Мерная заготовка для ортопедической стоматологии

Полезная модель относится к ортопедической стоматологии и может быть использована для точного литья конструкций металлических зубных протезов. Мерная заготовка выполнена в виде литой гранулы из дентальных сплавов на основе неблагородных металлов, например никеля. Гранула имеет сферическую форму и размер (2-6)·10 ^-3 м и сформирована путем непосредственной подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду и разбивки ее на капли глубинными потоками охлаждающей воды. При этом, каждая из капель может быть охлаждена со скоростью (2-10)·10³ К/с до затвердевания и превращения в гранулу. Техническим результатом полезной модели является получение высокодисперсной, однородной по химическому составу и прочности, плотной структуры малой по размеру заготовки за счет ее быстрой направленной кристаллизации. 1 н.п., 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 илл., 12 пр.

Полезная модель относится к ортопедической стоматологии и может быть использована в зубопротезных отделениях стоматологических лабораторий для точного литья конструкций металлических зубных протезов.

При их изготовлении для набора нужной массы плавки используются мерные заготовки из дентальных - заменяющих костную ткань зуба, сплавов на основе неблагородных металлов, например никеля или кобальта, традиционно применяемых при протезировании в ортопедической стоматологии.

Такие заготовки имеют разные формы и размеры и могут быть сформированы различными способами.

Исходя из того, что приготовление ортопедических стоматологических отливок осуществляется в высокоскоростном режиме - за 1-2 минуты, и все свойства мерных заготовок наследуются получаемыми из них зубными протезами, то качество исходной - мерной, заготовки определяет качество конечной стоматологической конструкции.

При этом, важным является увеличение выхода годного как при изготовлении мерной заготовки, так и ортопедической отливки.

Известна мерная заготовка из дентального сплава на основе кобальта (патент РФ 2224810, МПК A61K 6/04, C22C 19/07, оп. 27.02.2004 г) для ортопедической стоматологии: для отливок бюгельных и цельнолитных зубных протезов. Заготовка выполнена кованой в виде маленькой пластинки, отделенной от плоского прутка, который был изготовлен разливкой сплава в слиток с последующей ковкой,

Известная мерная заготовка в форме пластинки, получаемой из литого прутка в результате многочисленных этапов деформации с промежуточными термообработками, не отличается хорошим качеством, возможно, в связи с наличием микронеоднородностей в пластинчатой заготовке, которые возникают при литье и деформации и полностью не исчезают при термообработке.

Пластинчатая форма мерной заготовки, получаемая резкой прокованного прутка на конечные пластины, приводит к потерям стоматологического сплава при формировании заготовки на различных этапах технологического цикла: литье, ковке, резке.

Кроме того, достаточно большой размер заготовки, который соответствует ее весу - примерно 15 грамм, приводит к снижению выхода годного при использовании заготовки из-за неточного, больше требуемой величины, набора нужной массы сплава для расплавления исходной шихты при изготовлении ортопедического изделия.

Выход годного по экспериментальным данным ЗАО «УРАЛИНТЕХ» для известной заготовки составляет 50-55%.

Известна также мерная заготовка (патент США 5799386, МПК A61K 6/04, oп. 01.09.1998 г.), выполненная в виде таблетки простой цилиндрической формы с диаметром около 9·10^-3 м и толщиной, которая варьируется в зависимости от плотности дентального сплава на основе никеля или кобальта и соответствует весу таблетки в диапазоне 1-3 грамма.

Известную мерную заготовку формируют из порошковых сплавов прессованием с добавлением рафинирующих добавок, что снимает проблему неопределенности в отношении количества добавляемого при расплавлении мерных заготовок флюса в технологии получения отливок стоматологических конструкций.

Однако прессованная таблетка, как механическая смесь материалов, обладает плохой гомогенностью, а также недостаточной плотностью, содержит рыхлоты, посторонние включения, способна к обкрашиванию кромок, а ее размер является значительным и не позволяет осуществлять точный набор нужной массы плавки стоматологического сплава. Все это приводит к невысокому качеству мерной заготовки и большему, чем требуемая величина, расходу дентальных сплавов.

Известна также мерная заготовка из дентального сплава на основе кобальта для ортопедической стоматологии (патент РФ 2331687, МПК A61K 6/04, C22C 19/07, оп. 20.08.2008 г.), выполненная литой в виде цилиндрического прутка диаметром (8-10)·10 ^-3 м с массой 10-15 грамм и соответствующей длиной.

Известная заготовка характеризуется повышенной чистотой металла по примесям из-за получения ее вакуумным всасыванием, при котором исключается попадание шлака в металл. Однако, качество мерной заготовки является невысоким из-за разницы в химсоставе металла по длине цилиндрического прутка.

Известная заготовка имеет высокочистую поверхность, однако не по всей длине, что требует ее дальнейшей обработки - галтовки. Это вместе с отрезкой концов вакуумной отливки, как зон окисления воздухом, приводит к невысокому выходу годного, который по экспериментальным данным ЗАО «УРАЛИНТЕХ» составляет 60-70%.

Известна также мерная заготовка неправильной формы с зазубренными краями, которая сформирована с применением разливки сплава в оболочковую форму (описание к патенту США 5799386, МПК A61K 6/04, столбец 1, абзац 4).

Литое изделие после разливки сплава имеет зазубренную форму, его можно ломать по зубцам, получая зазубренные мерные заготовки. Однако, такие дентальные сплавы, как на основе никеля и кобальта, настолько прочны, что отломить зазубренную заготовку не всегда представляется возможным. Применяемая в этом случае абразивная резка отливки на мерные заготовки приводит к потерям дентального сплава и снижению его выхода годного.

Зазубренная форма известной мерной заготовки свидетельствует о значительной микронеоднородности по ее объему, что говорит о невысоком качестве заготовки. Кроме того, наличие острых углов в форме заготовки приводит к неравномерности ее расплавления при отливке стоматологических конструкций, а требующийся для полного расплавления металла его перегрев увеличивает потери дентального сплава и повышает нормы его расхода.

Известны также мерные заготовки для ортопедической стоматологии из сплавов на основе никеля (ГОСТ Р 51767-2001, введен 01.07.2002 г.) или кобальта (ГОСТ Р 51381-99, введен 01.07.2000 г.), которые могут быть выполнены литыми, коваными и горячекатаными. Твердость заготовок (HV₁₀), косвенно характеризующая их высокую прочность, составляет не менее 150 Н/мм² для никеля и 260-450 Н/мм² для кобальта. Однако, линейный размер заготовок составляет значительную величину 20·10^-3 м, что снижает выход годного при изготовлении ортопедической конструкции из-за невозможности осуществления точного набора таких заготовок для требуемого веса отливки.

Известна также мерная заготовка для ортопедической стоматологии в виде литой гранулы из цветных металлов, в том числе неблагородных (патент Китая 101745642(А), МПК B22F 9/08, оп. 23.06.2010 г.), полученная центробежным гранулированием с охлаждением водой.

Форма известной мерной заготовки является неправильной вследствие опосредованной подачи струи расплавленного металла, из которой формируется заготовка, в охлаждающую воду. Вначале струя расплава разбивается на оборудовании вращающегося типа, а уже затем случайным образом сформировавшиеся капли металла падают в охлаждающую воду. Неправильная, случайная форма мерной заготовки делает ее химически неоднородной, а достаточно большие размеры заготовок не дают возможности точно формировать требуемую по весу шихту для получения стоматологических изделий.

Известна также заготовка из дентального сплава на основе неблагородного металла - титана, выполненная в форме проволочки, которая была использована для нанесения напылением покрытий на основу стоматологических изделий (журнал «Медтехника и медизделия», 4 (10), сентябрь 2002 г, ст.«Формованные титановые базисы и сплавы благородных металлов для стоматологии»). Однако, как сама известная заготовка, так и получаемые с ее использованием ортопедические конструкции, не лишены микронеоднородностей, возникших, возможно, при формировании проволочной формы заготовки.

По технической сущности и достигаемому результату наиболее близкой к заявляемой является мерная заготовка для ортопедической стоматологии (описание к патенту США 5799386, МПК A61K 6/04, B21B 1/46, оп. 01.09.1998 г., столбец 1, абзац 4), выполненная в виде литой гранулы из дентальных сплавов на основе неблагородных металлов, например никеля, которая сформирована путем непосредственной подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду, разбивки ее на капли и охлаждения каждой из них до затвердевания. Известная мерная заготовка имеет неправильную, случайным образом полученную форму, и является большой по размерам - 9·10 ^-3 м, который определяется размером входного отверстия тиглей разливочных установок, широко распространенных в стоматологических лабораториях (из описания патента США 5799386, МПК A61K 6/04, B21B 1/46, оп. 01.09.1998 г., столбец 7, абзац 9).

Неправильная, случайная форма и значительный размер мерной заготовки, вероятно, являются результатом того факта, что капли металла охлаждаются в спокойной, постепенно нагревающейся от их тепла воде, в связи с отсутствием каких-либо турбулентных потоков и теплообмена имеющей пониженные охлаждающие свойства. Скорости охлаждения капель сплава и их затвердевания не являются достаточно высокими. Это не позволяет достичь требуемого качества мерной заготовки и необходимых норм выработки дентального сплава.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества, мерной заготовки при увеличении выхода годного при ее изготовлении, а также при изготовлении из таких заготовок ортопедических стоматологических конструкций.

Техническим результатом при использовании полезной модели является получение высокодисперсной, однородной по химическому составу и прочности плотной структуры малой по размеру заготовки за счет ее быстрой и направленной кристаллизации.

Поставленная задача достигается тем, что в мерной заготовке для ортопедической стоматологии, выполненной в виде литой гранулы из дентальных сплавов на основе неблагородных металлов, например никеля, которая сформирована путем подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду, разбивки ее на капли и охлаждения каждой из них до затвердевания, согласно полезной модели, гранула сформирована сферической формы и размером (2-6)·10^-3 м разбивкой струи расплавленного сплава на капли глубинными потоками охлаждающей воды.

Кроме того, в мерной заготовке гранула может быть сформирована разбивкой струи расплавленного сплава на капли глубинными потоками воды, в которой каждая из капель охлаждена со скоростью (2-10)·10³ К/с.

Обеспечение всего комплекса высоких свойств мерной заготовки осуществляется наличием новых параметров и характеристики устройства, а также их взаимосвязи.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Наличие литой гранулы, сформированной путем подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду и разбивки такой струи на капли глубинными потоками воды, свидетельствует об эффекте разрезания струи металла потоками воды на мелкие, почти равноразмерные, частицы, которые под действием сил поверхностного натяжения превращаются в мелкосферические капли. Струя расплавленного сплава под действием силы тяжести просто падает в охлаждающую воду, и поскольку потоки охлаждающей воды подаются на уровень ниже ее поверхности, т.е. являются глубинными, то разрезание струи металла и все дальнейшие процессы по формированию гранулы также происходят в воде. Глубинные потоки воды имеют двойное назначение: кроме средства режущего действия они являются средством регулирования температуры воды, которая обеспечивает режим охлаждения капель и превращения их в гранулы. Охлаждение с помощью глубинных потоков придает воде повышенные свойства охлаждения, которые обеспечивают режим быстрой направленной кристаллизации гранул.

Гранула, имеющая сферическую форму, затвердевает с образованием фронта кристаллизации, передвигающегося от периферической шаровой поверхности к центру. Из-за высокой скорости охлаждения гранулы структурные фазовые составляющие в ней измельчаются, так как из-за недостатка времени происходящая в ней разделительная диффузия обеспечивает перенос разнородных атомов на малые расстояния. В таких мелких гранулах происходит и измельчение внутреннего строения дендрита.

При этом, поверхностные зоны мелких кристаллов, возникшие у противоположных сторон гранулы, сливаются, и, таким образом, все сечение гранулы оказывается занятым равноосными кристаллами малого размера.

Заявляемые размеры и сферическая форма гранулы обеспечивают химическую однородность по основным компонентам сплава и почти равную твердость в сечении гранулы. Это, возможно, является результатом большой скорости охлаждения капли расплава и оптимальным соотношением между скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов гранулы, которое практически одинаково для разных точек гранулы в ее сечении.

Предлагаемая сферическая форма гранулы с поверхностью, все точки которой одинаково удалены от центра сферы и заявляемый диапазон размеров гранулы способствуют получению беспористой структуры мерной заготовки. Это, вероятно, связано с возможностью удаления газовых пузырей из малого шарообразного объема мерной заготовки при ее кристаллизации.

Предлагаемая гранула обладает достаточно большой плотностью, чтобы избежать риска встретиться с явлением удаления газов из заготовки во время ее расплавления при изготовлении ортопедической конструкции.

Экспериментально установлено, что размер гранул составляет (2-6)·10^-3 м.

Испытания показали, что это условие обеспечивает наиболее оптимальные характеристики заявляемой заготовки.

При размере гранулы более 6·10^-3 м качество, как мерной заготовки, так и изготавливаемой с ее использованием ортопедической конструкции, снижается: усиливается химическая микронеоднородность и увеличивается размер структурных составляющих до недопустимых величин.

При размере гранулы менее 2·10^-3 м получаемые гранулы слипаются в достаточно большие конгломераты, что исключает их полезность в области практического применения. В этом случае выход годного стоматологического сплава значительно снижается.

Выполнение мерной заготовки для ортопедической стоматологии в виде литой гранулы из дентальных сплавов на основе неблагородных металлов, например никеля, сформированной путем подачи потока расплавленного сплава в охлаждающую воду и разбивкой ее на капли глубинными потоками воды, а также необходимый и достаточный размер гранулы - (2-6)·10^-3 м, выполненной сферической, позволяет сформировать качественную мерную заготовку с дисперсной структурой, однородную по химическому составу и твердости. Это обеспечивает высокий выход годного при изготовлении мерных заготовок и ортопедических стоматологических изделий, которые производятся из таких заготовок.

Наличие отличительных от наиболее близкого аналога существенных признаков позволяет признать заявляемую полезную модель новой.

Возможность изготовления полезной модели и использования ее в промышленности позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «промышленная применимость».

Полезная модель поясняется чертежом:

Фиг.1 - общий вид мерной заготовки

На снимках показано:

Фиг.2 - мерная заготовка из дентального сплава на основе никеля, увеличение ×10.

Фиг.3 - микроструктура в сечении мерной заготовки из дентального сплава на основе никеля, увеличение ×100.

Фиг.4 - мерные заготовки (гранулят) из дентального сплава на основе никеля, увеличение ×2.

Мерная заготовка для ортопедической стоматологии, выполнена в виде литой гранулы из дентального сплава на основе неблагородного металла никеля и сформирована путем подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду с разбивкой ее глубинными потоками охлаждающей воды. Гранула имеет сферическую форму и размер 4·10^-3 м.

Заявляемую мерную заготовку получают по технологии с применением известных способов и оборудования следующим образом.

Мерная заготовка изготавливается из дентального сплава на основе неблагородного металла никеля марки «ВитИрий-Н», содержащего в масс.%: хрома - 25,0, молибдена - 9,0, марганца и кремния в сумме 0,7, тантала, ниобия, железа - в сумме 0,4, никеля - 64,9.

Процесс ведут в вакуумной установке для получения гранул «Indutherm» (Германия).

Плавка чистого от примесей сплава производится в корундовом тигле за счет индукционного нагрева.

Компоненты сплава - шихту, загружают в корундовый тигель и откачивают воздух, получая вакуум 1×10^-1 mBr. Затем производят расплавление шихты. Контроль температуры расплава осуществляют двумя платинородиевыми термопарами марки ТПР-У, одна из которых размещена непосредственно в расплаве сплава. При достижении сплавом температуры разливки в плавильную камеру запускают аргон.

Затем устанавливается гранулятор в форме бака, в который подается охлаждающая вода. Вслед за этим из корундового тигля производят донную разливку металла через фильеру размером 2·10^-3 м в бак с охлаждающей водой. Гранулы формируют путем непосредственной подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду и разбивкой струи на капли глубинными потоками воды. При этом каждая капля охлаждается со скоростью 4·10³ К/с до затвердевания и превращается в гранулу. Требуемая скорость охлаждения капли в воде устанавливается на основании предварительных результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Каждая гранула имеет сферическую форму и размер 4·10^-3 м. Сформированные гранулы извлекаются из гранулятора, и для тонкой очистки их поверхности подвергаются галтовке на машине «DREHER DT MINI10» (Германия). Затем гранулы подвергают сушке. Для этого их засыпают в контейнер из нержавеющей стали и помещают в сушильный шкаф марки ШСП-0,5-500 на сутки при температуре 100°С для испарения с них воды.

Вслед за этим отбирают пробные гранулы для проведения испытаний в соответствии с действующими государственными стандартами и определяют показатели:

- дисперсность структуры гранулы, выявляемую по среднему расстоянию между осями дендритов в структуре сплава мерной заготовки;

- плотность гранулы от теоретического значения, рассчитываемую как отношение измеренной реальной массы мерной заготовки к расчетной (теоретической);

- микронеоднородность по сечению гранулы, где:

H - усредненная разность значений твердости, которая косвенно характеризует прочность,

C - усредненная разность концентраций хрома (Cr) и молибдена (Мо), как основных компонентов сплава,

в центре и в различных периферических участках по сечению гранулы.

Полученные данные были занесены в таблицу 1 для мерных заготовок из дентальных сплавов на основе никеля.

В таблицу 1 занесены заявляемые мерные заготовки с предлагаемыми количественными признаками, выраженными в виде интервала значений (примеры 2, 3, 4).

В таблице 1 имеются также показатели заготовок той же конструкции и из того же сплава, что и заявляемая, но с запредельными значениями предлагаемого интервала размеров заготовки (примеры 1, 5).

В таблице 1 представлен также и ближайший аналог заявляемого технического решения (пример 6) - гранула неправильной, случайной формы, размер которой (9·10 ^-3 м) - равный входному отверстию тиглей разливочных установок для дентальных сплавов, обычно имеющихся в стоматологических лабораториях (описание ближайшего аналога: столбец 1, абзац 4 и столбец 7, абзац 9).

Свойства мерной заготовки ближайшего аналога были получены в результате эксперимента на том же сплаве, что и у заявляемой мерной заготовки.

Кроме того, в качестве дентального сплава на основе неблагородного металла был выбран также сплав на основе кобальта, который является техническим эквивалентом никеля в области ортопедической стоматологии: сплав выполняет те же функции, тем же способом и с тем же результатом.

Характеристики и свойства мерных заготовок, выполненных из дентального сплава на основе кобальта, представлены в таблице 2. Гранула, ее микроструктура и гранулят мерных заготовок из кобальтового сплава аналогичны никелевому, поэтому их снимки и чертеж гранулы не приводим.

Дентальный сплав на основе кобальта марки «ВитИрий-С» имеет химсостав в масс.%: хром - 28,0, молибден - 6,1, марганец - 0,56, кремний - 1,2, углерод - 0,35, кобальт - 63,79.

В таблицу 2 занесены мерные заготовки с предлагаемым диапазоном размеров (примеры 2, 3, 4) и с запредельными значениями этого диапазона (примеры 1, 5).

Из обеих таблиц видно, что заявляемая мерная заготовка отличается высоким качеством: обладает высокодисперсной структурой, является практически беспористой, т.к. имеет большую реальную плотность относительно теоретической (предельной, к которой стремится сплав), высокие значения химической однородности и твердости (косвенно характеризующей прочность) в сечении гранулы, а значит и во всем объеме заготовки.

Кроме того, испытания показали, что количество неметаллических включений (оксидов сложного состава) в заявляемой мерной заготовке с размером 4·10^-3 м в 2 раза меньше, чем в известной из ближайшего аналога: 5 шт. и 11 шт., соответственно, на единицу площади сечения гранулы, что говорит о высокой чистоте металла заготовки, а значит и стоматологического изделия.

При этом твердость заявляемой мерной заготовки, как для сплавов на основе никеля (HV₁₀=198-200 Н/мм²), так и для сплавов на основе кобальта (HV₁₀=360-370 Н/мм²) находится на уровне стандартных величин.

Исходя из размеров заявляемой мерной заготовки, можно отметить, что ее максимальный вес, составляющий ~0,9 г почти в 30 раз меньше веса известных стандартных заготовок, равного ~30 г.

Использование предлагаемой мерной заготовки дает возможность повысить выход годного при ее изготовлении до 90-98%.

Малый размер гранул и их правильная сферическая форма, позволяющие осуществлять точную, экономную дозировку шихты для отливки стоматологических изделий, а также быстрый и равномерный прогрев мерных заготовок без перегрева и угара сплава, дают возможность получить высококачественную ортопедическую конструкцию и при ее изготовлении повысить выход годного на 20-30%.

Таблица 1
Характеристики и свойства предлагаемой и известной мерных заготовок из дентальных сплавов на основе никеля
п/п	Мерная заготовка	Характеристики заготовки	Свойства заготовки	Выход годного ,%
Вид	Форма	Размер, 10-3 м	Дисперсность структуры, 10-6 м	Плотность от теоретической, %	Микронеоднородность по сечению
Изменение концентрации, С, %	Изменение твердости, HV10 H/мм2
Cr	Мо
1	Предлагаемая	литая гранула	сферическая	1	10	50	2,4	4,2	6,3	78
2	литая гранула	сферическая	2	13	95	0,8	1,4	5,0	87
3	литая гранула	сферическая	4	13	98	0,9	1,5	6,0	90
4	литая гранула	сферическая	6	13	98	0,8	1,7	7,5	89
5	литая гранула	сферическая	7	25	82	3,5	4,1	20	82
6	Известная	литая гранула	неправильная, случайная	9	50	70	4,0	5,9	25	70
Примечание: примеры 2, 3, 4 - заявляемая заготовка1, 5 - заготовка с запредельными значениями размерного диапазона6 - наиболее близкий аналог

Таблица 2
Характеристики и свойства предлагаемой и известной мерных заготовок из дентальных сплавов на основе кобальта
п/п	Мерная заготовка	Характеристики заготовки	Свойства заготовки	Выход годного, %
Вид	Форма	Размер, 10-3 м	Дисперсность структуры, 10-6 м	Плотность от теоретической, %	Микронеоднородность по сечению
Изменение концентрации, С, %	Изменение твердости, HV10 H/мм2
Cr	Мо
1	Предлагаемая	литая гранула	сферическая	1	8,0	60,0	0,1	0,8	14,0	80
2	литая гранула	сферическая	2	9,5	96,7	0,2	0,5	10,0	98
3	литая гранула	сферическая	4	10,0	97,6	0,3	0,6	12,0	97
4	литая гранула	сферическая	6	9,8	96,2	0,3	0,7	8,5	97
5	литая гранула	сферическая	7	13,0	55,0	0,8	3,5	18,0	83
6	Известная	литая гранула	неправильная, случайная	9	20,0	50,0	6,9	8,0	28,0	79
Примечание: примеры 2, 3, 4 - заявляемая заготовка1, 5 - заготовка с запредельными значениями размерного диапазона6 - наиболее близкий аналог

1. Мерная заготовка для ортопедической стоматологии, выполненная в виде литой гранулы из дентальных сплавов на основе неблагородных металлов, которая сформирована путем непосредственной подачи струи расплавленного сплава в охлаждающую воду, разбивки ее на капли и охлаждения каждой из них до затвердевания, отличающаяся тем, что гранула сформирована сферической формы и размером (2-6)·10 ^-3 м разбивкой струи расплавленного сплава на капли глубинными потоками охлаждающей воды.

2. Мерная заготовка для ортопедической стоматологии по п.1, отличающаяся тем, что выполнена в виде литой гранулы из дентального сплава на основе никеля.