольшим сродством к кислороду, т.е. образующие наиболее стабильные оксиды. В образовании оксидов не участвует золото. У других элементов, входящих в состав сплавов из благородных металлов, сродство по отношению к кислороду возрастает в следующем порядке: Pi , Pd, Ag, Си, Fe, In, Sn, Zn. У сплавов нержавеющей стали этот порядок следующий: Со, Ni, Мо, Сг, Be, Ti, Si, A I.
Условием прочного соединения металла и керамики является создание идеально чистой поверхности металла перед нанесением опаковой массы. Для этой цели чаще всего используют пескоструйную обработку поверхности литой коронки с помощью корундового песка с определенным размером частиц. Благородные сплавы подвергаются пескоструйной обработке корундом, у которого размер зерен более 50 мкм, а коронки из сплавов нержавеющей стали обрабатываются зернами, размер которых более 250 мкм. Шероховатая поверхность и поглощенная металлом энергия способствуют скорее более активному растворению металла в расплаве керамики, чем оксидированию его поверхности.
Для некоторых сплавов производители рекомендуют перед обжигом керамики провести процесс предварительного оксидирования, т.е. кратковременный окислительный обжиг. Его целью является образование на поверхности коронки тонкой оксидной пленки, которая при последующем обжиге будет способствовать более прочному соединению керамики с металлом. Существует предположение, что вначале оксидная пленка растворяется в расплаве керамики, а затем уже происходят вышеописанные жидкофазные реакции. Этому способствует также улучшение смачивания расплавом керамики поверхности металла. Исследования показывают, что неблагоприятным фактором считается концентрация пустот на границе металла и керамики и, наоборот, обжиг в вакууме перед нанесением керамического покрытия способствует более прочному соединению двух материалов. При низком уровне разрежения в печи это может быть связано с дегазацией поверхностного слоя металла, а для сплавов, содержащих большое количество палладия, способствует раствори мости водорода в твердых растворах.
Некоторые производители рекомендуют на очищенную поверхность коронки сначала нанести очень тонкий слой специального керамического материала (керамического подслоя), а после его обжига наносить слои керамического покрытия в обычном порядке, начиная с опакового.
Материалы для облицовки металлокерамических протезов. Связь между металлом (сплавом) и фарфором
Металлокерамика –технологическое объединение двух материалов – металлического сплава и стоматологического фарфора, или ситалла, - в котором первый служит каркасом, основной, а фарфор, или ситалл, - облицовкой.
Облицовка – покрытие поверхности изделия природным или искусственным материалом, отличающимся эксплуатационными (защитными) и декоративными качествами.
В стоматологии облицовка протезов выполняет несколько целей: маскирование и изоляцию каркаса зубного протеза, и, самое главное, имитирование твердых тканей естественных зубов.
Материалы для облицовки.Долговечность сохранения эстетических свойств протеза зависит от надежности соединения облицовки с металлическим каркасом и способности материала облицовки сохранять первоначальный цвет и основные физико-химические свойства при функционировании в условиях полости рта.
Основные требования к материалам для облицовки:
- отсутствие токсичности; - наличие комплекса физико-механических показателей (прочность при изгибе, сжатии, ударе; стойкость к стиранию и др.); - способность к окрашиванию цвета, имитирующие окраску твердых тканей зуба; - прочность адгезионного соединения с металлом каркаса протеза; - способность сохранять адгезионное соединение при высокой влажности, температурных колебаниях и жевательных нагрузках; - обеспечение оптимальных эстетических свойств конструкции; - коэффициенты термического расширения металла и облицовочного материала должны быть близки друг к другу; - простота приготовления, нанесения и обжига; - наличие большого рабочего интервала использования (возможность использовать массу через несколько часов после ее приготовления).
Керамику считают оптимальным облицовочным материалом. Фарфоровое покрытие выполняется многослойным и состоит из: - непрозрачной грунтовой массы (толщиной 0,2 – 0,3 мм); - полупрозрачного дентинного слоя (толщиной 0,65 – 0,8 мм); - прозрачного слоя, имитирующего режущий край зуба.
Связь между металлом (сплавом) и фарфоромможет быть механической и химической. Важную роль играет создание пограничного слоя между металлическим каркасом и фарфоровой массой. Хорошо известна роль оксидной пленки, обуславливающей химическую связь между металлом и фарфором (только для сцепления фарфора с золотом). Сцепление фарфора с поверхностью неблагородных сплавов достигается в основном за счет механических факторов.
Механическое соединение создается за счет проникновения керамики в микроцарапины на поверхности металлического каркаса.
Химическое соединение образуется благодаря формированию оксидного слоя на металле и прочность соединения которого увеличивается во время обжига.
Сила сжатияразвивается из-за разницы коэффициента термического расширения между металлом и керамикой. При остывании керамика обхватывает металл.
Силы Ван-дер-Вальса возникают при взаимном напряжении заряженных молекул.
Подготовка поверхности металлического каркаса
Для того, чтобы создать прочную связь между металлическим каркасом зубного протеза и керамическим покрытием, важно, чтобы поверхность металла была подготовлена правильно. Подготовка поверхности металлического каркаса состоит из ряда технических этапов, требующих более близкого рассмотрения. Основными целями подготовки поверхности металла являются удаление загрязнений и создание поверхностного оксидного слоя, обладающего определенным химическим составом и структурой, позволяющими обеспечить его соединение с керамикой. К этапам подготовки поверхности сплава можно отнести:
• шлифование поверхности;
• нагревание при неполном вакууме;
• протравливание кислотой;
• нагревание в атмосфере воздуха.
Шлифование поверхности металлических каркасов
После отделения отлитого каркаса от формовочного материала на поверхности металла остаются следы формовочного материала, прочно приставшего к поверхности отливки. Кроме того, поверхность металлического каркаса загрязнена нежелательными оксидами, на ней находятся небольшие поры и выступающие неровности, особенно, если прочность поверхностного слоя выбранного формовочного материала была низкой.
Цель шлифования заключается в удалении всех поверхностных дефектов, а также повышении шероховатости поверхности металла, которая, как полагают, способна увеличить прочность связи металла с керамикой за счет микромеханического зацепления. Однако сам процесс шлифования может стать причиной загрязнения поверхности металла, так как на ней остаются следы таких веществ, как масла, воски, частицы наружного слоя шлифовального камня, или газы, попавшие в микроподнутрения. Кроме того, даже если расплав керамики и будет хорошо смачивать поверхность металла, он не всегда сможет проникнуть в глубокие царапины.
Клиническое значение
Присутствие захваченного воздуха и посторонних примесей, разлагающихся при нагревании, ведет к появлению пузырьков газа на поверхности раздела между металлом и керамикой, что вызывает серьезное снижение прочности их связи, а также ухудшение эстетики зубного протеза.
В целом, предпочтение следует отдавать методам шлифования, не приводящим к образованию глубоких царапин, углублений или поднутрений, поэтому рекомендуется использовать фиссурные или карборундовые боры.
Очистка отливок в органическом растворителе (например, в четыреххлористом углероде), залитом в герметически закрывающуюся ультразвуковую ванну, позволяет удалить с поверхности металла все загрязнения, которые остались на ней после шлифования.
Обжиг при неполном вакууме
Оксидная пленка, находящаяся на поверхности металла после литья, не будет идеальной. На поверхности золотых сплавов такая пленка и вовсе не образуется, что обусловлено инертностью благородного металла. Оксидная пленка на поверхности сплава может быть получена путем его нагревания до температуры, близкой к температуре обжига керамики. При нагревании сплава входящие в его состав металлические элементы (такие, как олово, индий, цинк или галлий) мигрируют к поверхности и образуют поверхностную оксидную пленку. Следует очень внимательно отнестись к выбору правильного режима окислительного обжига. Слишком быстрый подъем температуры может привести к образованию слишком тонкой или частично нарушенной оксидной пленки, малопригодной для связи с керамикой. Слишком длительный цикл нагрева может привести к обеднению поверхностного слоя золотого сплава окисляемыми элементами.
Если все образовавшиеся оксиды будут удалены при последующем травлении сплава кислотой, и ни один из окисляемых элементов не останется на достаточно близком расстоянии от поверхности сплава, чтобы сохранилась возможность образования дополнительных оксидов, то связь между металлом и керамикой не возникнет.
Проведение тепловой обработки сплава под пониженным давлением способствует удалению газов, поглощенных металлом в больших количествах в процессе литья. Удаление этих газов позволяет предотвратить образование пузырей на поверхности раздела между металлом и керамикой. По этой причине, тепловую обработку металлического каркаса, проводимую перед нанесением керамического покрытия, часто называют дегазацией сплава.
При использовании неблагородных металлических сплавов, обычно содержащих никель и хром, металлы окисляются достаточно легко, и возникающие проблемы, как правило, противоположны тем, с которыми приходится сталкиваться при работе с золотыми сплавами, поскольку в данном случае происходит избыточное образование оксидов.
Хотя оксиды будут образовываться и при обжиге керамики, было установлено, что оксидную пленку лучше создать до нанесения керамического покрытия, поскольку ее присутствие улучшит смачивание поверхности металла расплавом керамики.
Травление кислотой
В процессе тепловой обработки золотых сплавов, на их поверхности образуется не только оксид олова, но и разные другие оксиды. Процедуру травления кислотой проводят для удаления нежелательных оксидов с поверхности золотого сплава, после чего на ней останется в основном оксид олова. Дополнительным преимуществом этой процедуры является то, что темная (темно-серая) поверхность сплава светлеет и становится белой благодаря повышению концентрации оксида олова на поверхности металлического каркаса. Чаще всего при травлении пользуются 50% плавиковой кислотой (водным раствором фтористоводородной кислоты) или 30% соляной; использование последней является более предпочтительным, поскольку плавиковая кислота является более агрессивной и небезопасной. При работе с неблагородными сплавами не нужны ни протравливание кислотой, ни проведение следующей процедуры.
Обжиг в атмосфере воздуха
Дальнейший обжиг металлического каркаса на воздухе проводят для того, чтобы получить на его поверхности оксидную пленку нужной толщины и требуемого качества.
При оптимальной толщине оксидной пленки поверхность каркаса, отлитого из благородного металла, должны быть матовой, серовато-белого цвета, предпочтительно состоящей из оксида олова. Если сплав имеет блестящую поверхность, это свидетельствует об отсутствии оксидной пленки и обычно является следствием многократных повторных обработок металлического каркаса.
Отсутствие оксидной пленки приводит к образованию ослабленной связи между керамикой и металлом.
Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт
Металлокерамика
Единственным подходом к разработке более прочной керамики является избавление от поверхностных микротрещин. Для цельнокерамических реставраций множественные микротрещины на внутренней контактной поверхности являются основной причиной слабости материала, и избавление от них позволяет значительно улучшить качество коронок. Один из способов повышения прочности коронок — глазурование внутренней поверхности, но это неосуществимо на практике. Другая возможность — обеспечение связи керамики с металлическим субстратом, что позволит эффективно избавиться от микроскопических трещин и значительно повысить прочность зубного протеза. Это и стало основной предпосылкой к разработке систем металлокерамики (Рис. 3.5.1). Концепция основана на том же самом принципе, который применен при создании керамики, фиксируемой полимерными адгезивами, где микротрещины на контактной поверхности реставрации не образуются, правда, благодаря связи керамического материала не с металлом, а со структурой эмали или дентина.
Рис. 3.5 .1. Схематическое изображение металлокерамической коронки
Было доказано, что металлокерамические коронки в три раза прочнее, чем цельнокерамические. Коронки состоят из литого металлического каркаса, на который нанесено в процессе обжига керамическое покрытие. При достаточно прочной связи между металлом и керамикой вредное влияние микротрещин на внутренней поверхности керамики устраняется, так как благодаря своей высокой прочности металл служит барьером для развития трещин. Чаще всего, разрушения металлокерамики возникают из-за отделения керамики от металлического каркаса, что, как правило, происходит по причине разрушения связи на поверхности раздела между металлом и керамикой. Таким образом, хорошее качество металлокерамического протеза и успех восстановления в клинике металлокерамикой зависит от качества этой связи.
Наиболее вероятная причина разрушения металлокерамического зубного протеза - разрушение связи между металлом и керамикой.
Важным фактором, влияющим на способность керамического материала образовывать связь с металлами, является степень температурного соответствия между металлом и керамикой.
Если несоответствие будет слишком большим, во время охлаждения зубного протеза после обжига будут развиваться высокие напряжения. Эти напряжения могут оказаться достаточными для того, чтобы привести к разрушению или растрескиванию керамики. Поэтому обе эти темы, связь и температурное взаимодействие между металлом и керамикой, требуют самого тщательного рассмотрения.
Связь
Природа связи между металлическим каркасом и керамикой изучена достаточно глубоко, и в настоящее время считается, что в образовании связи участвуют три механизма:
• механическая ретенция;
• действие напряжений сжатия;
• химическое взаимодействие
Механическая ретенция возникает, когда керамика затекает в микроскопические поднутрения на поверхности металла. Шероховатость поверхности металла часто повышают путем пескоструйной обработки металлических каркасов зубных протезов корундовым песком или шлифованием. Благодаря этим процедурам увеличивается количество участков механического зацепления керамики (Рис. 3.5.2). Дополнительным преимуществом проведения этих двух процедур является создание очень чистой поверхности, способствующей смачиванию металла керамикой.
Рис. 3.5.2. Поверхность золотого сплава после пескоструйной обработки
Хорошая связь основана на тесном контакте между керамикой и металлическим каркасом, а любые загрязнения металла или керамики приведут к ухудшению качества связи. Перед нанесением керамики на поверхность металлического каркаса, последний подвергают дегазации в вакуумной зуботехнической печи, для того, чтобы обеспечить выгорание всех органических примесей и снизить образование пузырьков газа, которые в дальнейшем могут остаться на поверхности раздела. Этапы подготовки поверхности металлических каркасов будут рассмотрены ниже более подробно.
Коэффициент термического расширения большинства керамических материалов намного ниже, чем у металлов (Таблица 3.5.1). При охлаждении металл сжимается быстрее, чем керамика, так как его коэффициент термического расширения выше. Это приводит к тому, что керамика остается в состоянии сжатия. Несмотря на то, что нахождение хрупкого материала под действием напряжений сжатия является потенциально выгодным состоянием, очень важно, чтобы расхождение между коэффициентами расширения было небольшим. Если это расхождение окажется слишком высоким, то внутренние напряжения, возникающие при охлаждении зубного протеза, могут привести к разрушению керамического покрытия, причем самым вероятным местом разрушения станет поверхность раздела между металлом и керамикой.
Сейчас уже существуют неоспоримые доказательства того, что между керамикой и оксидной пленкой металла образуется прочная химическая связь. Во время проведения обжига, керамика, нагретая до температуры своего стеклования, окажется в текучем состоянии и сможет сплавляться с оксидами, находящимися на поверхности металла, за счет их миграции в керамику. Что же касается золотых сплавов, то в их составы вводят небольшое количество элементов, способных образовывать оксиды, поскольку само золото является химически инертным. Благодаря этому прочность связи между металлом и керамикой многократно увеличивается. Этот эффект подтверждает важное значение присутствия оксидов на поверхности металла.
Качество связи между металлом и керамикой определяется качеством микромеханической ретенции, согласованностью термофизических свойств металла и керамики, и химическим взаимодействием между керамикой и оксидной пленкой металла.
4. Металлокерамика
История применения стоматологического фарфора и керамики насчитывает не один век, однако до 1956 г. разрабатывались и совершенствовались только цельнокерамические протезы. Только позднее был разработан способ соединения керамического материала и золотого сплава. К 1970 г. были разработаны металлокерамические конструкции на основе неблагородных сплавов.
С этого времени подавляющее большинство изготавливаемых в мире несъемных эстетических протезов твердых тканей зубов и зубных рядов являются комбинированными, сочетающими металлический каркас и керамическую облицовку. Подобный синтез обеспечил настолько высокие характеристики прочности металлокерамических протезов, что позволил снять ограничения по протяженности протеза, не теряя при этом эстетических свойств. Таким образом, в арсенале современного стоматолога изготовление металлокерамического протеза является одним из главных способов лечения дефектов твердых тканей зубов и зубных рядов.
Металлокерамические коронки представляют собой литой металлический каркас, на который нанесено в процессе обжига керамическое покрытие. Прочность таких протезов возрастает в три раза по сравнению с цельнокерамическими, поскольку металл является барьером для распространения микротрещин в толще керамического покрытия.
Долговечность металлокерамической реставрации обеспечивается двумя аспектами. Во-первых, дизайном протеза, который позволит обеспечить равномерное распределение окклюзионной нагрузки, избегая чрезмерной концентрации жевательного давления. Во-вторых, прочностью связи между разными по химической природе материалами: керамикой и металлом. Прочность этой связи, в свою очередь, обеспечивается тремя механизмами:
1) механической ретенцией;
2) химической связью между оксидами металлов и керамическими материалами;
3) действием напряжений сжатия.
4.1. М ЕХАНИЗМЫ ПРОЧНОСТИ СВЯЗИ МЕЖДУ КЕРАМИКОЙ И МЕТАЛЛОМ
4.1.1. Механическая ретенция
Механическая ретенция возникает, когда керамический расплав затекает в микроскопические поднутрения на поверхности металла. Шероховатость поверхности металла повышают путем пескоструйной обработки или шлифованием. Благодаря этим процедурам увеличивается количество участков механического сцепления керамики и металла. Дополнительным преимуществом проведения этих двух процедур является создание очень чистой поверхности, способствующей смачиванию металла керамикой. Однако сам процесс шлифования может стать причиной загрязнения поверхности металла, т. к. на ней остаются следы таких веществ, как масла, воска, частиц наружного слоя шлифовального камня или газов, попавших в микропоры. Присутствие захваченного воздуха и посторонних примесей, разлагающихся при нагревании, ведет к появлению пузырьков газа на поверхности раздела между металлом и керамикой, что вызывает серьезное снижение прочности их связи, а также ухудшение эстетики зубного протеза.
4.1.2. Химическая связь
Исследования прочности указанного соединения показали, что максимальная сила сцепления наблюдается у металлов, которые в процессе дегазации легко образуют оксидную пленку на поверхности. Низкая прочность соединения наблюдается у плохо окисляемых, то есть у благородных металлов. Таким образом, химическое соединение керамического материала и металла обеспечивается благодаря наличию на поверхности металла оксидной пленки, поскольку при последующем обжиге керамики оксиды металлов способны диффундировать в керамическую массу, создавая, таким образом, химическую связь между металлом каркаса и облицовочным материалом. Оксидная пленка возникает на поверхности металла в процессе литья, однако дальнейшая обработка каркаса приводит к ее истончению, загрязнению и частичному разрушению. Поэтому перед нанесением керамической массы на металлический каркас требуется восстановление оксидной пленки.
Сплавы неблагородных металлов образуют оксидную пленку в процессе дегазации, когда металлический каркас после его обработки помещается в печь для обжига керамики и прогревается там, чтобы обеспечить выгорание всех органических примесей и снизить образование пузырьков газа, которые в дальнейшем могут остаться на поверхности раздела.
Оксидная пленка на поверхности сплава благородного металла может быть получена путем его нагревания до температуры, близкой к температуре обжига керамики. При нагревании сплава входящие в его состав металлические элементы (олово, индий, цинк или галлий) мигрируют к поверхности и образуют поверхностную оксидную пленку. Кроме того, для
достижения необходимой оксидации поверхности протравливают поверхности золотых сплавов 50%-ной плавиковой кислотой (водным раствором фтористоводородной кислоты) или 30%-ной соляной.
4.1.3. Термические напряжения
В процессе неоднократных обжигов и послойных нанесений керамического покрытия металлокерамической коронки металлический каркас постоянно подвергается термическому расширению и сжатию. При этом коэффициент термического расширения (КТР) большинства керамических материалов намного ниже, чем у металлов. Керамические материалы, используемые для изготовления металлокерамических реставраций, утрачивают термопластическую текучесть после охлаждения ниже своей температуры стеклования, находящейся в пределах от 600 до 700 °С, металл при таких температурных значения еще находится в состоянии термического расширения. При охлаждении металл сжимается быстрее, чем керамика, т. к. его коэффициент термического расширения выше. Это приводит к тому, что керамика остается в состоянии сжатия. Несмотря на то, что нахождение хрупкого материала под действием напряжений сжатия является потенциально выгодным состоянием, очень важно, чтобы расхождение между коэффициентами расширения было небольшим. Если это расхождение окажется слишком высоким, то внутренние напряжения, возникающие при охлаждении зубного протеза, могут привести к разрушению керамического покрытия, причем самым вероятным местом разрушения станет поверхность раздела между металлом и керамикой. С момента утраты керамикой термопластической текучести, любое расхождение в коэффициентах термического расширения покрытия и металла приведет к образованию напряжений в керамике, поскольку она будет стремиться к большему или меньшему сжатию, чем металл в зависимости от того, каким будет характер термической несогласованности между ними. Лучшим сочетанием металла и керамики является то, при котором коэффициент термического расширения керамики будет только немного меньшим, чем КТР сплава, а керамическая масса окажется в состоянии небольшого сжатия при охлаждении конструкции до комнатной температуры.
4.2. С ОСТАВ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС , ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Как было сказано выше, композиционные отклонения в составе керамических масс весьма разнообразны, в связи с этим физико-механические свойства керамических масс, в том числе и коэффициент термического расширения, напрямую зависят от состава массы (табл. 2). Для облицовки металлических каркасов из керамических материалов, перечисленных ранее, применя-
ют полевошпатную керамику, в которой повышают содержание щелочей, вводя как соду (Na 2 О), так и поташ (К 2 О). Это позволяет уменьшить термическую несогласованность между металлом и облицовкой.
Читайте также: