Masy osłaniające (ogniotrwałe)

Wykonanie odlewów metalowych uzupełnień protetycznych lub części metalowych protez (wkładów, koron, mostów, szkieletów protez ruchomych) odbywa się metodą „traconego wosku”. Procedury niezbędne do sporządzenia odlewów obejmują:

·         wykonanie na modelach roboczych (gipsowych, bądź modelach powielonych z masy ogniotrwałej) wzorców - woskowych modeli protez lub ich metalowych elementów,

·         sporządzenie form od­lewniczych - zatopienie woskowych wzor­ców w masie ogniotrwałej, pozwalającej na dokładne odwzorowanie ich kształtu i szczegółów anatomicznych,

·         wygrzewanie form odlewniczych – mające na celu:

-          usunięcia woskowych wzorców z form odlewniczych w celu utworzenia pustych przestrzeni przeznaczonych do wypełnienia płynnym metalem,

-          nadanie formie odlewniczej własności, niezbędnych do wykonania odlewu (poszerzenie formy odlewniczej, uzyskanie odpowiedniej temperatury),

·         odlewanie - wypełnienie formy odlewniczej płynnym (stopionym) metalem.

Sporządzanie odlewów może nieść z sobą błędy na każdym z etapów pracy, a w konsekwencji kłopoty w uzyskiwaniu precyzyjnych metalowych odle­wów, które powinny charakteryzować się dokładnym przyleganiem do po­wierzchni oszlifowanych zębów bądź jak w przypadku szkieletów protez ruchomych, zębów i podłoża śluzówkowo-kostnego. Zatem uzyskanie odlewów o pożądanym kształcie i dokładności wymaga ścisłego przestrzegania ustalonych norm (procedur) procesu technologicznego, na każdym z etapów pracy. Jednym z elementów mających istotne znaczenie w uzyskaniu precyzyjnych odlewów są własności mas ogniotrwałych oraz odpowiednie przygotowanie formy odlewniczej i postępowanie z formą przed odlewem. Pomimo przestrzegania procedur odlewniczych uzyskane odlewy mogą być wadliwe (zmiany wymiarów; szorstkość powierzchni, pęcherze, porowatość, zanieczyszczenie i niedolewy), często są one przypisane bezpośrednio albo pośrednio masom osłaniającym. Dlatego masom ogniotrwałym stawia się określone, wysokie wymagania.

Wymagania stawiane masom ogniotrwałym

Wszystkie masy ogniotrwałe powinny charak­teryzować się:

a)             odpornością na wysoką temperaturę – powinny posiadać wyższą temperaturą topnienia od temperatury topnienia stopów metali;

b)             brakiem reakcji chemicznej ze stopami metali używanymi do odlewów;

c)             rozszerzalnością mogącą kompensować skurcz stopu występujący w trakcie jego chłodzenia (skurcz krystalizacyjny stopu i skurcz termiczny odlewu);

d)             precyzją odwzorowania szczegółów anatomicznych w utworzonej formie;

e)             drobnoziarnistością, co zapewni gładką powierzchnię odlewu;

f)              odpowiednią (jednorodną) konsystencją po zarobieniu dla adaptacji do woskowego modelu;

g)             odpowiednim czasem (wiązania) twardnienia;

h)             porowatością – przepuszczalnością dla gazów i powietrza, dzięki cze­mu w trakcie wypełniania formy roztopionym sto­pem możliwa jest ewakuacja gazu wypełniającego formę odlewniczą bez wytwarzania ciśnienia wstecznego;

i)               odpowiednią wytrzymałością mechaniczną, zapobiegającą zniszczeniu (uszkodzeniu, deformacji) formy podczas procesu wygrzewania i od­lewania, w wysokiej temperaturze oraz w czasie gwałtownego uderzenia roztopionego metalu w trakcie wypełniania formy odlewniczej;

j)               łatwością usuwania z powierzchni odlewu po jego schłodzeniu.

Rodzaj zastosowanej masy ogniotrwałej będzie zależał od rodzaju stopu użytego do odlewu. Masy z gipsem jako czynnikiem wiążącym znajdują zastosowanie do sporządzenia form do odlewów ze stopów średniotopliwych (stopy złota). Powodem

Powyżej 1200°C może nastąpić reakcja pomię­dzy krzemionką a siarczanem wapnia:

CaSO4 + SiO2 ------ CaSiO3 + S03

w której wyzwala się gazowy trójtlenek siarki:

·         powoduje on porowatość masy,

·         może wyzwalać korozję odlewanego stopu.

Z tego powodu masy te stosuje się jedynie do odlewania stopów średniotopliwych.

masy fosforanowe stosuje się do odlewów stopów CoCr i NiCr, zaś różne typy mas zawierających glinowe cementy do odlewów tytanu.

Rodzaje mas ogniotrwałych

W powszechnym użyciu znajdują się dwa rodzaje mas osłaniających, zwanych inaczej masami ogniotrwałymi lub formierskimi (odlewniczymi), sto­sowanych przy wykonywaniu lanych protez stałych bądź szkieletów protez ruchomych: masy ze środkiem wiążącym w posta­ci gipsu i masy z dodatkiem fosforanów. Rzadziej stosowane są masy spajane krzemionką oraz, z uwagi na ograniczone zastosowanie tytanu i jego stopów, różne typy mas do odlewów tytanu i jego stopów.

Wszystkie masy ogniotrwałe zawierają krzemionkę (SiO2) stanowiącą nietopliwy wypełniacz. Różnią się one jedynie rodzajem lepiszcza:

a)           masy spajane gipsem - są używane do odle­wania stopów złota, ale nie są wskazane do sto­pów, których temp. topnienia przekracza 1200°C;

b)          masy spajane fosforanami - używane są do odle­wania stopów wysokotopliwych (CoCr i NiCr), mogą wytrzymy­wać działanie wyższych temperatur;

c)           masy spajane krzemionką - stanowią alterna­tywę mas na bazie fosforanów, służą do odlewania stopów wysokotopliwych.

Masy ogniotrwałe spajane gipsem

Gipsowe masy osłaniające stosowane są do przygotowania form odlewniczych dla stopów średniotopliwych (stopy złota i część stopów AgPd). Masy te również klasy­fikuje się według typów, przy czym masy typu I charakteryzują się głównie ekspansją termi­czną, zaś w masach typu II wykorzystywane jest dodatkowo zjawisko ekspansji higrosko­pijnej. Masy przeznaczone do odlewów ze stopów złota zawierają zazwyczaj drobne cząstki gipsu i krzemion­ki, przez co, w porównaniu z masami o grubszych cząstkach, tworzą bardziej jednorodną mieszaninę i dają gładsze odlewy.

Skład i własności:

Masy osłaniające są kompozycjami za­wierającymi w swym składzie substancję podstawową w postaci gipsu (30-35%), wypełniacz ognio­trwały w formie krzemionki (60-65%) oraz składniki modyfikujące (do 5%):

a)           gips (autoklawowany, półwodny siarczan wapnia):

·         stanowi lepiszcze – po zmieszaniu z wodą wiąże i spa­ja cząstki wypełniacza –

      krzemionki. Masy na bazie gipsu są proste do rozrobienia i łatwo

      rozprowadzają się w wodzie;

·         nadaje masie odpowiednią twardość i wytrzymałość, dla uzyskania jak

      najwyższej wytrzymałości masy jako lepiszcze stosowany jest gips o

      zwiększonej wytrzymałości (autoklawowy), a nie gips modelowy. 

      Wytrzymałość masy po stwardnieniu (o ile rozrobiono ją w prawidłowych 

      proporcjach) jest wystarczająca do wytrzymania sił wyzwalanych w trakcie 

      wprowadzania do niej roztopionego stopu.;

·         zwiększa rozszerzalność masy w czasie jej twardnienia, co jest związane z

      granicznym rozprężaniem się rosnących w wyniku hydratacji kryształów

      siarczanu wapnia (gipsu) – średnio o 0,3-0,4% w wymiarze liniowym.

b)          krzemionka jest obecna w jednej ze swych form alotropowych (np. krystobalit lub kwarc), zapewnia:

·         własności ogniotrwałe, stanowi trudno topliwy wypełniacz - materiał, który nie

      ulega dezintegracji lub rozkładowi w trakcie działania wysokich temperatur

·         ekspansję masy w trakcie zmian tem­peratury

c)           czynnik redukcyjny, jak np. sproszkowany węgiel drzewny bądź grafit pochłaniający tlen z okolicy od­lewanego metalu, co częściowo zapobiega jego utlenieniu.

d)          środki modyfikujące - kwas borowy lub chlo­rek sodu zapobiegające skurczowi masy w trakcie jej nagrzewania.

Ekspansja mas ogniotrwałych.

Kompensację kurczliwości stopu metali można uzyskać przez wykorzystanie dwóch typów ekspansji mas osłaniających:

a)      ekspansji wiązania

b)     ekspansji termicznej.

Składają się one na całkowitą ekspansję masy, która jest na tyle duża, by całkowicie skompensować skurcz stopu złota (ok. 1,5% obj.).

Ekspansja (rozszerzalność) wiązania (wzrost objętości masy w trakcie twardnienia) jest wynikiem tworzenia kryształów gipsu, można zwiększyć ją przez dodatek wody powodującej tzw. rozszerzalność higroskopijną. Jeżeli wodę doda się do masy osłaniającej w czasie jej wiązania al­bo po jej wstępnym związaniu, to wzmaga ona proces krystalizacji gipsu i pozwala na jego zakończenie. W czasie tworzenia kry­ształów gipsu woda zużyta przez reakcję hy­dratacji uzupełniana jest bowiem przez wodę z zewnątrz, zaś przestrzenie między utworzo­nymi kryształami pozostają niezmienne, stąd nowe kryształy będą raczej narastać na zew­nątrz, a nie wewnątrz utworzonej siatki krysta­licznej. Maksymalną higroskopijną roz­szerzalność uzyskuje się przez zanurzenie pierścienia z masą w łaźni wodnej o tempe­raturze 37°C, podczas gdy bardziej kon­trolowaną wielkość ekspansji można osiąg­nąć przez dodanie odmierzonej ilości wody do materiału wiążącego.

Rozszerzalność higroskopijną możemy zwiększyć przez:

·         zmniejszenie stosunku wody do proszku;

·         zwiększenie zawartości wypełniacza krzemionko­wego (dobór materiału);

·         użycie cieplejszej wody do zarabiania;

·         wydłużenie czasu zanurzenia masy w wodzie.

Rozszerzalność termiczna masy osłania­jącej występuje podczas jej ogrzewania, w wyniku którego dochodzi do ekspansji krze­mionki (wzrost objętości masy) (kwarcu i krystobalitu) i zmian jej form strukturalnych.

Ogrzewaniu masy ogniotrwałej spajanej gipsem towarzyszy skurcz, który jest związany z dehydratacją gipsu. Podczas ogrzewania gipsu powyżej 105oC dochodzi do utraty wody krystalizacyjnej:

2(CaSO4 x 2 H2O) ---- (CaSO4)2 x H2O + 3 H2O

(CaS04)2 x H2O ---- 2 CaSO4+ H2O

Skutki tego skurczu niweluje się poprzez dodanie do masy niewielkich ilości soli kuchennej lub kwasu boro­wego.

Ma­teriały ogniotrwałe zawierające krystobalit lub kwarc wykazują znaczną rozszerzalność w zakre­sie odpowiednio 200-300°C oraz 500-600°C, co jest związane z transformacją krzemionki (ryc.1).

              Rozszerzalność liniowa [%]

                                               Temperatura [°C]

7

Ryc.1. Rozszerzalność cieplna mas ogniotrwałych zawiera­jących: a - krystobalit, b - kwarc

Wartość ekspansji masy ogniotrwałej zależy od:

·         temperatury,

·         ilości krzemionki w materiale,

·         użytej formy alotropowej krzemionki, np. kry­stobalit ma wyższy współczynnik rozszerzalności niż kwarc (ryc.2),

·         stosunku proszku do wody - gęstsza mieszanina wykazuje większą rozszerzalność.

Krzemionka należy do materiałów polimorficznych, tzn. takich, które mogą zmieniać strukturę krystaliczną. Występują w niej dwa typy transformacji strukturalnych:

a) przemieszczeniowa (ang. displacive) - pole­ga na przesunięciu atomów, bez uszkodzenia wią­zań międzyatomowych, przy zmianie temperatury otoczenia. Proces ten:

·         pojawia się w określonej temperaturze,

·         przebiega gwałtownie,

·         w wysokich temperaturach wywołuje ekspan­sję materiału.

b) rekonstrukcyjna (ang. reconstructive) - jest wywołana zrywaniem i odbudową wiązań Si-O. Ten typ transformacji wymaga większych energii, więc zwykle jest wolniejszy.

Alotropowe formy krzemionki

a)            Kwarc - ma heksagonalną strukturę krysta­liczną, jest najbardziej stabilną formą krzemionki.

b)            Trydymit – powstaje w wyniku transformacji rekonstrukcyjnej podczas ogrzewania kwarcu do temp. 867°C.

c)            Krystobalit – powstaje w wyniku kolejnej transformacji rekonstrukcyjnej podczas ogrzewania kwarcu do temp. 1470°C.

d)            Powyżej 1700°C krystobalit topi się – powstaje wówczas kwarc amorficzny.

Gwałtowne chłodzenie którejkolwiek z form krzemionki powoduje skrócenie czasu potrzebnego do zajścia transformacji, więc w temperaturze pokojowej modą występować wszystkie jej odmiany. Dodanie np. soli kuchennej obniża z kolei temperaturę w której kwarc ulega transformacji rekonstrukcyjnej.

Transformacja przemieszczeniowa

Ten typ transformacji może wystąpić w kwarcu, trydymicie i krystobalicie:

a) α-kwarc            573oC                            β-kwarc

b) α-trydymit     105o...