牙科CAD/CAM加工用钴铬合金块的研制和性能测试

尹长军

（东莞市翔通光电技术有限公司，广东 东莞 523808）

钴铬合金在牙科领域是一种很好的金属材料，其合金硬度、强度较高，耐蚀性好、抛光后有良好的光泽，是我国口腔修复临床上主要合金，应用量较大。牙科合金产品的主要制作方法是锻造和精密铸造，其中牙科铸造通常采用失蜡铸造技术，它要求采用的耐火材料高温性能稳定、强度较高、体积无明显的变化，以确保铸件准确[1]。

制作过程粉尘多，劳动强度大，工序多，周期长，是一项对操作者有着很高要求的工作[2]，其主要制作流程为：设计～牙体预备～制取印模～制取工作模型～模型设计～制取代型～制作熔模～包埋～铸造～打磨～上瓷～上釉～试戴。

随着CAD/CAM(computer-aided design/computeraided manufacturing，计算机辅助设计/计算机辅助制造）技术临床应用，为氧化锆等全瓷修复体的制作提供了快捷、有效的途径。

然而，国内牙科CAD/CAM专用的钴铬合金切削材料的研究却进展缓慢，同时为解决钴铬烤瓷牙工序复杂，环境污染大，生产场地面积需求大，以及对工人数量及技能要求高等问题，予以专门研究了牙科CAD/CAM加工用钴铬合金块的研制和性能测试。

1 产品设计要求

根据GB 17168-2013《牙科学固定和活动修复用金属材料》、YY 0621-2008《牙科金属烤瓷修复体》等国准、行标规定，产品以下方面必须满足国标或行标要求：产品化学成分、机械性能、生物相容性、抗腐蚀性、密度、硬度、金瓷结合性能以及线胀系数等。

同时产品可加工性能必须满足当前牙科CAD/CAM技术要求以及烧结后有较好的收缩一致性。从制造工艺和产品性能可靠性角度，重点研究其CAD/CAM加工性能，以及产品烧结后的硬度、密度、烧结后收缩一致性、牙冠和桥结构模拟佩戴等性能。

针对产品性能要求及产品特点，整个生产工艺采用粉末冶金工艺，即：制粉-成型-加工-烧结-表面处理-性能测试。

2 材料与方法

2.1 原材料选择

所用原材料为气雾化工艺生产的钴铬钼合金球形粉，其粉末化学成分组成为：钴66%，铬28%，钼5%，其余锰、硅、铁含量累计小于3%。原始粉末粒度分布为表1所示。

表1 粉末粒度分布

2.2 粉体制备与成型

合金块的生产工艺流程为粉体混粉→模压成型→加工→烧结→性能测试。

将钴铬钼合金球形粉末按重量1%～3%的比例加入粘结剂，用Z型搅拌机搅拌2小时，进行充分搅拌混合均匀，然后用筛网进行二次造粒，使得粉末松装密度达到1.9g/cm3～2.1g/cm3之间。

然后再用双向模压成型技术进行成型（如图1所示），成型压力为230bar，压坯密度控制在6.4g/cm3～6.5g/cm3，压坯尺寸φ98×16，成型后的压坯用80℃进行烘烤1小时。成型后的产品如图2所示。

图1 成型示意图

图2 成型后钴铬合金块实物图

2.3 CAD/CAM加工

采用CAD/CAM技术予以修复体三连桥模型设计(以exocad软件)，用市面上主流的X-MILL 220四轴联动雕铣设备进行雕铣加工。

加工时，环境温度27℃，环境湿度65%。CAD设计参数如下：内冠壁厚为0.35mm、粘结剂厚度0.02mm，额外水平间隙0.02mm，额外垂直间隙0.02mm，颈缘厚到0.3mm，连接杆锥角3°，大小为2mm。各组件相隔间隙至少2mm，以保证车削时产品有足够的强度，不会因震动等造成破碎或脱落，设计后的模型如图3所示，CAD/CAM加工后实物如图4所示。

图3 CAD/CAM设计效果图

同时再用同批次产品加工成4块14 mm×12 mm×16 mm（长×宽×高）小方块，用于烧结后测试其硬度和密度等物理性能。

2.4 烧结

将成型后加工好的钴铬合金块坯体和修复体，装入高温复合材料的坩埚内，放入程序控制的KJ-A-YF01箱式惰性气氛炉内进行烧结，在1270℃温度下保温1小时，保温结束后，以每分钟下降12℃速率降到850℃，然后快速冷却至室温，对其性能进行分别测试和观测佩戴效果。

3 性能测试

（1）可加工性。产品在加工时（环境温度27℃，环境湿度65%），产品强度较好，加工完后，在5倍护目镜下分别观测冠面和颌面有无破损、裂纹等缺陷（如图4所示）。

图4 CAD/CAM加工后实物图

（2）对烧结后的小方块进行硬度、密度、收缩率进行测试（见表2和表3）。所用仪器为：硬度采用HV-10型（龙星迪）进行测试，密度值采用密度天平（日本AND），用排水法测试。收缩率计算公式为：（压坯烧结前尺寸-压坯烧结后尺寸）/压坯烧结前尺寸。

表2 烧结硬度和密度

表3 烧结收缩率

（3）三连桥修复体烧结后用牙模模拟临床进行佩戴，观测其佩戴效果（如图5所示）。

图5 修复体烧结后佩戴效果实物图

4 结果

产品可加工性良好，产品强度和韧性适中，能正常满足牙科领域CAD/CAM主流加工雕铣设备，加工后无破损、崩裂、掉边等缺陷。产品烧结后平均密度为7.82g/cm3，硬度平均值为274.88 HV10，与同类型国外已上市产品相比无明显差异。用1270℃进行高温烧结，产品平均收缩率为6.051%，收缩率差值为0.021，整体上收缩比较一致，用牙膜进行佩戴观测其边缘密贴性，效果能满足临床要求[3]。

5 讨论

粉末冶金法制备CAD/CAM加工用钴铬合金块，关键技术是在粉体制备和成型环节。在产品应用端，则需重点考虑烧结工艺。要获得一个强度高，韧性适中的压坯，并能满足目前牙科CAD/CAM加工系统，必须要有一套完整的粉体生产设备和粉体检测仪器，它将直接决定粉体生产时的工艺稳定性。关于粉体，原始粉体粒度分布范围应在合理范围，不应出现过大波动，本研究发现，当原始粉体D90超过50µm后，压坯烧结收缩一致性会出现较大波动。另生产时，环境温度和湿度也要相对稳定，实践表明，环境湿度最佳范围应在50%～70%之间，环境温度应控制在20℃～30℃之间。因为环境温湿度对粉体湿度、松装密度、流动性有明显影响，进而影响粉体工艺性能，并最终影响成型性能和压坯质量，严重时可能还会导致无法成型。

关于钴铬合金压坯的可加工性能研究，目前尚无确定的性能指标，但从实践表明，选择合理的粘接剂以及成型工艺的合理选择，减少压坯水分含量，能有效改进其可加工性能。成型时，采用目前主流的模压成型，工艺重复性高，工艺相对稳定可控。

当前，我国CAD/CAM加工用钴铬合金块主要依赖进口，无论是在技工所环节，还是在口腔患者端，其价格一直居高不下，与国民承受能力是不相适应的，这说明在国内批量推广CAD/CAM加工用钴铬合金块有着广阔的市场。