§ HỆ THỐNG SỨ-KIM LOẠI
NGND, GS.BS. Hoàng Tử Hùng
MỤC TIÊU:
Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể:
1. Trình bày được những đòi hỏi (yêu cầu) của các hệ thống sứ-kim loại.
2. Mô tả được cơ chế và nguyên tắc kỹ thuật của dán sứ-kim lọai.
3. Trình bày được cơ chế bong dán của hệ thống sứ-kim loại.
4. Trình bày được những điểm cần lưu ý trong thiết kế phục hình sứ-kim loại.
5. Mô tả được tiến trình thực hiện phục hình sứ kim loại
MỞ ĐẦU
Các hệ thống sứ không kim loại ra đời trong những năm 80 của thế kỷ trước đang được
phát triển mạnh mẽ trong nha khoa phục hồi vì những ưu điểm của chúng về thẩm mỹ. Tuy
vậy, các hệ thống sứ-kim loại cũng đang ngày càng được hòan thiện. Những cố gắng cải tiến
về sứ, kim loại và sự dán sứ-kim loại đã giúp khắc phục những nhược điểm trước đây, làm cho
phục hình sứ-kim loại vẫn là một lựa chọn chiếm phần quan trọng trong phục hình cố định.
Cho dù có sự khác biệt lớn về thành phần hóa học, tất cả các hợp kim để làm phục hình
sứ-kim loại đều có ít nhất ba điểm chung:
- Có khuynh hướng dán vào sứ
- Có hệ số co nhiệt xấp xỉ sứ
- Nhiệt độ nóng chảy đủ cao để cho phép áp dụng với sứ thiêu kết ở nhiệt độ thấp
(low-fusing porcelains).
Hệ số dãn nở nhiệt (coefficient of thermal expansion – CTE) có khuynh hướng liên hệ
qua lại với điểm nóng chảy (melting point) và khoảng nóng chảy (melting range)của vật liệu.
Theo đó, nhiệt độ nóng chảy càng cao, thì hệ số dãn nở nhiệt càng thấp, yếu tố này quan trọng
trong việc chế tạo hợp kim sứ-kim loại cho những loại sứ khác nhau. Hợp kim sứ-kim loại
(metal-ceramic alloy) cũng còn được gọi là ceramo metal hay porcelain-fuse-to-metal, thuật
ngữ thường dùng là metal-ceramic. Từ viết tắt PFM (porcelain-fuse-to-metal) thường dược
dùng hơn PBM (porcelain bond to metal).
Các phục hình sứ vốn có độ bền kéo (telsile) và độ bền cắt (shear) thấp. Mặc dù độ bền
nén (compressive) cao nhưng cũng đòi hỏi cấu trúc bên dưới có thiết kế thích hợp để không tạo
những điểm tập trung lực.
Một trong những biện pháp khắc phục là thực hiện việc dán sứ trực tiếp lên kim loại
(sườn kim loại của phục hình). Nếu một lực dán giữa sứ và kim loại đủ mạnh, lớp sứ được tăng
cường, nguy cơ nứt vỡ giảm.
Như vậy, để thực hiện một phục hình sứ-kim loại, phải làm mẫu sáp cấu trúc kim loại,
đúc, làm nguội và xử lý nhiệt (làm oxi hóa). Một lớp mỏng chất che màu (opaque) được nướng
vào cấu trúc kim loại để che màu kim loại và bắt đầu dán sứ vào kim loại. Các lớp sứ ngà và sứ
men được tiếp tục thêm vào, tạo hình và nướng tráng men làm nhẵn (glaze). Sự dán của sứ được
trình bày trong chương sứ nha khoa.
Trước đây, hợp kim để làm sứ-kim loại có 85% vàng. Hợp kim này mềm và không đủ
chịu lực để làm cầu. Vì không có sự dán hóa học với sứ, người ta phải tạo các ngàm lưu cơ học.
Các test về độ bền dán cho thấy ngẫu lực tăng lên ở bề mặt tiếp xúc (giao diện) sứ-kim loại, và
cũng cho thấy bản thân hợp kim này cũng ít dính (cohesion) vào sứ. Nghĩa là thất bại của loại
phục hình này bắt đầu từ giao diện sứ-kim loại. Bằng cách thêm 1% nguyên tố để tạo thành lớp
1
hoangtuhung.com
2
oxide như sắt, indium, thiếc vào hợp kim chứa tỷ lệ vàng cao (high-gold-content alloy), độ bền
dán (bond strength) sứ-kim loại tăng lên; sắt đồng thời cũng làm tăng giới hạn tỷ lệ và độ bền
của hợp kim.
1% kim loại thường được thêm vào hợp kim quí (vàng, palladium, platinum) là thực sự
cần thiết để tạo một lớp oxide mỏng trên bề mặt của cấu trúc kim loại để đạt được độ bền dán
sứ-kim loại cao hơn, chứ không phải chỉ là độ dính của sứ vào kim loại. Loại hợp kim có thêm
lượng nhỏ kim loại thường trở thành tiêu chuẩn cho phục hình sứ-kim loại. Để đáp ứng đòi hỏi
thị trường, các hợp kim vàng-kim loại thường, palladium-kim loại thường được phát triển cùng
với các hợp kim kim loại thường.
Vấn đề được giải quyết nhờ một lượng thích hợp leucit có độ dãn nở nhiệt cao được trộn
vào feldspar glass trong quá trình chế tạo. Việc này cho phép điều chỉnh chính xác và đặc hiệu
độ dãn nở nhiệt của sứ và đưa lại bước tiến quan trọng cho mão sứ kim loại. Trong quá trình
làm lạnh, sự co do nhiêt của kim loại lớn hơn của sứ, làm cho mặt phía trong của sứ ở trạng
thái bị ép. Do độ bền nén của sứ lớn hơn độ bền kéo, đặc tính này được coi là một ưu điểm để
tăng độ bền đối với lực làm vỡ (shattering).
Phục hình sứ-kim loại gồm một sườn (khung, lõi) kim loại đúc (cast metallic framework
core), và tối thiểu hai lớp sứ. Lớp thứ nhất là lớp che màu (opaque), là sứ có nhiều oxid kim
loại có tính cản ánh sáng, để che màu kim loại, nó cũng là lớp tạo sự kết dính giữa sứ và kim
loại. Lớp thứ hai là sứ dùng để thay thế ngà, men. Sau khi sứ được tạo hình trên kim loại,
chúng được thiêu kết trong lò nung.
Hợp kim dùng để đúc sườn (xem bài “hợp kim đúc nha khoa”) có thể là hợp kim rất quí,
quí hoặc titanium và các hợp kim thường:
Hợp kim rất quí:
- Au-Pt-Pd
- Au-Pd-Ag (5-12 % Ag)
- Au-Pd-Ag (>12 % Ag)
- Au-Pd
Hợp kim quí:
- Pd-Au
- Pd-Au-Ag
- Pd-Ag
- Pd-Cu
- Pd-Co
- Pd-Ga-Ag
Titanium và các hợp kim thường:
- Ti nguyên chất
- Ti-Al-V
- Ni-Cr-Mo-Be
- Ni-Cr-Mo
- Co-Cr-Mo
- Co-Cr-W
Điểm quan trọng đối với phục hình sứ-kim loại là hệ số dãn nở nhiệt của sứ thấp hơn
kim loại, để sau khi nguội chắc chắn là sứ sẽ chịu một lực ép. Điều này làm cho lớp sứ có độ
bền kháng nứt và tránh được vết nứt lan rộng.
1. NHỮNG ĐÒI HỎI CHUNG CỦA HỆ THỐNG SỨ-KIM LỌAI
Để đạt được tối đa ưu điểm của phục hình sứ-kim loại, một hệ thống sứ-kim loại cần
thỏa mãn các đòi hỏi sau:
1- Kim loại cần có độ nóng chảy cao: khoảng nóng chảy cần cao hơn (tối thiểu 100º C) so
với nhiệt độ nung sứ và vật liệu hàn (đối với các phục hình cần hàn: các thành phần
của cầu răng).
hoangtuhung.com
2- Sứ cần có nhiệt độ thiêu kết thấp: nhiệt độ thiêu kết cần thấp hơn nhiệt độ thiêu kết của
phục hình toàn sứ, để không làm biến dạng sườn kim loại trong quá trình thiêu kết.
3- Sứ cần làm ướt một cách dễ dàng như một loại vữa nhão (slurry) khi đặt lên sườn kim
loại để tránh các khoảng hở ở giao diện, cũng làm ướt tốt bề mặt kim loại trong quá
trình thiêu kết; nói chung, góc tiếp xúc cần nhỏ hơn 60º.
4- Về bản chất, sự dán giữa sứ và kim loại đạt được là do phản ứng qua lại giữa sứ và các
oxid kim loại trên bề mặt của hợp kim và do sự nhám của bề mặt sườn kim loại.
5- Hệ số dãn nở nhiệt của sứ và kim loại phải tương đương nhau để sứ không bị nứt trong
quá trình gia công. Hệ thống được thiết kế để kim loại có giá trị hơi cao hơn so với sứ
trong quá trình co để tạo một sức ép lên sứ trong quá trình nguội (HHH 19-3)
6- Độ cứng và độ bền của hợp kim là quan trọng đối với mão và cầu răng sau: độ cứng
cao của kim loại làm giảm ngẫu lực trong sứ nhờ giảm được độ võng (deflection) và
sức căng (strain); độ bền cần cho vùng tiếp nối giữa các đơn vị phục hình.
7- Sườn sứ cần được đúc (và hàn) cẩn thận.Tính kháng lún (sag resistance) rất quan
trọng: sườn sứ khá mỏng, nhưng không được phép biến dạng trong quá trình nung sứ,
vì vừa làm chất lượng của sứ giảm, vừa làm phục hình không vừa với cùi đã chuẩn bị.
8- Hình dạng phục hình: cùi răng cần sửa soạn sao cho đủ độ dày của sườn kim loại và
sứ. Trong một số trường hợp, sứ kim loại có ưu thế hơn tòan sứ vì mô răng phải mài đi
ít hơn. Tuy vậy, trong trường hợp răng nhỏ (thí dụ như răng cửa dưới), toàn sứ là lựa
chọn tốt hơn.
9- Đường hoàn tất của phục hình nên làm vai nghiêng phẳng với góc tròn cho đủ độ dày
của sứ và tránh vỡ; nếu phục hình chỉ được phủ sứ một phần (thí dụ không có sứ ở mặt
nhai), nơi tiếp giáp sứ và kim loại phải xa các điểm tiếp xúc cắn khớp.
2. CƠ CHẾ VÀ NGUYÊN TẮC KỸ THUẬT CỦA DÁN SỨ-KIM LOẠI
Đối với phục hình sứ-kim loại, độ bền dán sứ-kim loại là một trong những đòi hỏi
quan trọng nhất, vì thất bại phổ biến nhất của phục hình sứ-kim loại là bong sứ. Có nhiều yếu
tố liên quan đến sự dán dính (adhesion) của sứ vào hợp kim: tính dễ làm ướt của sứ, sự tạo
thành liên kết hóa học (chemical bonding), sự tạo thành các ngàm lưu cơ học (mechanical
interlocking) giữa hai vật liệu, ứng suất dư (residual stresses). Xử lý bề mặt sườn kim loại
nhằm hai mục tiêu chính: tạo lớp oxid kim loại vừa đủ và làm nhám bề mặt.
2.1. Tính dễ làm ướt của sứ
Làm ướt là một tính chất quan trọng đối với sự dán sứ-kim loại. Trong quá trình thiêu
kết, sứ cần làm ướt và chảy trên bề mặt hợp kim. Góc tiếp xúc giữa sứ và hợp kim là số đo
mức làm ướt và cũng phản ánh chất lượng của sự dán. Sự thấm ướt của sứ thiêu kết trên hợp
kim thể hiện có sự tác động qua lại giữa các phân tử bề mặt hợp kim với sứ. Góc tiếp xúc nhỏ
có nghĩa là sự làm ướt tốt. Bề mặt của các hợp kim vàng có thiếc và indium sau khi làm nóng
có sự xuất hiện các oxid, thâm nhập phản ứng qua lại với sứ, tạo thành một kiên kết dán, với
góc tiếp xúc khoảng 60º.
2.2. Liên kết hóa học giữa sứ và hợp kim
Nói chung, sự dán là kết quả của sự thấm hút hóa học (chemisorption) giữa các oxid
kim loại trên bề mặt hợp kim vào sứ. Các oxid này được tạo thành trong quá trình xử lý nhiệt
và xử lý bề mặt sườn hợp kim, trong quá trình đặt (đắp sứ) và thiêu kết sứ trên hợp kim.
Một giao diện giữa một hợp kim và sứ với nhiều liên kết hóa học bền vững, với các
mối nối tác động như những đuôi (tags) liên kết hai vật liệu với nhau có thể tạo nên liên kết
vững chắc. Tuy vậy, biện pháp công nghệ để tạo thành các liên kết hóa học mạnh giữa sứ và
kim loại còn chưa được hoàn thiện. Sự tạo thành các oxid trên bề mặt hợp kim đã được coi là
góp phần tạo nên lực dán cao. Các kim loại quí với đặc điểm kháng oxy hóa cần có thêm
3
hoangtuhung.com
những nguyên tố dễ oxy hóa khác: indium (In), thiếc (Sn)…, để tạo thành lớp oxid. Khi những
thành phần dễ oxy hóa này được thêm vào, độ bền dán tăng lên. Trong thực hành, việc “khử
khí (“degassing”) hay tiền oxy hóa (preoxidizing) sườn kim loại trước khi đắp sứ trở thành
phổ biến và làm tăng độ bền dán.
Trong đa số trường hợp, sườn kim loại được xử lý nhiệt trong không khí hoặc trong
điều kiện áp lực âm. Một số hợp kim palladium khi xử lý nhiệt, lớp oxid không những được
tạo trên bề mặt mà còn cả oxid bên trong (internal oxide), ăn sâu vào hợp kim, làm tăng độ
nhám. Các hợp kim thường chứa nhiều kim loại dễ oxy hóa: nickel (Ni), chromium (Cr),
beryllium (Be)…, vì vậy, cần kiểm soát để lớp oxid không quá dày vì các oxid này có thể xâm
nhập vào trong sứ và gây loạn sắc cũng như dễ trông thấy ở vùng cổ răng. Các nhà sản xuất
thường cung cấp những chỉ dẫn chi tiết về điều kiện để đạt được lớp oxid và màu của lớp oxid
đạt được là tối ưu: NiO có màu xám sẫm, Cr2O3 màu hơi xanh…
Các oxid không hòa tan hoàn toàn trong sứ khi xâm nhập vào sứ, khiến cho giao diện
oxid-hợp kim có thể là nơi dễ có khiếm khuyết cơ học. Điều này rõ ở các hợp kim tạo ra nhiều
Cr2O3 vốn không có sự bám dính tốt với hợp kim. Người ta thường dùng vật liệu dán cho hợp
kim này để thay đổi loại oxid được tạo thành.
Các hợp kim chứa beryllium thường tạo thành oxid (BeO) có độ bám dính tốt. BeO tạo
thành chậm và không có khuynh hướng bong khỏi bề mặt hợp kim. Các nguyên tố đất hiếm
như yttrium cũng được thêm vào hợp kim để tăng độ kết dính, cải thiện lớp oxid cho các hợp
kim.
2.3. Bề mặt được làm nhám của sườn kim loại
Cả về lý thuyết lẫn thực hành, bề mặt nhám của giao diện hợp kim-sứ có hiệu quả lớn
đối với sự kết dính. Sứ xâm nhập vào bề mặt lồi lõm của kim loại tạo thành những khóa cơ
học. Bề mặt nhám của hợp kim cũng làm tăng diện tiếp xúc cho các liên kết hóa học. Tuy vậy,
bề mặt nhám cũng có thể làm giảm độ bền dán của sứ nếu sứ không xâm nhập đầy đủ vào bề
mặt hợp kim và làm xuất hiện các khoảng hở. Điều này có thể do sứ không làm ướt tốt bề mặt
hợp kim và/hoặc do thiêu kết sứ không đúng. Phương pháp “thổi cát” đã được dùng để tạo bề
mặt nhám cho sườn hợp kim và lấy bớt oxid dư nếu cần. Bề mặt được làm nhám bằng thổi hạt
oxid nhôm 25-50 µm. Trước đây, người ta cũng dùng phương pháp mài nhám.
2.4. Vấn đề ứng suất dư
Một ứng suất dư cao giữa sứ và hợp kim thường dẫn đến thất bại. Nếu hợp kim và sứ
có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau, chúng sẽ có tỷ lệ co khác nhau trong quá trình làm lạnh và
một ứng suất dư lớn sẽ hình thành ở giao diện. Nếu ứng suất dư này đủ lớn, sứ sẽ bị gãy bể
hoặc tách rời khỏi hợp kim, đưa đến thất bại sớm. Ngay cả khi ứng suất dư không đủ lớn và
không gây ra thất bại sớm, chúng vẫn làm yếu liên kết giữa sứ và hợp kim và đưa đến thất bại
sau này. Để tránh vấn đề này, thành phần của sứ và hợp kim được tính toán để tương hợp với
nhau về hệ số dãn nở nhiệt. Hầu hết sứ nha khoa có hệ số dãn nở nhiệt từ 13,0 đến 14,0 x 10-
6/º C, hợp kim cho kim loại-sứ từ 13,5 đến 14,5 x 10-6/º C. Sự khác biệt 0,5 x 10-6/º C về hệ số
dãn nở nhiệt giữa hợp kim và sứ cho phép kim loại co nhiều hơn sứ trong quá trình làm lạnh
sau nung. Chính điều này đặt sứ dưới một lực nén dư (residual compression) nhẹ, làm cho sứ
ít bị ảnh hưởng của ngẫu lực căng (tensile stress) do chịu tải cơ học.
3. CƠ CHẾ BONG DÁN SỨ-KIM LOẠI
Hiểu biết về vị trí sứ bị bong có ý nghiã lớn. Sự bong sứ có thể diễn ra ở ba vị trí: (1)
trong lớp sứ, (2) giữa lớp oxid kim loại và (3) ở bề mặt lớp kim loại.
4
hoangtuhung.com
Có nhiều test để xác định độ bền dán sứ-kim loại, tuy vậy, test “lý tưởng” vẫn chưa
có. Số liệu về kết quả giữa các test khác nhau không so sánh được với nhau. Một trong những
test đánh giá độ bền dán sứ-kim loại là độ bền trượt phẳng (planar shear test) và test uốn
(flexural test). Test uốn đòi hỏi có một lớp sứ được dán trên một giải hoặc tấm kim loại, tấm
kim loại này được uốn cho đến khi sứ bị bong dán hoặc bị gãy. Độ bền dán được coi là đạt khi
lực làm gãy từ trên 25 MPa; hiện nay, nhiều hệ thống sứ-kim loại đạt đến 40 - 60 MPa. Một
biến thể test uốn khác được sử dụng là thiêu kết lớp sứ hoặc chất che màu dày 1mm trên một
tấm kim loại có kích thước 20mm x 5mm, độ dày 0,5mm. Sau đó, tấm kim loại được uốn trên
một trụ đường kính 1cm với bề mặt phủ sứ hướng ra phía ngoài, rồi làm thẳng trở lại. Quan sát
lớp sứ dưới kính lúp để nhận xét.
Các mẫu có độ bền cao nhất bị gãy ở trong lớp sứ, điều này chứng tỏ bề mặt kim loại
cũng như sứ đã được chuẩn bị và gia công đúng.
Các mẫu bị gãy trong lớp oxid thường gặp do tạo thành lớp oxid dày ở các mẫu hợp
kim thường.
Các mẫu bi gãy giữa bề mặt kim loại và lớp oxid (metal-metal oxide) thường do lớp
oxid không được hình thành đầy đủ ở các mẫu hợp kim rất quí.
Cả hai trường hợp sau này đều có độ bền dán thấp. HHH19-5
Trong quá trình phát triển các loại sứ làm phục hình sứ-kim loại, người ta đã cố gắng
để sứ có được độ dãn nở nhiệt đủ cao. Để đạt được mục tiêu này, người ta thêm potassium
oxide để tạo thành pha có độ dãn nở cao, gọi là “leucite” (KalSi2O6). Pha này làm độ dãn nở
nhiệt của porcelaine cao, phù hợp với hợp kim (xem bài “sứ nha khoa”).
Để thích hợp với chế tác phục hình sứ-kim loại, sứ cũng được chế tạo để có nhiệt độ
thiêu kết thấp hơn, để tránh làm biến dạng sườn kim loại. Các oxide Na và K trong pha thuỷ
tinh có tác dụng làm giảm nhiệt độ thiêu kết (fusing temperature) đến khoảng 930 đến 980oC;
sứ thiêu kết nhiệt độ thấp có các nhóm hydroxyl và nhiều Na2O thiêu kết ở nhiệt độ 660oC.
Gần đây, sứ thiêu kết nhiệt độ thấp và độ dãn nở nhiệt cao (15,8 x 10-6/oC) đã được sử dụng,
nó được dùng với hợp kim vàng rất quí (có độ dãn nở nhiệt từ 16,1 đến 16,8 x 10-6/oC), nhưng
một số sản phẩm sứ thuộc loại này có thể làm mòn răng đối diện, nhất là khi bề mặt của sứ
không nhẵn bóng hoặc bị mất độ nhẵn bóng trong quá trình sử dụng.
Về tính chất vật lý, sứ cho phục hình sứ-kim loại thường có độ bền kéo 35 Mpa, độ
bền nén 860 Mpa, độ bền cắt 120 Mpa, độ bền đàn hồi 60 Mpa.
4. LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI
Vì sứ là vật liệu có độ bền kéo thấp và dễ vỡ, sườn kim loại cần đủ cứng chắc để giảm
tối đa sự biến dạng, cũng có nghĩa là biến dạng sứ, đồng thời, sườn cũng cần phải mỏng và nói
chung, càng mỏng càng tốt để đảm bảo thẩm mỹ. Nhìn chung, các hợp kim Ni-Cr hoặc Co-Cr
có lợi thế hơn so với các hợp kim quí và rất quí vì các chỉ tiêu về độ cứng của chúng thường
lớn hơn 1,5 đến 2 lần với độ dày chỉ bằng nửa. Tuy vậy, lực đặt lên phục hồi thường là các lực
làm phục hồi bị uốn, độ võng do uốn (bending deflection) là một phương trình bậc nhất của
lực, trong khi nó là một phương trình bậc 3 theo độ dày. Có thể diễn tả là đối với một phục hồi
sứ-kim loại điển hình, độ dày của sườn kim loại chỉ có thể giảm được 7% nhờ modul dàn hồi
cao hơn. Như vậy, ưu điểm của một vật liệu có modul cao hơn như trong trường hợp sườn hợp
kim thường chỉ có giới hạn.
Bờ phía nướu của phục hình sứ-kim loại là vị trí cần chú ý vì độ mỏng của lớp sứ và
cũng là nơi dễ vỡ. Như đã trình bày, nó cần là một bờ vai nghiêng với góc tròn. Cần tránh các
đường hoàn tất xuôi và các góc nhọn. Nơi tiếp nối giữa trụ cầu và nhịp cầu cần đủ dày theo
chiều nhai nướu vì độ uốn giảm theo lập phương độ dày: độ dày lớn hơn sẽ làm giảm sự uốn
của sứ. Cần nhớ rằng cầu răng không giống như là một dầm đơn nhất (uniform beam), sự uốn
tối đa khi chịu lực sẽ diễn ra ở nơi có thiết diện nhỏ nhất.
5
hoangtuhung.com