Materiały metaliczne

Materiały metaliczne (metale i stopy metali), obok materiałów ceramicznych i żywiczych, znajdują szerokie zastosowanie do wyrobu większości protez. O powszechności użycia metali i stopów metali, pomimo braku walorów estetycznych (nieodpowiednia barwa), zadecydowała wytrzymałość mechaniczna, najwyższa spośród wszystkich podstawowych materiałów protetycznych. Materiały metaliczne budują całe uzupełnienie (np. wkłady i korony metalowe lane), bądź tworzą zrąb – szkielet protezy, decydujący o wytrzymałości, stałego czy ruchomego, uzupełnienia protetycznego. Tylko nieliczne protezy wykonywane są w całości z materiałów niemetalicznych (porcelana, materiały kompozycyjne) dla przykładu – licówki, wkłady czy korony jednolite ceramiczne, a i tak ustępują wytrzymałością podobnym konstrukcjom, budowanym z użyciem metali.

   Z wykonawstwem protez zawierających w swoim składzie metalowe elementy wiążą się jednak pewne problemy. Różnice w konstrukcji oraz sposobie obciążania metalowych elementów protez, jak również w wykonawstwie klinicznym i laboratoryjnym sprawiają, że od materiałów metalicznych, przeznaczonych na metalowe części różnych protez, oczekujemy różnych właściwości. Materiałom przeznaczonym na korony, mosty o długim przęśle, czy szkielety protez ruchomych postawimy różne wymagania, co do wytrzymałości mechanicznej, sprężystości oraz twardości. Protetyka dysponuje wprawdzie wieloma nowoczesnymi materiałami metalicznymi o bardzo różnych własnościach mechanicznych, jednak żaden z dostępnych stopów i metali nie jest uniwersalnym i nie łączy w sobie wszystkich cech, wymaganych od materiałów metalicznych. W konsekwencji często zmuszeni jesteśmy do wprowadzenia do jamy ustnej dwóch lub nawet większej liczby materiałów metalicznych, różniących się składem i własnościami fizykochemicznymi. Takie postępowanie niesie z sobą ryzyko korozji metalowych części protez i ich szkodliwego działania na organizm ludzki. Zatem lekarz staje przed koniecznością wyboru, oczywiście w oparciu o warunki protetyczne, materiału najwłaściwszego dla danego uzupełnienia protetycznego, spełniającego wymagania, tak mechaniczne, jak i fizykochemiczne. Aby mógł sprostać temu zadaniu powinien posiadać rzetelną wiedzę o składzie chemicznym, strukturze, własnościach fizycznych, mechanicznych i chemicznych oraz przeznaczeniu metali i ich stopów.

Wymagania stawiane podstawowym stopom metali

·         łatwość topienia

·         łatwość dokonywania odlewu (stopy o du­żej gęstości i dobrej płynności po stopieniu są łatwiejsze do odlewania)

·         łatwość obróbki

·         odporność na korozję i zmatowienie w środowisku jamy ustnej

·         biozgodność: nie powinny być toksyczne ani alergizować ustroju, nie powinny zawierać toksycznych związków mogących wpływać szkodliwie na per­sonel techniczny w trakcie obróbki stopów

·         odpowiednie właściwości me­chaniczne, zwłaszcza:

-          duża wytrzymałość plastyczna, szczególnie w przy­padku stopów narażonych na działanie dużych sił,

-          odpowiednia ciągliwość zapobiegającą nieza­mierzonemu złamaniu w trakcie procedury dogi­nania,

-          odpowiednia twardość, której wskaźnikiem jest trudność w rozdrabnianiu (mieleniu) stopu i jego wykańczaniu

-          odporność na ścieranie.

·         nie powinny być zbyt kosztowne. Idealny stop odlewowy powinien być stosunkowo tani, zarów­no jeśli chodzi o koszt samego materiału, jak i ko­szty jego obróbki.

Podstawowe metale i stopy metali

   W protetyce stomatologicznej znajdują zastosowanie liczne metale, tak szlachetne, jak i nieszlachetne. Mianem metali szlachetnych (złoto, platyna, pallad) określa się te z metali, które wykazują dużą odporność na korozję w atmosferze powietrza, nawet przy dużej wilgotności, nie utleniają się i są odporne na działanie wszystkich kwasów z wyjątkiem tzw. wody królewskiej – mieszaniny kwasu solnego i azotowego. Wykazują także dużą odporność na korozję i zmatowienie w środowisku jamy ustnej. Metale nieszlachetne zaś w formie elementarnej nie wykazują odporności korozyjnej, za wyjątkiem tytanu, glinu, niobu czy tantalu. Spośród metali nieszlachetnych do wyrobu protez wykorzystuje się głównie: nikiel, chrom, kobalt, molibden, żelazo, tytan, wanad, glin, niob, tantal, wolfram. Wymienione metale różnią się między sobą własnościami fizycznymi, mechanicznymi i chemicznymi.

W tabelach ……. zestawiono najważniejsze własności metali stosowanych w stomatologii.

    Czyste metale są rzadko stosowane do wyrobu uzupełnień protetycznych, bowiem cechują je z reguły niezadowalające własności mechaniczne bądź ulegają one korozji w agresywnym środowisku jamy ustnej. Jedynie tytan i platyna, z uwagi na dobre własności mechaniczne i wysoką odporność korozyjną, mogą znaleźć zastosowanie jako materiał podstawowy. Platyna jednak, ze względu na wysoką cenę i wysoką temperaturę topnienia, znalazła zastosowanie w protetyce tylko jako dodatek stopowy do stopów metali szlachetnych.

    W protetyce zasadniczo stosuje się stopy – mieszaniny metali, w wielu wypadkach, wykazujące, w porównaniu z czystymi metalami, lepsze własności mechaniczne i przy odpowiednim składzie stopu, również zadowalającą odporność na korozję w jamie ustnej. Stopy metali są substancjami dwu- lub wieloskładnikowymi, makroskopowo wykazującymi własności metaliczne. Co najmniej jeden z głównych składników stopu jest metalem. Składnikami stopów są związki proste np. pierwiastki lub złożone np. związki nie ulegające przemianom. Stopy metali charakteryzują się wiązaniem metalicznym jako jedynym lub występującym oprócz innych rodzajów wiązań. Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową. Faza to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość znacznie różnią się między sobą własnościami. Liczba rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Stopy metali są wytwarzane głównie przez topienie i krystalizację ze stanu ciekłego. W wyniku tych procesów z cieczy, będącej zwykle roztworem wszystkich składników stopu, mogą powstać:

·         roztwory stałe

·         fazy międzymetaliczne

·         mieszaniny faz.

    Własności stopów nie są z reguły, średnią z własności metali stopowych, a często dodatek nawet niewielkiej ilości jakiegoś metalu lub pierwiastka niemetalicznego do tworzonego stopu, powoduje diametralną zmianę jego własności, podnosząc jego odporność korozyjną bądź nadając stopowi np. sprężystość, zwiększając wytrzymałość mechaniczną bądź twardość. Dla przykładu platyna w stopie złota w niewielkiej ilości (5-10%) podnosi twardość i sprężystość stopu, pallad bądź nikiel podnoszą jego twardość. Wpływ poszczególnych pierwiastków na własności stopów zostanie omówiony w podrozdziałach opisujących poszczególne podstawowe stopy metali.

O własnościach stopów decyduje wiele czynników m.in. skład, warunki odlewu, budowa krystaliczna, sposób obróbki mechanicznej, uszlachetnienie termiczne itp.

    Zaproponowano wiele podziałów stopów metali. Przyjmują one jako kryterium podziału np. mikrostrukturę (stopy jednorodne, stopy wielofazowe), barwę, temperaturę topnienia (stopy nisko-, średnio-, wysokopopliwe). Najpopularniejszy jest podział w oparciu o skład stopów – zawartość poszczególnych metali w stopie.

W myśl tej klasyfikacji stopy dzielimy zasadniczo na:

·         stopy złota o:

-          wysokiej zawartości złota

-          średniej zawartości złota

-          niskiej zawartości złota

·         stopy metali nieszlachetnych.

-          stopy NiCr

-          stopy CoCr

-          stopy tytanu

-          stale CrNi

Postęp w dziedzinie inżynierii materiałowej spowodował w ostatnich latach opracowanie i wprowadzenie coraz to nowych stopów metali, zawierających w swoim składzie, tak metale szlachetne, jak i nieszlachetne, przez co wiele stopów trudno było zakwalifikować do określonej grupy.

ADA zaproponowała więc podział stopów na:

·         stopy o dużej zawartości metali szlachetnych (wysokoszlachetne)

·         stopy szlachetne

·         stopy o przewadze metali nieszlachetnych.

Stopy metali szlachetnych.

   Skład podstawowych stopów dentystycznych decyduje o zakwalifikowaniu ich do stopów metali szlachetnych lub nieszlachetnych. Stopy metali szlachetnych zawierają w swoim składzie głównie złoto oraz dodatki stopowe w odpowiednich proporcjach, przy czym każdy ze składników, dodawany jest dla uzyskania określonych własności stopu. Złoto jest metalem miękkim (twardość w skali Vickersa HV – 30), plastycznym, o niewielkiej wytrzymałości mechanicznej co sprawia, że nie nadaje się do wykonywania uzupełnień protetycznych. Dodatek do złota dodatków stopowych sprawia, że powstały stop jest twardszy i bardziej wytrzymały od złota. W zależności od zawartości poszczególnych składników, stopy złota cechują znaczne różnice w ich własnościach, zwłaszcza mechanicznych, co sprawia, że mogą być materiałem do wykonania różnych uzupełnień protetycznych. Skład różnych stopów złota opiera się zasadniczo na formule opracowa­nej ponad 50 lat temu, w myśl której stopy te zawie­rają nie mniej niż 75% wag. złota oraz metali z grupy platynowców (platyna, pallad, iryd, rod, ruten, osm). Miedź, srebro, gal, nikiel, tytan, cynk, ind oraz żelazo dodawane są w ilości do 25% i stanowią dodatki stopowe (tab.1). O składzie opracowywanych stopów złota decydują z jednej strony pożądane własności fizyczne (mechaniczne), z drugiej zaś jego odporność na korozję. Zawartość złota, co najmniej 75%, (stop złota 18 karatowy, określany także w myśl próby tzw. tysięcznej jako stop 750, tzn. 750 części złota na 1000 części stopu) sprawia, że stop nie ulega korozji w jamie ustnej.  Stopy złota mogą zawierać mniej niż 75% złota, lecz wówczas muszą zawierać taką ilość innych metali szlachetnych (platynowców), by ich odporność korozyjna (potencjał anodowy) była, co najmniej równa odporności korozyjnej, stopu o zawartości 75% złota.

Biorąc pod uwagę zawartość złota w stopie dzielimy stopy złota na:

·         stopy o dużej zawartości złota (zawierają co najmniej 75% metali szlachetnych);

·         stopy o średniej zawartości złota (zawierają 25-75% metali szlachetnych);

·         stopy o niskiej zawartości złota (zawierają co najwyżej 25% metali szlachetnych).

Stopy o dużej zawartości metali szlachetnych.

Zawierają wagowo, co najmniej 75% metali szlachetnych (złoto, platyna, pallad, iryd, rod, ruten, osm), w tym 60-90% złota oraz jako podstawowe dodatki stopowe srebro i miedź w ilości 10-25%. Zawierają również małe ilości innych metali nieszlachetnych – gal, nikiel, tytan, cynk, ind, żelazo (tab. nr 1). Stopy te cechuje stosunkowo wysoka gęstość, w zależności od składu stopu – 13-20g/cm3. Dodatki stopowe wpływają na modelowanie własności stopu. Srebro w niewielkim stopniu zwiększa wytrzymałość stopu i wpływa na jego barwę, redukując stopień zaczerwienienia stopu wywołany zawartością miedzi. Miedź jest ważnym składnikiem stopu, zwiększa wytrzymałość szczególnie III i IV typu stopów i obniża temperaturę topnienia. Zawartość miedzi w stopie nie powinna jednak przekraczać 16%, dodana w ilości przekraczającej 16% sprawia, że stop wykazuje tendencje do matowienia. Platyna zwiększa wytrzymałość i twardość stopu oraz podnosi temperaturę topnienia stopu. Pallad także zwiększa wytrzymałość stopu i podnosi jego temperaturę topnienia, może zatem zastępować platynę w stopie, tym bardziej, że jest znacznie od niej tańszy. Cynk poprawia lejność stopu, odpowiada również za wytwarzanie warstwy tlenków na powierzchni stopu, niezbędnej dla połączenia lica porcelanowego ze stopem. Stopy o większej zawartości platyny i palladu, cechuje wyższa temperatura topnienia (1100-1200oC), w porównaniu do stopów o wysokiej zawartości złota (typ I, II, III, IV) (ok. 950oC), co ma zasadnicze znaczenie przy napalaniu ceramiki na stop, bowiem porcelanę napala się na metal w temperaturze 950-980oC. Stopy te stanowią oddzielną grupę stopów, określanych mianem stopów przeznaczonych do napalania porcelany (PMF – Porcelain fused to metal alloys, bądź ceramic alloys).