Obróbka stopów wykorzystywanych do wykonywania protez szkieletowych. Polerowanie elektrochemiczne w wybranych elektrolitach

Transkrypt

1 PROTET. STOMATOL., 2014, LXIV, 5, Obróbka stopów wykorzystywanych do wykonywania protez szkieletowych. Polerowanie elektrochemiczne w wybranych elektrolitach Processing of alloys used in performance of partial dentures. Electrochemical polishing in selected electrolytes Małgorzata Ponto-Wolska, Leopold Wagner Zakład Propedeutyki i Profilaktyki Stomatologicznej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego Kierownik: dr hab. L. Wagner HASŁA INDEKSOWE: stopy, elektropolerowanie, chropowatość powierzchni KEY WORDS: alloys, electropolishing, surface roughness Streszczenie Polerowanie elektrochemiczne i wygładzenie jest końcowym etapem w postępowaniu laboratoryjnym podczas obróbki stopów przy wykonywaniu protez szkieletowych. Najlepsze efekty otrzymuje się po zastosowaniu metody elektrochemicznej, która podnosi wytrzymałość odlewu, ogranicza zjawisko korozji, uwalnianie jonów metali, zmniejsza chropowatość powierzchni, a przez to wpływa na zmniejszenie odkładania się płytki protez, akumulacji resztek pokarmowych, co w konsekwencji sprzyja dłuższemu użytkowaniu uzupełnień. Celem pracy było zbadanie wypolerowanej powierzchni stopów metali poprzez: określenie optymalnych warunków elektropolerowania oraz ocenę chropowatości powierzchni (Ra) wypolerowanych próbek w zależności od zastosowanego elektrolitu. Summary Electrochemical polishing of alloys is the final stage of laboratory procedures during processing of alloys in the manufacture of partial dentures. The use of electrochemical polishing produces the best results. It increases the strength of the casting, reduces the corrosion of metal, ion release and surface roughness, and thus decreases the accumulation of denture plaque and food residues, which is favourable to a longer use of removable partial denture. The aim of the study was to examine the polished surface of metal alloys by defining the optimal conditions for electropolishing and assessing the surface roughness (Ra) of the polished samples, depending on the electrolyte used. 354

2 Protezy szkieletowe Obróbka mechaniczno-elektrochemiczna stopów metali jest złożonym procesem podczas laboratoryjnego wykonywania protez częściowych. W pierwszej fazie przy użyciu frezów i kamieni korundowych usuwane są nadlewy, co pozwala na uzyskanie odpowiedniego kształtu konstrukcji metalowej. Następnym etapem jest piaskowanie, gdzie przy pomocy proszku karborundowego (cząsteczki o średnicy 180 µm) oraz mieszaniny szkła sodowego (cząsteczki o średnicy 75 µm) z tlenkiem glinu (cząsteczki o wielkości 70 µm lub 250 µm) zostają usunięte resztki masy ogniotrwałej (8, 19). W trakcie tego procesu może dojść do uszkodzenia powierzchni stopu i zwiększenia jego chropowatości. Dlatego w końcowej fazie obróbki mechanicznej należy używać miękkich substancji ściernych. Zbyt długa obróbka mechaniczna może doprowadzić do utraty dokładnego przylegania protezy (17). Proces piaskowania, frezowania oraz szlifowania w trakcie, którego występuje tarcie oraz wzrost temperatury powoduje powstanie zgniotu powierzchniowego metalu, tzn. zostaje wytworzona cienka warstwa o zdefektowanej strukturze krystalicznej i silnie rozdrobnionych ziarnach (3). Właściwości użytkowe metali i ich stopów decydują o trwałości wykonanych z nich elementów, które narażone są na działanie różnych czynników, które mogą prowadzić do uszkodzenia lub zniszczenia odlewu. Do właściwości użytkowych metali mających zastosowanie w formie odlewów należą: odporność na ścieranie, korozja chemiczna, korozja elektrochemiczna, działanie wysokiej temperatury oraz nagłe zmiany temperatury, skrawalność i szczelność. Korozja jest zjawiskiem, które wpływa negatywnie na jakość metalu. Zmniejsza się jego wytrzymałość mechaniczna oraz pogarszają się walory estetyczne uzupełnienia protetycznego (4, 21). Stopy, które w wyniku niewłaściwej obróbki cieplnej i mechanicznej mogą wykazywać zaburzenia w strukturze wewnętrznej obok obszarów dobrze skrystalizowanych posiadają obszary o niejednorodnej strukturze, np. tzw. zgniot powierzchniowy metalu, który sprzyja tworzeniu ogniwa lokalnego i powoduje korozję stopu. Technologia odlewnicza ma istotny wpływ na chropowatość powierzchni Ra (roughness average) stopu. Powstałe porowatości mogą być na tyle głębokie, że nawet po procesie elektropolerowania będą sprzyjały nadmiernemu odkładaniu biofilmu na protezach. Dodatkowo zaburzona struktura metalu może prowadzić do pęknięć protezy, zwłaszcza takich elementów jak klamry oraz do zwiększonej korozji i mikroporowatości. Wartość chropowatości powierzchni (Ra) określająca gładkość metalu jest istotnym czynnikiem wpływającym na odkładanie się biofilmu na protezach (1, 12). W zagłębienia i nierówności powierzchni dostają się bakterie, które często nie są dostatecznie usuwane podczas zabiegów higienicznych i w konsekwencji przytwierdzają się do płyty protezy (14, 15, 20). Dochodzi do odkładania się biofilmu, w wyniku czego wzrasta podatność na: próchnicę zębów, stany zapalne dziąseł i tkanek przyzębia oraz stomatopatie protetyczne (5, 7, 14, 16, 18). Według badań Kyung-Soo wartość Ra, która będzie zadowalająca klinicznie ze względu na niewielką ilość odkładanej płytki powinna wynosić mniej niż 200 nm (9, 13). Bollen i Quiryen w swoich badaniach Ra=200 nm nazywają Ra progowym i podają wyraźnie zmniejszoną ilość odkładanego biofilmu poniżej tej wartości (2). Aby zmniejszyć wartość Ra stosuje się wszystkie dostępne metody polerowania. Na podstawie danych z piśmiennictwa stwierdzono, że najlepsze rezultaty otrzymuje się za pomocą metody elektrochemicznej, która ogranicza zjawisko korozji, uwalnianie jonów metali i odkładanie biofilmu oraz podnosi wytrzymałość odlewu (6). Celem pracy była ocena chropowatości powierzchni próbek stopu CrCo w zależności PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5 355

3 M. Ponto-Wolska, L. Wagner T a b e l a I. Skład i właściwości stopu Wironit Extrahard (Bego) Wironit Extrahard (Bego) Stop Co 63%, Cr 30%, Mo 5%, Si 1,1%, Mn 0,5%, C 0,4% i N Gęstość 8,2 g/cm 3 Temperatura solidusa 1260 o C Temperatura likwidusa 1420 o C Twardość (HV10) 375 Moduł elastyczności 225 GPa T a b e l a I I. Stosowane elektrolity firmowe do elektropolerowania l.p. Nazwa Producent Kod 1 Elektrolyt Dentaurum ED 2 Wirolyt Bego WB 3 Elektrol I Chema EC 4 Elektrolyt Orbis Dental EO 5 Prolit Emichem PE od zastosowanego elektrolitu oraz określenie optymalnych warunków elektropolerowania. Materiał i metoda W pracy zastosowano stop Wironit Extrahard (Bego), którego skład i właściwości są przedstawiono w tabeli 1 oraz fabrycznie przygotowane elektrolity produkowane w oparciu o kwas siarkowy (tab. 2). Formę do przygotowania próbek wykonano z masy silikonowej Wirosil (Bego), w której odlano 15 modeli z masy ogniotrwałej Wirovest (Bego). Następnie wymodelowano próbki z wosku Bego o wymiarach 63 mm x 10 mm x 1 mm, które umieszczono w specjalnym pierścieniu i zalano masą ogniotrwałą Wirovest (Bego). Próbki zostały odlane w urządzeniu Nautilus (Bego) (ryc. 1) w atmosferze argonu w jednakowych warunkach fizyko-chemicznych wymaganych przez producenta stopu. Do czasu uzyskania temperatury otoczenia (ok. 20 o C) nie uwalniano próbek. Nie stosowano dodatkowego chłodzenia podczas stygnięcia odlewów. Ogółem odlano 30 płytek. Otrzymane odlewy zostały wstępnie opracowane za pomocą frezów metalowych firmy Jota i karborundowych kamieni szlifierskich w celu likwidacji nadlewów i odcięcia kanałów odlewowych. Następnie poddano je piaskowaniu tlenkiem glinu (cząsteczki o średnicy 250 µm) oraz elektropolerowaniu, gdzie w procesie elektrolizy stanowiły anodę. Proces anodowego roztwarzania metalu opisują krzywe potencjostatyczne. Wykonano je po przeprowadzeniu doświadczenia. W pierwszym 356 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5

4 Protezy szkieletowe Ryc. 1. Urządzenie Nautilus. Ryc. 2. Chropowatość powierzchni (Ra) polerowanych próbek ze stopu Bego w zależności od zastosowanego elektrolitu. etapie elektrolit wlewano do elektrolizera, następnie podgrzewano do osiągnięcia odpowiedniej temperatury. Przygotowane próbki umieszczano w elektrolizerze jako anodę. Jej potencjał mierzono względem elektrody kalomelowej, która znajdowała się jak najbliżej anody. Elektrody podłączano do zasilacza prądu stałego i rozpoczynano proces elektrolizy, podczas którego następowało anodowe roztwarzanie badanej próbki, a przy wyższych potencjałach anody wydzielał się tlen. Na katodzie grafitowej wydzielał się wodór. Elektrolizę prowadzono dla kolejnych wartości potencjału anody. Stwierdzono, że po około 5 minutach natężenie prądu stabilizowało się. Wartość tę przyjmowano jako prąd elektrolizy. Dla każdej próbki przeprowadzano w ten sposób pomiary zmieniając potencjał elektrody co 0,2 V w przedziale od 1,2 V do 7,0 V. Przebieg krzywych wskazywał wartości potencjału anody, powyżej których zachodziło elektropolerowanie. W oparciu o otrzymane krzywe potencjostatyczne wybrano wartość potencjału 12V i temperaturę 35 o C, przy której przeprowadzano elektropolerowanie przez 12 minut (producenci elektrolitów zalecają polerowanie przez 5-15 minut, w temperaturze o C i przy natężeniu prądu 2-2,5 A). Analizę powierzchni próbek przeprowadzono za pomocą profilometru Alpha Step 200 firmy Tecnor w Instytucie Technik Elektronowych w Piasecznie, mikroskopu optycznego Nikon E995 w firmie Balton w Warszawie i SEM (Quanta 200 firmy FEI) na Politechnice Warszawskiej. Wyniki Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 3. Były one podstawą do oceny porównawczej chropowatości powierzchni w zależności od zastosowanego elektrolitu (ryc. 2). Na zdjęciach wykonanych przy pomocy mikroskopu optycznego (ryc. 3, 4) widoczne są istotne różnice w chropowatości powierzchni stopów w zależności od zastosowanego elektrolitu. W analizie statystycznej wyników zastosowano nieparametryczny test ANOVA Friedmana ze współczynnikiem zgodności Kendalla. Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono (na poziomie istotności p<0,00007) statystycznie istotną różnicę między średnimi wartościami chropowatości powierzchni (Ra) próbek dla wszystkich zastosowanych elektrolitów (tab. IV). PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5 357

5 M. Ponto-Wolska, L. Wagner Ryc. 3. Powierzchnia próbki polerowanej elektrolitem: Prolit Emichem, dla stopu Bego. Powiększenie 20x. Ryc. 4. Powierzchnia próbki polerowanej elektrolitem: Elektrolyt Dentaurum, dla stopu Bego. Powiększenie 20x. T a b e l a I I I. Średnie wartości chropowatości powierzchni (Ra) dla poszczególnych elektrolitów Elektrolit WB ED PE EC EO Średnia wartość Ra/µm 0,774 1,280 0,656 1,058 0,698 T a b e l a I V. Wartości Ra badanych próbek, średnia i odchylenie standardowe Elektrolit Próbka 1 Próbka 2 Próbka 3 Próbka 4 Próbka 5 Średnia Odchylenie standardowe WB 0,868 0,793 0,542 0,845 0,821 0,774 0, ED 1,255 1,321 1,184 1,413 1,229 1,280 0, PE 0,713 0,764 0,682 0,613 0,508 0,656 0, EC 1,131 1,105 1,039 0,913 1,102 1,058 0, EO 0,752 0,784 0,644 0,693 0,615 0,698 0, Dyskusja Chropowatość elementów metalowych użytkowanych w jamie ustnej nie powinna przekraczać 200 nm (2, 9, 13). W warunkach obecnego badania uzyskano znamiennie wyższą chropowatość powierzchni niż uznawana za optymalną. Analiza wykonanych zdjęć pozwoliła także na stwierdzenie, że zewnętrzna warstwa badanych próbek stopu była niejednorodna. Niewielka część tej powierzchni pokryta była wtrąceniami, które źle się polerowały. W związku z tym średnia wartość Ra była wyższa niż oczekiwano. Hensel i Jumer zwracają uwagę na trzy parametry, od których zależy polerowanie stopów. Jest to czas, temperatura i gęstość prądu (11). Gęstość prądu jest parametrem decydującym o szybkości elektrolizy. Należy też uwzględniać jakość powierzchni polerowanego obiektu. W przypadku dużych różnic w chropowatości, przy tych samych natężeniach prądu, 358 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5

6 Protezy szkieletowe elektropolerowanie będzie przebiegało znacznie wolniej dla obiektów o dużej powierzchni, a nawet może nie wystąpić z powodu zbyt niskiej wartości gęstości prądu. Zbyt duża wartość gęstości prądu może działać destrukcyjnie, prowadzi do dużych ubytków masy protezy, co powoduje zmniejszenie grubości niektórych jej fragmentów, osłabienie wytrzymałości mechanicznej tak, że nie będzie się ona nadawała do użytku. Szczególnie narażone na zniszczenie są klamry, elementy ostre, obłe. Wynika to ze zjawiska, że w tych miejscach gęstość prądu jest wyższa niż w pozostałych (22). Janukiewicz podkreśla, że warunkiem dobrze przebiegającego procesu elektropolerowania jest zachowanie możliwie jednakowej odległości każdego punktu polerowanej protezy od katody. W przypadkach protez dolnych lub górnych bez łuku podniebiennego warunek ten jest nie do spełnienia ze względu na ich kształt. Autor stosował dodatkową katodę pomocniczą umożliwiającą równomierne polerowanie całej powierzchni protezy (10). Dodatkowym rozwiązaniem jakie można zastosować jest elektroda obrotowa. Proteza, która stanowi anodę jest wówczas w ruchu i następuje równomierne polerowanie całej powierzchni (10). Mając na uwadze powyższe należy indywidualnie, w zależności od obiektu rozpatrywać technikę polerowania. W związku z czym przy określeniu optymalnych warunków elektropolerowania należy uwzględniać rodzaj stopu, wymiary przestrzenne odlewu, charakterystykę jego powierzchni, a także skład elektrolitów i warunki samego procesu. Oceniane w obecny badaniu elektrolity nie pozwoliły na uzyskanie oczekiwanej wartości Ra, co sugeruje konieczność dalszych prac nad ich udoskonaleniem. Wydaje się, że oprócz optymalizacji składu elektrolitów największe znaczenie ma wysoka jakość odlewów, których powierzchnia będzie bardziej homogenna i pozbawiona artefaktów wpływających na uzyskiwaną wartość Ra polerowanego obiektu. Wnioski 1. Największą efektywność elektropolerowania uzyskano w procesie elektrolizy przy potencjale 12V, w temperaturze 35 o C przez 12 minut. 2. Najmniejszą wartość chropowatości powierzchni (Ra) dla badanego stopu uzyskano po zastosowaniu elektrolitu Prolit Emichem, a największą w przypadku Elektrolyt Dentaurum. Piśmiennictwo 1. Bezzon O.L., Pedrazzi H., Zaniquelli O., da Silva T.B.: Effect of casting technique on surface roughness and consequent mass loss after polishing of NiCr and CoCr base metal alloys: a comparative study with titanium. J. Prosthet. Dent., 2004, 92, Bollen C.M., Papaioanno W, Van Eldere J, Schepers E, Quirynen M, van Steenberghe D.: The influence of abutment surface roughness on plaque accumulation and peri implant mucositis. Clin. Oral Implants Res., 1996, 7, Bridgeport D.A, Brantley W.A, Herman P.F.: Cobalt-chromium and nickel-chromium alloys for removable prosthodontics, part 1: mechanical properties. J. Prosthodont., 1993, 2, de Melo J.F, Gjerdet N. R, Erichsen E.S.: Metal release from cobalt chromium partial dentures in the mouth. Acta Odontol. Scand., 1983, 41, Grossner-Schreiber B., Griepentrog M., Haustein I., Müller W.D., Lange K.P., Briedigkeit H., Göbel U.B.: Plaque formation on surface modified dental implants. Clin. Oral Implants Res., 2001, 12, Guilherme A.S., Henriques G.E., Zavanelli R.A., Mesquita M.F.: Surface roughness and fatigue performance of commercially pure titanium and Ti-6Al-4V alloy after different PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5 359

7 M. Ponto-Wolska, L. Wagner polishing protocols. J. Prosthet. Dent., 2005, 93, Hassan L, Juszczyk A.S, Clark R.K.F.: Immediate replacement removable partial dentures with cobalt chromium frameworks: rationale, technology and a case report. J. Oral Rehabil., 2005, 32, Hirata T., Nakamura T., Takashima F., Maruyama T., Taira M., Takahashi J.: Studies on polishing of Ti and Ag-Pd-Cu-Au alloy with five dental abrasives. J. Oral Rehabil., 2001, 28, Jang K.S, Youn S.J, Kim Y.S.: Comparison of castability and surface roughness of commercially pure titanium and cobalt chromium denture frameworks. J. Prosthet. Dent., 2001, 86, Janukiewicz T.: Elektrolityczne polerowanie protez szkieletowych ze stopów chromo-kobaltowych. Protet. Stomatol., 1975, 1, Jumer J.F.: Surface Treatments- Electropolishing. Metal Finishing Guidebook Directory Jan., Kohal R.J., Bächle M., Emmerich D., Beschnidt S.M., Strub J.R.: Hard tissue reaction to dual acid etched titanium implants: influence of plaque accumulation. A histological study in humans. Clin. Oral Implants Res., 2003, 14, Kuhar M., Funduk N.: Effects of polishing techniques on the surface roughness of acrylic denture base resins. J. Prosthet. Dent., 2005, 93, Quirynen M, Bollen C.M.: The influence of surface roughness and surface-free energy on supra- and subgingival plaque formation in man. J. Clin. Periodontol., 1995, 22, Radford D.R., Sweet S.P., Challacombe S.J., Walter J.D.: Adherence of candida albicans to denture base materials with different surface finishes. J. Dent., 1998, 26, Sen D., Goller G., Issever H.: The effect of two polishing pastes on the surface roughness of bis acryl composite and methacrylate based resins. J. Prosthet. Dent., 2002, 88, Sinclair G.F., Radford D.R., Sherriff M., Walter J.D.: Effects of electrobrightening on the fit surface of cobalt chromium RPD frameworks. Int. J. Prosthodont., 2000, 13, Spiechowicz E.: Protetyka stomatologiczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa Taga Y., Kawai K., Nokubi T.: New method for divesting cobalt chromium alloy castings: sandblasting with a mixed abrasive powder. J. Prosthet. Dent., 2001, 85, Taylor R., Maryan C., Verran J.: Retention of oral microorganisms on cobalt chromium alloy and dental acrylic resin with different surface finishes. J. Prosthet. Dent., 1998, 80, Wataha J.C., Lockwood P.E., Khajotia S.S., Turner R.: Effect of ph on element release from dental casting alloys. J. Prosthet. Dent., 1998, 80, Gupta K.P.: The Co-Cr-Mo (Cobalt- Chromium-Molybdenum) system. J. Phase Equilibria and Diffusion, 2005, 26, Zaakceptowano do druku: r. Adres autorów: Warszawa, ul. Nowogrodzka 59. Zarząd Główny PTS PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 5