牙科CAD/CAM加工用鈷鉻合金塊的研制和性能測(cè)試

尹長(zhǎng)軍

（東莞市翔通光電技術(shù)有限公司，廣東 東莞 523808）

鈷鉻合金在牙科領(lǐng)域是一種很好的金屬材料，其合金硬度、強(qiáng)度較高，耐蝕性好、拋光后有良好的光澤，是我國(guó)口腔修復(fù)臨床上主要合金，應(yīng)用量較大。牙科合金產(chǎn)品的主要制作方法是鍛造和精密鑄造，其中牙科鑄造通常采用失蠟鑄造技術(shù)，它要求采用的耐火材料高溫性能穩(wěn)定、強(qiáng)度較高、體積無(wú)明顯的變化，以確保鑄件準(zhǔn)確[1]。

制作過(guò)程粉塵多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工序多，周期長(zhǎng)，是一項(xiàng)對(duì)操作者有著很高要求的工作[2]，其主要制作流程為：設(shè)計(jì)～牙體預(yù)備～制取印?！迫」ぷ髂Ｐ汀Ｐ驮O(shè)計(jì)～制取代型～制作熔模～包埋～鑄造～打磨～上瓷～上釉～試戴。

隨著CAD/CAM(computer-aided design/computeraided manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造）技術(shù)臨床應(yīng)用，為氧化鋯等全瓷修復(fù)體的制作提供了快捷、有效的途徑。

然而，國(guó)內(nèi)牙科CAD/CAM專用的鈷鉻合金切削材料的研究卻進(jìn)展緩慢，同時(shí)為解決鈷鉻烤瓷牙工序復(fù)雜，環(huán)境污染大，生產(chǎn)場(chǎng)地面積需求大，以及對(duì)工人數(shù)量及技能要求高等問(wèn)題，予以專門研究了牙科CAD/CAM加工用鈷鉻合金塊的研制和性能測(cè)試。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求

根據(jù)GB 17168-2013《牙科學(xué)固定和活動(dòng)修復(fù)用金屬材料》、YY 0621-2008《牙科金屬烤瓷修復(fù)體》等國(guó)準(zhǔn)、行標(biāo)規(guī)定，產(chǎn)品以下方面必須滿足國(guó)標(biāo)或行標(biāo)要求：產(chǎn)品化學(xué)成分、機(jī)械性能、生物相容性、抗腐蝕性、密度、硬度、金瓷結(jié)合性能以及線脹系數(shù)等。

同時(shí)產(chǎn)品可加工性能必須滿足當(dāng)前牙科CAD/CAM技術(shù)要求以及燒結(jié)后有較好的收縮一致性。從制造工藝和產(chǎn)品性能可靠性角度，重點(diǎn)研究其CAD/CAM加工性能，以及產(chǎn)品燒結(jié)后的硬度、密度、燒結(jié)后收縮一致性、牙冠和橋結(jié)構(gòu)模擬佩戴等性能。

針對(duì)產(chǎn)品性能要求及產(chǎn)品特點(diǎn)，整個(gè)生產(chǎn)工藝采用粉末冶金工藝，即：制粉-成型-加工-燒結(jié)-表面處理-性能測(cè)試。

2 材料與方法

2.1 原材料選擇

所用原材料為氣霧化工藝生產(chǎn)的鈷鉻鉬合金球形粉，其粉末化學(xué)成分組成為：鈷66%，鉻28%，鉬5%，其余錳、硅、鐵含量累計(jì)小于3%。原始粉末粒度分布為表1所示。

表1 粉末粒度分布

2.2 粉體制備與成型

合金塊的生產(chǎn)工藝流程為粉體混粉→模壓成型→加工→燒結(jié)→性能測(cè)試。

將鈷鉻鉬合金球形粉末按重量1%～3%的比例加入粘結(jié)劑，用Z型攪拌機(jī)攪拌2小時(shí)，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，然后用篩網(wǎng)進(jìn)行二次造粒，使得粉末松裝密度達(dá)到1.9g/cm3～2.1g/cm3之間。

然后再用雙向模壓成型技術(shù)進(jìn)行成型（如圖1所示），成型壓力為230bar，壓坯密度控制在6.4g/cm3～6.5g/cm3，壓坯尺寸φ98×16，成型后的壓坯用80℃進(jìn)行烘烤1小時(shí)。成型后的產(chǎn)品如圖2所示。

圖1 成型示意圖

圖2 成型后鈷鉻合金塊實(shí)物圖

2.3 CAD/CAM加工

采用CAD/CAM技術(shù)予以修復(fù)體三連橋模型設(shè)計(jì)(以exocad軟件)，用市面上主流的X-MILL 220四軸聯(lián)動(dòng)雕銑設(shè)備進(jìn)行雕銑加工。

加工時(shí)，環(huán)境溫度27℃，環(huán)境濕度65%。CAD設(shè)計(jì)參數(shù)如下：內(nèi)冠壁厚為0.35mm、粘結(jié)劑厚度0.02mm，額外水平間隙0.02mm，額外垂直間隙0.02mm，頸緣厚到0.3mm，連接桿錐角3°，大小為2mm。各組件相隔間隙至少2mm，以保證車削時(shí)產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度，不會(huì)因震動(dòng)等造成破碎或脫落，設(shè)計(jì)后的模型如圖3所示，CAD/CAM加工后實(shí)物如圖4所示。

圖3 CAD/CAM設(shè)計(jì)效果圖

同時(shí)再用同批次產(chǎn)品加工成4塊14 mm×12 mm×16 mm（長(zhǎng)×寬×高）小方塊，用于燒結(jié)后測(cè)試其硬度和密度等物理性能。

2.4 燒結(jié)

將成型后加工好的鈷鉻合金塊坯體和修復(fù)體，裝入高溫復(fù)合材料的坩堝內(nèi)，放入程序控制的KJ-A-YF01箱式惰性氣氛爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，在1270℃溫度下保溫1小時(shí)，保溫結(jié)束后，以每分鐘下降12℃速率降到850℃，然后快速冷卻至室溫，對(duì)其性能進(jìn)行分別測(cè)試和觀測(cè)佩戴效果。

3 性能測(cè)試

（1）可加工性。產(chǎn)品在加工時(shí)（環(huán)境溫度27℃，環(huán)境濕度65%），產(chǎn)品強(qiáng)度較好，加工完后，在5倍護(hù)目鏡下分別觀測(cè)冠面和頜面有無(wú)破損、裂紋等缺陷（如圖4所示）。

圖4 CAD/CAM加工后實(shí)物圖

（2）對(duì)燒結(jié)后的小方塊進(jìn)行硬度、密度、收縮率進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)表2和表3）。所用儀器為：硬度采用HV-10型（龍星迪）進(jìn)行測(cè)試，密度值采用密度天平（日本AND），用排水法測(cè)試。收縮率計(jì)算公式為：（壓坯燒結(jié)前尺寸-壓坯燒結(jié)后尺寸）/壓坯燒結(jié)前尺寸。

表2 燒結(jié)硬度和密度

表3 燒結(jié)收縮率

（3）三連橋修復(fù)體燒結(jié)后用牙模模擬臨床進(jìn)行佩戴，觀測(cè)其佩戴效果（如圖5所示）。

圖5 修復(fù)體燒結(jié)后佩戴效果實(shí)物圖

4 結(jié)果

產(chǎn)品可加工性良好，產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性適中，能正常滿足牙科領(lǐng)域CAD/CAM主流加工雕銑設(shè)備，加工后無(wú)破損、崩裂、掉邊等缺陷。產(chǎn)品燒結(jié)后平均密度為7.82g/cm3，硬度平均值為274.88 HV10，與同類型國(guó)外已上市產(chǎn)品相比無(wú)明顯差異。用1270℃進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，產(chǎn)品平均收縮率為6.051%，收縮率差值為0.021，整體上收縮比較一致，用牙膜進(jìn)行佩戴觀測(cè)其邊緣密貼性，效果能滿足臨床要求[3]。

5 討論

粉末冶金法制備CAD/CAM加工用鈷鉻合金塊，關(guān)鍵技術(shù)是在粉體制備和成型環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品應(yīng)用端，則需重點(diǎn)考慮燒結(jié)工藝。要獲得一個(gè)強(qiáng)度高，韌性適中的壓坯，并能滿足目前牙科CAD/CAM加工系統(tǒng)，必須要有一套完整的粉體生產(chǎn)設(shè)備和粉體檢測(cè)儀器，它將直接決定粉體生產(chǎn)時(shí)的工藝穩(wěn)定性。關(guān)于粉體，原始粉體粒度分布范圍應(yīng)在合理范圍，不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)，本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原始粉體D90超過(guò)50μm后，壓坯燒結(jié)收縮一致性會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。另生產(chǎn)時(shí)，環(huán)境溫度和濕度也要相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)踐表明，環(huán)境濕度最佳范圍應(yīng)在50%～70%之間，環(huán)境溫度應(yīng)控制在20℃～30℃之間。因?yàn)榄h(huán)境溫濕度對(duì)粉體濕度、松裝密度、流動(dòng)性有明顯影響，進(jìn)而影響粉體工藝性能，并最終影響成型性能和壓坯質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)導(dǎo)致無(wú)法成型。

關(guān)于鈷鉻合金壓坯的可加工性能研究，目前尚無(wú)確定的性能指標(biāo)，但從實(shí)踐表明，選擇合理的粘接劑以及成型工藝的合理選擇，減少壓坯水分含量，能有效改進(jìn)其可加工性能。成型時(shí)，采用目前主流的模壓成型，工藝重復(fù)性高，工藝相對(duì)穩(wěn)定可控。

當(dāng)前，我國(guó)CAD/CAM加工用鈷鉻合金塊主要依賴進(jìn)口，無(wú)論是在技工所環(huán)節(jié)，還是在口腔患者端，其價(jià)格一直居高不下，與國(guó)民承受能力是不相適應(yīng)的，這說(shuō)明在國(guó)內(nèi)批量推廣CAD/CAM加工用鈷鉻合金塊有著廣闊的市場(chǎng)。