Силы сжатия внутри металлокерамнческой конструкции развиваются благодаря точно изготовленному каркасу и чуть более высокому коэффициенту теплового расширения (КТР) металла, чем покрывающего его фарфора. Эта незначительная разница в КТР заставляет фарфор •«тянуться» по направлению к металлическому каркасу, когда протез охлаждается после обжига.

Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают прочность соединения. обусловленную взаимным притяжением заряженных молекул. Но эта связь признается незначительной и не имеет той важности, которую ей когда-то придавали. Несмотря на то что молекулярное взаимодействие вносит совсем незначительный вклад в прочность соединения, оно считается существенным в инициировании наиболее важного механизма — химического соединения.

Химическое соединение образуется благодаря формированию оксидного слоя на металле и прочности соединения, которая увеличивается посредством обжига в богатой кислородом атмосфере. Когда обжиг происходит в воздухе, вещества, встречающиеся в сплаве золота в остаточных количествах, такие как олово, индий, галлий или железо, мигрируют к поверхностным окислам и впоследствии соединяются с подобными окислами в опаковом слое фарфора. Сплав золота, содержащий ничтожные количества олова и железа, образует значительно более крепкую связь с фарфором, чем чистое золото. При этом достигается такая прочность соединения, что переломы будут встречаться чаще в фарфоре, чем на границе его соединения с металлом. Чистое разделение фарфора и металлического каркаса — редкий случай нарушения связи, происходящий в результате загрязнения поверхности металла или образования чрезмерного окненого слоя. Основные сплавы металлов легко образуют окиси хрома, которые прочно соединяются с фарфором без каких-либо других веществ.

Сложность проблемы прочного соединения металла и керамики заключается прежде всего в различии межатомных связей, определяющих кристаллическую структуру, физические, химические и механические свойства этих материалов. При соединении металлов с керамикой важную роль играет состояние поверхности металла. Связь между атомами в поверхностном слое является ненасыщенной. Отличительная черта этой связи — более свободный выход атомов из поверхностного слоя металла и образование пустот в кристаллической решетке. Поверхностный слой металла имеет асимметричное силовое поле. Проявлением его воздействия является поверхностное напряжение, которое с ростом температуры постепенно снижается. При плавлении же происходит резкое падение энергии поверхностного слоя. Асимметричное силовое поле поверхности металла притягивает к нему атомы или молекулы из окружающего пространства. Кроме того, на поверхности кристалла имеются свободные электроны. Концентрация их падает от внутрикристаллического уровня до пуля. Наличие пустот и оторвавшихся электронов влияет на электрическую поляризацию поверхности кристалла Отрицательный заряд оторвавшихся электронов притягивает из окружающего пространства положительно заряженные частицы.

Металлические сплавы, используемые для металлокерамических протезов, условно можно разделить на 4 группы. Наиболее дорогими являются сплавы золота, которым повышают температуру плавления путем добавления платины и палладия. Добавление небольшого количества индия или олова в эти сплавы способствует более прочному соединению их с керамикой. Вторая группа состоит из сплавов, содержащих золото (50% от общего объема), большое количество палладия, иногда серебро и незначительное количество других элементов. Третью группу представляют сплавы на основе палладия, легированного серебром и другими менее благородными элементами. Однако общей проблемой этих трех групп сплавов является необходимость повышения прочности их соединения с керамикой. Наиболее дешевую и в то же время одну из самых надежных с точки зрения прочности соединения с керамикой группу представляют сплавы: Со — Сг - Мо и Ni — Сг - Мо.

Атомы керамики постоянно ионизированы, а связи между ними создаются за счет кулоновских сил электрического взаимодействия между катионами Si, Al и К и анионами кислорода. Ионная связь очень прочна, что подтверждается высокой температурой плавления лейцита 1250"С, высоким модулем упругости и низким коэффициентом термического расширения.

Керамические материалы являются диэлектриками. Низкая тепло- и электропроводность подтверждают отсутствие в них свободных электронов. Распространение же силового поля ионов на поверхности кристалла или стеклофазы керамики, так же как и у металлов, является асимметричным. В отличие от металлов заряды ионов на поверхности керамики могут быть как положительными, так и отрицательными. Поэтому поверхность керамики может притягивать к себе частицы с положительными и отрицательными зарядами. Для того чтобы поверхности металла и керамики могли быть использованы для прочного соединения, они должны взаимодействовать, и поэтому их необходимо держать друг от друга на расстоянии, не превышающем доли нанометра. Для того же чтобы предотвратить какое-либо взаимодействие, оба материала следует поместить в сверхвысокий вакуум. Качество же поверхностей должно соответствовать идеалу. В обычной практике эти условия невыполнимы, поэтому соединение металла с керамикой требует других технологий.

Взаимодействие керамики с поверхностью металла заключается как в растворении в расплаве керамики, так и в насыщении кислородом из жидкой фазы поверхности металла. Растворение осуществляется при переходе атомов металла из поверхностного слоя в расплавленную керамику. Слабосвязанные между ветвей дендритов атомы будут перескакивать быстрее, чем атомы, расположенные в ветвях. Различная скорость подобных «перескоков» проявляется в виде разделения переходного слоя между металлом и жидкой фазой керамики. Неровная форма пространства между ветвями дендритов сохраняется и после завершения обжига. Кроме того, выступы и впадины, соответствующие шероховатой поверхности металла, также способствуют механическому связыванию керамического слоя с поверхностью металла.

Между керамикой и металлической поверхностью имеется неравновесное состояние. Основной причиной его является большая термодинамическая активность кислорода в расплаве керамики по сравнению с твердой поверхностью металла. При этом растворимость кислорода в твердом металле крайне незначительна, что легко приводит к перенасыщению. Из перенасыщенного раствора осаждаются частицы оксидов, которые постепенно срастаются друг с другом, образуя плотную оксидную пленку, отделяющую металл от расплава керамики. В оксидную пленку диффундируют электроны и катионы металлов от переходного слоя металл/оксид к переходному слою оксид/расплав керамики, Анионы кислорода диффундируют в обратном направлении. Так как катионы и анионы имеют разную подвижность, то и оксидная пленка растет быстрее в направлении расплава керамики.

Оксидная пленка представляет собой электрически поляризованный слой, соединяющий металл с расплавом керамики. При обжиге опаковой керамической массы на границе с металлом возникает тонкий оксидный слой, соединяющий металл и керамику. В образовании оксидов учасгвуют преимущественно металлы с наибольшим сродством к кислороду, т.е. образующие наиболее стабильные оксиды. В образовании оксидов не участвует золото. У друг их элементов, входящих н состав сплавов из благородных металлов, сродство по отношению к кислороду возрастает в следующем порядке: Pi , Pd, Ag, Си, Fe, In, Sn, Zn. У сплавов нержавеющей стали этот порядок следующий: Со, Ni, Мо, Сг, Be, Ti, Si, A I.

Условием прочного соединения металла и керамики является создание идеально чистой поверхности металла перед нанесением опаковой массы. Для этой цели чаще всего используют пескоструйную обработку поверхности литой коронки с помощью корундового песка с определенным размером частиц. Благородные сплавы подвергаются пескоструйной обработке корундом, у которого размер зерен более 50 мкм, а коронки из сплавов нержавеющей стали обрабатываются зернами, размер которых более 250 мкм. Шероховатая поверхность и поглощенная металлом энергия способствуют скорее более активному растворению металла в расплаве керамики, чем оксидированию его поверхности.

Для некоторых сплавов производители рекомендуют перед обжигом керамики провести процесс предварительного оксидирования, т.е. кратковременный окислительный обжиг. Его целью является образование на поверхиос) и коронки тонкой оксидной пленки, которая при последующем обжиге будет способствовать более прочному соединению керамики с металлом. Существует предположение, что вначале оксидная пленка растворяется в расплаве керамики, а затем уже происходят вышеописанные жидкофазные реакции. Этому способствует также улучшение смачивания расплавом керамики поверхности металла. Исследования показывают, что неблагоприятным фактором считается концентрация пустот на границе металла и керамики и, наоборот, обжиг в вакууме перед нанесением керамического покрытия способствует более прочному соединению двух материалов. При низком уровне разрежения в печи это может быть связано с дегазацией поверхностного слоя металла, а для снлавов, содержащих большое количество палладия, способствует раствори мости водорода в твердых растворах.

Некоторые производители рекомендуют на очищенную поверхность коронки сначала нанести очень тонкий слой специального керамического материала (керамического подслоя), а после его обжига наносить слои керамического покрытия н обычном порядке, начиная с опакового.