Природа связи между металлическим каркасомикерамикой изучена достаточно глубоко и в настоящее время считается, что в образовании связи участвуют три механизма (механическая ретенция, действие напряжений сжатия и химическое взаимодействие).
Среди металлических сплавов, используемое дно металлокерамических протезов наиболее дешевую и в то же время одну из самых надежных с точки зрения прочности соединения с керамикой представляют сплавы Со-Cr-Mo и Ni-Cr-Mo [6–10]. При разработке сплавов этой системы обеспечение прочного сцепления металла с керамикой является одной главной задачей.
Целью нашего исследования являлось определение прочности связи керамики со стоматологическим сплавом Stomet-2kz.
Материалы и методы исследования
Для стоматологического сплава Stomet- 2kz и материалов керамики «Vita 13», «Дизайн» и различных толщин керамического слоя были найдены значения прочности связи керамики со сплавом. Испытания проводились на универсальной разрывной машине Instron 5982 по ГОСТ 31575-2012. Исследования на определение прочности связи керамики со сплавом проводились в аккредитованной испытательной лаборатории «Исследование механики материалов и процессов» (аттестат аккредитации № KZ.И.02.1717 на соответствие требованиям СТ РК ИСО/МЭК 17025-2007) дочернего государственного предприятия на правах хозяйственного ведения научно-исследовательского института математики и механики Казахского национального университета им. Аль-Фараби.
Испытания проводились на универсальной разрывной машине Instron 5982 по ГОСТ 31575-2012.
Универсальная разрывная машина Instron 5982 для проведения испытаний на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб при комнатной температуре. Максимальное усилие растяжения/сжатия – 100 кН. Датчик продольной деформации позволяет с высокой точностью измерять удлинение образца. В комплект оборудование входит камера, позволяющая записывать видео испытания и печь, позволяющая нагревать образец до 1100 °С. Управление испытанием осуществляется с помощью компьютерной программы Bluehill 3 (рис. 1).
Рис. 1. Универсальная разрывная машина Instron 5982
Рис. 2. Схема образца для испытаний
Рис. 3. Фотография образцов, предназначенных для проведения испытаний на изгиб металлического сплава Stomet 2kz и толщине керамического слоя «Dizain» равной 1 мм
В качестве образцов использовались плоские металлические образцы размерами 25х3х0,5 мм (80 штук). В центре плоского металлического образца был нанесен слой керамики толщиной 1-1,5 мм (рис. 2).
Согласно ГОСТ 31575-2012 [11], образец подвергается трехточечному изгибу металлической частью вверх до отрыва керамического слоя от металлического сплава. Перед испытаниями каждый образец был измерен. Разрывная машина была настроена на определение разрушающего усилия Fраз. На рис. 3 показана фотография десяти образцов, предназначенных для проведения испытаний на изгиб металлического сплава и керамического слоя «Stomet 2kz» при толщине керамического слоя «Dizain» равной 1 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальные исследования показали, что для отечественного стоматологического сплава Stomet-2kz согласно ГОСТ 31575-2012 имеется достаточная величина напряжения, при котором не происходит отслаивание керамического слоя от металлического образца (должна быть не менее 25 МПа). Предлагаемый химический состав разработанного отечественного сплава Stomet-2kz с увеличением содержания Si на 1 %, значительно повышает прочность сцепления металла с керамикой 1,3 раза в сравнении с требованиями ISO (25мПа – ГОСТ 31575 – 2012). На рис. 4 показана типичная диаграмма, полученная при изгибе для металлического сплава «Stomet 2kz» и при толщине керамического слоя «Dizain» равной 1 мм.
Рис. 4. Диаграмма, полученная при изгибе для металлического сплава «Stomet-2kz» и керамического слоя «Dizain»
Как видно из диаграммы при разрушающей силе Fраз = 11,94 Н происходит отрыв керамического слоя от металлического образца. Затем, при помощи диаграммы, показанной на рис. 5, определяется коэффициент k, и по формуле определялось напряжение, при котором происходит отслаивание керамического слоя от металлического образца.
Рис. 5. Диаграмма определения коэффициента k как функции толщины металлического каркаса dм модуле упругости сплава Ем
Для всех образцов использовался сплав с модулем упругости Е = 230 МПа.
На рис. 6 показана фотография устройства для трехточечного изгиба универсальной разрывной машины Instron 5982 при испытании металлического сплава «Stomet 2kz» и при толщине керамического слоя «Dizain» равной 1 мм.
Рис. 6. Фотография устройства для трехточечного изгиба универсальной разрывной машины Instron 5982 при проведении испытания
В табл. 1–4 показаны данные проведенных экспериментов для различных материалов и толщин керамического слоя. Расчет неопределенности при проведении испытания образцов.
Таблица 1
Сплав Stomet-2kz, керамика «Дизайн», толщина 1,5 мм
|
Ширина, мм |
Толщина, мм |
k |
Fраз, Н |
τ, МПа |
|
3 |
0,5 |
2,81 |
12,1 |
34 |
|
3 |
0,5 |
2,7 |
10,3 |
27,9 |
|
3 |
0,5 |
2,55 |
13,13 |
34,8 |
|
3 |
0,5 |
2,65 |
10,18 |
27 |
|
3 |
0,5 |
2,83 |
13,6 |
38,5 |
|
3 |
0,5 |
2,81 |
12,81 |
36 |
|
Средняя величина |
33,03 |
Таблица 2
Сплав Stomet-2 kz, керамика «Дизайн», толщина 1 мм
|
Ширина, мм |
Толщина, мм |
k |
Fраз, Н |
τ, МПа |
|
3 |
0,5 |
2,5 |
13,67 |
34 |
|
3 |
0,5 |
2,8 |
9,66 |
27 |
|
3 |
0,5 |
2,7 |
12,75 |
34 |
|
3 |
0,5 |
2,71 |
12,15 |
32,9 |
|
3 |
0,5 |
2,55 |
13,19 |
33,63 |
|
3 |
0,5 |
2,65 |
9,87 |
26,15 |
|
3 |
0,5 |
2,82 |
15,12 |
42,6 |
|
3 |
0,5 |
2,81 |
11,09 |
31,16 |
|
Средняя величина |
32,68 |
Таблица 3
Сплав Stomet-2kz, керамика «Vita 13», толщина 1 мм
|
Ширина, мм |
Толщина, мм |
k |
Fраз, Н |
τ, МПа |
|
3 |
0,5 |
2,65 |
13,71 |
36,33 |
|
3 |
0,5 |
2,55 |
10,54 |
26,88 |
|
3 |
0,5 |
2,55 |
9,1 |
23,2 |
|
3 |
0,5 |
2,5 |
10,63 |
26,575 |
|
3 |
0,5 |
2,75 |
9,69 |
26,65 |
|
3 |
0,5 |
2,55 |
11,94 |
30,44 |
|
3 |
0,5 |
2,65 |
14,43 |
38,23 |
|
Средняя величина |
30,85 |
Таблица 4
Сплав Stomet-2kz, керамика «Vita 13», толщина 1,5 мм
|
Ширина, мм |
Толщина, мм |
k |
Fраз, Н |
τ, МПа |
|
3 |
0,5 |
2,8 |
10,77 |
30,157 |
|
3 |
0,5 |
2,5 |
9,85 |
24,6 |
|
3 |
0,5 |
2,5 |
14,89 |
37,2 |
|
3 |
0,5 |
2,85 |
11,73 |
29,3 |
|
3 |
0,5 |
2,5 |
11,71 |
33,4 |
|
3 |
0,5 |
2,65 |
8,9 |
23,6 |
|
Средняя величина |
29,7 |
В табл. 5 показаны средние напряжения отслаивание керамического слоя от сплава в зависимости от материала.
Таблица 5
Напряжения отслаивание керамического слоя от сплава в зависимости от материала
|
Материал сплав/керамика |
Среднее значение τ, МПа |
|
Stomet-2kz / Дизайн |
32,8 ± 4 |
|
Stomet-2kz / Vita 13 |
29,7 ± 4 |
Согласно пункту 4.1.3.2 ГОСТ 31575-2012 величина напряжения, при котором происходит отслаивание керамического слоя от металлического образца (t) должна быть не менее 25 МПа. Для отечественного стоматологического сплаваStomet-2kz имеется достаточная величина напряжения, при котором не происходит отслаивание керамического слоя от металлического образца
Выводы
В результате экспериментальных исследований дополнены сведения о прочности соединения керамики с металлом, что аргументирует применение полученной информаций в научных исследованиях. Установлено, что предлагаемый химический состав разработанных сплавов обеспечивает адекватную адгезию керамики и металла при изготовлении металлокерамических протезов. Это позволяет изготавливать металлокерамические протезы большой протяженностью.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований дополнены сведения о прочности соединения керамики с металлом, что аргументирует применение полученной информаций в научных исследованиях. Установлено, что предлагаемый химический состав разработанных сплавов обеспечивает адекватную адгезию керамики и металла при изготовлении металлокерамических протезов. Это позволяет изготавливать металлокерамические протезы большой протяженностью.