Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea INGINERIE MEDICALTIINA MATERIALELOR METALICE

Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian Vasile

tiina Materialelor Metalice

CURS 7

AMALGAME DENTAREALIAJE DE TURNARE

Desi se face referire la aceste materiale dentare de la jumatatea secolului al XVI-lea, amalgamurile dentare sunt folosite incepand cu anul 1800. Cu toate acestea, exista un act oficial al Asociatiei Americane a Chirurgilor Stomatologi din 1840, care interzicea utilizarea acestor materiale datorita faptului ca se spargeau repede dupa introducerea lor in cavitatile dentare, patau inestetic dintii sanatosi si provocau de multe ori stari de inconfort datorita materialelor folosite. Acest lucru este de inteles in perioada respectiva cand sistemul monetar utiliza argintul ca material de baza, acesta devenind apoi sursa de baza in cazul stomatologiei, cu atat mai mult cu cat proportia de argint din amalgam era de 90-95%, iar de cupru de 5-10%. Problemele astfel aparute au determinat investigatii mai mult sau mai putin sistematice care au condus la rezultate ce faceau referire la efectele alierii metalelor pure cu mercurul, ca o incercare de a depasi toate dificultatile ivite.Introducere1. Amalgame dentare

Alierea argintului pur cu mercurul se desfasoara incet, dar se formeaza o masa dura care ia forma cavitatii si care prezinta o usora dilatare dupa utilizare.

Staniul, de exemplu, reactioneaza rapid, dar intarirea aliajului are loc intr-un timp mai indelungat si, s-a remarcat, o contractie a acestuia dupa introducerea in cavitatea de interes.

Zincul si aurul reactioneaza incet; zincul conduce in anumite proportii la un material sfaramicios, fragil, iar aurul implica o pasta sau un lichid.

Si cuprul amalgameaza incet, rezultatul fiind insa un solid care este relativ moale.

Abordarea initila a acestor aliaje s-a realizat din perspectiva faptului ca imbinarea mai multor elemente va conduce la un material care va cumula proprietatile dorite de la fiecare component in parte.

Combinarea argintului cu staniul a fost considerata foarte atractiva in speranta faptului ca reactivitatea mare a staniului se va opune celei scazute a argintului, iar contractia/dilatarea materialului introdus in cavitatea dentara va atinge echilibrul dorit. Astfel, in anul 1855, acest aliaj a fost propus oficial ca inlocuitor pentru sistemul de aliaje empiric utilizat pana atunci, devenind un aliaj de referinta pentru investigatiile ulterioare din acest domeniu.

Amalgamul consta in doua componente : una pulverulenta, cealalta lichida.

Componenta pulverulenta poarta numele de aliaj de amalgamare, iar cea lichida este data de mercur. Amestecarea energica a celor doua materiale poarta numele de triturare.

Rezultatul triturarii este un aliaj cu continut de mercur ce este denumit generic amalgam. Acesta este initial moale si permite introducerea sa in cavitatea dentara. Singura functie a mercurului este aceea de a alia particulele pulverulente ale amalgamului. Un aliaj de amalgamare care prezinta particule de dimensiune relativ mica este denumit aliaj cu granulatie fina. Materialul ce prezinta o asemenea granulatie se va intari mai repede decat unul similar compozitional, dar cu dimensiunea medie a particulei mai mare.Compozitia

Diagrama de echilibru fazic Ag-Sn

Particulele pulverulente constau in principal dintr-un compus intermetalic ce are formula Ag3Sn si contine 73% Ag in proportie masica. Compusul intermetalic corespunde fazei din diagrama de echilibru fazic Ag-Sn si se formeaza in urma unei reactii peritectice ce are loc intre o solutie solida de Sn in Ag (faza ) si topitura remanenta. Materialul se obtine sub forma de lingouri.

Adaugarea altor materiale a aparut din dorinta de a folosi proprietatile acestora in cadrul amalgamului dentar, dupa cum este si cazul cuprului, desi in cazul zincului nu se cunosc motivele pentru care este prezent in compozitia chimica a aliajului de baza AgSn.

In ultimul timp un interes crescand a fost exprimat cu privire la asa-numitele amalgamuri cu continut ridicat de cupru, in care cuprul poate atinge procentul de 30% masic. Amalgamurile de acest tip ofera o integritate marginala imbunatatita, in cazul in care se respecta compozitia chimica exacta.

Amestecarea particulelor aliajului cu mercurul este dictata de umectarea scazuta oferita de catre materialul lichid (Hg). Consideratii de ordin sanitar si ecologic au condus astazi la respectarea tehnicilor minimale ale mercurului care impun un dozaj de 1/1 masic (pulbere/lichid) si efectuarea mecanica a triturarii. Astfel, dupa introducerea aliajului in cavitate, excesul de mercur va trece in stratul de suprafata care va fi indepartat ulterior.Obtinerea unui astfel de sistem cu mercurul se poate realiza prin :Disolutie partialaPrecipitarea fazelor insolubile

Straturile exterioare ale particulelor aliajului sunt dizolvate de catre mercur, care in acest caz actioneaza ca un solvent. In final solutia se satureaza conform diagramei de faza. Aceste faze sunt, in principal, un compus intermetalic al argintului si mercurului, Ag2Hg3 (faza 1) si o solutie solida a mercurului in staniu care este aproape stoechiometrica, Sn7Hg (faza 2).

Fazele 1 si 2 sunt denumite matrice. Rolul matricei este acela de a lega particulele aliajului, si ideal ar fi daca in urma investigatiei microstructurale s-ar observa ca proportia predominanta este data de catre aliaj si nu de matrice (matricea este moale in cazul amalgamului).

Microstructura

In figura de mai jos este prezentata microstructura schematizata a unui amalgam dentar intarit ce are proportia de cupru de maxim 6% masic. Pentru investigarea metalografica s-a utilizat un atac chimic format din trei etape :

Solutie apoasa de dicromat de potasiu ;Solutie de iod in alcool ;Solutie apoasa de tiosulfat de sodiu .Matricea va fi vizibila la ordine de marire relativ mari si consta din Ag2Hg3 (faza 1) in care se afla dispersata faza 2 (Sn7Hg). Mici cristale de cupru-staniu intermetalic (Cu3Sn) pot fi observate, acest fapt este datorat insolubilitatii relative a cuprului in mercur. Golurile ce apar in figura sunt efectul unei omogenizari incomplete sau a coroziunii ulterioare a fazei 2.

Cele mai importante proprietati fizice sunt: rezistenta mecanica, rigiditatea, modificarea dimensiunilor in timpul solidificarii, timpul de solidificare, usurinta condensarii, fluajul sau curgerea amalgamului solidificat si curgerea pulberii.

Amalgamul are rezistenta la tractiune de zece ori mai mica decat rezistenta la compresiune, ceea ce implica efectiv faptul ca tensiunile de intindere nu sunt prompt tolerate de materialul de restaurare. Proprietati fizice1. Rezistenta mecanicSlefuireaSuprafata amalgamurilor trebuie slefuita astfel incat sa asigure o afinitate minima la placare si o rezistenta optima la coroziune. Sunt necesare cel putin 24 de ore pentru ca slefuirea sa poata fi efectuata. Au fost sugerate diferite materiale si s-au pus la dispozitie tehnici variate, cu privire la acest subiect.

Influena matricei asupra proprietilor amalgamului dentar

O proportie ridicata a matricei va conduce la scaderea rezistentei mecanice, scaderea rigiditatii, cresterea fluajului pentru tensiuni mici de incarcare si cresterea tendintei de corodare. Ajungerea in acest stadiu se poate datora atat excesului de mercur in faza amestecarii cat si in incapacitatea de a-l indeparta din cavitate dupa ce s-a efectuat restaurarea.

Cristalizarea fazei este insotita de o crestere de volum si, de aceea, este de asteptat ca amalgamurile ce au preponderenta faza sa se comporte astfel in timpul solidificarii. In practica,insa, acest fenomen NU are loc.

La solidificarea amalgamului sunt posibile multiple modificari dimensionale care depind de procesele ce predomina la un moment dat. In particular, utilizarea unui aliaj cu granulatie fina va determina o contractie volumica relativ mare, la amestecare, iar expansiunea matricei ce apare ulterior poate sa nu compenseze efectul primului fenomen.In cazuri extreme apare chiar o contractie totala. Sub sau supratriturarea au ca rezultat, la randul lor, modificarea efectelor care apar la solidificare.

Fluajul metalelor sau al aliajelor este un fenomen care apare la incarcarea dinamica sau statica a materialului si la tensiuni care sunt mai mici decat tensiunea normala de curgere. Fluajul poate apare la temperaturi care depasesc jumatate din valoarea la care se topeste materialul, valoare care face posibila aparitia fenomenului. De vreme ce faza 1 are temperatura de topire in jurul valorii de 80 C, iar temperatura obisnuita la care lucreaza amalgamul este de 37 C, fluajul nu este o posibilitate de inlaturat.Exista doua mecanisme prin care fluajul apare in metale sau aliaje.:fluaj al dislocatiilor, care apare datorita migratiei dislocatiilor in interiorul grauntilor aliajului sau metalului in cauza;mecanism care are la baza limita de graunte;difuzia atomilor la limita de graunte ;fluaj de difuzie sau alunecarea limitei de graunte

Investigatiile asupra mecanismelor care actioneaza in cazul fluajului amalgamului dentar au aratat ca adesea isi fac aparitia ambele mecanisme, adica atat cel al fluajului dislocatiilor cat si cel de difuzie. S-a observat faptul ca fluajul creste cu scaderea marimii grauntelui fazei 1, indicand mecanismul difuziv, dar s-a remarcat ca marimea acestuia scade dupa o perioada de timp ceea ce indica interventia dislocatiilor. S-a remarcat, deasemenea, ca faza 2 este mai predispusa la fluaj decat faza 1.

2. Fluajul

Modul traditional de gandire cu privire la coroziune considera ca produsii de reactie ajuta la inchiderea defectelor marginale si ancoreaza amalgamul in cavitate. Astfel, coroziunea aparea ca un proces util. S-a remarcat faptul ca produsii de coroziune au structura cristalina, ceea ce a sugerat prezenta unui proces de disolutie-precipitare (disolutie in fluidele orale), in care faza 2, Sn7Hg, era cea mai expusa la aceasta activitate. Astfel sectiunea printr-un amalgam utilizat ca material de restaurare arata ca in figura alaturata.Prezentarea schematic a coroziunii amalgamului dentar3. CoroziuneaDaca vom analiza un amalgam care a fost utilizat ca material de restaurare o anumita perioada de timp, vom remarca faptul ca acesta a suferit o corodare in vivo mai mult sau mai putin extinsa. Coroziunea trebuie atent diferentiata de matuire, care este un efect de suprafata, a carui consecinte tin doar de decolorarea suprafetei.

Suprafata incluziunilor este acoperita cu un depozit negru, cosiderat a fi Sn2S3, iar marginile contin produsi ca -SnO2 (in contact cu peretii cavitatii) si Sn2S3.

Golurile si zonele de faza 2 din interiorul volumului materialului prezinta la randul lor produsi de reactie..

Este important de subliniat faptul ca acesti compusi au la baza staniul, indicand faptul ca principalul constituent supus coroziunii este faza 2. Eliberarea ionilor staniului din aceasta faza in timpul coroziunii conduce la cresterea concentratiei de mercur liber din structura care va difuza catre ariile marginale unde va intra in reactie cu aliajul care nu a fost initial cuprins in amalgamul solid, formand faza 1. Daca apare acest fenomen atunci ariile marginale se extind, iar restaurarea se deformeaza. Marginile extinse deasupra smaltului dintelui vor conduce la concentrarea tensiunilor in aceasta zona ingusta supusa in permanenta la incarcari dinamice. Ruperea marginilor va lasa un aspect de crevasa asupra restaurarii. Prezentarea schematic a coroziunii amalgamului dentar

Amalgamurile cu continut ridicat de cupru isi au originea in cercetarile efectuate asupra conceptului de amalgamuri durificate prin dispersie. Abordarea conventionala facea referire la un aliaj eutectic argint-cupru dispersat printre particulele de aliaj. Acest aliaj a fost selectionat datorita rezistentei si duritatii sale ridicate, mai mari decat a matricei, si, deasemenea, datorita rezistentei la coroziune bune, alaturi de capacitatea mare de a se amalgama cu matricea si, astfel, de a creste legaturile interne ale materialului.Acesta este si motivul pentru care continutul de cupru este de 11,9% masic. Lansarea comerciala a materialului a avut loc in Canada in anul 1968 sub numele de Dispersalloy. Principalele avantaje ale amalgamului Dispersalloy au fost descoperite prin teste clinice, acestea fiind : rezistenta la matuire ridicata si intergritate imbunatatita a marginilor.

Amalgamuri cu continut ridicat de cupru

Diagrama de echilibru fazic Ag Cu

Microstructura fazei dispersate a unui amalgam dentar solidificat este prezentata in figura de mai jos. Faza continua este 1, Ag2Hg3, care provine din disolutia argintului in mercur, urmata de o precipitare (relativ lenta) a acestui compus in prezenta altor faze. Particulele sferoidale de cupru-argint sunt inconjurate de un strat de reactie non-cristalin, Cu6Sn5, care, la randul lui, este dispersat in toata faza 1, sub forma unor lamele cristaline. Este important de notat faptul ca, odata dizolvat staniul in mercur, faza 2 dispare, iar staniul precipita rapid, asemeni unei faze insolubile, in principal precum Cu6Sn5.Microstructura schematic a unui amalgam cu coninut ridicat de cupruMicrostructura

O alta metoda de a introduce cuprul in sistem este aceea de a-l include in aliajul original. Aceste sisteme sunt etichetate amalgamuri ternare, adica argint-staniu-cupru. Particulele aliajului sunt sisteme multifazice ce contin Ag3Sn si Cu3Sn. Cristalele de Cu6Sn5 sunt dispersate in grauntii fazei 1, iar particulele aliajului pot fi inconjurate de o zona ce contine acest produs de reactie. Cu aceste materiale dispersate in faza, nu este prezenta, sau foarte putin, 2. Diagrama ternara Ag-Sn-Cu

Aliajele dentare de turnare trebuie s ndeplineasc o serie complex de condiii pentru a putea fi folosite fr riscuri n stomatologie. n ultima perioad s-au ridicat probleme foarte serioase cu privire la aspecte de biocompatibilitate, probleme ce au fost semnalate att n ceea ce privete amalgamurile dentare (exist controverse aprinse n SUA asupra rolului mercurului n anumite afeciuni aprute dup utilizarea amalgamului de ctre pacient) ct i n ceea ce privete aliajele folosite ca implanturi sau pentru protezare (eliberarea nichelului din coroanele dentare sau efectele adverse ale paladiului asupra sntii, efecte observate la pacienii ce au avut proteze pe baz de aliaje nalt nobile (HN)).

n virtutea acestor considerente aliajele dentare trebuie s satisfac din punct de vedere chimic standardele de siguran n exploatare i nu n ultimul rnd, proprietile pe care le au s se ncadreze ntre cele dorite pentru un astfel de aliaj, cum ar fi: biocompatibilitate ridicat, uurina topirii/turnrii/polizrii/lefuirii, contracie mic, rezisten ridicat la uzare, la rupere, la ncovoiere, la coroziune. 2. Aliaje de turnareIntroducere

Conform specificaiei ADA (American Dental Association) No.5 aliajele dentare de turnare trebuie s ndeplineasc mai multe cerine:

Din punct de vedere compoziional, elementele nu trebuie s depeasc n plus sau minus valoarea de 0,5% din concentraia comunicat de productor. n cazul materialelor toxice abaterea trebuie sa fie mai mic de 0,1%. Proprietile mecanice trebuie s se ncadreze n limitele impuse de ADA Specification No.5. Valoarea duritii trebuie s se situeze ntr-o abatere de cel mult 10% fa de valoarea comunicat de productor.n ceea ce privete proprietile fizice, temperatura de topire trebuie s se ncadreze ntr-o abatere de 20 C, abatere specificat de productor. Proprietile reologice trebuie s ndeplineasc urmtoarele cerine: cinci turnri succesive ale unor puni sau coroane dentare trebuie s umple toate cavitile i s redea ct mai exact toate urmele de pe materialul de amprent, la fel cum sunt prezentate de productor.

Eecul uneia din turnri datorat fisurrii sau spargerii formei de turnare nu se ia n considerare n succesiunea turnrilor.

Aliaje de turnare cobalt-cromAceste aliaje sunt predispuse la oxidare n timpul topirii, iar aliajul n forma turnat este fragil i dur. Aliajele de turnare Co-Cr nu sunt recomandate pentru turnri de precizie, cum ar fi coroanele dentare sau puni, n timp ce utilizarea lor ca suport pentru porelanul topit este nerecomandat datorit oxidarii suferite de aliaj la temperatura de lucru. Cu toate acestea materialul are o bun rezisten la coroziune i este bine tolerat n cavitatea bucal. Aplicaia tipic a acestor aliaje este cel dat de Co-Cr-Mo ce este utilizat pentru obinerea cadrelor pentru danturi pariale.

Compoziia general este urmtoarea :Co : 65 % reeaua gazd;Cr : 25 % rezisten la coroziune; formeaz un strat pasiv de Cr2O3;Mo : 5 % agent de finisare a mrimii de grunte;C : 0,2 0,35 % principalul agent de durificare;Ni : rest atenie deosebit n cazul hipersensibilitii la Ni.

Influena elementelor de aliere n cazul acestui aliaj este foarte important.Coninutul de crom este rspunzator de rezistena la oxidare, valoarea acestuia ns depind proporia de 30 %, va conduce la dificulti la turnare. ). n general, proporiile de Co i Ni sunt interschimbabile pn la o anumit valoare. Cobaltul crete modulul de elasticitate, rezistena i duritatea mai mult dect nichelul. Cea mai sigur cale de modificare a aliajelor Co-Cr este creterea coninutului de carbon. Un procent de numai 0.02 la aceste aliaje modific proprietile ntr-o asemenea msur, nct aliajul nu mai poate fi utilizat n stomatologie.Dac proporia de carbon crete cu 0,2 % peste valoarea admis, aliajul devine prea dur i prea friabil i nu mai poate fi utilizat n protetica dentar. Pe de alt parte, reducerea coninutului de carbon cu 0,2 % scade att de mult rezistena la traciune i limita de elasticitate nct aliajul va avea aceeai soart ca n situaia precedenta.Prezena a 3 6 % Mo contribuie la rezistena aliajului. Unele aliaje conin i W care, dei crete rezistena reduce alungirea mai mult dect molibdenul.

Proprietati

Aliajele Co-Cr sunt metastabile i cristalizeaz n sistemul cub cu fee centrate, iar carburile pe care le prezint se afl la limita de grunte sau n zonele interdendritice. Carburile pot precipita att in interiorul grunilor ct i/sau la limita de grunte (unde pot fi continue sau discontinue)Structura metalografic schematic a unui aliaj Co-Cr-Mo

Aliaje de turnare Ni-CrAliajele Ni-Cr au intrat n atenia cercettorilor o dat cu limitrile descoperite la aliajele Co-Cr, i anume ductilitate sczut, contracie ridicat la solidificare i o tendin ridicat spre oxidare. In industrie aceste aliaje sunt cunoscute sub numele de NIMONIC i au aplicaii n tehnologia motoarelor cu reacie.

Compoziia chimic general a acestor aliaje este:Ni :68-80%Cr :10-25%Mo:0-13% - crete rezistena la coroziuneW :0-7% - crete coeficientul de dilatare termicMn:0-6%Be:0-2% - reduce temperatura de topire, crete ductilitateaC :0,1-0,2%(toate procentele au fost exprimate masic)

Alturi de aceste elemente se mai gsesc n concentraii mai mici Al, Ti, Co (elemente de durificare) i B, Si (elemente de dezoxidare a topiturii).

Aceste aliaje se preteaz excelent ca suport pentru porelanul topit.

Aliajele cristalizeaz in sistemul cub cu fee centarte, iar materialul turnat prezinta o structur cu gruni mari, ceea ce indica o structur dendritic.

In mod tradiional aceste materiale prezint o ductilitate mai mare dect cea a aliajelor Co-Cr, dar variaz la rndul ei n funcie de compoziia chimic i de tratamentul termic aplicat. Mecanismul de durificare implic precipitarea fazei sau a fazelor ulterioare, denumite n particular faza , format din (NiCo)3(AlTi).

Carburile se pot forma interdendritic.

Valorile modulului de elasticitate si duritatea sunt ceva mai sczute dect cele prezentate de Co-Cr.

Contracia la solidificare este de 1,5%, iar aliajele se topesc n mod normal n cuptoare cu inducie i se toarn in forme fosfatice. Datorit intervalului de temperatur sczut, aliajele Ni-Cr ofer o turnare mult mai precis ceea ce face ca punile i coroanele dentare s aib abateri minime. Proprietati

V mulumesc pentru atenie !

Va urma: CURSUL 8

*