Коррозионно-стойкая сталь "нержстом" для ортопедической стоматологии
Владельцы патента RU 2354740:
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина") (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию "Московский Государственный медико-стоматологический университет "(МГМСУ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии и медицины, а именно к коррозионно-стойким хромоникельмолибденовым сталям, применяемым в ортопедической стоматологии для зубного протезирования. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,1-0,2, кремний 1,3-2,5, марганец 1,0-2,5, хром 19,0-25,0, никель 15,0-23,0, молибден 2,5-5,5, азот 0,04-0,15, железо и неизбежные примеси - остальное. Эквиваленты аустенитообразующих и ферритообразующих элементов связаны следующей зависимостью
Аэкв/Фэкв≥0,85, где Аэкв=%Ni+30%С+27%N+0,5%Mn, Фэкв=%Cr+%Мо+1,5%Si. Повышается прочность стали, обеспечивается получение стабильно немагнитной 100% аустенитной структуры при сохранении коррозионной стойкости и нетоксичности в полости рта, а также технологичность при изготовлении зубных протезов. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии и медицины, а именно к коррозионно-стойким (нержавеющим) хромоникельмолибденовым сталям, применяемым в ортопедической стоматологии для зубного протезирования.
Стали, предназначенные для изготовления коронок и мостовидных протезов, должны обладать следующим комплексом свойств:
- высокой механической прочностью, обеспечивающей надежность и долговечность зубных протезов;
- немагнитностью;
- высокой коррозионной стойкостью в среде ротовой полости;
- соответствовать всем современным требованиям медико-нормативной документации по нетоксичности;
- технологичностью в процессе изготовления зубных протезов (т.е. хорошо отливаться и обрабатываться стоматологическими абразивами).
Известна коррозионно-стойкая сталь «Дентан» для зубных протезов, содержащая следующие компоненты, мас.%:
| Углерод | 0.003-0.05 |
| Кремний | 2.3-3.0 |
| Марганец | 1.0-2.1 |
| Хром | 23.5-26.5 |
| Никель | 19.0-21.0 |
| Молибден | 1.8-2.2 |
| Церий | 0.05-0.15 |
| Железо | остальное |
(Патент РФ №2017857 С1, МПК С22С 38/44, 38/58, опубл. 15.08.1994 г.)
Несмотря на указанные в патенте высокие прочностные характеристики существенным недостатком этой стали является то, что практически все составы из-за влияния указанного содержания легирующих элементов на структурообразование стали содержат магнитную ферритную фазу в количестве от 1 до 18%. Наличие магнитной фазы существенно снижает качество стоматологического металла, не обеспечивая требование по немагнитности. Для выполнения этого требования структура стали должна быть аустенитной без присутствия ферритной фазы.
Наиболее близким аналогом по совокупности элементов является нержавеющая сталь «ДЕНТАЛИТ» для ортопедической стоматологии, содержащая следующие компоненты, мас.%:
| Углерод | 0,10-0,20 |
| Кремний | 1,5-2,0 |
| Марганец | 1,3-1,8 |
| Хром | 19,5-22,0 |
| Никель | 16,0-19,0 |
| Молибден | 2,8-4,0 |
| Медь | 0,5-1,5 |
| Кальций | ≤0,02 |
| Магний | ≤0,04 |
| РЗМ | ≤0,05 |
| Железо и | |
| неизбежные примеси | остальное |
при этом содержание хрома и углерода связаны следующей зависимостью: Cr/С≤200.
(Патент РФ №2233907, МПК С22С 38/44, опубл. БИ №22, 2004 г. - прототип).
Сталь «ДЕНТАЛИТ» в литом состоянии имеет следующие прочностные характеристики:
предел прочности σв=645-670 Н/мм2,
предел текучести σ0,2=348-378 Н/мм2.
Следует отметить, что наиболее важной характеристикой для стоматологических металлов является предел текучести σ0,2
, так как он характеризует наибольшую нагрузку, которую может испытывать металл, практически не деформируясь. Поэтому, чем выше эта прочностная характеристика, тем надежнее, тоньше и, соответственно, легче будут зубопротезные конструкции.
Другим существенным свойством, которым должны обладать все зубопротезные металлы, является их немагнитность.
Для сталей, основой которых является железо, немагнитность может быть обеспечена только при определенном соотношении аустенито- и ферритообразующих легирующих элементов. Поэтому при содержании соответственно никеля, углерода, марганца в составе прототипа ближе к нижнему, а хрома, модибдена, кремния ближе к верхнему пределам сталь будет обладать магнитными свойствами за счет присутствия в ее структуре до 8% магнитной ферритной фазы. Таким образом, состав стали-прототипа не является стабильно немагнитным.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали для коронок и мостовидных зубных протезов, в том числе с пластмассовой облицовкой, обладающей:
- повышенными прочностными характеристиками, гарантированно обеспечивающими надежную работу облегченных высоконагруженных мостовидных зубных конструкций;
- стабильно немагнитными свойствами;
- коррозийной стойкостью и нетоксичностью (т.е. безопасностью для организма человека) в соответствии с современными требованиями нормативной документации Министерства здравоохранения и социального развития, предъявляемыми к материалам для ортопедической стоматологии;
- хорошей технологичностью в процессе изготовления зубных протезов: т.е. иметь жидкотекучесть, обеспечивающую получение точного литья тонких мостовидных конструкций и коронок (толщиной 0,2 мм), легко обрабатываться стоматологическими абразивами и полироваться.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности стали и получение стабильно немагнитной (100% аустенитной) структуры при сохранении коррозионной стойкости и нетоксичности в полости рта, а также технологичности при изготовлении зубных протезов.
Указанный технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая сталь для ортопедической стоматологии, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,10-0,20 |
| Кремний | 1,3-2,5 |
| Марганец | 1,0-2,5 |
| Хром | 19,0-25,0 |
| Никель | 15,0-23,0 |
| Молибден | 2,5-5,5 |
| Азот | 0,04-0,15 |
| Железо и | |
| неизбежные примеси | остальное |
при этом эквиваленты аустенитообразующих и ферритообразующих элементов связаны следующей зависимостью:
Аэкв/Фэкв≥0,85,
где Аэкв=% Ni+30%С+27%N+0,5% Mn,
Фэкв=%Cr+%Mo+1,5%Si.
Содержание углерода в указанных пределах 0,10-0,20% обеспечивает стали необходимые прочность и литейные свойства; увеличение углерода свыше 0,20% снижает коррозионную стойкость стали, а ниже 0,10% не позволяет получить требуемый уровень свойств.
Кремний также повышает жидкотекучесть стали, при этом содержание его менее 1,3% неэффективно, а свыше 2,5% отрицательно сказывается на прочности и пластичности.
Легирование марганцем в пределах 1,0-2,5% улучшает литейные характеристики стали, а свыше 2,5% снижает коррозионные свойства.
При содержании хрома ниже 19% не обеспечивается необходимая коррозионная стойкость стали, а дополнительное увеличение его свыше 25% снижает технологичность стали при изготовлении зубных протезов за счет повышения твердости и, следовательно, увеличения трудоемкости при обработке.
Для получения немагнитной пластичной структуры легирование никелем менее 15% неэффективно, а свыше 23% нецелесообразно из-за его высокой стоимости и возможного проявления аллергической реакции у пациентов.
Содержание молибдена менее 2,5% не обеспечивает высокие коррозионные свойства и нетоксичность, но при его содержании свыше 5,5% снижается пластичность и обрабатываемость стали стоматологическими абразивами.
Легирование азотом в указанных пределах 0,04-0,15% повышает прочность стали без снижения ее пластичности и способствует созданию немагнитной структуры.
Соблюдение соотношения Аэкв/Фэкв≥0,85 обеспечивает получение стабильно немагнитной аустенитной стали без ферритной фазы.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Коррозионно-стойкую сталь «НЕРЖСТОМ», выплавленную с использованием чистой шихты в вакуумно-индукционной печи, разливали в вакууме в изложницу на заготовки круг или квадрат 15-20 мм, которые затем разрезали на образцы весом по 20 г, из которых в соответствии с ИСО 6871-94 и ГОСТ Р 51767-2001 методом центробежного литья по выплавляемым моделям отливали образцы для определения механических и других требуемых свойств.
В таблицах 1 и 2 приведены химический состав, прочностные свойства и структура предложенной стали в литом состоянии.
| Таблица 1 | |||||||||
| Химический состав предложенной стали | |||||||||
| Составы № | Содержание элементов, мас.% | Аэкв/Фэкв≥0,85 | |||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Fe и неизбежные примеси | ||
| 1 | 0.15 | 1.8 | 1.3 | 20.5 | 18.8 | 3.4 | 0.04 | Ост. | 0.94 |
| 2 | 0.19 | 2.2 | 2.0 | 24.0 | 22 | 4.5 | 0.08 | Ост. | 0.97 |
| 3 | 0.12 | 1.4 | 2.4 | 19.5 | 16.1 | 2.8 | 0.13 | Ост. | 1.0 |
| Таблица 2 | |||
| Прочностные свойства и структура предложенной стали в литом состоянии | |||
| Составы № |
σв, Н/мм2 |
σ0,2, Н/мм2 |
Количество аустенита, % |
| Состояние | |||
| 1 | 665 | 367 | 100 |
| немагнитное | |||
| 2 | 680 | 380 | 100 |
| немагнитное | |||
| 3 | 700 | 395 | 100 |
| немагнитное |
Из приведенных данных таблицы 2 следует, что прочностные характеристики стали «НЕРЖСТОМ» выше, чем в прототипе, что позволяет отливать облегченные высоконагруженные мостовидные зубные протезы большой протяженности.
Выполнение зависимости Аэкв/Фэкв≥0,85 обеспечило получение во всех составах предложенной стали немагнитной 100% аустенитной структуры.
Испытания предложенной стали «НЕРЖСТОМ» на коррозионную стойкость в модельных средах, имитирующих полость рта, а также проведение токсиколого-гигиенических и санитарно-химических испытаний на токсичность показали, что сталь, коррозионно-стойкая в среде ротовой полости, нетоксична и соответствует всем требованиям нормативной документации Министерства здравоохранения и социального развития для сталей стоматологического назначения.
Исследование технологичности стали «НЕРЖСТОМ» на всех этапах изготовления зубных протезов показало, что стоматологические конструкции из нее хорошо отливаются, легко обрабатываются стоматологическими абразивами и полируются, а также обеспечивают покрытие пластмассовой облицовкой.
Таким образом, сталь «НЕРЖСТОМ»:
- имеет повышенные прочностные характеристики и стабильно немагнитную структуру,
- обладает коррозионной стойкостью и нетоксична в полости рта,
- технологична на всех этапах изготовления зубных протезов.
Литература
1. ИСО 6871-94. Стоматологические литейные сплавы на металлической основе.
2. ГОСТ Р 51767-2001. Заготовки из сплавов на основе никеля для ортопедической стоматологии.
Коррозионно-стойкая сталь для ортопедической стоматологии, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,10-0,20 |
| кремний | 1,3-2,5 |
| марганец | 1,0-2,5 |
| хром | 19,0-25,0 |
| никель | 15,0-23,0 |
| молибден | 2,5-5,5 |
| азот | 0,04-0,15 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом эквиваленты аустенитообразующих и ферритообразующих элементов связаны следующей зависимостью
Aэкв/Фэкв≥0,85,
где Аэкв=%Ni+30%С+27%N+0,5%Mn,
Фэкв=%Cr+%Мо+1,5%Si.
