1
/ 2 0 1 1
41
T E C H N I K A
D E N T Y S T Y C Z N A
Analiza połączenia
warstw ceramicznych
z podbudową metalową wykonaną ze stali chromowo-niklowej
Stal to nic innego jak plastycznie obro-
biony i obrabialny cieplnie stop żelaza
z węglem, o zawartości węgla nie prze-
kraczającej 2,11%. Otrzymywana jest z su-
rówki w procesie świeżenia, który polega
na wypaleniu zanieczyszczeń zawartych
w surówce, w dodatkowym utleniającym
procesie metalurgicznym pozwalającym
na uzyskanie wysokiej jakości stali. Stal,
obok żelaza i węgla, zawiera również inne
składniki. Zalicza się do nich głównie
metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram,
miedź, molibden, tytan). Pierwiastki, ta-
kie jak tlen, azot, siarka, oraz wtrącenia
niemetaliczne, głównie tlenków siarki
i fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.
Stale pod względem zastosowania dzie-
limy na konstrukcyjne, narzędziowe i spe-
cjalne. Stal nierdzewna należy do stali
konstrukcyjnych o specjalnych właściwo-
ściach fizykochemicznych, charakteryzu-
jących się wysoką odpornością na korozję.
Jest ona stopem żelaza, chromu, czasem
niklu i innych metali. Wyróżnia się czte-
ry główne rodzaje stali nierdzewnych: au-
stenityczna, martenzytyczna, ferrytyczna
i ferrytyczno-austenityczna (duplex). Każ-
dy z wymienionych rodzajów składa się
z kilku gatunków. Stale ferrytyczne są sta-
lami chromowymi używanymi do wytwa-
rzania instrumentów lub części urządzeń.
Zawartość procentowa chromu waha się
od 15% do 25%. Martenzytyczne również
są stalami chromowymi o jego zawarto-
ści w granicy od 12% do 18% i wykorzy-
stywane są głównie do wyrobu narzędzi
i elementów ortodontycznych. Natomiast
stal austenityczna jest najczęściej używa-
na w stomatologii. Po raz pierwszy poja-
wiła się w roku 1912, gdy Eduard Maurer
TITLE
The analysis of the connection
between ceramic layers with a metallic
foundation made from chrome-nickel
steel
SŁOWA KLUCZOWE
stal 18/8, metoda
Sharpa, badania strukturalne
metalograficzne, mikroanaliza
rentgenowska
STRESZCZENIE
Celem pracy było
przedstawienie analizy połączenia
warstw ceramicznych z podbudową
metalową, wykonaną ze stali chromowo-
niklowej 18/8 metodą ciągnioną
(Sharpa).
KEY WORDS
18/8 steel, the Sharp
method, metallographic structural
analysis, electron microprobe analysis
SUMMARY
The aim of the work
is to present the analysis of the
connection between ceramic layers
with a metallic foundation made from
chrome-nickel 18/8 steel by means
of the Sharp method.
prof. dr hab. n. med. Maciej Hajduga*, inż. tech. dent. Tadeusz Zdziech**
S
tal jest materiałem
wykorzystywanym
w stomatologii na szeroką
skalę. Wytwarza się z niej
m.in. narzędzia i elementy
ortodontyczne. Autorzy
artykułu postanowili
wgłębić się w tę tematykę
i przeprowadzili analizę
połączenia warstw ceramicz-
nych z podbudową metalową,
wykonaną właśnie ze stali.
i Friedrich Krupp opatentowali produkcję
stali nierdzewnej 18/8, czyli zawierającej
18% chromu i 8% niklu (2).
Austenityczne stale kwasoodporne
W technice dentystycznej znalazły one
zastosowanie dzięki odporności na ko-
rozję w środowisku jamy ustnej oraz
nieuleganiu działaniu kwasów i związ-
ków chemicznych powstających pod-
czas gnicia i fermentacji pokarmów. Stal
chromowo-niklowa stosowana do celów
dentystycznych składa się z: 70-74% żela-
za, 18-20% chromu, 8-10% niklu i poniżej
2% węgla. W celu modyfikacji właściwo-
ści gotowego produktu do stopu dodawa-
ne są w małych ilościach składniki stabi-
lizujące, takie jak: tytan, mangan, krzem,
molibden, niob i tantal. Stal ta jest stopem
jednorodnym, zbudowanym z kryształów
mieszanych w regularnym układzie prze-
strzenno-centrycznym. Głównymi skład-
nikami stopu przeciwdziałającymi korozji
są chrom i nikiel. Wprowadzony do stali
chrom w ilości większej niż 13% powodu-
je skokową zmianę potencjału elektroche-
micznego z -0,6 V do +0,2 V. Dodatni po-
tencjał stopów, podobnie jak w metalach
szlachetnych, wpływa na dobrą odpor-
nością korozyjną, głównie w ośrodkach
utleniających, lecz gorszą w ośrodkach
redukujących.
Drugim, oprócz chromu, najważniej-
szym składnikiem stopowym stali odpor-
nych na korozję jest nikiel, który sprzyja
powstaniu budowy drobnoziarnistej
i podwyższa odporność stali na działanie
wielu środowisk korozyjnych, a zwłasz-
cza kwasu siarkowego i roztworów obo-
jętnych chlorków. W protetyce stal Vipla
P
RACA
RECENZOWANA
N
O W O C Z E S N Y
T
E C H N I K
D
E N T Y S T Y C Z N Y
42
T E C H N I K A
D E N T Y S T Y C Z N A
(od słów vie Platin – jak platyna) stoso-
wana była do wykonywania popularnych
przed laty koron ciągnionych i odlewów
stalowych. Obecnie znajduje zastoso-
wanie przy wyrobie drutu klamrowego,
łuków podjęzykowych i tłoczonych płyt
podniebiennych (3).
M
ATERIAŁY
PRZEZNACZONE
DO
BADAŃ
Badania makroskopowe przygotowano
na jednym stopie metalu pokrytym dwo-
ma materiałami ceramicznymi w grupie
badawczej przedstawionej w tab. 1.
Materiały ceramiczne
Badaniu poddano materiał ceramiczny
o nazwie Ceram Bond firmy Bredent.
Materiał ten jako warstwa pośrednia
został zastosowany w celu zwiększenia
przyczepności ceramiki do stopu poprzez
wyrównanie różnicy WRC (współczyn-
nik rozszerzalności cieplnej) pomiędzy
ceramiką a metalem (4).
Drugim materiałem poddanym ana-
lizie była ceramika Duceragold firmy
DeguDent, przeznaczona do napalania
na materiał metaliczny złota, którego
WRC wynosi 15,1 μm/m/°C (5).
Materiał metaliczny – stal CrNi
Badaniu poddano metaliczny chromo-
wo-niklowy materiał stalowy, zwany
w technice przemysłowej 18/8, z którego
produkowano metalowe gilzy. Służyły
one do wykonywania koron ciągnio-
1
Gilza stalowa
2
Gotowa
korona ciągniona
3
Wypia-
skowana korona ciągniona
4
Korona z naniesioną
warstwą Ceram Bondu
5
Analizowany fragment mikrostruktury na granicy metal – ceramika pow. 400x wraz z zaznaczonymi punktami 1-14
6
Analizowany fragment mikrostruktury na granicy
metal – ceramika pow. 400x, wraz z zaznaczonymi punktami 1-10
7
Analizowany fragment mikrostruktury na granicy metal – ceramika pow. 600x. Strona podniebien-
na korony
Wykres. 1. Widmo EDS z punktu 3 – metal, 20 μm od granicy
z metalem
Wykres. 3. Widmo EDS z punktu 14 – ceramika, 50 μm od gra-
nicy z metalem
Wykres. 2. Widmo EDS z punktu 11 – Ceram Bond,
10 μm od granicy z metalem
Wykres. 4. Widmo EDS z punktu 6 i 7 – ceramika, 3 μm od gra-
nicy rozwarstwienia
fot. autor
1
2
3
4
7
6
5
N
O W O C Z E S N Y
T
E C H N I K
D
E N T Y S T Y C Z N Y
44
T E C H N I K A
D E N T Y S T Y C Z N A
nych i elementów składowych mostów.
Tab. 2 i 3 przedstawiają skład chemiczny
i właściwości fizyczne stopu.
P
RZYGOTOWANIE
PRÓBKI
DO
BADAŃ
ANALIZY
POŁĄCZENIA
Podbudowę metalową (próbki do ba-
dań) wykonano metodą ciągnioną
z odpowiednio dobranej wielkościowo
gilzy stalowej, na pozytywie metalowe-
go słupka wykonanego z materiału ni-
skotopliwego – mellotu. Gilzę stalową
prezentuje fot. 1, zaś gotową podbudo-
wę metalową (koronę Sharpa) fot. 2.
Następnym etapem pracy było podda-
nie jej procesowi zdrowienia i rekry-
stalizacji w temperaturze 600°C przez
godzinę przy powolnym schłodzeniu.
Proces ten miał na celu zlikwidowanie
naprężeń w odkształconym plastycznie
materiale. Korona po wypiaskowaniu
piaskiem o gradacji 120 μm i przy ci-
śnieniu 4 barów została oczyszczona
przy pomocy urządzenia ciśnieniowo-
parowego i pokryta cienką warstwą
Ceram Bondu. Fot. 3 przedstawia wy-
piaskowaną koronę metalową, zaś fot. 4
koronę pokrytą Ceram Bondem (6).
Po pokryciu korony warstwą opakera
i wypaleniu jej zgodnie z zaleceniami
producenta napalone zostały kolejne
warstwy ceramiki Duceragold. Powsta-
je podbudowa metalowa z nałożonym
opakerem, następnie gotowa korona
ceramiczna na podbudowie stalowej
(7), która została zainkludowana w ży-
wicy epoksydowej. Na wyciętych prób-
kach w kształcie walców przygotowano
do obserwacji powierzchnie – szlify
(zgłady metalurgiczne).
W
YNIKI
BADAŃ
METALOGRAFICZNYCH
MIKROSTRUKTURY
Rozkład powierzchniowy poszcze-
gólnych pierwiastków występujących
w warstwie metal-ceramika (prób-
ka 1) zobrazowano na fot. 5 i 6 – stro-
na policzkowa zęba. Analizowany
punkt 3 znajduje się w części metalicz-
nej, punkt 11 w części Ceram Bondu,
punkt 14 w warstwie opakerowej, zaś
punkty 6 i 7 na stronie podniebiennej
korony, w warstwie ceramicznej na gra-
nicy ich mikrorozszczelnienia.
Analizę widma energodyspersyjnego
(EDS) z punktów 3, 11 i 14 strony po-
liczkowej korony zamieszczono na wy-
kresach 1-3, zaś strony podniebiennej
na wykresie 4.
Na fot. 7 przedstawiono defekty struk-
tury warstw metal-ceramika. Widoczne
mikropory i rozwarstwienia od strony
podniebiennej korony.
Wnioski
Na podstawie analizy wyników badań
można sformułować, co następuje:
– granica pomiędzy warstwą metalicz-
ną a Ceram Bondem jest ostra i świad-
czy o bardzo dobrej zwilżalności
podłoża,
– mikroanaliza rentgenowska połącze-
nia badanych materiałów wykazała
stopniową zmianę stężenia pier-
wiastków na granicy ceramika-metal;
świadczy to o wystąpieniu zjawiska
dyfuzji w badanych mikroobszarach,
– mikrorozwarstwienia w warstwie
ceramiki spowodowane były nieod-
powiednio dobranym WRC ceramiki
do stopu,
– mikropory w strukturze Ceram Bondu
świadczą o zanieczyszczeniach, które
dyfundowały ze stali do pierwszej
warstwy ceramiki – Ceram Bondu.
*Akademia Techniczno-Humanistyczna
w Bielsku-Białej.
Wyższa Szkoła Inżynierii Dentystycznej
w Ustroniu.
**Wyższa Szkoła Inżynierii Dentystycznej
w Ustroniu.
Piśmiennictwo
1. Cebula D., Wideoman J.: Badania metalur-
giczne. Preparatyka i metody obserwacji.
Warszawa 1999.
2. Wesołowski K.: Materiałoznawstwo i obróbka
cieplna. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1974.
3. Majewski S.: Protetyka stałych uzupełnień
zębowych. SZ-W, Kraków 1998.
4. Brezent – Ceram Bond – charakterystyka pro-
duktu.
5. DeguDent – Duceragold Kiss – charakterysty-
ka produktu.
6. Włosiński W.: Połączenia ceramiczno-metalo-
we. PWN, Warszawa 1984.
7. Craig R.G.: Materiały stomatologiczne, Urban
& Partner, 2006.
Analizowany
pierwiastek
Analizowane punkty
3
11
14
6 - 7
Zawartość wg [%]
O
0,00
61,71
60,85
59,89
Na
0,00
4,87
4,10
6,03
Al
0,00
4,26
4,74
5,98
Si
0,90
6,32
19,00
22,49
Ca
0,00
0,03
0,00
0,15
K
0,00
3,07
5,47
5,43
Ti
0,00
17,44
4,35
0,03
Zr
0,00
0,37
0,31
0,00
Cr
21,64
64,95
0,00
0,00
Ni
8,23
0,17
0,00
0,00
Zn
0,00
0,41
0,00
0,00
Mo
0,48
0,08
0,00
0,00
Fe
68,76
0,31
0,08
0,00
Sn
0,00
0,97
0,00
0,00
Ce
0,00
0,00
0,80
0,00
Tab. 4. Procentowa zawartość analizowanych pierwiastków próbki w warstwie
metalicznej i ceramicznej
Gilza metalowa
Korona uformowana metodą ciągnioną
Piaskowanie
Warstwa Ceram Bondu
Warstwy ceramiki
Analiza
Tab. 1. Etapy przygotowania materiału do badań
Fe
Cr
Ni
C
Mo
Co
Cu
74,0
18,0-20,0
8,0-10,0
< 0,07
1,0
<1,0
<1,0
Tab. 2. Skład chemiczny stali Vipla (%) wagowy
kolor
metaliczny biały
ciężar właściwy (g/cm
3
)
7,25
temperatura topienia (°C)
1400
WRC 25-500 (x10
-6
/°C)
17,5-18,5
twardość w skali Vickersa
270
Tab. 3. Właściwości fizyczne stali Vipla