锻造合金的应用和形态

图31　锻压加工时金属变形示意图

所谓锻造合金，就是采用轧、磙、拉伸、冲、压、锤击等机械加工方法成型的合金。在此加工过程中，合金在外观形态发生变化的同时（图31），其晶体结构排列和性能也将随之发生一系列的变化。特别是常温下加工的合金，会发生应变硬化（如脆性增加），耐腐蚀性降低等。需要利用热处理的方法使其再结晶进行纠正。以不锈钢为例，其热处理方法如下：

硬化热处理（淬火）：加热至临界点温度以上（1000～1100℃），保温一段时间（2～3分钟），在水或油中迅速冷却。

软化热处理（退火）：加热至临界点温度以上（900℃），保温一段时间，然后缓慢冷却至室温。

消除应力热处理（回火）：加热至临界点温度以下（275～450℃），保持0.5～2小时，以一定方式冷却到室温。

口腔临床使用的锻造合金，多为成品或半成品的丝、杆、片、冠套等。应用时，基本上是冷加工和热处理。热处理是根据材料性质和应用目的不同，分别进行硬化（淬 火）、软化（退火）和消除应力（回火）处理。

一个理想的口腔修复材料，第一应对人体无毒，对牙体、牙髓和口腔粘膜无刺激性；第二在口腔环境中，需要有强的抗腐蚀性能，不为唾液等腐蚀变色；第三要有良好的韧性、延展性、足够的强度和耐磨损性能；第四密度要小，弹性要高，耐疲劳性能良好，经长期使用不易折断破裂，容易加工成各种需要的形态。但实际使用的锻造合金，很难完全达到上述要求。

锻造合金按照形态和应用范围，可分为锻造合金丝（作卡环、正畸丝和舌、腭杆等）、锻造合金片和锻造合金冠套等。下面将分别介绍几种常用的锻造合金：

（一） 18—8铬镍不锈钢

这是口腔修复广泛使用的一种锻造合金，是经拉丝而成的横断面为圆形、半圆形等不同规格的丝状制品。

1.组成：（表13）

表13　18-8铬镍不锈钢的成分

（1）铬：具有改善合金的抗氧化作用，使合金不易被腐蚀，还可增加合金的硬度，含铬在12%以上，称为不锈钢。

（2）镍：具有高度的抗腐蚀作用，还能增加合金的韧性、延展性和强度，如含镍量超过26%的合金钢，则带有磁性。

（3）碳：碳的主要作用，是增加合金的硬度和强度，降低韧性。即使碳的含量仅有微小变化，就能导致合金的性能发生很大的改变，如含碳量低于1.7%时，称为钢；若高于1.7%时，则为铸铁。

（4）锰：主要具有增加合金的硬度和强度的作用。

（5）硅：能除去合金中的氧化物。

（6）铁：为溶剂元素。

2.性能：镍铬不锈钢，具有良好的生物性能，对人体和组织无毒、无刺激性，化学性能稳定，抗腐蚀力强，在0.5%盐酸、0.05%醋酸、1%柠檬酸、0.1%硫化钠、1%氢氧化钠和人工唾液中，于37℃经7～14天，重量变化极微，光泽和颜色均保持不变，还具有强度高，硬而坚韧，弹性好，弯制时不易折断等良好机械性能。（表14）

表14　18-8铬镍不锈钢的性能

3.18—8铬镍不锈钢丝规格及用途：

18号：直径为1.2毫米，一般用于磨牙支托。

19号：直径为1.0毫米，一般用于双尖牙支托或磨牙卡环。

20号：直径为0.9毫米，一般用于磨牙和双尖牙卡环。

21号：直径为0.8毫米，一般用于尖牙和双尖牙卡环。

22号：直径为0.7毫米，一般用于正畸矫治器唇弓及附件。

25～30号：直径为0.56～0.34毫米，一般用于矫治器的各类弹簧。

30号以上：直径在0.25毫米以下，一般作结扎丝。

连接杆：横截面为半圆形，分腭杆和舌杆，腭杆薄而宽（1.5×3毫米），舌杆厚而窄（2.5×2毫米），各分大、中、小三种规格，可根据临床需要选择应用。

2.使用注意事项：

①按用途选准规格，切勿乱用。

②弯制时加力要均匀、缓慢，忌用暴力和来回反复多次弯曲。

③加工时应注意避免钳子所造成的伤痕，防止应力集中。

④根据不同需要选择进行热处理。

（二）镍铬合金片

本品又名白合金片，简称SPM，主要用于各种牙冠的锤制。

1.组成：镍铬合金片主要由镍组成，镍能使合金变软，其含量一般都在80～90%之间，其次为铬，能增强合金的抗腐蚀性和硬度，占5～10%，其他还有少量的铜、银、钼、钨、钴、铁等。铜和银可增加合金的柔软性和流动性，改善合金的焊接性能，钼、钨、铬、铁等则能增加合金的机械强度和抵抗有机酸腐蚀的能力。

2.性能：镍铬合金具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，还具有良好的韧性、流动性、焊接性能和加工性能。它和所有金属一样，在冷加工后均有应变硬化现象，加工后必须进行适当的热处理。

（三）金合金锻丝

主要由黄金组成。以下是几种产品的组成。（表15）(www.xing528.com)

金合金锻丝具有很好的弹性，其弹性模量为96500～117200兆帕，可用于高弹性卡环及正畸弓丝。金合金锻丝价格昂贵，应用受到一定的限制。

表15　金合金锻丝的组成

（四）钴铬合金锻丝

这种合金丝在软化状态下，有良好的加工性能，有利于制作形状复杂的正畸弓等附件，在480℃热处理后，可以得到不低于不锈钢锻丝的强度和弹性，它的弹性模量为196508～206850兆帕，这种合金丝抗腐蚀性强，并有较好的焊接性能。

从Elgilog商品为例，其组成为：钴4%，铬20%，镍15%，铜7%，锰2%，铁1.6%，碳0.15%，少量铍（0.04%）。

（五）钛及钛合金

钛及其合金具有密度小，强度大，耐热性好，抗腐蚀性强，低温韧性等特点。加之钛的资源丰富，钛及合金已成为航天、航空、造船及化工的重要材料。此外钛及钛合金还是一种重要的体内植入材料和口腔正畸修复材料。

1.钛的性质：钛是一种银白色的金属，密度为4.5，与人体骨骼相近，熔点为1668℃。钛具有两个同素异晶体，即α-Ti和β-Ti，在882.5℃以下，为α-Ti，为密排六方晶格；高于882.5℃时，为β-Ti，为体心立方晶格。

钛的熔点高（1668℃），是一种良好的耐热材料。钛的化学性质非常活泼，极易与氧、氮、氢、碳等形成极其稳定的化合物。钛表面形成的致密氧化膜，从而具有很强的抗腐蚀能力。

氢能大量溶于钛中，使其塑性和韧性明显下降，使合金变脆。

由于钛在高温时非常活泼，因此钛及其合金在熔炼、铸造、焊接和进行热处理时，都必须在真空或惰性气体保护下进行。生产工艺复杂，加工成本高。此外，钛还存在冷变形回弹性大，不易成型，不易切削加工等缺点。

2.钛合金的组成性能及应用：钛合金按其使用状态的结构，分为全部α相、全部β相和α+β混合相三种，分别称之为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。在我国分别以TA1、TA2、TA3代表纯钛；以TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等以及TB和TC代表钛合金。（表16）

（1）α钛合金（TA）：全部α相的钛合金，具有很高的强度和韧性，在高温下组织稳定，抗氧化能力较强，热强性较好。即是说，它在室温时，强度一般低于α+β钛合金（TC），但在高温（360～600℃）时，强度却为三类合金中最高者。α钛合金成型性较差，不易热处理，焊接性能甚佳，可作生物材料。

表16　钛合金的化学成分及主要机械性能（棒材）（YB766-70）

铝是α钛合金的主要合金元素。TA4钛合金中就含有2～3.3%的铝，主要用作钛合金焊丝。

TA7合金中含有铝5%，锡2.5%，拉伸强度达800兆帕，但塑性和韧性仍较好，故得到广泛应用。

TA8是在TA7的基础上，再加入锆1.5%和铜3%，从而大大提高其耐热性，以制造能在500℃以下长期工作的零件。

（2）β钛合金：β钛合金具有良好的塑性，在540℃以上时，具有很好的强度；当温度高于700℃时，β钛合金易受大气中的杂质汚染。这类合金生产工艺复杂，且弹性模数低，密度较大，稳定性差，焊接性能也差，因而应用受限。

β钛合金丝：是近几年发展起来的正畸弓丝材料，具有保持高回弹性，高成形性和低刚度之间良好平衡的特性。

（3）α+β钛合金（TC合金）：α+β钛合金兼有α和β钛合金的优点，耐热度高，加工塑性比较好，可以进行热处理。并且生产工艺比较简单，可以通过改变成分和选择热处理工艺，在很广的范围内改变合金的性能，因而得以广泛应用。尤以Ti-6Al-4v（TC4）合金用途最广，用量最多。

TC4合金具有较高的强度，良好的塑性，在退火状态下：δb（拉伸强度）=950帕，δ（延伸率）=10%，ψ（断面收缩率）=30%，在400℃时有稳定的结构和较高的抗蠕变强度，又有很好的抗盐碱腐蚀的能力。它是制作体内修复体的较好材料。

但是，钛及钛合金在机体组织内，耐腐蚀性能有所降低，其腐蚀产物有可能引起机体组织的过敏、炎症、变性、坏死等，故使用时应注意选用医用钛及其合金。

（4）镍钛记忆合金：为镍含量在54～56%的金属化合物，在明显的塑性形变后，经过加温，可回复到它形变前的原始形状，并具有质轻、强度高（抗拉度574～980兆帕），从降伏强度（140～231兆帕）和弹性模量（71400～82600兆帕）所反应的高回弹性。说明它具有在大范围内挠屈而不发生永久性形变的性能，化学稳定性好，生物相容性也好。

（六）焊接合金

1.定义：金属或合金之间的熔接，称为焊接。用于焊接的合金，称为焊合金。

2.焊合金的性能要求：

（1）焊合金的熔点，必须低于被焊的金属，一般应低100℃为宜。

（2）熔化后流动性大，扩散性高，能均匀流动在焊接面上。

（3）机械强度、成分、色泽尽量与被焊金属相近似。

（4）应有良好的抗腐蚀和抗污染性能。

3.种类：

（1）锡焊合金：熔点183℃（锡熔点232℃），主要成分为锡66%，铅33%，也可用纯锡。主要用于不锈钢丝卡环、支架等的暂时性焊接。焊媒为磷酸。

（2）银焊合金（白合金焊）：熔点：860～950℃，主要成分为银，加入适量的铜、锌、锡、镉。（表17）流动性好，焊接牢固。主要用于银合金、铜基合金、镍铬合金、不锈钢及钴铬合金的焊接。焊媒为硼砂，用吹管火焰进行。

表17　银焊合金的成分和熔点

（3）金焊合金：熔点750～870℃，主要成分为黄金，加入适量的银、铜、锌、锡等。（表18）流动性好，焊接牢固。主要用于金合金的焊接，还可用于18-8不锈钢、钴铬合金和镍铬合金的焊接。焊媒为硼砂。

表18　金焊合金的成分和熔点

（七）焊媒

焊接时，在加热情况下，被焊金属表面产生氧化，形成的氧化物将阻碍金属间的结合，焊媒加入可使被焊处不被氧化或减少氧化，而且还能使已形成的氧化物杂质分解除去，达到牢固焊接和防止假焊现象发生。

焊媒玻璃态物覆盖于金属表面。常用的焊媒为硼砂—硼酸混合物。硼砂的粘性小，流动性好，抗氧化力强。焊媒还有氟化钠、氟化钾、二氧化硅、锰粉、磷酸等。