曹磊　郭天文　王有序　杨瑟飞

【摘要】目的:研究加入不同比例固化剂对氧化锆基钛用包埋料物理性能的影响。方法:将砂A与粉B按13∶7 的比例充分混合成粉料C,将C与黏结剂D按7.5∶1之比混合,分别按14∶1、14.5∶1、15∶1的黏结剂与固化剂 之比添加固化剂E调和,分别包埋预先制作好的片状(10mm×10mm×0.8mm)蜡熔模12片,铸造成纯钛铸 件。观察浆料的操作性、型壳表面状态、铸件颜色、完整性、边缘清晰程度,依据实验结果确定配方。在1、3、5、 7d分别取黏结剂D测定动力黏度、密度、pH值。结果:14∶1配比组的材料固化过快,无法操作;15∶1配比组 固化时间较长,铸圈有回溶现象,铸件变形;14.5∶1配比组初凝时间合适,焙烧后型壳表面无裂纹,浇注腔完整 光滑,铸件表面喷砂后呈金属色。黏结剂1、3、5、7d的动力黏度、密度、pH值无显著差异。结论:黏结剂与固 化剂按14.5∶1之比混合后包埋蜡熔模、铸造,能得到优良的钛铸件;实用环境下黏结剂在7d内性能指标无明 显差异。

【关键词】　纯钛;冠桥;铸造;包埋材料

中图分类号:R783.1　文献标识码:A　文章编号:1001-3733(2007)-03-0380-03

纯钛铸造修复体的质量与铸造包埋材料有重要关系[1]。由于熔融钛液具有很强的化学活性,能与所有 耐火材料发生反应[2],给铸钛包埋材料的研制带来困 难。冠桥修复体的精度要求很高(内部适合性<73 μm,边缘适合性<100μm[3]),目前国内还没有完善 配套的纯钛冠桥铸造包埋材料。本课题组于2003年 研发了FUS-invest纯钛冠桥铸造包埋料。但FUS-in- vest包埋料的比重较大,与黏结剂混合后悬浮性差,致使包埋材料不能均匀涂布于熔模表面;且材料中含有 较多活性高的硅元素,用其包埋、铸造完成钛铸件后发 现,硅元素进入钛基体的深度达350μm,对铸件的精 度及机械性能均有一定影响。本实验针对上述问题, 在已研发的FUS-invest包埋料基础之上,拟通过提高 耐火材料的纯度和改变黏结系统来改变材料性能。选 用高纯度耐火金属氧化物和相应的黏结剂,按口腔科 实际操作过程和环境,对材料和铸件的各项性能进行 观察,以便提高包埋材料和钛铸件的性能。

1　材料和方法

1.1　实验材料

高纯度锆砂A及高纯度锆粉B(主要成分均为氧 化锆);砂A与粉B按13∶7混合成粉料C(粉料C粒 度分布均匀,粒径分布10~0.5μm,中间粒径4.01 μm,50%粉料平均粒径2.69μm);自配黏结剂D、固 化剂E、高温熔溶蜡;纯钛TA2(宝鸡有色金属加工 厂)。实验仪器LZ-2型铸钛机(第四军医大学口腔医 学院与洛阳四方机械厂联合研制),真空搅拌机(Whip MixCorporation,Louisville,Centucky,40217,USA), TWD控温仪(上海市精慧仪表公司),PHS-3C型精密 pH计(REX,上海雷磁仪器厂),NDJ-79型旋转黏度计 (同济大学机电厂),波美计(上海液用仪表厂),CA- PA-700型粒度分析仪(日本Horiba公司)。

1.2　实验方法

1.2.1　粉料的初配　将砂A和粉B按照13∶7之比 混合成C(3kg)。按C与黏结剂D7.5∶1的比例取黏 结剂D,按预实验确定的黏结剂与固化剂E比14∶1、 14.5∶1、15∶1分成3组分别混合(表1)。

1.2.2　蜡熔模的制作　制作10mm×10mm×0.8 mm的片状蜡熔模12片,分为3组,每组4片,按图1 所示竖铸道。

1.2.3　铸圈的浇注　按表1混合砂A、粉B、黏结剂D、固化剂E,真空搅拌机搅拌30s,立即将浆料倒入铸 圈内置于振荡器上振荡,静置。使用针入法测量初凝 时间。1h后将铸圈与型壳分离,观察型壳表面状况。

1.2.4　铸件的完成　型壳在空气中继续放置2h,烘 烤、焙烧,至900℃时用火钳触之观察表面有无材料剥 脱现象。冷却至室温后观察浇注口及表面裂纹扩展情 况。将铸型置于铸钛机中熔铸。脱模、喷砂(50μm A12O3、压力207kPa、距离5cm),观察铸件的表面颜 色、完整性、边缘清晰程度等。

1.2.5　黏结剂性能测试　测试黏结剂D在1、3、5、7 d4个时间点的pH值、动力黏度、密度的变化情况,观 察各项指标。依据《胶粘剂的pH值GB/T145l8-93》 和《胶粘剂黏度GB/T2794-1995》的要求将新配制的 黏结剂D倒入塑料瓶中,按l、3、5、7d各取3个黏结 剂试样,每个50m,l测其pH值,取平均值;按1、3、5、7 d各取混合均匀、无气泡的50ml黏结剂D试样,用旋 转黏度计对每个试样测量3次,取最小值;取300ml 黏结剂,使用波美计连续测量密度值3次,取平均值。

2　结　果

黏结剂与固化剂比14∶1组固化时间过快,小于1 min,操作困难,尚未完全包埋便已结固。黏结剂与固 化剂比14.5∶1组固化时间3~5min,操作时间充足, 胶凝体与铸圈分离后表面无微裂纹。焙烧至900℃ 时,型壳表面无材料剥脱现象。炉内冷却到室温用放 大镜观察,型壳内外表面均光滑、无裂纹。铸件完整、 边角清晰,表面均显露出金属色。黏结剂与固化剂比 15∶1组固化时间较长2h以上,铸圈有回溶现象,铸件 变形。黏结剂D的性能指标随天数的增加,黏结剂D 的pH值、密度的均值及动力黏度的最小值都没有显 著性差异(表2)。

3　讨　论

包埋材料黏结剂的选择十分重要,其pH值对固 化剂的选择提供了参考;动力黏度与密度则与粉液混 合后的悬浮性密切相关。自配黏结剂选用了溶液pH 值2.5的更具惰性的金属氧化物D溶液,与改进前溶 液pH值(=10)的酸碱性正相反;还选用碱性金属氧 化物E作固化剂,可以中和金属氧化物D溶液的酸 性,因此提高了其调节pH值的能力。其结果使得粒 子表面同性电荷的密度减少,增大相互碰撞的机会,能 使其发生迅速的凝固[4]。为了保持材料的正常凝固 速度,黏结剂与固化剂比例的选择非常重要。因本实 验选用的黏结剂酸性强,而固化剂具有强碱性,所以黏 结剂与固化剂反应非常敏感,增加了寻找适当比例的 难度。经过多次预实验最终选取了14∶1、14.5∶1、15 ∶1,3组比例。结果证明14.5∶1组的比例适当。小于 此比例则固化时间过短操作困难,无法包埋;大于此比 例则固化时间较长,固化后还可出现回溶现象,型壳变 形。自配黏结剂溶液动力黏度为3.3mPa·S,较改进 前的3.0mPa·S有所提高,使耐火材料与黏结剂混合 后的悬浮性提高、沉淀减少,使铸腔内部材料(铸型本 身)分布均匀,提高了铸件精度。

黏结剂性能的稳定决定着铸造能否成功,而配制 完成的黏结剂只能在一定时间内保持其稳定性,因此 每次配制的量应根据使用的实际数量确定。为验证自 配黏结剂在试用期间的稳定性,对1、3、5、7d4个时间 点的黏结剂黏度、密度及pH值的变化进行了实验研 究,发现各时间点这3个考察指标均无差别,说明7d 内其各项性能指标是稳定的。

本实验选取纯度较高的氧化锆系耐火材料为原 料,减少硅元素含量,由原来的35%降低到10%;并对 材料进行高温熟化稳定处理,使材料更加稳定,减少污 染,提高精度,降低对铸件机械性能的影响。耐火材料 生产工艺的过程中,粉料颗粒大小的级配是关键,影响 着产品的致密度和气孔率,关系到产品质量的好坏。较为合理的级配关系应该按颗粒的大小进行配比,即 大颗粒、中间颗粒、细粉三级配料,这样可以使小颗粒 进入大颗粒的间隙之中,形成较为致密的结固体[5]。 另外,包埋材料的砂粉比例不仅对黏结剂的用量有一 定的影响,而且间接的影响了固化剂使用量的多少。 在实际生产中要根据铸造金属的特性、浇铸系统及铸 件各项性能的要求选择较为合适的粒度级配。本文研 制的包埋材料主要用于铸造精度和表面质量要求很高 的冠桥用纯钛金属铸件,因此既要保证粉料应有一定 的细度,又要保证包埋后具有足够的透气性[6]。本研 究配料过程中通过观察熔融钛液对型壳内壁的渗透性 及铸件细微处的完整性调整级配,最终选取了砂粉比 例为13∶7的配比方案。经实验分析其粒径差异较小, 仅为10~0.5μm,说明材料品质较高,颗粒大小分布 均匀,性能稳定,而且实验重复性和可控性较优。以此 配方包埋熔模,使用LZ-2型离心-真空-压力铸钛机 铸造,不但能浇铸出完整的纯钛冠铸件,而且铸件表面 也较为光滑。

本实验选取的高纯度耐火材料砂A、粉B按13∶7 配制的粉料C,其粒度分布均匀。自制黏结剂与固化 剂按14.5∶1混合后包埋蜡熔模、铸造,得到的钛铸件 性能优良。自制黏结剂7d内性能稳定。用此改良包 埋料包埋、铸造纯钛,可提高铸造精度,降低铸件表面 的污染,提高其物理机械性能,方便临床应用。 关于此包埋料的钛铸件精度、污染测试将另文介 绍。

参考文献

[1]　郭天文.口腔科用钛理论和技术.北京:人民军医出版社, 2005.28~29

[2]　黄恢元.铸造手册———铸造非铁合金.第2版.北京:机 械工业出版社,1994.233~244

[3]　MayKB,RussellMM,RazzoogME,etal.Precisionoffit:

TheProceraAllCeramcrown.JProsttDent,1998,80(4): 394

[4]　苏国勋编译.国外造型材料.北京:机械工业出版社, 1983.33~38

[5]　李挺.耐火材料生产问答.北京:冶金工业出版社, 1988.38~40

[6]　HeroH,SyverudM,WaarliM.Moldfillingandporosityin

castingsoftitanium.DentMater,1993,9(1):15