Ортодонтическая проволока изготавливается из материала, известного как аустенитная нержавеющая сталь. Эта — сталь, легко формирующаяся в проволоку путем прокатки и последующей протяжки. При этом зерна металла вытягиваются в длинные волокнистые структуры, проходящие вдоль проволоки.
Материал, используемый для изготовления ортодонтической проволоки, известен как стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь. Ниже приводится более подробное описание всех этапов получения этого материала, начиная от исходного, железа, и заканчивая превращением его в конечный продукт. Попутно в этой главе будут представлены различные виды стали и рассмотрены особенности их применения.
Рис. 3.7 .1 . Влияние холодной обработки на механические свойства металла. Обратите внимание на снижение ковкости (-•) при одновременном повышении предела текучести
Таблица 3.7.1 Сравнение показателей прочности или предела текучести стали с другими материалами
Железо
Железо является аллотропическим материалом, т.е. при нагреве в твердом состоянии оно проходит через два фазовых превращения. При комнатной температуре чистое железо имеет объемно-центрированную кубическую структуру (КОЦ) кристаллической решетки, известную как ос-фаза. Такая структура сохраняется до температуры 912°С, при которой она трансформируется в гранецентрированную кубическую структуру (КГЦ) — это у-фаза. При температуре 1390°С КГЦ железо вновь превращается в КОЦ железо и сохраняет эту структуру до его плавления при температуре 1538°С. Все эти трансформации сопровождаются изменениями объема железа (Рис. 3.7.2).
Сталь.
Сталь является сплавом железа и углерода, в котором содержание углерода не превышает 2%. Железо, с содержанием углерода более 2% классифицируется как литейное железо (чугун) и здесь не рассматривается.
Углеродистая сталь.
Углеродистая сталь — это сплав только железа и углерода. Кристаллическая структура этой стали представлена КОЦ формой, когда небольшие количества углерода растворяются в железе, этот материал известен как а-железо или феррит.
Несмотря на больший незанятый объем в KOU структуре (показатель плотности упаковки 68%) по сравнению с КГЦ структурой (74%), растворимость
Рис. 3.7.2. Изменение объема чистого железа под воздействием температуры
Рис. 3.7.3. Система Fe-Fe
3
C
углерода в КОЦ структуре намного ниже, чем в КГЦ структуре, и ее максимальный уровень составляет 0,02% масс, при температуре 723°С и 0,005% масс, при комнатной температуре.
КГЦ форма материала обладает более высокой (до 2,11%) растворимостью для углерода. Причина заключается в том, что самые большие расстояния между узлами кристаллической ячейки у железа с КОЦ строением (диаметр 0,72 нм) меньше, чем железа с КГЦ структурой (диаметр 0,104 нм). Сталь КГЦ структуры известна под названием аустенит или аустенитной стали.
Обе кристаллические формы стали относительно мягкие и ковкие, а аустенит легко формируется при повышенных температурах методом горячей ковки и прокатки.
Когда предел растворимости углерода для этих видов стали превышает максимальное значение, его избыток осаждается в виде Fe
3
C, жесткой и хрупкой фазы, называемой цементитом. Различные фазы системы железо-цементит представлены на фазовой диаграмме Рис. 3.7.3.
Гипер- и гипоэвтектоидные стали.
При концентрации углерода 0,8% и температуре 723°С сплав переходит из однофазного аустенита в двухфазную структуру, состоящую из феррита и цементита: у —> а + Fe3C аустенит —> феррит + цементит.
Такой фазовый переход в твердом состоянии обозначают термином эвтектоидный, отличающийся от
Рис. 3.7.4. Структура перлита, в которой перемешаны слои феррита и цементита
эвтектического, тем, что в последнем случае две эти твердые фазы образуются непосредственно из одной жидкой (см. Главу 1.5).
Стали с содержанием углерода, точно соответствующим эвтектоидному составу называются эвтектоидными сталями. Те стали, содержание углерода в которых больше, чем 0,8%, называются гиперэвтектоидными сталями и используются при производстве боров и режущих инструментов, в то время как стали с меньшим, чем 0,8% содержанием углерода называются гипоэвтектоидными сталями и используются при производстве таких инструментов, как пинцеты.
Эвтектоидное превращение имеет большое значение при производстве сталей, так как при охлаждении углеродистой стали от температуры аустенитного состояния до комнатной можно получать различные варианты структуры стали.
Медленное охлаждение.
На равновесной фазовой диаграмме показаны изменения в структуре 0,8% углеродистой стали после медленного охлаждения. Аустенит превращается в смесь феррита и цементита, которую называют перлит (Рис. 3.7.4). Однако обычно охлаждение проводят достаточно быстро путем погружения материала в холодную воду, этот процесс называется закалка.
Быстрое охлаждение.
При закаливании аустенита в воде образование феррита и цементита невозможно из-за недостатка времени для диффузии и перестройки атомной структуры. Вместо этого происходит очень быстрая трансформация структуры и превращение ее в объемно-центрированную тетрагональную, очень похожую на искаженную КОЦ структуру. Эта форма стали известна как мартенсит, чрезвычайно жесткий и хрупкий материал. Тем не менее, такая трансформация может быть полезной, поскольку при повторном нагреве до температуры в диапазоне 200 — 450°С и последующем быстром охлаждении мартенсит превращается в перлит (феррит + цементит). Скорость конверсии можно тщательно контролировать температурным режимом и продолжительностью термообработки. Этот процесс называют отпуском (Рис. 3.7.5).
Для изготовления режущих инструментов в основном используется гиперэвтектоидная сталь (содержание углерода >0,8), так как она сочетает в себе жесткий мартенсит с наличием большого количества цементита. Комбинация этих компонентов позволяет изготавливать инструменты с острым и трудно затупляющимся режущим краем. Для таких инструментов как пинцеты хрупкая природа гиперэвтектоидной стали малопригодна, поэтому для их изготовления используются гипоэвтектоидные стали (содержание углерода ковкий феррит, в то время, как твердость обеспечивает мартенсит, а цементит содержится в значительно меньшем количестве.
Клиническое значение.
Чрезмерное нагревание режущих инструментов, например, скальпелей в пламени газовой горелки (горелки Бунзена), приводит к утрате твердости из-за изменений в микроструктуре материала.