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2种石膏基包埋料对铸造精度影响的比较研究

2015-2-7 17:02  来源:《华西口腔医学杂志》
编辑:童徐 赵耀 孟玉坤 阅读量:719

【摘要】  目的 研究2种商品化包埋料Cristo balite MicroⅡ和Cristo Quick的膨胀性能及其对铸件精度的影响。方法 选用传统型石膏基包埋料Cristo balite MicroⅡ和快速加热型石膏基包埋料Cristo Quick,按粉液质量比为1∶3的比例混合调拌,分别测定2种包埋料的凝固膨胀率和热膨胀率。以预制标记点的圆盘形蜡型为铸件原型,采用0.45 mm陶瓷纤维衬层铸圈,分别用2种包埋料包埋铸造,测量铸件在相应标记点方向上的尺寸变化率。结果 1)Cristo baliteMicroⅡ的凝固膨胀率、热膨胀率和总膨胀率分别为0.68、1.18和1.86,Cristo Quick则分别为0.94、1.03和1.97。2种材料的凝固膨胀率和热膨胀率的差异有统计学意义(P<0.05),而总膨胀率的差异无统计学意义(P>0.05)。2)在衬层厚度相同的情况下,采用2种包埋料铸造的铸件,其尺寸变化率的差异无统计学意义(P>0.05)。结论 本研究选择的2种石膏基包埋料膨胀量相同但膨胀特性不同,对铸造精度都没有影响。

【关键词】  石膏基包埋料; 牙科铸造合金; 线性膨胀; 铸造精度

 Comparison of casting precision of two kinds of commercially available gypsum-bonded investment with different setting and thermal expansion characteristics TONG Xu1,2,, ZHAO Yao1, MENG Yu-kun3. (1. State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China; 2. Dept. of Prosthodontics, The Affiliated Hospital of Stomatology, Chongqing Medical University, Chongqing 400015, China; 3. Dept. of Prosthodontics, West China College of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

  [Abstract] Objective To investigate expansion characteristics of two kinds of commercial investment(Cristo baliteMicroⅡ and Cristo Quick), and their effects on cast accuracy of a dental Ag-Pd casting alloy. Methods Two kinds of investment were mixed at the ratio of 1∶3. The setting and thermal expansion curves of the investment were recorded according to the requirements of ISO7490 and expansion rate calculated, respectively. Plate-like wax-patterns with pre-marked points were invested in casting rings(lined with ceramic fiber liners with thickness of 0.45 mm).Castwell M.C dental alloy were melted with gas flame and cast with a centrifugal casting machine. The differences between the castings and the wax patterns at corresponding points were calculated to represent the dimensional changes of the investment. Results The setting, thermal and total expansion rates were 0.68, 1.18, 1.86 for Cristo balite MicroⅡ, and 0.94, 1.03, 1.97 for Cristo Quick. The setting and thermal expansion rates were statistically signif-icant between two kinds of investment(P<0.05), while not for the total expansion rates(P>0.05). Effect of differentinvestment on the precision of castings was not statistically significant(P>0.05). Conclusion Within the scope of this study, gypsum-bonded investment with similar total expansion rates but different expansion characteristics has no ef-fect on the casting precision of Ag-Pd dental alloys.

  [Key words] gypsum-bonded investment; dental casting alloy; linear expansion; cast precision

  在口腔修复领域,金属材料的使用非常广泛。修复用合金多属于中熔铸造合金,铸造时一般使用石膏基包埋料进行包埋[1-2]。在金属铸造过程中,蜡型的制作、包埋料的性质、铸圈情况、环境等多种因素均可造成铸造收缩。目前解决铸造收缩的主要途径是利用包埋料的膨胀特性以及各种包埋、铸造技术来进行补偿。快速包埋料是包埋后30 min即可直接进行700 ℃加热,加热30 min后即可直接铸造的新型包埋料,极大地缩短了修复体的制作时间。与传统热处理材料相比,此类包埋料的特点是早期发生凝固膨胀且膨胀率较大,而热膨胀较小且分散在更宽的温度范围内。按照厂家的说明,如果快速包埋料在包埋后30 min未作热处理,也可以按照传统的热处理方式进行加热后铸造,这种情况在临床上也极为常见。虽然快速包埋料的总膨胀量与传统包埋料相似,但是二者的凝固膨胀及热膨胀特性差异较大,是否会影响铸造精度尚不可知。本实验通过研究2种商品化包埋料Cristo balite MicroⅡ(传统热处理材料)和Cristo Quick(快速热处理材料)的膨胀性能,以及在相同铸圈厚度条件下采用传统热处理工艺处理包埋料后对铸件精度的影响,为临床应用提供参考。

  1 材料和方法

  1.1 膨胀性能的测试

  1.1.1 实验材料与设备 Cristo balite MicroⅡ和Cristo Quick包埋料(GC企业,日本);真空调拌机(J. Morita企业,日本),B-005-3型凝固膨胀仪(Mecc企业,日本),自制硅橡胶模具(内径20 mm、高度50 mm),A-010型牙科材料专用热膨胀测量仪(Mecc企业,日本)。

  1.1.2 凝固膨胀率的测定 按照ISO7490[3]标准,将2种材料在室温20 ℃下手工调拌15 s,材料的粉液质量比均为1∶3。手工调拌后使用真空调拌机调拌45 s,然后灌入凝固膨胀仪。实验中,预设初始长度L0为100.00 mm,测量材料从调拌至调拌完成后2 h内的凝固膨胀量△L,每隔5 min测量1次,分别测量3个样本。凝固膨胀率计算公式为■×100%。

  1.1.3 热膨胀率的测定 按照ISO7490[3]标准,用与1.1.2相同的方法调拌包埋料,灌入硅橡胶模具制作圆柱状样本,在模具中央预置热电偶。样本在灌入模具后30 min脱模,用游标卡尺精确测量初始长度L0,然后置入热膨胀测量仪中,从20 ℃开始以每分钟5 ℃的速度升温至700 ℃后,保持15 min。升温期间,温度每增加10 ℃记录1次标本的热膨胀量△L。共测量3个样本。热膨胀率计算公式为■×100%。

  1.1.4 总膨胀率的计算 总膨胀率为凝固膨胀率与热膨胀率之和。

  1.2 对铸件精度影响的测试

  1.2.1 实验材料与设备 自制的不锈钢模具(模腔内径25 mm、高度2 mm,底面用数控维氏硬度仪预制压痕);嵌体蜡(GC企业,日本);model V-12型表面投影测量仪(精度为0.001 mm,日本Nikon企业产品);GC No.2型铸圈(高度50 mm、内径39.5 mm,日本GC企业产品);New casting No. 2F型陶瓷纤维衬层材料(厚度0.45 mm,日本GC企业产品);Cast-well M.C型牙科合金(GC企业,日本);VC 500型离心铸造机(Daiei牙科制造集团有限企业,日本)。

  1.2.2 蜡型的制作 按产家说明熔化嵌体蜡,浇铸到模具铸腔内;待蜡初步凝固后于其表面盖上不锈钢平板加压,直至蜡完全冷却固化后取出。将蜡型置于玻璃板上,室温放置48 h以完全释放蜡型的残余应力。用表面投影测量仪测量并记录从圆心O到A~H共8个标记点的距离L0(图1),每个标记点测量3次取平均值。本实验共制作12个蜡型样本。图 1 通过表面投影测量仪测量蜡型圆心到各标记点的距离Fig 1 Distance measurements of each pre-marked points to the central point with a profile meter

  1.2.3 蜡型的包埋、焙烧及铸造 将12个蜡型样本分为2组,分别用Cristo balite MicroⅡ(Micro Ⅱ组)和Cristo Quick(Quick组)2种包埋料进行有圈包埋。包埋后室温静置2 h,置于焙烧炉内去蜡、焙烧。焙烧程序:从室温以每分钟5 ℃的升温速度升到700 ℃,在700 ℃维持15 min后,采用Castwell M.C银钯牙科铸造合金在机械离心铸造机内进行铸造。铸造后铸圈在空气中自然冷却,脱模取铸件,50 μm氧化铝均匀喷砂去除表面氧化膜,去除铸道。

  1.2.4 标记点的测量 采用与测量蜡型相同的方法,用表面投影测量仪测量各样本铸造后从圆心到各标记点的距离L1,每个标记点测量3次取平均值。铸件相对于蜡型在各个标记点方向上的尺寸变化率△L的计算公式为■×100%。

  1.3 统计分析

  采用SPSS 16.0统计App对不同组间的热膨胀率和凝固膨胀率,以及不同方向上铸件的尺寸变化率进行分析,统计方法采用单因素方差分析及两两比较,检验水准为双侧α=0.05。

  2 结果

  2.1 2种包埋料的膨胀率2种材料的凝固膨胀曲线如图2所示。由图2可见,在调拌后的短时间内,材料体积发生微小的一过性收缩,约在15 min后达到收缩率的最大值(-0.01%);调拌后20~60 min出现快速膨胀;60 min后膨胀速率降低,120 min后趋于稳定,进入平台期。经单因素方差分析,2种材料之间的凝固膨胀率有统计学差异(P<0.05)。

  2 2种包埋料的凝固膨胀曲线

  2种包埋料的热膨胀曲线如图3所示。从加热开始至280 ℃左右,2种包埋料均处于快速膨胀期;400 ℃左右出现明显的体积收缩。MicroⅡ组在400 ℃后进入平台期,趋于稳定;Quick组在400~580 ℃再次出现快速膨胀期,然后进入平台期。经单因素方差分析,2种材料之间的热膨胀率有统计学差异(P<0.05)。

  2种材料的凝固膨胀率、热膨胀率及总膨胀率的均值见表1。Cristo Quick的凝固膨胀率较Cristo balite MicroⅡ大,热膨胀率较Cristo balite MicroⅡ小,二者差异均有统计学意义(P<0.05);但2种材料的总膨胀率的差异无统计学意义(P>0.05)。

  2.2 2种包埋料对铸件铸造精度的影响铸件在A~H标记点方向上的尺寸变化率见表2。由表2可见,在衬层厚度相同的情况下,采用2种包埋料铸造的铸件,其尺寸变化率的差异无统计学意义,铸件尺寸与蜡型尺寸的差异也无统计学意义(P>0.05)。该结果提示2种包埋料对铸造精度均无明显影响。铸件在不同标记点方向上相对于蜡型的变化情况如图4所示。图4中的0刻度相当于蜡型的尺寸,0.45 M为采用0.45 mm陶瓷纤维衬层的铸圈和Cristo balite MicroⅡ包埋的铸件尺寸,0.45 Q为采用0.45 mm陶瓷纤维衬层的铸圈和Cristo Quick包埋的铸件尺寸。图 4 铸件在不同标记点方向上的变化情况Fig 4 Dimensional changes of the castings at different pre-marked points of the castings由图4可见,采用2种包埋料包埋铸造出来的铸件均发生了不同程度的体积收缩,其中AE方向收缩最为明显,GC方向几乎没有收缩,且铸件底部收缩较顶部明显。

  3 讨论

  本实验实质上是比较传统型包埋料和快速加热型包埋料经过相同热处理工艺后对铸件精度的影响。快速加热型石膏包埋料是在传统的方石英型石膏包埋料的基础上,加入一定量的石英制成,其热膨胀及凝固膨胀性能均有所改变。本实验结果表明,相对于传统型石膏包埋料,快速加热型石膏包埋料具有凝固膨胀大、热膨胀小的特点。石膏包埋料的凝固膨胀来源于结合剂石膏的水化反应。快速加热型包埋料添加了耐火剂石英,凝固膨胀性能有所增加,但仍遵循随时间推移凝固膨胀增加的规律。包埋料的热膨胀主要来源于耐火剂二氧化硅[4]。常用的耐火剂有方石英和石英,前者的膨胀率比后者大[5]。本实验中,传统型石膏包埋料Cristo baliteMicroⅡ主要含方石英;而快速加热型包埋料Cristo Quick在其基础上添加了石英,减少了方石英含量。这也是后者的热膨胀率低于前者的原因。包埋料在加热过程中,分别发生了2个反应。一个是二氧化硅由α型向β型转化;另一个是石膏脱水,沿二水石膏向无水石膏方向转化。包埋料的热膨胀曲线就是上述2个转化反应叠加的结果。不同耐火材料晶体形态的转变温度点不同,石英为573 ℃,方石英为220 ℃。当晶格形态由α型向β型转化时,会发生急剧的体积膨胀。从热膨胀曲线上看,传统型石膏包埋料仅在280 ℃时出现波峰,而快速加热型包埋料分别在280 ℃和580 ℃上出现2个波峰。同时,从本实验结果可以发现,在快速加热型包埋料的热膨胀曲线中有一段体积收缩期(300~400 ℃)。其他实验[6-7]中,使用常规加热法处理包埋料时也出现了这种情况。该温度段的体积收缩是由Ⅲ-硫酸钙向Ⅱ-硫酸钙转化(Ⅲ-Ⅱ转化)以及石膏的脱水收缩造成,Ⅲ-Ⅱ转化可造成体积缩小[6,8-9]。如何利用包埋料的膨胀特性来补偿金属的铸造收缩[8],以达到改善修复材料品质的目的是目前比较棘手的问题。理论上看,无论哪种膨胀都是从中心向外呈放射状,理想的包埋体应该是球形。实验中采用的铸圈无疑限制了包埋料水平向的膨胀,而垂直向的膨胀应该不受影响。但是,本实验得到的结果却是:铸件在轴向(AE方向)上的收缩程度较径向(GC方向)略大,而且铸件底部收缩较顶部明显。分析其原因,笔者认为有以下几点。1)在GC方向上,本实验采用的铸圈衬层为包埋料在水平方向上的膨胀提供了缓冲空间,在一定程度上抵消了铸圈的限制作用。2)衬层的使用还可以提供一定的吸湿膨胀。3)重力的影响:由于重力作用的存在,在一定程度上限制了底部包埋料的膨胀;同时沉降作用改变了不同高度包埋料的粉液比,引起底部包埋材料气孔率减小,限制其膨胀空间。4)热中心的影响:铸件底部与铸道相接,本实验中铸件底部为热中心,金属在此最集中,冷却最慢,收缩也就最大。这几点对铸件精度是否有影响,目前国内外还少有文章报道,笔者将在后续实验中进行研究。本实验选用的2种包埋料对铸造收缩的补偿程度不同。由实验结果可以看出,虽然不同包埋料的凝固膨胀率和热膨胀率不同,但在总膨胀率相似的情况下,包埋料对铸件精度的影响无明显差别。

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编辑: 姚红祥

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