Деформируемый сплав на основе кобальта для зубного протезирования

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким сплавам на основе кобальта, предназначенным для отливки каркасов бюгельных и цельнолитых зубных протезов, а также других изделий, для которых необходимы высокие прочность, твердость, упругость и пластичность. Техническим результатом изобретения является увеличение выхода годного при горячем переделе до 75-80% при сохранении высокого уровня механических и литейных свойств, а также коррозионной стойкости. Сплав содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, железо, кобальт и неизбежные примеси, иттрий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,35-0,50, кремний 0,6-1,3, марганец 0,3-0,8, хром 27,5-30,0, молибден 4,0-6,0, никель не более 0,6, железо не более 0,4, иттрий 0,001-0,020, бор 0,001-0,020, кобальт и неизбежные примеси остальное, при этом содержания углерода, хрома, молибдена, а также кремния и марганца связаны следующими зависимостями: [%C]+[%Cr]+[%Мо]=32,5÷36,0, [%Si]+[%Mn]=1,0÷2,0. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким сплавам на основе кобальта, предназначенным для отливки каркасов бюгельных и цельнолитых зубных протезов, а также других изделий, для которых необходимы высокие прочность, твердость, упругость и пластичность.

Известен сплав для зубных протезов, содержащий, мас.%:

Углерод 0-0,3

Кремний 1,0-2,0

Марганец 0-1,5

Хром 20-35

Молибден 2,0-8,0

Железо 0,3-2,0

Церий и/или иттрий 0,3-1,5

Кобальт и неизбежные примеси Остальное

(Патент ФРГ № 3436118, МПК С 22 С 19/07, опубл. 30.05.1985 г.).

Этот сплав имеет следующие механические свойства:

Предел текучести, σ_0,2, МПа 350-570

Относительное удлинение δ₅, % 4,1-16,4

Твердость по Виккерсу HV 10 270-310

В соответствии с международным стандартом ISO 6871-1-94 “Стоматологические литейные сплавы на металлической основе. Часть 1. Сплавы на основе кобальта” и Российским стандартом ГОСТ Р 51389-99 “Заготовки из коррозионно-стойких сплавов на основе кобальта для ортопедической стоматологии” для обеспечения надежности зубных протезов предел текучести сплавов в литом состоянии должен быть не менее 500 МПа при удлинении не менее 3,0%. Кроме того, в вышеупомянутых стандартах указаны следующие требования к химическим составам: Σ Cr+Со+Ni≥85%, при этом Сr≥25%, а Мо≥4%.

Однако, как показала практика ортопедической стоматологии, для каркасов бюгельных протезов предел текучести кобальтового сплава должен быть не менее 600 МПа, а твердость по Виккерсу не менее 350 HV 10.

Как следует из приведенных выше свойств, данный сплав не отвечает современным требованиям, предъявляемым к стоматологическим сплавам для высоконагруженных бюгельных протезов.

Кроме того, содержание железа до 2,0% может привести к увеличению усадки сплава при литье и не обеспечит получение точной отливки ажурных каркасов бюгельных протезов.

Известен сплав для зубных протезов на основе кобальта, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,4-0,5

Кремний 0,1-1,0

Марганец 0,01-0,6

Хром 28-30

Молибден 4,5-6,0

Ванадий 0,01-0,3

Ниобий 0,01-0,3

Кобальт Остальное

при этом отношение содержания хрома к сумме концентраций ванадия и ниобия определяется выражением

[%Ск]:([%V]+[%Nb])=50÷150

(Патент РФ №2151588 МПК А 61 К 6/04 С 22 С 19/07, опубл. 27.06.2000 г.).

Данный сплав в соответствии с описанием изобретения имеет следующие механические свойства:

Предел прочности σ_в, МПа ~840

Предел текучести, σ_0,2, МПа ~665

Относительное удлинение, δ, % ~7,6

Твердость HV 10 ~420

Этот сплав имеет повышенный уровень механических характеристик по сравнению с первым аналогом и близок по химическому составу к предлагаемому объекту изобретения.

Из описания этого аналога следует

- сплав поставляется в мерных заготовках, получаемых непосредственно методом литья в вакуумной индукционной печи,

- содержит в своем составе упрочняющие добавки ванадия и ниобия.

Однако при производстве зубопротезного сплава по другой технологической схеме с использованием деформации при металлургическом переделе, как предполагает объект изобретения, а именно: выплавка слитка в вакуумной индукционной печи, его горячая пластическая деформация методом свободной ковки или прокатки на пруток с последующей резкой прутка на небольшие мерные заготовки, удобные для литья зубных протезов, - в этом случае легирование сплава ванадием и ниобием - будет затруднять пластическую деформацию металла в горячем состоянии, что неизбежно приведет к снижению выхода годного при металлургическом переделе.

Кроме того, в составе сплава не указано (не оговорено) содержание таких элементов как никель и железо, которые являются спутниками кобальта в шихте и непременно присутствуют в его составе как примеси.

Известно, что никель в сплаве может привести к возникновению в организме пациента аллергических реакций, а железо - к увеличению усадки сплава при отливке зубных протезов.

Наиболее близким аналогом по совокупности элементов является сплав для зубных протезов на основе кобальта, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0-0,4

Кремний 0,1-5,0

Марганец 0,01-8,0

Хром 25-35

Молибден 1,0-8,0

Ниобий 0,1-5,0

Никель 0-0,3

Железо 0-1,0

Кобальт и неизбежные примеси Остальное

Сплав может дополнительно содержать медь в количестве 0,1-5,0 мас.% (Международная заявка WO 85/04576, МПК А 61 К 6/04, опубл. 24.10.1985 г. - прототип).

Свойства сплава следующие:

Предел текучести, σ_0,2, Н/мм² 560-680

Относительное удлинение, δ, % 5-11

Твердость HV 10 290-410

Данный сплав, так же как и предыдущий, обладает достаточно высоким уровнем механических свойств, однако тоже содержит в своем составе ниобий и может содержать медь до 5% каждого, которые снижают высокотемпературную технологическую пластичность сплава при металлургическом переделе от слитка на пруток.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании сплава на основе кобальта для зубных протезов, сочетающего следующий комплекс свойств:

- высокотемпературную технологическую пластичность, обеспечивающую хорошую деформируемость металла при металлургическом переделе (от слитка до прутка) с использованием методов ковки и/или прокатки;

- высокие литейные и механические, в том числе прочностные, характеристики;

- коррозионную стойкость и нетоксичность.

Техническим результатом изобретения является увеличение выхода годного при горячем переделе до 75-80% при сохранении высокого уровня механических и литейных свойств, а также коррозионной стойкости.

Указанный технический результат достигается тем, что сплав для зубного протезирования, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, железо, кобальт и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит иттрий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,35-0,50

Кремний 0,6-1,3

Марганец 0,3-0,8

Хром 27,5-30,0

Молибден 4,0-6,0

Никель Не более 0,6

Железо Не более 0,4

Иттрий 0,001-0,020

Бор 0,001-0,020

Кобальт и неизбежные примеси Остальное

при этом содержания углерода, хрома, молибдена, а также кремния и марганца, связаны следующими зависимостями:

[%С]+[%Сr]+[%Мо]=32,5÷36,0

[%Si]+[%Mn]=1,0÷2,0

При содержании углерода менее 0,35% снижается твердость сплава, а увеличение содержания углерода свыше 0,5% приводит к его охрупчиванию и ухудшению обрабатываемости.

Снижение содержания кремния менее 0,6% не обеспечивает коррозионную стойкость и литейные свойства сплава, а увеличение содержания кремния свыше 1,3% нецелесообразно, так как может привести к образованию легкоплавких эвтектик и охрупчиванию сплава.

Содержание марганца менее 0,3% не обеспечивает жидкотекучесть сплава, а свыше 0,8% - ухудшает его механические характеристики.

Хром при его содержании в сплаве менее 27,5% не обеспечивает необходимую твердость и высокую коррозионную стойкость сплава, а свыше 30% - снижает характеристики пластичности.

Содержание молибдена в количестве менее 4% - не соответствует требованиям стандартов на стоматологические кобальтовые сплавы (см. выше), а в количестве свыше 6% увеличивает температуру плавления сплава.

Содержание в сплаве никеля более 0,6% может привести к возникновению аллергических реакций при использовании зубных протезов пациентами, особо чувствительными к никелю.

Железо в количестве более 0,4% увеличивает усадку сплава при литье.

Микролегирование бором и иттрием в количествах менее 0,001% неэффективно, а свыше 0,020% нецелесообразно, но в указанных пределах от 0,001 до 0,020% каждого обеспечивают получение литой структуры сплава с относительно чистыми границами зерен, что дополнительно увеличивает способность сплава к горячей пластической деформации и тем самым увеличивает выход годного при металлургическом переделе.

Сумма легирующих элементов углерода, хрома и молибдена менее 32,5% не обеспечивает получение высоких прочностных характеристик, а свыше 36,0% - приводит к снижению горячей деформируемости и выхода годного при металлургическом переделе сплава.

Легирование кремнием и марганцем в сумме менее 1,0% - неэффективно, а свыше 2,0% ухудшает деформируемость сплава в горячем состоянии.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Сплавы отливали со строгим режимом технологии в вакуумно-индукционной печи на чистой шихте с разливкой в слиток. Слиток после высокотемпературного нагрева ковали на молоте на пруток, который впоследствии резали на мерные заготовки по ~15 грамм. Из этих заготовок центробежно-литым способом по технологии, принятой в зубопротезных лабораториях стоматологических клиник, отливали в соответствии с ИСО 6871-1-94 и ГОСТ Р 51389-99 образцы, которые затем испытывали по методикам, рекомендованным в вышеупомянутых стандартах.

Химический состав и свойства предложенных и известного сплавов приведены соответственно в таблицах 1 и 2.

Прочностные и пластические свойства предложенных сплавов соответствуют уровню свойств прототипа (см. таблицу 2).

Горячая пластическая деформация сплава от слитка до прутка показала, что выход годного для предложенных составов №1-3 составил 75-80%, что на 30% выше этого же показателя для известного сплава (прототипа).

Проведенные коррозионные, санитарно-химические и токсикологические испытания предложенного сплава показали, что он полностью отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к сплавам для зубного протезирования.

Таким образом, предложенный сплав по механическим характеристикам не уступает прототипу и по технологичности при металлургическом переделе его превосходит.

Формула изобретения

Сплав на основе кобальта для зубного протезирования, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, железо, отличающийся тем, что для повышения горячей деформируемости он дополнительно содержит иттрий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,35-0,50

Кремний 0,6-1,3

Марганец 0,3-0,8

Хром 27,5-30,0

Молибден 4,0-6,0

Никель Не более 0,6

Железо Не более 0,4

Иттрий 0,001-0,020

Бор 0,001-0,020

Кобальт и неизбежные примеси Остальное

при этом суммарное содержание углерода, хрома и молибдена, а также кремния и марганца связаны следующими зависимостями:

[%С]+[%Сr]+[%Мо]=32,5÷36,0;

[%Si]+[%Mn]=1,0÷2,0.