熱處理對牙用鈷鉻合金表面顯微硬度的影響

1、    熱處理對牙用鈷鉻合金表面顯微硬度的影響龔媛媛1,王璐1,張全新2(1重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科,重慶400015;2重慶鋼鐵研究所檢驗(yàn)中心,重慶400025)摘要:目的研究牙用鈷鉻合金在熱處理后合金內(nèi)部金相顯微結(jié)構(gòu)及表面顯微硬度的變化。方法制作鈷鉻合金表面顯微硬度試件隨機(jī)分為4組:對照組;隨爐冷熱處理組;空冷熱處理組;水冷熱處理組。用表面顯微硬度計測試鑄件的表面顯微硬度,并進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)上的比較,另外從金相掃描圖對其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究。結(jié)果熱處理明顯降低牙用鈷鉻合金的表面顯微硬度,水冷熱處理組的表面顯微硬度值(microhanden value

2、s, VHN)明顯小于另外3組(未處理組、隨爐冷熱處理組和空冷熱處理組)(P<0. 05),隨爐冷熱處理組與對照組無顯著性差異(P>0. 05)。結(jié)論熱處理能降低牙用鈷鉻合金的表面顯微硬度,水冷熱處理法使合金的表面顯微硬度降低最多。關(guān)鍵詞:熱處理;鈷鉻鑄造合金;表面顯微硬度中圖法分類號:R783. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A牙科臨床上常用牙用鈷鉻合金制作成金屬牙合面來恢復(fù)咬合較緊患者的咬合,由于牙用鈷鉻合金的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牙釉質(zhì)的硬度,而金屬磨耗性能又是與其硬度值呈正相關(guān)1,因此這勢必造成相對的天然牙磨損,進(jìn)而造成牙體組織損傷,繼而出現(xiàn)冷、熱、酸等過敏癥狀,甚至進(jìn)一步出現(xiàn)顳頜關(guān)節(jié)癥狀。熱處理技

3、術(shù)是工業(yè)中一項成熟的、高效便捷的加工工藝。它通過對鑄件進(jìn)行加熱-保溫-冷卻處理后,釋放鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力,使變形不均勻的晶?；騺喚н_(dá)到一種平衡,保持金相的穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是在不改變鑄件大小和形狀的前提下,主要是通過改變鑄件內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu),或改變工件表面的化學(xué)成分來改善和提高金屬材料的綜合性能2, 3。熱處理方式分為軟化熱處理和硬化熱處理,軟化熱處理是指:合金在較高溫度下保持一定時間,使合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)均質(zhì)化,進(jìn)而合金的硬度減低。這就提示我們是否可以通過一定的軟化熱處理處理方式來降低牙用鈷鉻合金的硬度,進(jìn)而減少其對(牙合)天然牙的磨耗。因此,本實(shí)驗(yàn)擬通過對合金金相結(jié)構(gòu)的觀察,發(fā)現(xiàn)對牙用鈷鉻合金軟化熱

4、處理的升溫溫度,在對合金升溫及保溫處理后,分別采用隨爐冷卻法,置于空氣中自然冷卻法和冰水退火法冷卻合金,再通過測量熱處理合金表面顯微硬度(mi-crohanden values, VHN)值,探尋牙用鈷鉻合金軟化熱處理的最佳方法。1材料與方法1. 1材料及儀器牙用鈷鉻合金(60% Co, 30% Cr, 5%Mo, 0. 5% C上海珩瑞科貿(mào)有限公司),高頻離心鑄造機(jī)(天津精工醫(yī)療設(shè)備技術(shù)有限公司),真空烤瓷爐(登仕柏Touch&press),顯微硬度計(M型-Shimardru/KYOTO,日本島津),金相試樣預(yù)磨機(jī)(M-型,上海日用電機(jī)廠),金相試樣拋光機(jī)(P-型,上海日用電機(jī)廠)

5、,金相顯微鏡(德國蔡司NEOPHOT 21),染劑(KMnO44 g, NaOH4 g,水100 ml重慶鋼鐵研究所)。1. 2試件制作采用常規(guī)失蠟法離心鑄造直徑為5 mm,厚度為2 mm的圓盤狀鑄件24個。隨機(jī)分為4組。每組6個試件,其中5個為硬度試件, 1個為金相試件。第1組為對照組,第2組為熱處理A組,第3組為熱處理B組,第4組為熱處理C組。1. 3熱處理通過對鈷鉻合金的金相圖譜分析,將3組熱處理試件在真空烤瓷爐中以040/h的速度升溫到1 000,恒溫2 min,即固溶處理。然后,對上述3組試件分別采用隨爐冷卻的方法,置于空氣中自然冷卻的方法,冰水退火的方法。其中A組為隨爐冷熱處理組,

6、B組為空冷熱處理組,C組為水冷熱處理組。1. 4表面顯微硬度測試用表面顯微硬度計測試試件表面顯微硬度。將每組的5個硬度試件置于顯微硬度計上,測試條件為加載負(fù)荷50 g,時間15 s。測試范圍從試件圓片的邊緣到中心由外及內(nèi)共測試10個點(diǎn),分別測出其顯微硬度值,再求其平均值。然后將每組5個試件的平均值再求平均值得該組的平均顯微硬度值。1. 5金相觀測分別將4組試件中的金相試件取出,將其試件的圓形表面按機(jī)械學(xué)上常用的方法打磨、拋光,制成測試試樣4,將磨光面拋光成鏡面狀后,置于王水(硝酸鹽酸=13)中煮沸腐蝕2 min,取出后用蒸餾水沖洗,再放入染劑里煮沸24 min,取出試樣用蒸餾水沖洗、干燥,置于

7、金相顯微鏡下觀測、拍照。A:鈷鉻合金原樣;B:鈷鉻合金隨爐冷組A;C:鈷鉻合金空冷組B;D:鈷鉻合金水冷組C圖1熱處理組和原樣合金金相掃描圖(德國蔡司NEOPHOT 21金相顯微鏡×320)1. 6數(shù)據(jù)處理用SPSS 10. 0統(tǒng)計軟件包對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和最小顯著差異兩兩比較分析。2結(jié)果2. 1熱處理前后牙用鈷鉻合金的VHN測試結(jié)果Co-Cr合金經(jīng)熱處理后,表面顯微硬度均有降低。順序?yàn)?未處理組表面顯微硬度(373. 00±10. 42)>熱處理A組表面顯微硬度(365. 80±11. 65)>熱處理B組表面顯微硬度(340. 22

8、7;8. 17)>熱處理C組表面顯微硬度(318. 80±13. 48)。對4組之間表面顯微硬度的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)熱處理空冷組和熱處理水冷組與未處理組比較有顯著性差異(P<0·05),未處理組與熱處理隨爐冷組間的結(jié)果無顯著性差異(P>0·05)。2. 2熱處理前后牙用鈷鉻合金金相組織的影響4組合金材料表面金相掃描圖見圖1。鈷鉻合金原樣是由單相奧氏體作為基體組成,多晶體結(jié)構(gòu),晶粒與晶粒之間是晶界,在晶內(nèi)和晶界周圍分布有以Cr23C6形式存在的碳化物,并且有雜質(zhì)融入其中。各熱處理組的晶胞較未處理組都略有長大且排列更加規(guī)則均勻,其中碳化物含量以

9、隨爐冷組為最多,原樣其次,空冷組第3,水冷組最少。3討論3. 1硬度值與磨耗由于臨床上使用的鈷鉻合金硬度較天然牙大,當(dāng)作為修復(fù)體咬合面應(yīng)用于臨床時,將導(dǎo)致對(牙合)牙體硬組織嚴(yán)重磨損,繼而出現(xiàn)冷、熱、酸等過敏癥狀,甚至進(jìn)一步出現(xiàn)顳頜關(guān)節(jié)癥狀。金屬材料表面顯微硬度是齒科合金材料應(yīng)用的重要性能指標(biāo)之一,其值的大小與對磨材料的磨耗量成正相關(guān)1。本實(shí)驗(yàn)中熱處理水冷組的表面顯微硬度值得到明顯的降低,因此對磨材料的磨耗量也得到相應(yīng)程度的減少,從而起到保護(hù)對(牙合)牙的作用。3. 2熱處理與碳化物的分布熱處理可以在不改變試件的形狀和大小的前提下通過對試件內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)的改變,以達(dá)到材料在強(qiáng)度、硬度、耐磨

10、性、耐腐蝕性等方面的最佳效果。而本實(shí)驗(yàn)研究材料的硬度取決于其化學(xué)成分和金相組織結(jié)構(gòu)。不同的成分,其硬度有差異;相同成分,而金相不同,材料的硬度也就不同。對不同的金屬材料宜通過不同的熱處理方法以適應(yīng)不同修復(fù)體的要求。我們通過對鈷鉻合金成分及金相圖譜5的分析,發(fā)現(xiàn)采用1 000恒溫的固溶處理,將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持,使過剩相充分溶解到固溶體中后再以3種不同的方法冷卻,以得到過飽和固溶體,國內(nèi)的黃永玲6在熱處理對鈷鉻合金人造關(guān)節(jié)的研究中,得出熱處理對合金碳化物的組成和分布是有改善的,并且影響到合金的性能的結(jié)論。從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(圖1)中也可以看出,碳化物在熱處理后得到從新分布,水冷組較少,隨爐

11、冷組最多,合金得到了均勻分布,使在鑄造過程中常因化學(xué)成分的不均勻而產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象得到了改善,從而提高了鈷鉻合金的性能。3. 3碳化物與硬度值在Strandman7的研究中顯示:碳化物的含量與分布影響了合金的硬度,碳化物含量越多其合金硬度越大,而本實(shí)驗(yàn)中鈷鉻合金的鑄態(tài)組織為-Co基體(Co、Cr、Mo多元固溶體)加一次碳化物(M23C6,M為Co、Cr、Mo等)。這與國內(nèi)程輝8、陳小芹等9所做的齒科鑄造鈷鉻合金的金相結(jié)構(gòu)是一致的。因此碳化物重新分布對牙用鈷鉻合金表面顯微硬度就顯得尤為重要,而熱處理中的降溫過程直接關(guān)系到碳化物重新分布,因此本實(shí)驗(yàn)就采用了隨爐冷的降溫處理?？绽浣M的降溫處理。水冷的降

12、溫處理等3種不同的熱處理降溫方法。通過實(shí)驗(yàn)我們得出(圖1):每種降溫處理均能使碳化物在固溶處理后得到重新分布,其中隨爐冷組碳化物分布最多,空冷組其次,而水冷組最少,與其對應(yīng)的材料表面顯微硬度值也是水冷熱處理組降低最多,空冷組其次,隨爐冷熱處理組降低最少。這樣的結(jié)果與的研究結(jié)果是相符的。再者在不同的冷卻過程中,奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變也是不同的,而固溶后大量的奧氏體的存在能降低合金的硬度,水冷組由于固溶時間短,奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變較少,因此合金的顯微硬度值降低明顯,而隨爐冷組和空冷組其固溶時間較長,因而合金的顯微硬度值降低得不明顯的。研究結(jié)果表明:熱處理可以使牙用鈷鉻合金的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,尤以對碳化

13、物的重新分布最為明顯。657在本實(shí)驗(yàn)的條件下, 1 000的固溶處理+水冷的方法使合金表面顯微硬度值降低最為明顯。提示臨床上,我們可以采用熱處理+水冷的方法來改變牙用鈷鉻合金的硬度,降低其對磨材料的磨耗量,以達(dá)到保護(hù)對牙合牙的目的。參考文獻(xiàn):1姚月玲,馬軍萍,宋應(yīng)亮,等.不同牙用非貴金屬材料與牙釉質(zhì)間磨耗性能的測試研究J.中國美容醫(yī)學(xué), 2002, 11(4): 134-136.2樊東黎,徐躍明,佟曉輝.熱處理工程師手冊M.第2版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 17-36.3單麗云,王秉芳,朱守昌.金屬材料及熱處理M.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1994: 41-53.4汪守樸.金相分析基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1986: 1.5黃積榮.鑄造合金金相圖譜M.第2版,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980: 97.6黃永玲.熱處理對鑄造Co-Cr-Mo合金性能的影響J.上海鋼研,2003, (4): 27-31.7 Strandman E. The influence ofd