反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金力學性能影響的研究

楊松 程輝 李秀容 吳維青 鄭明 王穎卉

（1.福建醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院 修復科；2.技工中心；3.福州大學 測試中心，福州 350002）

反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金力學性能影響的研究

楊松1程輝1李秀容2吳維青3鄭明1王穎卉1

（1.福建醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院 修復科；2.技工中心；3.福州大學 測試中心，福州 350002）

目的 探討反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金力學性能的影響。方法 鈷鉻烤瓷合金經(jīng)過單純反復熔鑄3次后，用拉伸實驗對各代試件的拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率進行比較；用彎曲實驗對各代試件的彎曲強度、彎曲模量進行比較；用硬度實驗對各代試件的維氏硬度值進行比較。結果 經(jīng)過不同熔鑄次數(shù)的鈷鉻烤瓷合金的拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率、彎曲強度、彎曲模量及維氏硬度值差異均無統(tǒng)計學意義。結論 鈷鉻烤瓷合金至少可以反復熔鑄3次而不引起力學性能的下降。

鈷鉻烤瓷合金； 反復熔鑄； 力學性能

金瓷修復體因為兼有金屬材料的強度以及陶瓷材料的美觀，成為目前口腔修復中應用最廣的臨床修復體。其中由于鎳鉻合金存在致敏和頸緣黑線等問題，所以非鎳基烤瓷合金的使用逐漸增多。目前多數(shù)患者選擇的是價格相對低廉的鈷鉻烤瓷合金，因此形成了大量的鈷鉻烤瓷合金廢舊料，對其進行回收可以節(jié)約資源及降低成本，但是回收的廢舊料能否再利用，取決于其各項性能指標。本實驗在本課題組前期對鎳鉻烤瓷合金研究[1-3]的基礎上，從力學的角度來探討反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

UNIVEST磷酸鹽鑄造包埋材料、ARGONCASTER-C真空鑄造機（Shofu公司，日本），Wirobond鈷鉻烤瓷合金（Bego公司，德國），Instron1342萬能材料測試機（Instron公司，美國），DHV-1000微硬度計（上海尚材試驗機有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 合金重復利用方法 以從廠家購買的新合金（0代合金）為原料，按口腔鑄造要求進行真空加壓熔鑄，即可獲得經(jīng)1次熔鑄后的研究試件（Ⅰ代試件）和經(jīng)1次熔鑄后形成的鑄道、底座、儲金球等合金附件廢舊料。廢舊料經(jīng)重鑄前的處理后，即為經(jīng)1次熔鑄的合金原料（Ⅰ代合金）。以Ⅰ代合金為原料，再次進行熔鑄，即可獲得Ⅱ代試件和Ⅱ代合金。以此類推，即可獲得Ⅲ代試件。

1.2.2 廢舊烤瓷合金重鑄前的處理 先用200目的氧化鋁砂粒在0.4MPa壓力下常規(guī)噴砂，去凈表面黏附的包埋料及異物，在王水中浸泡15min，噴砂后、王水浸泡前，依次在95%乙醇中超聲振蕩30min、超純水中超聲振蕩30min，自然干燥，備用。

1.2.3 拉伸實驗 試樣尺寸參照ISO9693標準，縮小到標準試件的2/5（圖1），每代6個。將試件在其標距內(nèi)標記l0=6mm后，置于萬能材料測試機上進行加載，加載速率為1.0mm·min-1。根據(jù)公式計算出[4]：拉伸強度=最大載荷/試樣原始截面積；0.2%屈服強度=偏離比例極限0.2%時的載荷值/試樣原始截面積；延伸率=（l1-l0）/l0×100%。

圖1 拉伸試件示意圖Fig 1 Schematic representation of the standard tensile properties specimen

1.2.4 彎曲實驗 試樣長16mm、寬4mm、高2mm，每代6個。將試件置于萬能材料測試機上，按照ISO-7438標準進行三點彎曲加載。兩支點直徑為1mm，兩支點間距為8mm，壓頭曲面直徑為0.5mm，加載速率為1.0mm·min-1。按公式計算出[4]：彎曲強度（σ）= 3FmL0/2WB2；彎曲模量（E）=FL03/4δWB2。其中，F(xiàn)m是最大載荷值（N），F(xiàn)為偏離比例極限0.2%時的載荷值（N），δ為偏離比例極限0.2%時的形變量（mm），L0為兩支點間距（mm），W為試件寬度（mm），B為試件厚度（mm）。

1.2.5 測試硬度 試樣尺寸為直徑6mm、高度2mm的圓柱體，每代3個。按ISO6507-1標準測試顯微維氏硬度，每個試件測試3個點，載荷值為0.98N，加載時間15 s。

1.3 統(tǒng)計學分析

采用SPSS13.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率、彎曲強度、彎曲模量及維氏硬度值采用單因素方差分析及Dunnett-t檢驗。

2 結果

2.1 拉伸性能

各代試件拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率的測試結果見表1。由表1可見，隨著熔鑄次數(shù)的增加，鈷鉻烤瓷合金各代試件間拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

表1 各代試件拉伸強度、0.2%屈服強度和延伸率的測試結果Tab 1 Testing result of tensile strength,0.2%yield strength,percentage of elongation of each generation ±s

表1 各代試件拉伸強度、0.2%屈服強度和延伸率的測試結果Tab 1 Testing result of tensile strength,0.2%yield strength,percentage of elongation of each generation ±s

拉伸試件 拉伸強度/MPa 0.2%屈服強度/MPa 延伸率/%Ⅰ代 1 004.40±56.37 734.22±25.98 23.53±2.28Ⅱ代 1 072.03±65.60 698.42±57.28 23.69±1.91Ⅲ代 1 060.53±60.11 706.11±31.41 23.53±2.40

2.2 彎曲性能

隨著熔鑄次數(shù)增加，鈷鉻烤瓷合金Ⅰ代、Ⅱ代、Ⅲ代的彎曲強度分別為（1762.51±108.25）、（1747.01± 128.89）、（1 786.89±58.47）MPa；彎曲模量分別為（213.76±14.98）、（194.38±19.03）、（209.67±19.78）GPa。各代試件間彎曲強度和彎曲模量的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2.3 硬度

隨著熔鑄次數(shù)增加，鈷鉻烤瓷合金Ⅰ代、Ⅱ代、Ⅲ代的維氏硬度值分別為（378.66±9.68）、（380.93± 5.74）、（380.51±8.70）kg·mm-2。各代試件間維氏硬度值的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

3 討論

齒科烤瓷合金在熔鑄過程中會發(fā)生成分燒損，產(chǎn)生非金屬夾雜物，溶解排出氣體和產(chǎn)生偏析等狀況。成分改變的同時，合金的組織結構也受到了影響。而金屬材料的性能取決于其化學成分和結構組織。因此，齒科烤瓷合金經(jīng)過熔鑄后，力學性能可能會發(fā)生改變[5]。而且由于金瓷修復體的基底冠都較薄，在烤瓷燒結、修復體試戴及口腔咀嚼的過程中又不可避免地要受到各種應力作用，一旦發(fā)生永久變形，就意味著發(fā)生功能性的失效，因此，烤瓷合金要成功地應用于臨床，其鑄件應當具備良好的力學性能，其中拉伸性能、彎曲性能及硬度至關重要[6]。

3.1 拉伸性能

本研究中拉伸試件的尺寸參考了曹洪喜等[7]的研究，對ISO9693標準拉伸試件按2/5比例縮小，目的是為了減少鑄造缺陷[8]，減小因此而引起的實驗誤差。本研究結果顯示：鈷鉻烤瓷合金經(jīng)過3次熔鑄后，拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

在反復熔鑄對烤瓷合金拉伸性能影響的研究中，鄧再喜等[9]發(fā)現(xiàn)：鎳鉻烤瓷合金經(jīng)過4次熔鑄后，拉伸強度和屈服強度差異無統(tǒng)計學意義，而延伸率隨著熔鑄次數(shù)的增加而增加。張長源等[1]的實驗結果顯示：鎳鉻烤瓷合金至少可以重復利用5次而不引起拉伸性能的下降。但是Issac等[10]發(fā)現(xiàn)鎳鉻烤瓷合金的拉伸強度、屈服強度以及彈性模量隨著熔鑄次數(shù)的增加而減小。本實驗結果與前兩者的研究相一致，但與Issac等[10]的研究結果不符，究其原因可能因為鑄造方法不同所致。本研究采用的是真空壓力鑄造法，而Issac等[10]采用的是離心鑄造法。合金在經(jīng)過高溫熔化、凝固再結晶的過程中，其內(nèi)部不可避免地會產(chǎn)生化學成分及組織結構不均勻的現(xiàn)象，稱為偏析。偏析會使晶粒范圍內(nèi)的物理及化學性能產(chǎn)生差異，影響鑄件的力學性能[11]。而離心鑄造法由于離心力的作用，會加重鑄件內(nèi)部的偏析現(xiàn)象，因而可能會對鑄件拉伸性能造成更大的影響。

3.2 彎曲性能

本實驗參考ISO7438標準，結合臨床情況，設置了彎曲試件的尺寸。相對于單冠，彎曲性能對于固定橋的意義更大，因此設置跨度為8mm，模擬上頜第一磨牙的近遠中徑的長度。試件高度為2mm，模擬鑄造金屬全冠面的厚度。寬度為4mm，相當于連接體的面積為8mm2，符合對于固定橋連接體的截面積為4～10mm2的要求[12]。

本研究采用三點彎曲實驗研究反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金彎曲性能的影響，結果顯示：各代試件間彎曲強度和彎曲模量的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在反復熔鑄對烤瓷合金彎曲性能影響的研究中，連頌峰等[2]發(fā)現(xiàn)鎳鉻烤瓷合金進行5次熔鑄后，合金的彎曲強度、彎曲模量差異無統(tǒng)計學意義。本實驗結果與連頌峰等[2]的實驗結果一致，主要原因可能是鑄造均在真空加氬氣保護環(huán)境下進行。在空氣環(huán)境中，鈷鉻合金熔化時能溶解一些空氣中的氧、氮和氫，這些氣體的溶解度在合金凝固時突然降低，超過固溶極限的氣體必然析出并可能形成小氣孔[13]。另外合金在空氣中反復熔鑄，生成的氧化物增加。因此，鑄件的體積越大，熔鑄的次數(shù)越多，內(nèi)部的氣孔及非金屬性夾雜物也越多[14]。而在真空加氬氣保護環(huán)境下進行鑄造則可避免這些問題。朱松等[15]研究發(fā)現(xiàn)：在氬氣保護環(huán)境中，在不加入新合金的前提下，鈷鉻支架合金至少可以重復利用3次而不影響其主要的力學性能，而在空氣鑄造環(huán)境中，至多可重復利用2次。

3.3 硬度

本實驗中的硬度試件嚴格按照ISO6507-1標準的要求進行制作，采用測試維氏硬度值的方法，研究反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金硬度的影響。結果顯示：各代試件間維氏硬度值的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在反復熔鑄對烤瓷合金硬度影響的研究中，Peraire等[16]發(fā)現(xiàn)鎳鉻烤瓷合金進行8次熔鑄后，合金的硬度差異無統(tǒng)計學意義。王穎卉等[3]發(fā)現(xiàn)鎳鉻烤瓷合金進行5次熔鑄后，合金的硬度差異無統(tǒng)計學意義。但Horasawa等[17]發(fā)現(xiàn)銀鈀合金經(jīng)過5次熔鑄后，布氏硬度值隨著熔鑄次數(shù)的增加而增高。本實驗結果與Peraire等[16]和王穎卉等[3]的研究結果相一致，但不同于Horasawa等[17]的研究結果，其原因可能是鑄造環(huán)境不同。在Horasawa等[17]的研究中，合金在空氣環(huán)境下進行重復熔鑄；而在本研究中，合金是在真空加氬氣保護的環(huán)境下進行熔鑄。Bauer等[18]研究了不同鑄造環(huán)境對3種鎳鉻合金顯微硬度的影響。結果發(fā)現(xiàn)：同種合金在氬氣和真空環(huán)境下鑄造的試件具有相同的顯微硬度；而空氣環(huán)境下鑄造的試件，其顯微硬度則顯著高于前二者。在空氣環(huán)境中，合金反復熔鑄的高溫可使空氣中的碳、氮等成分在合金表面產(chǎn)生氣相反應，生成活性碳原子、氮原子，而后向合金內(nèi)部擴散。碳雖是微量，卻影響較大，它可與鈷、鉻形成多種碳化物，氮也極易與合金中的鋁、鉻、鉬等形成硬度高而且非常穩(wěn)定的氮化物，這些成分的存在提高了合金的硬度[15]。

本研究的結果表明：鈷鉻烤瓷合金在真空環(huán)境下經(jīng)過1、2、3次真空壓力鑄造后，拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率、彎曲強度、彎曲模量及維氏硬度值等力學性能指標差異無統(tǒng)計學意義。因此，可以認為在本實驗的條件下，在不添加任何新合金的情況下，鈷鉻烤瓷合金反復熔鑄3次仍能夠滿足烤瓷合金力學性能的要求。

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（本文編輯 胡興戎）

Study of the mechanical properties of Co-Cr ceram ic alloy after recasts

YANG Song1,CHENG Hui1,LI Xiurong2,WU Wei-qing3,ZHENG Ming1,WANG Ying-hui1.（1.Dept.of Prosthodontics,School&Hospital of Stomatology,Fujian Medical University,Fuzhou350002,China;2.Dental Tech Center,School&Hospital of Stomatology,Fujian Medical University,Fuzhou350002,China;3.Test Center,Fuzhou University,Fuzhou350002,China）

ObjectiveTo study the mechanical properties of Co-Cr ceramic alloy after recasts.MethodsCo-Cr ceramic alloy cast samples were prepared and recast for 3 times without adding any new Co-Cr ceramic alloy.The tensile strength,0.2%yield strength,percentage of elongation,flexural strength,flexural modulus and Vickers hardness of each specimen were measured.Results Being cast for different times,the Co-Cr ceramic alloy showed no significant differences on their tensile strength,0.2%yield strength,percentage of elongation,flexural strength,flexural modulus and Vickers hardness.ConclusionCo-Cr ceramic alloy can be recast for 3 times at least,without decrease of the mechanical properties.

Co-Cr ceramic alloy； recast； mechanical properties

R 783.1

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.03.007

1000－1182（2011）03－0249-04

2010-08-18；

2011-03-31

福建省科技攻關重點基金資助項目（2010Y0024）；福建醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院發(fā)展學科建設基金資助項目[（2008）39號]

楊松（1986—），男，福建人，住院醫(yī)師，碩士

程輝，Tel：0591-83736420