Yoga-mgn.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Циркониевые сплавы: состав, свойства, применение

Медицинские интернет-конференции

Сравнение материалов в дентальной имплантологии

Деревянкина А.В., Бактыбек-кызы А., Бабаян К.С.

Резюме

В данной статье содержится информация о материалах, применяемых в дентальной имплантологии – титане, диоксиде циркония и их сравнении.

Ключевые слова

Обзор

Введение. В развитии стоматологической имплантологии актуальной проблемой является выбор оптимального материала для изготовления имплантатов. На сегодняшний день материалом выбора является титан. На рынке также представлены имплантаты из сплавов циркония, диоксида циркония и других материалов.

Цель: сравнить физико-химические свойства материалов и их биосовместимость с окружающими тканями.

Задачи:

1. Определить химический состав и механические свойства титанового сплава BT-6 и сплава циркония Э125 и их влияние на организм.

2. Проанализировать положительные и отрицательные свойства этих материалов.

3. Проанализировать данные об их совместимости с окружающими тканями.

Материалы и методы. Материалом исследования явились литературные данные, представленные в научных статьях, методических разработках, стандарты ISO.

Результаты и обсуждение. Были проанализированы такие материалы как титан и диоксид циркония. В чистом виде титан и цирконий в имплантологии не применяются, поэтому сравниваются их сплавы [1]. Будут рассмотрены сплав титана ВТ-6 и циркониевый сплав Э125. Рассмотрим каждый из них.

Ассистентом кафедры челюстно-лицевой хирургии МГМСУ к.м.н. Сидельниковым А.И. была проведена сравнительная характеристика материалов группы титана. В своей работе автор отмечает, что алюминий и ванадий увеличивают прочность сплава, однако ванадий оказывает токсическое действие на биологические объекты [1,2,3,4,5], а алюминий приводит к образованию соединительно-тканной прослойки вокруг имплантата и к значительному загрязнению тканей. Железо ведет себя аналогично алюминию. То же касается и диоксида циркония [6].

В таблице представлен химический состав циркониевого сплава Э125 в сравнении с титановым сплавом ВТ-6, в %.

Сплав титана ВТ-6. Положительные свойства:

1. Хорошая остеоинтеграция

2. Высокая биосовместимость чистого титана

3. Хорошая коррозийная стойкость чистого титана [7]

4. Отсутствие аллергии (возникновение в 1% случаев)

5. Хорошие технические свойства, которые позволяют методы литья и обработки давлением для изготовления имплантатов нужной формы

6. Высокий предел прочности на растяжение (среднее значение равно 650 МРа)

7. Отсутствие металлического привкуса во рту

8. Рентгеноконтрастный материал [7]

9. Относительно низкая себестоимость

1. Просвечивание в области десны

2. Механическая прочность чистого титана невысокая

3. Возможность развития воспалительных реакций за счет миграции ионов металлов (например, железа, марганца, магния) в окружающие ткани [8].

Циркониевый сплав Э125. Положительные свойства:

1. Хорошая биосовместимость

2. Более высокая коррозийная стойкость

3. Отсутствие аллергии

4. Более высокий предел прочности на растяжение (710 МРа)

5. Высокая «розовая» эстетика в области десны

6. Рентгеноконтрастный материал

1. Остеоинтегрируется в меньшей степени, чем титан

2. Сложность в окончательной обработке в полости рта

3. Высокая себестоимость

Выводы:

Во многих сплавах титана с целью легирования используется элемент ванадий, о токсических свойствах которого известно из литературных источников. Поэтому в выборе имплантатов следует отдавать предпочтение сплавам титана, имеющим в своем составе вместо ванадия ниобий, а так же имплантатам, изготовленным из диоксида циркония, поскольку в их составе отсутствует элемент ванадий.

Анализируя положительные и отрицательные свойства двух сплавов, циркониевый сплав Э125 является альтернативным материалом, а по отдельным позициям имеет приоритет перед титановым сплавом ВТ-6. По сочетанию более высокой коррозийной стойкости, абсолютным отсутствием аллергических реакций, более высоким пределом прочности на растяжение, «розовой» эстетики в области десны циркониевый сплав Э125 является перспективным материалом для применения в дентальной имплантологии.

Литература

  1. Сидельников А.И. Сравнительная характеристика группы материалов группы титана, используемых в производстве современных дентальных имплантатов // ИнфоДЕНТ. N 5. 2000. С. 15.
  2. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии. N 1. 2006. С. 208-216.
  3. Валиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией // Логос. 2000. С. 272.
  4. Валиев Р.З, Рааб Г.И., ГундеровД.В. Развитие методов интенсивной пластической деформации для получения объемных наноконструктивных материалов с уникальными механическими свойствами // Нанотехника. N 2. 2006. С. 32-43.
  5. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В. Наноструктурный титан для биомедицинских применений и перспективы коммерциализации // Российские нанотехнологии. N 9. 2008. С. 10.
  6. Жадько С.И., Ткаченко В.А., Колбсин П.Н., Филипчик И.С. Цитохимические критерии оценки процессов репарации при установке различных видов имплантатов // Современная стоматология. N 2. 2006. С. 12.
  7. Иванов С.Ю., Бизяев А.Ф., Панин А.М. Стоматологическая имплантология // ВУНМЦ. 2000. С. 10-12.
  8. Лепилин А.В., Коннов В.В., Суетенков Д.Е., Смирнов Д.А. Дентальная имплантология: учебное пособие. Издательство Саратовского медицинского университета. 2011. С. 41-47.

Таблицы

Таблица. Химический состав циркониевого сплава Э125 в сравнении с титановым сплавом ВТ-6, в %

Циркониевые сплавы: состав, свойства, применение

Применение циркония в дентальной имплантологии

В процессе функционирования внутрикостные и чрескостные дентальные имплантаты подвергаются сложному интенсивному воздействию со стороны биологических тканей. Чтобы имплантат при этом выполнял заданные функции, его материал должен обладать определенными свойствами: биологическими, физико-химическими, механическими.
Биологические свойства имплантационного материала оцениваются по следующим параметрам: биосовместимость, токсичность, коррозионную стойкость, канцерогенность.

Для изготовления имплантатов в настоящее время применяются биоинертные, биотолерантные и биоактивные материалы.
К биоинертным материалам относятся титан, тантал, цирконий, алюмооксидная керамика и сапфир. Их поверхность представляет собой по химическому составу керамику, основу которой составляют оксиды. Последние обеспечивают физико-химическую связь с костным матриксом, обладают выраженными остеокондуктивными свойствами, но не включается в метаболические процессы окружающих тканей.
Биотолерантные материалы обеспечивают адсорбцию белков на свою поверхность, но не обладают остеокондуктивными свойствами. К ним относятся нержавеющая сталь, кобальто-хромовые сплавы и полиэтилен. Применение этих материалов резко ограничено из-за цитотоксичности некоторых химических элементов входящих в их состав и возможности канцерогенного воздействия на биологический субстрат.
Биоактивные материалы включаются в метаболизм костного матрикса и могут полностью или частично замещается костной тканью в процессе её регенерации. К ним относятся гидроксиапатитная керамика, трикальций- фосфаты и стеклокерамика.

Целью нашего исследования стало изучение свойств некоторых сплавов титана и циркония применяемых для изготовления дентальных имплантатов. В основу исследования взято общепринятое положение о недопустимости содержания токсичных элементов в имплантационных материалах.

В современной стоматологической практике одним из наиболее распространенных материалов, применяемых для изготовления стоматологических имплантатов, является титан и его сплавы на основе ВТ1-00 и ВТ1-0, так называемый технически чистый титан.
Для улучшения прочностных характеристик в титановые сплавы, используемые в имплантологии, включаются такие элементы как ванадий и алюминий. Но эти добавки могут оказывать отрицательное воздействие на окружающие ткани. Ионы ванадия отрицательно влияют на липидный обмен, могут оказывать цитотоксическое воздействие на ткани и вызывать разрушение некоторых ферментов. Ионы алюминия ингибируют синтез АТФ, поэтому повышенное его содержание может существенно снизить метаболическую активность костной ткани и замедлить минерализацию, а также угнетает эритропоэз и поражает ЦНС.

В сплаве Ti-6Al-4V (ВТ-6) зарубежный аналог Grade — 5 (Международный стандарт ISO 5832/3-78 и американский АSТМ 136-84), содержится алюминия до 6,8% и 4,5% — ванадия. В сплаве Ti-6Al-7Nb (Protasul–100) ISO 9001 химический состав, микроструктура и механические свойства занесены в швейцарский стандарт SN056512 в 1987 году, в этом сплаве токсичный ванадий заменен ниобием, но содержание алюминия остаётся прежним. Некоторые фирмы изготовители используют сплав титана Ti-5Al (ВТ-5), зарубежный аналог Grade – 4. Содержание алюминия остается достаточно высоким, а уменьшение количества легирующих элементов, ведет к снижению прочностных характеристик сплава.

Использование сплавов на основе титана вызвало бурное развитие стоматологической имплантологии. Однако это не означало, что поиск материалов для имплантологии завершился. Он продолжен, но уже с позиций понимания остеоинтеграционных процессов, электрохимичечких и термодинамических свойств материалов, стремления исключить из сплавов вредные примеси.

В последние годы, в качестве материала для изготовления дентальных имплантатов стал применяться цирконий. При сравнительной оценке сплавов титана и циркония обращает на себя внимание количество содержания ванадия, алюминия и железа. Как видно из таблицы 1, содержание этих элементов в титановых сплавах определяется десятыми долями процента, а в сплавах циркония КТЦ-100 ванадий и ниобий отсутствует, а примесь алюминия ничтожно мала и определяется тысячными долями процента. То есть содержание всех рассмотренных элементов в циркониевом сплаве на 2 порядка ниже. Исключение составляет не токсичный ниобий, введенный в сплав Э-125, для улучшения прочностных характеристик. Проведенные токсикологические испытания установили инертное поведение этого сплава в тканях организма.

Твердые сплавы

Твердые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью, что определяет их применение в качестве материала для изготовления режущего и бурового инструмента, а также изделий с повышенными требованиями к износостойкости. На странице представлено описание данных сплавов: физические и механические свойства, области применения, марки твердых сплавов, виды продукции.

Основные сведения

Классификация

По способу изготовления выделяют два типа твердых сплавов:

  • спеченные;
  • литые.

Спеченные сплавы получают методами порошковой металлургии. Данный способ дает очень высокую точность изготовления получаемой продукции и обеспечивает высокие значения различных свойств. Изделия, произведенные методами порошковой металлургии, требуют минимальной механической обработки, поэтому они обрабатываются шлифованием или физико-химическими методами (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.). Спеченные твердые сплавы иногда называют металлокерамическими, так как технология их производства сходна с технологией производства керамики. Сплавы данного типа наносят на инструмент с помощью пайки или механическим закреплением. Наиболее распространенными представителями указанной группы являются сплавы ВК (например, ВК6, ВК8), ТК и ТТК — твердые сплавы на основе карбида вольфрама.

Читать еще:  Термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг, закалка, старение.

Литые твердые сплавы получают методом литья. К данной группе относят стеллиты (хром, вольфрам, никель, углерод; основа — кобальт), сормайты (хром, никель, углерод; основа — железо), стеллитоподобные сплавы (основа — никель). Для наплавки их выпускают в виде литых стержней или прутков различного химического состава.

В соответствии с областью применения выделяют следующие группы твердых сплавов:

  • инструментальные сплавы, применяемые при обработке материалов резанием, давлением или штамповкой, при бурении горных пород и так далее;
  • конструкционные сплавы, служащие для изготовления износостойких деталей машин, механизмов и приборов, в том числе и с особыми свойствами — высокой плотностью, большим временным сопротивлением и значительным модулем упругости;
  • жаропрочные и жаростойкие сплавы.
    Также можно выделить две большие группы твердых сплавов:
  • вольфрамосодержащие;
  • безвольфрамовые.
    Основой всех вольфрамсодержащих сплавов является карбид вольфрама. Также в составе обязательно присутствует металл-связка, в качестве которого выступает кобальт, никель или смесь никеля с молибденом. Помимо карбида вольфрама такие сплавы могут содержать карбиды титана и тантала.

    В безвольфрамовых твердых сплавах карбид вольфрама заменяется либо на какой-либо другой твердый материал, например, нитрид, борид, силицид, либо на карбид иного тугоплавкого металла, например, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена.

    Свойства твердых сплавов

    Основным практически полезными свойствами сплавов данной категории являются высокая твердость, износостойкость и прочность. В некоторых случаях важную роль играет жаропрочность и жаростойкость, а также тугоплавкость.

    Свойства сплавов изменяются в зависимости от группы, к которой относится тот или иной твердый сплав. Для сплавов ВК большую роль играет размер зерна карбида вольфрама. С уменьшением размера зерна возрастает твердость, но уменьшается прочность при изгибе и вязкость сплава (при одинаковом процентном соотношении карбида вольфрама и кобальта) и наоборот соответственно. Сплавы группы ТК, легированные карбидом титана, обладают лучшей стойкостью против окисления, более высокой твердостью и жаропрочностью по сравнению с группой ВК. Однако, имеют более низкую вязкость, прочность при изгибе, а также тепло- и электропроводность. Одновременное добавление карбидов тантала и титана (группа ТТК) увеличивает прочность сплавов при изгибе по сравнению с группой ТК.

    Технологические свойства сплава, а именно, его высокая пластичность позволяют без проблем обрабатывать монель давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Также обладает хорошей свариваемостью. А вот механическую обработку необходимо осуществлять с низкой скоростью резания и подачей вследствие быстрого нагартовывания материала.

    МаркаПлотность, г/см 3σИ, МПа, не менееHRA, не менее
    ВК614,6-15,0150088,5
    ВК814,4-14,8160087,5
    ВК1014,2-14,6165087,0
    Т30К49,5-9,895092,0
    Т15К611,1-11,6115090,0
    Т5К1213,1-13,5165087,0
    ТТ7К1213,0-13,3165087,0
    ТТ8К612,8-13,3125090,5
    ТТ20К912,0-13,0130089,0
    ТН205,5-6,0110090
    КНТ165,6-6,2135089,0

    Марки твердых сплавов

    Среди вольфрамсодержащих твердых сплавов наиболее распространенными марками являются ВК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки, ТК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки и добавлением карбида титана, ТТК — то же, что и ТК плюс карбид тантала.

    В общем случае марки вольфрамсодержащих твердых сплавов формируются следующим образом: буква В — карбид вольфрама (WC), Т — карбид титана (TiC), ТТ — карбиды титана и тантала (TaC), КНТ — карбонитрид титана, К — кобальт (Co), Н — никель (Ni); цифры после букв — содержание этих веществ в процентах, а для букв ТТ — сумму содержания карбидов титана и тантала; содержание карбида вольфрама не указывается, оно определяется по разности.

    В безвольфрамовых сплавах в качестве связующего металла используют никель в смеси с 20- 25% молибдена.

    Химический состав некоторых марок приведен в таблице.

    МаркаСостав, %
    WCTiCTaCCo
    ВК6946
    ВК8928
    ВК109010
    Т30К466304
    Т15К679156
    Т5К1283512
    ТТ7К12814312
    ТТ8К684826
    ТТ20К9718129
    ТН2080(Ni+Mo) — 20
    КНТ1684 — Ti(C,N)(Ni+Mo) — 20

    Достоинства / недостатки

      Достоинства:
    • обладают высокой твердостью и износостойкостью;
    • имеет достаточно высокие прочностные характеристики;
    • имеют хорошие показатели жаропрочности и жаростойкости;
    • являются тугоплавкими материалами.
      Недостатки:
    • карбид вольфрама, являющийся основой большинства твердых сплавов, имеет высокую стоимость;
    • по сравнению с быстрорежущими сталями имеют меньшую вязкость и достаточно чувствительны к ударным нагрузкам.

    Области применения

    Спеченные твердые сплавы широко применяются для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и так далее. В качестве примера самых распространенных изделий из твердых сплавов можно привести резцы и буровые головки. Инструмент, полностью изготовленный из твердого сплава, очень дорог, поэтому из него изготовляют лишь режущую или изнашиваемую часть. Державки же инструмента изготовляют из обычной конструкционной или инструментальной стали.

    Литые твердые сплавы применяются значительно реже по сравнению со спеченными. Они получили распространение при производстве фильер и некоторых буровых инструментов.

    Продукция из твердых сплавов

    телефоны:
    8 (800) 200-52-75
    (495) 366-00-24
    (495) 504-95-54
    (495) 642-41-95

    Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов — Цирконий и его сплавы

    Содержание материала

    • Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов
    • Принципы работы ядерных реакторов
    • Основы теплотехники ядерных реакторов
    • Требования к ТВС и твэлам
    • Твэлы на основе металлического урана
    • Использование тория и плутония в твэлах ядерных реакторов
    • Твэлы на основе компактной двуокиси урана
    • Твэлы на основе смешанного керамического топлива
    • Твэлы на основе уплотненного порошкообразного окисного топлива
    • Твэлы на основе карбидного и нитридного топлива
    • Тепловыделяющие элементы на основе дисперсионного ядерного топлива
    • Методы покрытия топливных частиц дисперсионных твэлов
    • Пластинчатые твэлы
    • Кольцевые твэлы
    • Стержневые твэлы
    • Сферические и другие твэлы
    • Методы соединения ядерного топлива с оболочкой твэла
    • Выдавливание заготовки твэла через фильеру
    • Обжатие порошкообразного топлива в оболочке давлением газа
    • Соединение топлива с оболочкой с помощью теплопроводящей металлической прослойки
    • Герметизация твэлов
    • Контроль качества и методы испытания твэлов
    • Дореакторные испытания твэлов
    • Реакторные испытания твэлов
    • Контроль облученных твэлов и ТВС
    • Требования к конструкционным материалам
    • Алюминий и его сплавы
    • Цирконий и его сплавы
    • Нержавеющие стали
    • Никель и его сплавы
    • Титан и его сплавы
    • Бериллий и его сплавы
    • Тугоплавкие металлы и их сплавы
    • Графит
    • Прямое преобразование тепловой энергии деления ядер в электрическую
    • Реакторы с термоэмиссионным преобразованием энергии
    • Реакторы с магнитогидродинамическим преобразованием энергии
    • Техника безопасности
    • Литература

    По совокупности своих ядерных и технологических свойств цирконий является одним из лучших материалов оболочек твэлов, охлаждаемых водой, паром и пароводяной смесью до 300—350 °С.
    Устойчивость циркония к воздействию газов при комнатной температуре исключительно высока, но при высоких температурах он легко взаимодействует с кислородом, азотом, водородом, галоидами и другими газами. В расплавленном состоянии цирконий чрезвычайно активен не только по отношению к газам, но и к некоторым керамическим материалам. Следовательно, для выплавки пластичного циркония или сплавов на его основе необходимо, во-первых, чтобы в атмосфере печи не содержалось кислорода, азота и других газов, во-вторых, материал тиглей должен хорошо противостоять воздействию расплавленного циркония.
    Горячая обработка давлением циркония и его сплавов ведется с использованием защитного покрытия или в оболочке (Си, Fe) для предотвращения воздействия на него газов.
    Механические свойства иодидного циркония при кратковременных испытаниях в зависимости от температуры приведены в табл. 8.6.
    Таблица 8.6. Механические свойства иодидного циркония

    Предел прочности 03, МПа

    Предел текучести Go,2, МПа

    Из таблицы видно, что при нагреве до 400 °С прочностные свойства чистого циркония снижаются и вдвое меньше, чем при 20 °С.
    Чистый цирконий вследствие низких механических свойств при 350—500 °С и нестабильной коррозионной стойкости в воде при температуре 300—350 °С и паре до 400 °С не может быть использован для оболочек твэлов, поэтому потребовалось создание сплавов на его основе, обладающих достаточной прочностью и коррозионной стойкостью.
    Легированию циркония посвящено большое количество исследовательских работ, в результате которых был создан ряд циркониевых сплавов. Некоторые из этих сплавов — отечественные (ниобийсодержащие сплавы) и американские (циркалои) — широко применяются в промышленности. Они успешно используются в качестве оболочек твэлов и других конструкционных деталей тепловыделяющих сборок в энергетических ядерных реакторах с водой под давлением при температуре до 350 °С.
    На рис. 8.6 приведены значения прочности сплавов циркония при 20 и 500 °С в зависимости от содержания легирующих элементов. Перед испытаниями все образцы сплавов были подвергнуты закалке из p-фазы и отпуску при 500 °С в течение 24 ч. Упрочнение во всех случаях достигалось за счет дисперсионно-выделившихся интерметаллических соединений, кроме титана, образующего с цирконием сплошной ряд твердых растворов. Тугоплавкие элементы с большим атомным радиусом — W, Та, Mo, Nb упрочняют а-фазу циркония сильнее, чем Cr, Al, Fe — элементы с меньшим атомным радиусом, так как в первом случае скорость диффузии элементов мала и выделившиеся иитерметаллические соединения длительное время удерживают высокодисперсную форму; во втором случае интерметаллические соединения металлов быстрее коагулируют, и тем самым упрочнение сплавов циркония менее выражено. Предел ползучести циркониевых сплавов при 500 °С убывает в зависимости от действия легирующих элементов в такой последовательности: Sn, Mo, Cr, Al, Fe, Be.
    К числу наиболее важных легирующих элементов, используемых в сплавах циркония, принадлежат ниобий и олово. Оба элемента имеют сравнительно малое сечение захвата тепловых нейтронов; ниобий значительно повышает прочностные характеристики как при комнатной температуре, так и при 500 °С (см. рис. 8.6).

    Рис. 8.6. Влияние легирования на прочность циркония
    На рис. 8.7 сравнивается сопротивление ползучести сплавов Zr—2,5 % Nb и циркалоя-2 при температуре 300 °С.

    Рис. 8.7. Кривые ползучести сплава Zr—2,5 % Nb и циркалоя-2 при 300 °С Сплав Zr—2,5 % Nb:
    1 — отожженный, напряжение 140 МПа; 2 — холоднодеформированный на 20 %, напряжение 210 МПа; 3 — термообработаиный, напряженно 210 МПа. Цнркалой-2: 4 — холодиодеформировинный на 13 %, напряжение 140 МПа; 5 — холоднодеформированный на 14,3 %, напряжение 116 МПа
    табл. 8.7 приведены результаты испытаний механических свойств некоторых циркониевых сплавов в зависимости от температуры (20—400 °С).
    Таблица 8.7. Механические свойства некоторых сплавов циркония в зависимости от температуры испытания


    Рис. 8.8. Коррозия сплава Zr—1 % Nb в воде при 350 °С, давлении 16,8 МПа и в паре при 400 и 450 °С, давлении 30 МПа

    Рис. 8.9. Коррозия сплава Zr—2,5 % Nb в воде при 300 °С, давлении 8,8 МПа и при 350 °С, давлении 16,8 МПа

    Введение олова в губчатый цирконий розионную стойкость. Подобное влияние способностью уменьшать (блокировать) значительно повышает королова объясняется его сподействие наиболее вредных примесей, особенно азота. Положительное влияние олова на коррозионную стойкость сравнительно дешевого губчатого циркония легло в основу создания серии сплавов — циркалоев.
    Для нейтрализации вредных примесей, особенно азота, вводят олово, для стабилизации и повышения коррозионной стойкости в воде и паре применяют железо и хром, для повышения коррозионной стойкости в паре используют никель.
    Циркалой-4 можно считать безникелевым вариантом циркалоя-2. Он имеет такие же, как у циркалоя-2, механические свойства и подобную коррозионную стойкость, но в реакторных условиях значительно меньше поглощает водород н менее подвержен охрупчиванию при длительных выдержках, в этом его преимущество перед циркалоем-2.

    В СССР созданы новые промышленные сплавы на основе иодидного циркония с содержанием I и 2,5 % Nb.
    Испытания в кипящем реакторе ВК-50 при 280—350 °С в течение 17 000 ч кольцевых образцов из сплава Zr—1 % Nb показали, что упрочнение его повышается на 70—80 %, а пластичность снижается на 60—70 %, следовательно, работоспособность его удовлетворительна. Остаточная пластичность сохраняется на довольно высоком уровне (6—7 %).
    На рис. 8.8 приведены кривые коррозионной стойкости сплава Zr—1 % Nb в воде при 350 °С и паре при 400 и 450 °С, а на рис. 8.9— кривые коррозионной стойкости сплава Zr—2,5 % Nb в воде при 300 и 350 °С.
    Циркониевые сплавы с 1—2,5 % Nb (Н—1 и Н—2,5) при испытании в автоклавных условиях в воде 350 °С и паре 400, 450 и 550 °С в течение 6000—7000 ч не обнаруживают перелома в кинетике окисления. Пленки хорошо сцеплены с поверхностью сплавов циркония и обладают свойством залечивать микротрещины на поверхности.
    Облучение слабо усиливает коррозию, но при наличии в воде или пароводяной смеси кислорода или окисляющих продуктов радиолиза воды коррозия ускоряется.
    Тантал воздействует на коррозионную стойкость сплавов циркония подобно ниобию, но легирование им все же менее желательно из-за увеличения поглощения тепловых нейтронов. Как показали исследования, проведенные в Советском Союзе, сплав Zr—0,5 % Та весьма стоек: в воде при 350 °С за 6500 ч привес составляет 50— 170 мг/дм2; в перегретом паре при 400 °С за 4000 ч привес достигает 170—350 мг/дм2, при 450 °С стойкость сплава ограничена, при 500 °С сплав коррозионно-нестоек.
    Кинетика окисления циркония и его сплавов в воде и паре характеризуется наличием двух периодов и описывается уравнением

    или в логарифмических координатах

    где Ат — привес циркония вследствие образования окисной пленки за время t; k и n — коэффициенты, зависящие от состава сплава и температуры испытания.
    В первый период окисления циркония и его сплавов в воде и паре, до перелома на кривой, образуется плотно прилегающая к металлу защитная окисная пленка черного цвета или цветов побежалости. Этот период делится на две стадии.
    На первой стадии, в течение сравнительно короткого времени, поверхность циркония активно окисляется и на ней образуется прочная защитная окисная пленка цветов побежалости, переходящих в черный цвет. С ростом толщины пленки и увеличением ее защитных свойств процесс окисления замедляется и стабилизируется. Минимальная толщина пленки, необходимая для защиты металла и стабилизации процесса коррозии, зависит от многих факторов: темпера-
    туры, давления, характера агрессивной среды, химического состава И структуры сплава, способа изготовления и подготовки поверхности образца и др. Толщина пленки определяется коэффициентом к. В логарифмических координатах процесс коррозии до момента перелома на кривой может быть представлен прямой линией. Показатель степени n определяет скорость окисления и рост окисной пленки: /2 = 0,3 характеризует кубическую, я = 0,5 — параболическую, а n = 1 — линейную закономерность окисления.
    На второй стадии первого периода окисления, когда испытание циркония и его сплавов проходит в более тяжелых условиях окисления (повышенная температура), образуется более толстая окисная пленка.
    В табл. 8.8 приведены константы уравнения кинетики окисления, характеризующие поведение циркония и некоторых его сплавов в воде и паре при различных температурах.
    Таблица 8.8. Константы кинетики окисления циркония и его сплавов

    Сплавы с цирконием

    Свойства циркония

    Чистый цирконий имеет следую­щие основные физико-химические свойства: атомная масса 91,22; плотность 6,52 г/см 3 ; валентность 2 и 4; температура плавления 1852±10°С. С железом цирко­ний дает прочное соединение Fe2Zr с температурой плав­ления

    1800° С и с углеродом— прочный карбид ZrC. С кремнием цирконий образует ряд силицидов, а с кис­лородом — диоксид циркония ZrO2 — амфотерный оксид, представляющий собой порошок белого цвета с темпера­турой плавления 2700° С; известны также соединения Zr2O3 и ZrO. С азотом и серой цирконий образует прочные и тугоплавкие соединения ZrN и ZrS2.

    Применение циркония в металлургии обусловлено тем, что он является одним из сильных раскислителей стали. Кроме того, связывая в прочные соединения азот и серу, цирконий уменьшает их вредное влияние на сталь. В жидкую сталь цирконий присаживают в виде ферросиликоциркония или ферроалюмоциркония. Со­став указанных сплавов приведен в табл. 20.

    Получение сплавов с цирконием

    Цирконий — доволь­но распространенный элемент, его содержание в земной коре составляет 0,02%. Наиболее важными минералами являются циркон ZrO2·SiO2 и бадделеит ZrO2.

    Циркониевые руды подвергают глубокому обогащению. В практике используют метод получения комплексного сплава — ферросиликоцирко­ния, так как в присутствии кремния затрудняется про­цесс образования карбидов циркония.

    Низкопроцентный ферросиликоцирконий (до 30% Zr) можно выплавить непрерывным процессом в электрической печи, применяя углеродистые восстановители. В шихту в этом случае включается цирконовый концен­трат, кварц и древесный уголь, но сплав будет загряз­нен углеродом. Более чистый силикоцирконий преиму­щественно выплавляют металлотермическим способом с использованием в качестве восстановителя алюминия и кремния.

    Восстановление ZrO2 алюминием протекает по ре­акции

    Количество тепла, выделяемое на 1 кг оксида, состав­ляет всего 280 кДж (67 ккал), в связи с чем внепечная плавка требует введения очень большого количества термитных добавок. Поэтому ферросиликоцирконий вы­плавляют в электропечи. Процесс восстановления об­легчается в присутствии оксидов кремния и железа, ко­торые восстанавливаются легче диоксида циркония. По­лученные при этом кремний и железо растворяют цирконий и облегчают восстановление ZrO2.

    При алюминотермической плавке ферросиликоциркония в электропечи используют цирконовый концентрат, содержащий

    63% ZrO2 и до 1,5% TiO2, алюминиевый порошок, молотый (0,5—10 мм) 45%- и 75%-ный ферросилиций, просушенную малофосфористую железную ру­ду и известь. Оптимальное количество извести составля­ет 40% и железной руды 50% к массе концентрата. Плавку ведут в электросталеплавильной печи с угольной футеровкой двустадийным процессом. После разо­грева печи и проплавления запала (100 кг цирконового концентрата, 70 кг алюминия, 15 кг железной руды и 30 кг извести) небольшими порциями при расходе элек­троэнергии 1100—1200 кВт-ч проплавляют рудную часть шихты (700 кг цирконового концентрата и 470 кг изве­сти). Затем на поверхность расплава в течение 40— 50 мин при расходе электроэнергии 500—600 кВт-ч за­дают восстановительную часть шихты (430 кг цирконо­вого концентрата, 135 кг железной руды, 90 кг 75%-ного ферросилиция, 570 кг алюминиевого порошка и 60 кг извести).

    Для обеспечения хорошего осаждения корольков сплава печь выдерживают под током еще 10 мин, затем производят разливку сплава и шлака в изложницу. При­мерный химический состав шлака: 10,0% ZrO2; 1,31 % TiO2; 60,7% Al2O3; 22,35%. CaO; 3,4% MgO и 0,53% FeO. После остывания сплав дробят на куски по 10 кг, очи­щают и упаковывают в барабаны. Отходы сплава на­правляют на переплав. Для получения 1 т сплава (40% Zr) необходимо 1100 кг цирконового концентрата (60% Zr2O3), 540 кг вторичного алюминия, 115 кг железной руды, 65 кг 75%-кого ферросилиция и 420 кг извести при расходе электроэнергии 1500 кВт-ч. Извлечение цирко­ния достигает 83%.

    Ферроалюминоцирконий выплавляют одностадийным печным алюминотермическим методом с разливкой сплава и шлака. Для расчета шихты приняты следую­щие коэффициенты перехода элементов в сплав: 50% Zr, 80% Ti, 90% Si, 99% Fe и 100% P. Использование алюминия на восстановление оксидов и его переход в сплав составляют 80%. Запал состоит из 75 кг цирконо­вого концентрата, 12 кг железной руды, 55 кг алюминие­вой крупки, 25 кг извести и 22 кг селитры. Рудовосста­новительная часть шихты состоит из 480 кг диоксида циркония (93% ZrO2,

    Обзор титано-циркониевых (ТЦ) сплавов для использования в эндоссальных дентальных имплантатах

    Дентальные имплантаты, изготовленные из бинарных титано-циркониевых (ТЦ) сплавов, зарекомендовали себя высокой прочностью, выступая биосовместимой альтернативой чистому титану, особенно в случаях, требующих применения имплантатов малого диаметра. Цель данного обзора — обобщить существующую литературу, освещающую использование бинарных ТЦ-сплавов для эндоссальных дентальных имплантатов, протестированных in vitro, на животных, и в клинических условиях.

    И, более того, показать, что с точки зрения биосовместимости и остеоинтеграции ТЦ-сплав нисколько не уступает чистому титану. Из двенадцати источников, соответствующих включенным критериям, в современной литературе подтверждается мнение о том, что имплантаты малого диаметра, произведенные из ТЦ-сплавов, обладают прочностью на 40 % выше, чем имплантаты, которые были произведены из титана марки Grade IV, обработанные холодным способом. При этом коррозионная устойчивость и биосовместимость данных сплавов не уступают таковым чистого титана. Структура поверхности ТЦ-сплавов сопоставима по поддержке остеоинтеграции со стандартными методами обработки поверхности титановых имплантатов. К тому же хорошая остеоинтеграция и высокая степень приживления имплантатов из бинарных ТЦ-сплавов были подтверждены исследованиями, проведенными на животных, а также в клинических условиях.

    Введение

    На сегодняшний день титан (Ti) остается основным материалом для изготовления дентальных имплантатов, применяемых при лечении пациентов с частичной или полной потерей зубов [1—3]. Это отчасти объясняется высокой устойчивостью титана к коррозии как на воздухе, так и при соприкосновении с биологическими жидкостями, в результате чего на его поверхности образуется оксидная пленка, делая, таким образом, материал биосовместимым. Его механические характеристики, включая оптимальное соотношение прочность — вес и легкость в обработке, также способствуют широкому применению в имплантологии. Более того, титан способствует остеоинтеграции с окружающей костью, и именно это качество обусловливает его успешное применение для дентальных и ортопедических имплантатов [4].

    Использование зубных имплантатов из технически чистого титана (Ti) имеет длительную историю, начало которой было положено в 1965 году работой Бранемарка [5]. Однако в некоторых ситуациях механическо-эластичные качества Ti являются недостаточными. Например, в случае, когда требуется имплантация одного зуба либо имплантат должен быть установлен в очень узком беззубом гребне и необходим имплантат малого (≤3.5 мм) диаметра [6—8]. К сожалению, имплантат уменьшенного диаметра ассоциируется с повышенным риском возникновения трещин и переломов, связанных с «усталостью материала» [7, 9, 10]. В результате появился стимул создать имплантаты малого диаметра (ИМД) из титановых сплавов, обладающих повышенной механической прочностью и эластичностью. Среди Ti-сплавов сплав титана, алюминия и ванадия, известный как Ti-6Al-4V и имеющий широкое аэрокосмическое применение из-за своего улучшенного соотношения прочность — вес, был и остается самым часто используемым в промышленном производстве дентальных имплантатов [11].

    В связи с тем, что не существует металла или сплава, абсолютно не подверженного коррозии, необходимо учитывать коррозионные характеристики имплантационных материалов, а также изучать их возможную токсичность [12, 13]. Например, биосовместимость Ti-6Al-4V до сих пор находится под вопросом в связи с сообщениями о том, что постепенное высвобождение ионов алюминия, и особенно ванадия, с поверхности Ti-6Al-4V может вызвать местную негативную реакцию тканей, а также реакцию со стороны иммунной системы [2, 14, 15]. Таким образом, все еще продолжается поиск нетоксичного титанового сплава повышенной прочности для применения в медицинских целях.

    В качестве альтернативы был предложен Ti-6Al-7Nb — сплав титана, алюминия и ниобия. Данный сплав поддерживает прочную микроструктуру Ti-6Al-4V и замещает ванадий нетоксичным ниобием. Хотя подобная структура придает прочность такому биомедицинскому сплаву, не стоит забывать, что существуют еще механизмы химического травления Ti, обеспечивающие изменение шероховатости поверхности для улучшения остеоинтеграции [17]. Более того, сплавы титана, содержащие такие нетоксичные элементы, как цирконий (Zr), ниобий (Nb), тантал (Ta), палладий (Pd) и индий (In), также продолжают исследоваться на предмет их способности соответствовать механической прочности и коррозионной устойчивости Ti-6Al-4V с повышенной биосовместимостью [13, 18, 19]. В частности, при взаимодействии с биологическими жидкостями сплавы с цирконием продемонстрировали как необходимую механическую прочность, так и высокую устойчивость к коррозии [13, 17, 19]. Биосовместимость сплавов на TiZr-основе выше, чем у Ti [20, 21].

    Как указано выше, наряду с выбором материала для имплантата важным аспектом, обеспечивающим успех имплантации, также является рельеф и химический состав поверхности. Положительное влияние рельефа поверхности на остеоинтеграцию, достигаемое за счет таких методов, как металлоструйная и пескоструйная обработка и кислотное протравливание, является предметом исследования уже на протяжении нескольких десятилетий. В настоящее время на рынке преобладают микрошероховатые поверхности: они позволяют обеспечить ускоренную интеграцию кости, более высокий процент костно-имплантатного контакта (КИК) и повышенную устойчивость к деформации, что было установлено через показатели выкручивающего момента (ПВМ) при сравнении с титановыми имплантатами с полированной или обработанной на станке поверхностью [22]. Сочетание пескоструйной обработки с кислотным протравливанием поверхности титановых имплантатов, известное как обработка поверхности методом SLA® (Institut Straumann AG, Basel, Switzerland), было протестировано как на животных, так и в клинических условиях и дало результаты, подтверждающие способность рельефа усиливать костную интеграцию и обеспечивать долгосрочную стабильность [23—27]. Кроме того, было продемонстрировано, что гидрофильные поверхности могут быть остеогенными, влияя, таким образом, на созревание и дифференциацию костных клеток [28, 29]. Соответственно, с целью усиления энергии поверхности к вышеупомянутой SLA®-обработке была добавлена техника гидрофилизации, названная SLActive [30]. Данная обработка, включающая в себя промывание микрошероховатых поверхностей азотом и их хранение в солевом растворе вместо воздушной среды, была применена, чтобы улучшить первоначальные влажные условия, снижая риск контаминации и сохраняя при этом более активную поверхность титана. Благотворный эффект на дифференциацию клеток и фактор роста в титановых имплантатах, поверхность которых была обработана по методу SLActive, в сравнении с Ti-имплантатами со SLA-поверхностью был подтвержден in vitro, в опытах на животных и в клинических исследованиях [31—33]. Интересно и то, что наряду с повышенной смачиваемостью есть свидетельство того, что наноструктуры, самопроизвольно образующиеся на SLActive- поверхностях, могут также способствовать более активной реакции кости [34]. При исследовании новых сплавов с повышенной механической прочностью оптимальным было бы сохранять микрошероховатый рельеф и гидрофильные свойства поверхности, которые с полным основанием можно считать неотъемлемым элементом приживляемости Ti-имплантатов. В этом отношении бинарный TiZr-сплав стоит особняком от других сплавов по той причине, что он поддерживает аналогичную Ti-стуктуру и подходит как для SLA-, так и для SLActive-обработки [17]. В результате TiZr является привлекательным материалом для изготовления имплантатов, особенно для имплантатов малого диаметра (ИМД), благодаря своей повышенной прочности, обладая при этом свойствами биосовместимости и остеоинтеграции, присущими Ti. Таким образом, цель данного исследования — обобщить существующую литературу (с 1987 года по апрель 2012-го) по использованию бинарных TiZr-сплавов в эндоссальных дентальных имплантатах, протестированных in vitro, на животных и в клинических исследованиях. И, кроме того, продемонстрировать, что TiZr настолько же хорош, как и золотой стандарт, Ti, с точки зрения биосовместимости и остеоинтеграции.

    Методы

    С целью анализа всей рассматриваемой литературы относительно исследований бинарных TiZr-сплавов in vitro, на животных и в клинических условиях был использован систематический подход к поиску и изучению источников за период с 1987-го по апрель 2012 года через поисковую систему PubMed.

    Результаты

    Из двенадцати статей, соответствовавших критериям, четыре были посвящены in vitro и/или исследованиям механических характеристик TiZr [17, 19, 29, 35], пять — функционированию TiZr-имплантатов у животных [21, 36—39], а три давали анализ клинических результатов TiZr дентальных имплантатов [6, 40, 41]. Результаты данных исследований обобщены в таблицах № 1—3.

    Таблица № 1. In vitro исследования TiZr дентальных имплантатов

  • Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector