Tin Mới Nhất
Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti cho kỹ thuật phục hình
06/12/2017
Đã nghiên cứu chế thử thỏi đúc hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti trong khuôn kim loại và đúc áp lực thấp. Hợp kim này đã được một số phòng thí nghiệm, nha khoa sử dung để chế tạo các cầu răng sứ, hàm khung và hàm răng giả.
Study on manufacturing technology of Ni-Cr-Mo-Ti superalloy for dendal restoration technique
Tô Duy Phương, Đỗ Thị Duyên Viện Khoa học vật liệu, 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội Email: phuongtd@ ims.vast.ac.vn
TÓM TẮT
Hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti có hàm lượng khoảng 76%Ni, 14%Cr, 5%Mo, 4%Ti và vi lượng các nguyên tố Al, Cu đã được nghiên cứu chế tạo thành công các chi tiết như cầu răng sứ, hàm khung, nẹp gá răng. Hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti đã được luyện trong lò Tamman có khí trơ bảo vệ, đúc thỏi vào khuôn kim loại. Đã đã xác lập và lựa chọn được các nhiệt độ nóng chảy và đúc hợp kim khoảng gần 1400°C, có thể đúc theo công nghệ áp lực thấp, bề mặt hợp kim được làm sáng trong dòng nước lạnh. Nền hợp kim nha khoa Ni-Cr-Mo-Ti là austenit có xen lẫn pha liên kim NiCr. Tinh thể hợp kim có hình vẩy cá và nhánh cây nhỏ mịn xếp đều trên toàn bộ bề mặt thỏi đúc. Chất lượng hợp kim tương đương mác Talladium CE 0197 của ý, với giới hạn bền kéo đạt trên 400 MPa, độ cứng trên 252 HB, bề mặt hợp kim có mầu trắng sáng.
ABSTRACT
The Ni-Cr-Mo-Ti dental superalloy containing 76%Ni, 14%Cr, 5%Mo, 4%Ti, Cu and Al was investigated to make dental bridges, crowns and full dentures. The Ni-Cr-Mo-Ti dental superalloy was melted in Tamman furnace under Ar inert gas, then cast into superalloy mold. Some optimal technological parameters are selected as melting and casting temperatures (about 1400°C). The alloy can be cast by low pressure technology and soaked into stream cold water for alloy surface cleaning. The Ni-Cr-Mo-Ti superalloy matrix was austenite with intermetalic NiCr. Alloy grains have homogenous fish scales and small-smooth dendrite microstructure. Obtained Ni-Cr-Mo-Ti ingot is similar to Talladium CE 0197 of Italy and has tenside strength of >400 MPa and hardness of > 252 HB with light white surface.
1. MỞ ĐẦU
Hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti tương đương mác Talladium CE 0197 của ý là mác có hàm lượng khoảng 76%Ni, 14%Cr, 5%Mo, 4%Ti và vi lượng các nguyên tố Al, Cu, Be [1]. Đây là hợp kim có nhiệt độ nóng chảy và đúc khoảng gần 1400°C. Để tạo ra được thỏi hợp kim công nghệ đúc phổ biến là rót vào khuôn thép chịu nhiệt CrNiMoTi. Vì có nhiệt độ nóng chảy và đúc thấp nên hợp kim có thể đúc theo công nghệ áp lực thấp hoặc bán lỏng [2-4].
Đã nghiên cứu chế thử thỏi đúc hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti trong khuôn kim loại và đúc áp lực thấp. Hợp kim này đã được một số phòng thí nghiệm, nha khoa sử dung để chế tạo các cầu răng sứ, hàm khung và hàm răng giả. Như đã biết nhiệt chuyển hoá mầm kết tinh từ trạng thái lỏng sang đặc với quá trình làm nguội nhanh được xác lập như sau [5]:
L = Hl – Hđ = Tn . ΔS (1)
ở đây: Hl , Hđ là entalpy của trạng thái lỏng và đặc, Tn là nhiệt độ làm nguội, ΔS là entropy của quá trình chuyển hoá. Năng lượng tự do tổng để chuyển hoá mầm kết tinh khi đông đặc được xác lập như sau:
ΔGT = a3.ΔGt.l+ 6a2σđ.l (2)
ở đây: a là cạnh của tinh thể lập phương, ΔGt.l là năng lượng chuyển hoá tinh thể lập phương, σđ.l là năng lượng bề mặt đặc-lỏng. Năng lượng chuyển hoá cực đại được xác lập như sau:
ΔGmax=32σđ.l 3/ΔGt.l 2=32σđ.l 3(Tn/L) 2.(1/ΔT) 2 (3)
Với crôm, titan và môlypđen hình thành tinh thể lập phương tâm khối, còn niken, nhôm và đồng là lập phương tâm mặt có nhiệt chuyển hoá từ 2500 đến 4600 cal(g.ngtử) -1. Sự hình thành và chuyển hoá cấu trúc của hợp kim đúc trong khuôn cho trên sơ đồ hình 1, 2.
Hình 1, Sự hình thành lớp vỏ kết tinh trên thành khuôn Hình 2. Sự lớn hạt và hình thành tinh thể
Từ hình 1, 2 thấy khi đúc rót hợp kim ở nhiệt độ thấp hạt tinh thể sẽ thô, còn ở nhiệt độ cao thì hạt sẽ mịn nhiều, màu sẽ sáng trắng. Các sơ đồ hình 1, 2 là cơ sở để luyện hợp kim thích hợp cho gia công đúc kim hoàn các chi tiết cầu, hàm khung, nẹp gá hàm răng.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Phối liệu hợp kim
Hợp kim nha khoa mác Talladium CE-0197 có thành phần 60-76%Ni, 12-21%Cr, 4-14%Mo, 4- 6%Ti đã được chọn làm đối chứng. Đã lựa chọn phối liệu kim loại theo bảng 1.
| TT | Mẻ | Trọng lượng mẻ /g/ | Thành phần phối liệu /g/ | |||||
| Ni | Cr | Mo | Ti | Cu | Al | |||
| 1 | M24 | 100 | 76 | 15 | 5 | 4 | - | - |
| 2 | M25 | 300 | 234 | 45 | 9 | 12 | - | - |
| 3 | M26 | 200 | 152 | 30 | 8 | 10 | - | - |
| 4 | M27 | 200 | 152 | 30 | 6 | 10 | - | 2 |
| 5 | M31 | 300 | 234 | 45 | 9 | 12 | - | - |
| 6 | M43 | 100 | 76 | 14 | 5 | 4 | 1 | 1 |
Bảng 1. Phối liệu hợp kim
Phối liệu từ kim loại sạch được lựa chọn theo cơ chế tạo nền hợp kim có cấu trúc vảy cá mịn, có nhiệt độ chảy và đúc thấp, có tính mềm, dẻo. Mẻ M43 có bổ xung 1%Cu, 1%Al.
2.2. Công nghệ luyện hợp kim
Theo phối liệu ở bảng 1, công nghệ luyện hợp kim là nạp 1 lần và có thể có bổ sung trong quá trình luyện (bảng 2).
| TT | Mẻ | Tan liệu | Khuấy đảo | Loại xỉ | Nhiệt độ |
| 1 | M24 | 15 phút, tiếp | 2 lần | 1 lần | >1400 |
| 2 | M25 | 125 phút, đầu | 2 lần | 2 lần | <1400 |
| 3 | M26 | 155 phút, đầu | 3 lần | 2 lần | >1400 |
| 4 | M27 | 190 phút, đầu | 1 lần | - | <1400 |
| 5 | M31 | 60 phút, tiếp | - | - | >1400 |
| 6 | M43 | 28 phút, tiếp | - | - | >1400 |
Bảng 2. Công nghệ luyện hợp kim
Từ bảng 2 thấy luyện ở nhiệt độ cao thuận lợi hơn, các mẻ tiếp theo tốc độ luyện rất nhanh, gần như là nhúng tan kim loại. Mẻ M43 rất thuận lợi và bề mặt lỏng sáng, tĩnh, phẳng.
2.3. Đúc thỏi hợp kimm
Đã sử dụng công nghệ đúc ở nhiệt độ thấp, có nghĩa là để hợp kim lỏng trong chén, hạ nhiệt lò, sau đó mới đúc vào khuôn. Như mẻ M43 ra lò ở nhiệt độ cao và hạ nhiệt xuống dưới 1400°C để đúc đã đạt được kết quả tốt nhất (xem hình 3 và bảng 3).
Bảng 3
Hình 3 Khuôn và thỏi hợp kim đúc
Bảng 3 cho thấy mẻ M31 có sử dụng phương pháp rút thỏi bằng ống thạch anh rất thuận lợi cho thao tác và tạo kết tinh đồng đều, nhưng vẫn cần có thêm số liệu nghiên cứu bổ xung.
2.4. Nhiệt luyện hợp kim
Mục đích của lựa chọn công nghệ nhiệt luyện là ổn định tổ chức và độ hạt thích hợp cho quá trình gia công tiếp sau. Do cấu trúc nền sẽ phản ánh màu bề mặt hợp kim, nên phải nhiệt luyện để đạt cấu trúc bề mặt sáng trắng, (xem bảng 4).
| TT | Mẻ | Nguội tự nhiên | Nguội trong khuôn | Nguội trong dòng nước | Gia công mài cắt |
| 1 | M24 | x | - | x | x |
| 2 | M25 | x | - | x | x |
| 3 | M26 | - | x | - | x |
| 4 | M27 | - | - | x | x |
| 5 | M31 | x | - | x | x |
| 6 | M43 | - | - | x | - |
Bảng 4. Kết quả gia công nhiệt luyện các mẫu hợp kim
Các hợp kim nha khoa, đặc biệt là hợp kim hệ Ni-Cr-Mo-Ti nếu được làm nguội trong dòng nước sẽ chuyển hoá bề mặt sáng dần lên. Mẻ M43 không phải khuấy, không có gạt xỉ, chỉ làm nguội trong dòng nước vẫn đạt bề mặt đẹp.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Lựa chọn công nghệ
Trên cơ sở 24 mẻ luyện và đúc thỏi đã đúc khuôn xáp và bọc nung cầu răng sứ ở 1200°C trong lò múp tự động. Sau thực nghiệm hợp kim đã sáng, trắng, bám sứ chắc (xem hình 4 và bảng 5).
Hình 4 Các mẫu hợp kim nha khoa sau đúc mẫu chảy (khuôn xáp) và đúc răng sứ
Bảng 5. Hợp kim đúc mẫu chảy và răng sứ
Công nghệ mẻ luyện M43 đã được chọn để hoàn thiện, trong khi mẻ luyện M27 khi bọc sứ và nung cho bề mặt hợp kim vẫn bị xám, không đẹp.
3.2. Hoàn thiện công nghệ và đánh giá
Đã chế tạo tới sản phẩm nha khoa phục vụ kỹ thuật phục hình răng ở Labô Kiên, Linh Đàm. ở đây, các mẻ hoàn thiện đều theo công nghệ luyện ở nhiệt độ cao, lắng hạ nhiệt và đúc trong khuôn kim loại Φ8 và 10mm. Các thỏi đạt đều sáng, đẹp sau nhiệt luyện trong dòng nước lạnh.
Bảng 6, Kết quả hoàn thiện công nghệ
Kết quả các mẻ thực nghiệm hoàn thiện cho ở bảng 6. Thành phần hoá học hợp kim cho ở bảng 7. Bảng 6 cho thấy nhiệt độ chảy của hợp kim thấp, chỉ khoảng 1400°C. Từ những kim loại có nhiệt độ nóng chảy rất cao, nếu tạo được hợp kim có thành phần kiểu cùng tình thì nhiệt độ chảy giảm đáng kể. Điều này phù hợp với cơ sở lý luận đã được xác lập ở các công trình [5,6] .
| TT | Mẻ | Ni | Cr | Mo | Ti | Al | Si | Cu |
| 1 | M24 | 75,24 | 13,10 | 4,10 | 3,45 | - | - | - |
| 2 | M25 | 75,80 | 12,90 | 4,00 | 3,40 | - | - | - |
| 3 | M26 | 76,69 | 13,70 | 3,92 | 4,28 | - | - | - |
| 4 | M27 | 77,12 | 15,10 | 4,00 | 3,78 | - | - | - |
| 5 | M31 | 76,18 | 15,16 | 4,45 | 4,21 | - | - | - |
| 6 | M43 | 74,00 | 16,00 | 4,00 | 4,00 | 1,00 | - | 1,00 |
Bảng 7, Thành phần hoá học các mẻ luyện đặc trưng (%)
Bảng 7 cho thấy thành phần hoá học của hợp kim theo kết quả phân tích EDS. Trên máy Hitachi crôm và môlypđen ở một số mẫu còn quá lớn, còn niken thì lại thấp so với tính toán cân bằng liệu, nhưng phân tích trên máy của COMFA thì xác nhận là đạt. Với hợp kim hàm lượng Ni và Ti thấp thì cần bổ xung thêm Cu và Al như mẫu M43, đạt chất lượng tốt với thành phần như sau: 74,00%Ni; 16,00%Cr; 4,00%Mo; 4,00%Ti; 1,00%Cu;1,00%Al. Bề mặt một số thỏi sản phẩm ghồ ghề, có lỗ rỗ khí và màu xám tối. Những khuyết tật này có thể hình thành do đúc ở nhiệt độ cao và khuấy đảo mạnh đã đưa khí vào hợp kim. ở một số mẫu hàm lượng Mo, Ti cao, thấp.
Môolypđen và titan là những nguyên tố có ái lực lớn với ôxy nên đã bị ôxy hoá bề mặt, tạo xám, ở đây còn có thể do luyện- đúc từ các hợp kim sạch khi khuấy đảo dễ bị ôxy hoá. Mẫu M43 bề mặt bảo đảm nhẵn, bóng và sáng trắng, ở đây có thể do công nghệ luyện-đúc hợp kim NiCrMoTi từ kim loại sạch và ít Ti, đồng thời có thêm Cu và Al. Ngoài ra còn có thể do thành phần Ni cao (>73%). Để hoàn thiện công nghệ và lặp lại kết quả đã đạt được đã đúc các mẻ M51, M52, M53 và cho bề mặt nhẵn, sáng, trắng. Labô KTPHR Kiên, Linh Đàm đã thử đúc cốt cầu răng sứ; sứ bọc bám chắc, bề mặt sáng.
Hình 5, 6 và 7
Tổ chức của hợp kim của các mẫu đặc trưng cho trên các hình (5-7). Hình (5-7) cho thấy nền hợp kim nha khoa Ni- Cr-Mo-Ti là austenit, có xen lẫn liên kim NiCr. Tinh thể hợp kim hình vẩy cá và nhánh cây nhỏ mịn đều trên toàn bề mặt thỏi đúc. Kết quả này tương đương với tổ chức hợp kim mác Talladium CE 0197 [3].
Kết quả phân tích EDS và kết quả phân tích quang phổ trên máy PMI-Master Plus là rất phù hợp đối với trong thân hạt, còn tại các vùng biên hạt thì lượng niken và môlypđen cao hơn (>75%Ni và >5%Mo). Cơ tính hợp kim cho ở bảng 8.
Bảng 8. Cơ tính của hợp kim
Giá trị giới hạn bền kéo đo được thấp so với chờ đợi (>600MPa) là do gia công tạo mẫu chưa chuẩn xác, cũng như chưa đúng kích thước tiêu chuẩn như đầu kẹp quá ngắn.
Ngoài ra có thể do mẫu có khuyết tật thỏi đúc, điều này cho thấy ở mặt đứt của mẫu.
4. KẾT LUẬN
Hợp kim nha khoa hệ Ni-Cr-Mo-Ti được chế tạo có hàm lượng khoảng 76%Ni, 14%Cr, 5%Mo, 4%Ti và vi lượng các nguyên tố Al, Cu. Hợp kim nha khoa Ni-Cr-Mo-Ti có nhiệt độ nóng chảy và đúc khoảng gần 1400°C.
Công nghệ đúc thỏi hợp kim là rót vào khuôn thép chịu nhiệt Ni-Cr-Mo-Ti ở nhiệt độ <1400°C là thích hợp, có thể đúc theo công nghệ áp lực thấp. Nền hợp kim nha khoa Ni-Cr-Mo-Ti là austenit có xen lẫn liên kim NiCr. Tinh thể hợp kim 76%Ni, 14%Cr, 5%Mo, 4%Ti có hình vẩy cá và nhánh cây nhỏ mịn đều trên toàn bộ bề mặt thỏi đúc.
Các hợp kim chứa trên 75%Ni và trên 14%Cr đạt cấu trúc austenit hạt mịn có thể sử dụng để gia công kim hoàn, để chế tạo ra các bộ cầu răng sứ, hàm khung và nẹp gá hàm răng. Giới hạn bền kéo của thỏi đúc đạt trên 400 MPa, độ cứng HB đạt 252 Bề mặt mẫu có mầu trắng sáng.
[symple_box color="yellow" text_align="left" width="100%" float="none"]Tài liệu trích dẫn
- To Duy Phuong, Pham Duc Thang, Proceedings of 14th APCCC. Shanghai, China 22-26, October, 2006, CD pages
- Tô Duy Phương, ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến cấu trúc và màu bề mặt của hợp kim nha khoa NiCrMoTi, T.c. Kim loại, số 18, tháng 6, 2008, 28-32
- Riccardo Illic, Talladium Tilite Alloy casting instructions, 20135 Milano, Italy 2000
- ANSI/ADA, CERTIFIED American Dental Association, Spec. No 1 for Ni dental alloy
- Atsumi Ohno, Solidification, Springer Verlag, New York 1987
- Tô Duy Phương, Báo cáo Tổng kết đề tài “Nghiên cứu chế tạo hợp kim NiCrMoTi làm vật liệu chấn thương chỉnh hình nha khoa”, Viện KH Vật liệu, 2005.