金瓷结合之线膨胀系数 |第1期

线膨胀系数是一个学术名词,对于一般人来说较为晦涩难懂。那么我们先讲一个自然现象再来说线膨胀系数,可以更容易的理解。


热胀冷缩

相信大家都知道热胀冷缩这一自然现象,热胀冷缩是指物体受热时会膨胀,遇冷时会收缩的特性。由于物体内的粒子(原子)运动会随温度改变,当温度上升时,粒子的振动幅度加大,令物体膨胀;但当温度下降时,粒子的振动幅度便会减少,使物体收缩。

生活中有很多应用热胀冷缩的实例,比如水银体温表,就是利用水银的热胀冷缩来显示体温的;道路桥梁连接处的伸缩缝,就是利用热胀冷缩原理为避免热胀冷缩破坏道路和桥梁而专门设计的。

金瓷结合之线膨胀系数 |德普润3D打印|第1期金瓷结合之线膨胀系数 |德普润3D打印|第1期


热胀冷缩是一个自然现象,那么如何去衡量热胀冷缩的大小呢?水银体温表如何划刻度才能准确显示体温?伸缩缝太小起不到关键作用,伸缩缝太大路面太坑洼,对行人和车辆带来负面影响,应该多宽才能刚好满足要求?这些都需要准确计算他们(水银,沥青,水泥等不同材料)热膨胀大小。

热胀冷缩的大小,跟物体的本身的尺寸和温度变化都有关系,首先是本身的尺寸,试想一根10厘米的铁棒,怎么膨胀也胀不到1米,而10米长的铁棒很轻松就能胀1米长;再有就是温度,10厘米的铁棒,加热到100℃和加热到1000℃膨胀的长度肯定不一样。


线膨胀系数

为了更科学更精确的计算热胀冷缩的大小,科学家们引入了线膨胀系数的概念。

线膨胀系数官方解释是:固体物质的温度每升高1℃时,其单位长度的伸长量,叫做“线膨胀系数”,单位为1/℃,表示材料膨胀或收缩的程度。共分为两种:某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数,后者也被称为平均线膨胀系数。前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量;平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间,每升高一度温度的平均伸长量。

平均线膨胀系数怎么计算呢?举个例子:

25℃室温下,一根1米长的铁棒,放到炉子里加热,用工具测量长度变化,当加热到600℃时,铁棒长度膨胀到1.5米,那么它在25℃-600℃之间的平均线膨胀系数就是:


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在义齿生产领域,国标中制作标样品φ3x20mm,测量25-500℃区间线膨胀系数,然后依据上述公式进行计算。


牙科金属与瓷粉线膨胀系数

烤瓷修复体中的金属和瓷粉都会涉及线膨胀系数的概念,材料厂家会把这个参数值标在产品标签或说明书中,便于义齿厂家选择金属材料或瓷粉。此参数值会影响金瓷结合强度。下表所示为一般烤瓷金属和陶瓷线膨胀系数范围。


材料

平均线膨胀系数

(25℃-500℃)×10-6/℃

镍铬合金

13~15

钴铬钨钼合金

13~15

瓷粉

13~14


经研究,金属的线膨胀系数应略高于瓷粉的线膨胀系数。一般金属比瓷粉线膨胀系数高(0~1)×10-6/℃。例如,某瓷粉的线膨胀系数是13.5×10-6/℃,选择线膨胀系数在(13.5~14.5)×10-6/℃的金属是较为合适。

具体原因为:陶瓷材料有一个特性,就是耐压不耐拉。若金属的线膨胀系数略高于瓷粉的,那么冷却到室温时,金属收缩的多,瓷层收缩的少,金属就会拉扯瓷粉做更多的收缩,瓷层就会抵抗不让金属拉扯收缩更多。于是瓷层就会受到金属的挤压作用而牢牢的“吸”在金属表面,下图所示为烤瓷加热和冷却过程中的受力分析。


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德普润线膨胀系数试验发现


  • 化学成分对线膨胀系数影响

钴铬合金线膨胀系数一般为(15-18)×10-6/℃,与常用的瓷粉的线膨胀系数不匹配,不能直接用来烤瓷。为了降低钴铬合金的线膨胀系数使之达到满足烤瓷性能的要求,一般会通过加入其它金属元素的方法来降低钴铬合金的线膨胀系数。

钼元素和钨元素具有较低的线膨胀系数,加入这两种合金元素,能显著的降低钴铬合金的线膨胀系数。因此,一般钴铬合金会加入5~10%的钨钼元素,使其线膨胀系数降低到(13-15)×10-6/℃左右,满足烤瓷的要求。下图为不同钨钼合金元素含量下线膨胀系数。提高钴铬合金中钨钼元素的含量,可降低线膨胀系数。


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  • 热处理制度对线膨胀系数影响

上面说到金属与瓷粉线膨胀系数匹配才能保证金瓷结合良好。金属和瓷粉匹配需要在一个理想范围,如下图所示。



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然而,不同瓷粉厂家对金属线膨胀系数适应也不一样,如下表所示为几类瓷粉厂家对金属线膨胀系数要求。可见,不同瓷粉厂家与金属的适应性范围是不同的。


瓷粉厂家

适应金属的线膨胀系数

(25℃-500℃)×10-6/

义获嘉IPSClassic

13.7-15.5

松风halo瓷粉

13.2-13.8

VITA VMK95

14.0-14.4


每次拜访义齿加工厂,技术人员与老板总会问起我们粉末金属线膨胀系数是多少,由此判断与自己使用的瓷粉是否匹配。因为在义齿厂通常认知中,金属线膨胀系数是由材料本身决定的,化学成分固定,线膨胀系数也是个定值。因此,根据上表所示,市面上找不到任何一种金属粉末能够匹配所有的瓷粉。

那么,有没有方法能解决不同义齿厂需求呢?

德普润经大量试验表明:

1、在同等工艺条件下,不同的粉末线膨胀系数有明显的差异。如下表所示,在750℃/1h炉冷条件下,不同厂家粉末线膨胀系数由14.18变到14.66。

2、同样的金属粉末在不同热处理条件下线膨胀系数也不同,线膨胀系数与温度有相关性。如下图表所示,德普润DPR-M01在不同热处理状态下测得的线膨胀系数具有明显的差异,随着温度升高,线膨胀系数成直线下降。

因此,德普润金属粉末可以通过改善热处理制度来解决线膨胀系数匹配问题,满足不同义齿厂家生产需求。


金瓷结合之线膨胀系数 |德普润3D打印|第1期

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结语

  • 线膨胀系数对金瓷结合性能至关重要。金属要与瓷粉线膨胀系数要进行匹配。通常,金属要比瓷粉线膨胀系数大0-1之间具有较好的金瓷结合性能。

  • 化学成分中钨钼含量对线膨胀系数有影响。因此,不同厂家的金属粉末其线膨胀系数也具有差异性。

  • 热处理温度会影响线膨胀系数。温度越高,线膨胀系数越小。德普润能够为客户提供有效的热处理方案来满足不同义齿厂家需求。

  • 不同金属粉末化学成分不同,在不同热处理制度下线膨胀系数调节能力是不一样的。因此,好的粉末应该具有更强的线膨胀系数调节能力。


  • 关于作者王志会:王志会于2016年毕业于北京航空航天大学材料学院,获硕士研究生学位。从事金属3D打印行业多年,有扎实的理论基础和丰富的实践经验。目前就职于北京德普润新材料科技有限公司,任资深技术专家。



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