反復熔鑄對金鉑烤瓷合金力學性能影響的研究

程輝 楊松 李秀容等

[摘要] 目的 探討反復熔鑄對金鉑烤瓷合金力學性能的影響。方法 金鉑烤瓷合金經過單純反復熔鑄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 經過不同熔鑄次數(shù)的金鉑烤瓷合金的拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率、彎曲強度及維氏硬度值差異均無統(tǒng)計學意義。Ⅱ代、Ⅲ代試件的彎曲模量與Ⅰ代相比，顯著升高（P<0.05）。結論 金鉑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。

[關鍵詞] 金鉑烤瓷合金； 反復熔鑄； 力學性能

[中圖分類號] R 783.2 [文獻標志碼] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.04.020

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，已成為目前口腔修復中應用最廣泛的臨床修復體。其中，金鉑烤瓷合金因為其具有優(yōu)秀的物理、化學及生物學性能，在臨床上的使用逐漸增多。由于口腔傳統(tǒng)鑄造工藝的限制，鑄造后形成了鑄道、底座、儲金球等金鉑烤瓷合金廢舊料，對其進行回收可以節(jié)約資源及降低成本，但是能否再利用，取決于其各項性能指標。因此，本研究在前期反復熔鑄對鈷鉻烤瓷合金性能影響研究的基礎上，從力學角度探討反復熔鑄對金鉑烤瓷合金性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

金鉑烤瓷合金（Alfa Ceramic 90，Alldental公司，瑞典），萬能材料測試機（Instron 1342，Instron公司，英國），微硬度計（DHV-1000，上海尚材試驗機有限公司），牙科磷酸鹽鑄造包埋材料（Vesto-Fix，DFS公司，德國），真空鑄造機（ARGONCASTER-C，SHO-

FU公司，日本）。

1.2 廢舊烤瓷合金重鑄前的處理

先用粒度為80 μm玻璃珠砂粒在0.2 MPa壓力下常規(guī)噴砂，去凈表面黏附的包埋料和異物，噴砂后依次在95%乙醇中超聲振蕩30 min、超純水中超聲振蕩30 min，自然干燥，備用。

1.3 實驗方法

參照ISO的相關標準要求，將金鉑烤瓷合金經1～3次真空壓力熔鑄后，獲得經1～3次熔鑄后的金鉑烤瓷合金的彎曲、拉伸和顯微硬度測試試件。分別測試相應試件的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率和顯微硬度等力學性能指標，具體的合金重復利用方法和實驗方法與前期對鈷鉻烤瓷合金反復熔鑄后力學性能變化研究的方法一致[1]。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 13.0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，各代試件間拉伸強度、0.2%屈服強度及延伸率的差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

2.2 彎曲性能

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代試件的彎曲強度分別為（293.20±

44.08）、（275.05±41.84）、（297.72±24.72） MPa，各

代試件間彎曲強度的差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代試件的彎曲模量分別為（87.88±8.84）、

（104.49±7.32）、（112.31±3.71） GPa，Ⅱ代和Ⅲ代試件的彎曲模量與Ⅰ代相比，顯著升高（P<0.05），但是Ⅱ代和Ⅲ代彎曲模量的差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

2.3 硬度

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代試件的顯微硬度分別為（115.29±

5.64）、（114.88±7.08）、（116.02±6.08） kg·mm-2。隨著熔鑄次數(shù)的增加，各代試件間顯微硬度的差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。

3 討論

金瓷修復體的鑄件應當具備足夠的強度，使其在正?？谇还δ軤顟B(tài)下不發(fā)生變形和破損。而烤瓷合金經過熔鑄后發(fā)生的化學成分和結構組織的變化可能會影響其力學性能[2]。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[3]。

3.1 拉伸性能

本研究中拉伸試件的尺寸參考了曹洪喜等[4]和楊松等[1]的研究，縮小至ISO9693標準拉伸試件的2/5，

目的是為了減少鑄造缺陷[5]發(fā)生的幾率，減小因此產生的實驗誤差。研究結果顯示，金鉑烤瓷合金經過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。

在反復熔鑄對烤瓷合金拉伸性能影響的研究中，楊松等[1]將鈷鉻烤瓷合金在真空加氬氣保護環(huán)境下

單純反復熔鑄3次，發(fā)現(xiàn)拉伸強度、0.2%屈服強度、延伸率差異無統(tǒng)計學意義。Reisbick等[6]將低貴金屬

烤瓷合金在離心鑄造環(huán)境下單純反復熔鑄3次，發(fā)現(xiàn)低貴金屬烤瓷合金的屈服強度隨熔鑄次數(shù)的增加而下降，而拉伸強度、延伸率的差異無統(tǒng)計學意義。張壽華等[7]將貴金屬烤瓷合金在真空壓力鑄造環(huán)境

下單純反復熔鑄4次，發(fā)現(xiàn)拉伸強度隨著熔鑄次數(shù)的增加而下降。本實驗結果與上述研究結果不同，可能原因是：1）楊松等[1]采用的是鈷鉻烤瓷合金，主要成分是鈷（61%）、鉻（26%）、鎢（5%）、鉬（6%）；Reisbick等[6]采用的是低貴金屬烤瓷合金，其主要成分是金（46%）、銀（39.5%）、鈀（6%），而本實驗采用的是高貴金屬烤瓷合金，其主要成分為金（89.5%）、鉑（4.8%）、鈀（1.6%）、銀（1.2%）。合金某種組分的燒損程度與該組分沸點相對于合金熔點的高低有關，沸點明顯低于合金熔點的，經過反復熔鑄后燒損量較大，而當合金中成分燒損量達到一定程度，將明顯改變合金的性能。2）Reisbick等[6]是在離心鑄造環(huán)境下進行實驗，本實驗采用的是真空加氬氣保護下的壓力鑄造方法。3）張壽華等[7]研究中拉伸試樣的尺寸比本實驗拉伸試樣的尺寸大。周敏等[5]對鑄件

尺寸大小和內部缺陷發(fā)生頻率的關系進行分析，發(fā)現(xiàn)內部缺陷發(fā)生頻率和缺陷面積均隨著尺寸的增大而增加，而這些潛在的內部缺陷將直接影響鑄件的質量。

3.2 彎曲性能

本研究采用三點彎曲實驗，研究反復熔鑄對金鉑烤瓷合金彎曲性能的影響，結果顯示，Ⅱ、Ⅲ代金鉑烤瓷合金的彎曲強度與Ⅰ代金鉑烤瓷合金的彎曲強度的差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）；Ⅱ、Ⅲ代金

鉑烤瓷合金的彎曲模量與Ⅰ代金鉑烤瓷合金相比，顯著升高（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[8]發(fā)現(xiàn)鎳鉻烤瓷合金進行5次單純反復熔鑄后，合金的彎曲強度、彎曲模量沒有發(fā)生降低。楊松等[1]發(fā)現(xiàn)鈷鉻烤瓷合金進行3次單純反復熔鑄后，

合金的彎曲強度、彎曲模量差異無統(tǒng)計學意義。本實驗結果與上述實驗結果類似，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，熔化合金時空氣中的氮、氫和氧等分子與金屬表面接觸，分解成為原子進入金屬液中，在合金凝固時形成小氣孔。而各種形態(tài)氣孔的存在，將會減少鑄件的有效承載面積且在氣孔周圍形成應力集中，降低鑄件的力學性能[9]。朱松等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在空氣環(huán)境中熔鑄的鈷鉻合金至多只能單純反復熔鑄2次，而在真空加氬氣保護環(huán)境中進行熔鑄，至少可以單純反復熔鑄3次而不影響其主要的力學性能。金鉑烤瓷合金的彎曲模量隨著熔鑄次數(shù)的增加而升高，可能原因是晶粒在反復熔鑄的過程中發(fā)生細化。合金在凝固結晶過程中，隨著熔鑄次數(shù)的增加而增多的第二相質點和內部氣孔阻礙了晶粒的增長，使得晶粒變小[11]。細化的晶粒能夠對裂紋的形成和擴展起

抵抗的作用，從而提高合金的彎曲性能[12]。

3.3 硬度

本實驗中的硬度試件按照ISO6507-1的要求進行制作，采用測試維氏硬度值的方法，研究反復熔鑄對金鉑烤瓷合金硬度的影響，結果顯示，隨著熔鑄次數(shù)的增加，各代試件間顯微硬度的差異無統(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，楊松等[1]研究發(fā)現(xiàn)，鈷鉻烤瓷合金經過3次反復熔鑄，

合金硬度的差異無統(tǒng)計學意義。Peraire等[13]發(fā)現(xiàn)高

貴金屬烤瓷合金經過8次熔鑄，合金硬度的差異無統(tǒng)計學意義。本實驗結果與上述研究結果相似，其原因可能是均在真空環(huán)境下進行鑄造。

綜上所述，本研究中金鉑烤瓷合金在真空環(huán)境下經過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均未發(fā)生降低。因此，可以認為在本實驗條件下，在不添加任何新合金的情況下，金鉑烤瓷合金反復熔鑄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 杜冰）