顏氏牙體技術所

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牙科用Ti-Zr合金的研制及效能特點

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版工 發表於 2010-5-27 10:27:23 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

摘要 目的:研制適合口腔修復用的新型鈦合金。方法:參考目前臨床常用Co-Cr合金及Ⅳ型金合金的力學效能指標合成牙科用Ti-Zr合金,並且對Ti-Zr合金的力學效能及顯微組織結構進行觀察。結果:Ti-Zr合金抗拉強度795 MPa,屈服強度657 MPa,延伸率22%,彈性模量100 GPa,硬度249(HK);金相顯微組織為細化的晶粒結構。結論:Ti-Zr合金是一種有發展前景的口腔修復用鈦合金。
  目前口腔修復用金屬材料主要為貴金屬及非貴金屬兩大類。其中貴金屬材料以金合金為代表,由於金合金價格較高,在我國難以廣泛套用。非貴金屬材料以鈷鉻合金、鎳鉻合金為代表,其價格雖較低,但因其含有對人體有害的元素鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈷(Co)等,使用受到限制。

  鈦及鈦合金以其優良的生物安全性、極佳的耐腐蝕性以及適宜的力學效能已為生物材料界所重視,並已廣泛地套用於人體組織。口腔修復體種類很多,對修復材料的效能要求不盡相同。純鈦的力學效能接近Ⅲ型金合金,適合於制做冠橋,而對義齒支架合金略顯不足。有學者提出套用Ti6Al4V合金む1め,但其亦含有對人體有害的元素鋁(Al)、釩(V),因此有必要研制新的鈦合金,以適合義齒支架的制作。元素鋯(Zr,zirconium)屬於對人體無毒副作用的生命族元素む2め。Zr元素的加入對鈦的鑄造流動性影響不大,同時降低了鑄造的線收縮率,強化了鈦的力學效能,而且改善鈦合金的銲接效能む3め。因此,本研究選擇元素Zr作為主要合金化元素。
  1 材料和方法
  1.1 牙科用Ti-Zr合金的合成
  參考Ⅳ型金合金及目前臨床常用Co-Cr合金的力學效能指標,提出新合金的主要力學效能指標,然後在選擇的合金化元素中確定合金化元素的比例,進行新合金的合成。牙科用Ti-Zr合金的名義成份見表1。
表1 Ti-Zr合金的化學成份(wt%)
化學成份 Ti Zr Fe C N H O
含  量 基 12 0.25 0.10 0.03 0.015 0.15

  Ti-Zr合金的合成是以一級小顆粒海綿鈦和原子能級海綿鋯為原料,均勻混合後在500 T油壓機上壓制成直徑30 mm長300 mm的電極,並通過鎢極氬氣保護電弧銲銲接成直徑30 mm長900 mm的自耗電極,在5 kg電弧爐上進行2次真空自耗熔化後獲得直徑90 mm的新合金鑄錠。鑄錠截取冒口後在750 kg空氣鎚上鎚成直徑25 mm的棒材。
  1.2 Ti-Zr合金力學效能測試
  將合成的Ti-Zr合金根據國家標準加工成拉伸試樣,在Instron拉伸機上進行拉伸強度(σb)、屈服強度(σ0.2)、延伸率(δ)以及彈性模量(E)的測試。
  1.3 顯微組織觀察
  取直徑為6 mm,高度為12 mm的Ti-Zr合金,按金相要求鑲樣、磨光、拋光。採用3%的氫氟酸和10%的硝酸混合液進行輕度腐蝕,在金相顯微鏡(MeF2,奧地利)下放大200倍進行顯微結構觀察。
  1.4 顯微硬度測試
  將金相測試的試樣在MVK-500顯微硬度計(日本)上,採用Knoop壓頭加載載荷為200 g,時間為15 s進行顯微硬度測試。
2 結  果
  2.1 力學效能特點
  牙科用Ti-Zr合金的主要效能指標與常用鑄造合金的比較見表2。從表2中可見,Ti-Zr合金的強度較純鈦TA2明顯提高;與Ⅳ型金合金比較,其屈服強度及延伸率較高,說明在用Ti-Zr合金制作義齒時,在咬合力作用下,其抗變形力及抗折斷力較Ⅳ型金合金強;與Co-Cr合金比較,其延伸率明顯高於Co-Cr合金,在制作義齒支架的卡環時,如果基牙的倒凹較大時,Ti-Zr合金的抗折斷力要比Co-Cr合金強;Ti-Zr合金的彈性模量較低,意味著其剛性較差,與Co-Cr合金比較,在制作連線體時,在相同的厚度情況下,Co-Cr合金的抗變形力優於Ti-Zr合金,因此,必須增加Ti-Zr合金的厚度以彌補其不足。
表2 Ti-Zr合金的主要效能指標及與常用鑄造合金的比較
名稱 主要成份 比重(g/cm3) 抗拉強度(MPa) 屈服強度(MPa) 延伸率(%) 彈性模量(GPa) 硬度(HV)
Ti-Zr★ Ti,Zr 4.8 795 657 22 100 249(HK)
TA2* Ti 4.5 345 275 20 102 110
Ti6A14V* Ti,Al,V 4.5 896 827 10 113∼121  
Ⅳ金合金* Au,Ag,Cu,Pt,Pd 15 776 493 7 90 264
Co-Cr* Co,Cr,Ni 8 870 710 1.6 224 432

  *資料參考ASTM F67-86 F1108-88以及McCabe JFむ4め     ★ 本實驗實測資料2.2 顯微結構特點
  由於Zr的加入使鈦的晶粒細化,使Ti-Zr合金的金相結構為細晶粒組織,這也就決定了Ti-Zr合金強度優於純鈦。
3 討  論
  一般來講,晶粒細化的合金具有很好的冷加工強度和很好的拋光效能。義齒的拋光是臨床上義齒制作加工的重要步驟之一,而且對於鈦鑄件的拋光尤為困難。因此,Ti-Zr合金的顯微結構預示其具有較純鈦更良好的拋光效能,在臨床上有實際意義。
  本研究提出的Ti-12 Zr合金,目的是為了擴大鈦及鈦合金在口腔修復領域的套用,研制出更加適合制作義齒支架的合金;但是,根據該合金在生物相容性方面及力學效能方面的優勢,還可將其推廣套用於牙科種植體以及人體硬組織替代材料等方面。同時,也可根據各類植入體的效能要求,在此合金的基礎上,調整合金元素的比例以研制出更加適合各類植入體需求的新型鈦合金,彌補我國在生物材料領域鈦合金研究方面存在的不足。

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