Sádrové formovací hmoty

Do forem ze sádrových formovacích hmot odléváme nízkotavitelné slitiny, jejichž teplota tání se pohybuje většinou mezi 800-900 °C (slitiny zlata a některé stříbrné slitiny).

Složení a výroba

Pojivo je vždy sádra CaSO4 . 1/2 H2O ve formě polohydrátu α. Ostřivem je u stomatologických formovacích hmot vždy oxid křemičitý v množství 60-70 %. Z celkového objemu tvoří dále asi 2-3 % nutné přísady, které ovlivňují dobu tuhnutí, pevnost a expanzi, která je ze všech uváděných vlastností nejdůležitější. Na její celkové hodnotě se podílejí obě základní složky: pojivo tzv. expanzí při tuhnutí a ostřivo tzv. expanzí teplotní.

Sádra stmelující zrnka ostřiva se užívá většinou hydrokalová a její expanze při tuhnutí se pohybují od 0,1-0,6 %.

Při zahřívání začíná sádra už nad 250 °C kontrahovat a při 700 °C dosahuje hodnota smrštění 2 % a negativně ovlivní celkový objem formovací hmoty. Navíc se vypalováním výrazně snižuje i pevnost hmoty. Při dalším neopatrném zvyšování teploty na 900 °C, které může při užívání pecí bez kontroly teploty skutečně ohrozit formu, dochází k chemickému rozkladu a při teplotách nad 1000 °C k rozpadu pojiva.

Obecně lze říci, že nad 750 °C je kontrakce sádrového pojiva tak velká, že vážně ohrožuje rozměrovou přesnost odlitku. (Pozn.: Uvedené hodnoty se týkají jen pojiva, ne celého objemu formovací hmoty.)

Ostřivo SiO2 se používá především ve dvou hlavních formách (modifikacích) – jako křemen nebo krystobalit a výjimečně i tridymit. Hlavním úkolem ostřiva je zvýšení teplotní expanze, tj. musí překonat nepříznivý vliv kontrahující sádry a zkompenzovat navíc i kontrakci chladnoucí krystalizující slitiny.

Křemen i krystobalit vynikají tzv. reverzibilní inverzí nízkoteplotního typu ve vysokoteplotní. Při inverzi, doprovázené změnou krystalické mřížky a dalších vlastností, dojde ke zvětšení objemu, které je podstatou tepelné expanze. Charakteristické je, že inverze je reverzibilní a že proběhne simultánně v celém krystalu.

Pro křemen je inverzní teplota 573 °C ± 1 °C, pro krystobalit leží mezi 120-272 °C (obvykle nad 220 °C). U křemene je inverze doprovázena expanzí o 1,4-1,5 %, u krystobalitu o 1,8 %.

Množství regulujících přísad bývá maximálně 3 %. Chloridy zvyšují tepelnou expanzi, sírany urychlují tuhnutí, borax se používá naopak k jeho zpomalení. Přidaná barviva nemají žádný další význam a beze zbytku shoří.

Při výrobě se jednotlivé složky nejprve rozemílají v kulových mlýnech a pak prosívají na normovaných sítech k dosažení stejné velikosti částic. Podle složení formovací hmoty se jednotlivé součásti přesně naváží a smíchají v mísicích bubnech. Do laboratoří musí formovací hmota přijít v baleních, která spolehlivě izolují před vzdušnou vlhkostí. Před použitím se prášek smísí s vodou v přesně určeném poměru a ztuhne v pevnou hmotu. Stále častěji se dodává formovací hmota v jednotlivých dávkách balených ve vzduchotěsných sáčcích.

Vlastnosti a použití

Od formovací hmoty jako pomocného materiálu pro licí techniku očekáváme, že usnadní výrobu odlitku, který bude rozměrově přesný a bude mít i dokonalou strukturu. Proto musí splnit celou řadu požadavků.

Doba tuhnutí je přidáním katalyzátorů upravena na určitou hodnotu. Pro přípravu forem je výhodnější používat pomalu tuhnoucí hmoty, které snižují nebezpečí povrchových defektů při přípravě formy a umožňují současné zatmelení většího počtu modelů naráz. Musí být použity při vakuovém zatmelování, kdy požadujeme minimálně patnáctiminutovou dobu tuhnutí.

Pevnost formy je určena složením užité hmoty a závisí na dodržení mísicího poměru. Dále si musíme uvědomit, že hmoty s vysokým obsahem krystobalitu při neopatrném, příliš rychlém zahřívání snadno praskají. Požadavky na pevnost jsou v protikladu nároků na porozitu formy, proto se podíl sádry ve hmotě volí tak, aby obě základní vlastnosti byly v souladu.

Norma předepisuje, že pevnost v tlaku sádrových formovacích hmot má být minimálně 2,45 N. cm-2. Pevnost vzrůstá nejvíc v první hodině po ztuhnutí, ale při vlastním zpracování v laboratoři ji negativně ovlivní větší množství vody, než určuje výrobce. Každý milimetr vody navíc výrazně snižuje pevnost po ztuhnutí i po vyhřátí formy.

Porozita formovací hmoty, tj. její prodyšnost, napomáhá k úniku části vzduchu z formy před vnikající roztavenou slitinou. Je závislá na složení formovací hmoty, na velikosti jejích částic a na poměru vody a prášku. Prodyšnější jsou hmoty s vyšším podílem ostřiva: čím větší jsou částečky ostřiva a čím menší jsou rozdíly v jejich velikosti, tím je hmota prodyšnější. Porozita je také vyšší u řidších směsí, což ale nikdy nevyužíváme. Zvlášť pevné formovací hmoty s vysokým podílem sádry jsou málo prodyšné.

Jemnost formovací hmoty určuje, s jakou přesností bude reprodukovat detaily modelu. Předpokladem je co nejmenší velikost částeček ostřiva.

Z dosud uvedených vlastností je patrné, že požadavky na pevnost, zrnitost, prodyšnost a mísicí poměr jsou většinou protikladné a značně komplikují výrobu ideální formovací hmoty.

Za nejzávažnější vlastnosti formovacích hmot považujeme splnění požadavků na vyrovnání objemových změn.

Cílem přesného lití v protetice je získat co nejpřesnější odlitek kovové konstrukce náhrady, což znamená, že v rámci daných klinických a laboratorních možností musí odpovídat výchozímu tvaru. Řešení tohoto problému ztěžují dvě známé okolnosti:

  1. Smrštění voskového modelu, závislé na zpracování vosku se střední hodnotou 0,5 %.
  2. Kontrakce kovové slitiny způsobená ochlazováním při tuhnutí roztavené slitiny až na laboratorní teplotu. Podle druhu a složení slitiny leží mezi 1,25 a 1,8 % (platí pro zlaté slitiny.)

Je tedy nutné, aby v okamžiku odlití byla dutina ve formě větší o 1,75-2,3 %. Využíváme k tomu výhradně objemových změn formovací hmoty, které se skládají z několika dějů:

  • a) objemové změny při tuhnutí formovací hmoty - expanze při tuhnutí (tzv. studená expanze),
  • b) objemové změny při zahřívání formovací hmoty - teplotní expanze,
  • c) objemové změny při chladnutí zahřáté formovací hmoty - teplotní kontrakce.

Ad a) Expanze při tuhnutí závisí na chemicko-fyzikálním chování polohydrátu síranu vápenatého při tuhnutí. Ostřivo je při tuhnutí zcela indiferentní. Expanze je tím větší, čím více sádry hmota obsahuje, a závisí také na druhu sádry. Její velikost tedy značně kolísá a pohybuje se u běžných preparátů mezi 0,1-0,4 %. V roce 1932 byla objevena tak zvaná hygroskopická expanze – přidáním vody k tuhnoucí hmotě lze zvýšit velikost expanze. Hrozí při tom ale deformace voskového modelu, a proto jí nikdy nevyužíváme.

Má-li se ale expanze vůbec uplatnit, je třeba upravit licí kroužek tak, aby tomu svou tuhostí nebránil. Použít k tomu lze některý žáruvzdorný stlačitelný materiál, jako např. vložku z keramických nebo ze skelných vláken.

Ad b) Na kompenzaci kontrakce vosku a kovové slitiny se podílí hlavně teplotní expanze. Teplotní změny obou hlavních složek formovací hmoty přitom probíhají proti sobě: sádra při zahřívání kontrahuje, ostřivo expanduje. K expanzi formy tedy dojde, jen když bude expanze oxidu křemičitého větší než kontrakce síranu vápenatého. (K zamezení nepříznivého vlivu sádry na konečný výsledek se jí proto používá jen nejmenší nutné množství - okolo 25 %.)
Z užívaných modifikací SiO2 má největší expanzi krystobalit. Průběh expanze křemene a krystobalitu je zcela odlišný. U krystobalitových formovacích hmot dochází k největší expanzi mezi 200-300 °C, u křemenných mezi 450-600 °C. Náhlá změna objemu, ke které dochází při teplotní  inverzi, hrozí nebezpečím prasknutí formy zejména u krystobalitových hmot a zvláště při prudkém zahřívání. U křemenných hmot je uvedené nebezpečí menší, protože průběh expanzních změn je u nich pozvolnější.

Celková teplotní expanze hmot obsahujících jako ostřivo křemen dosahuje při zahřátí formy na 750 °C hodnot 0,4-0,7 %, což je pro současné požadavky velice málo. Hmoty s krystobalitovým ostřivem dosahují hodnot podstatně větších: 1,2-1,4 %. Kromě těchto dvou základních typů se vyrábějí ještě hmoty se směsí obou ostřiv (více bývá krystobalitu) s expanzí okolo 1 %.

Velikost tepelné expanze závisí tedy na následujících faktorech:

  • množství ostřiva – tepelná expanze je o to větší, čím více ostřiva hmota obsahuje;
  • druh ostřiva – krystobalitové hmoty expandují více než křemenné;
  • chemické přísady – přísada NaCl, KCl nebo LiCl v malých množstvích vyrovnává kontrakci sádry a zvyšuje tepelnou expanzi křemenných formovacích hmot tak, že se blíží krystobalitovým;
  • poměr vody a prášku – dodržení mísicího poměru je nejdůležitější, protože jeho porušení může výrazně negativně ovlivnit vlastnosti formy; čím řidší směs, tím nižší bude teplotní expanze.

K plnému rozvinutí teplotní expanze dojde jen při vyložení licího kroužku stlačitelnou vrstvou (teplotní expanze kovové obroučky je menší než expanze formy).

Ad c) Teplotní kontrakce. Necháme-li formu, zahřátou na 700 °C chladnout na laboratorní teplotu, dojde ke kontrakci formovací hmoty. Průběh kontrakční křivky téměř sleduje křivku expanze, ale v konečných fázích, zejména při původním nedodržení mísicího poměru může dojít až do negativních hodnot.

Pro praxi to znamená, že přesnost odlitků závisí na délce intervalu od vyjmutí formy z pece do okamžiku odlití: čím bude interval kratší, tím bude odlitek přesnější. Předehřívání formy také nesmí být nikdy přerušeno – hrozí nebezpečí jejího popraskání a při druhém ohřevu už nedosáhne původních hodnot expanze.

Kromě všech dosud uvedených vlastností je významné i chemické chování formovací hmoty. Významné je především chování sádry, která se při vysokých teplotách rozkládá na CaO, SO2 a O2. Slitiny obsahující zlato, palladium, platinu, měď a zinek reagují s oxidem siřičitým jen slabě, a tak nehrozí velké nebezpečí jejich poškození. Nebezpečí však představuje možnost reakce se sulfidem vápenatým - CaS. Ten může vznikat ve formě při nedostatečné eliminaci vosku. Dochází k chemické reakci CaS se slitinou, při níž se vytvářejí nízkotavitelné kovové sulfidy poškozující strukturu odlitku. Nejcitlivější jsou slitiny, které obsahují velký podíl palladia a stříbra.

Ze všech popsaných vlastností vyplývají důležité poznatky pro praxi:

  • sádrové formovací hmoty smějí být vyhřívány jen v elektrických pecích a vypalovací teplota nesmí překročit 750 °C;
  • doba vypalování nemá překročit 45 minut (dobu stanovenou výrobcem);
  • licí vosk musí být z formy úplně a beze zbytku eliminován;
  • používat se mají jen takové hmoty, jejichž teplotní expanze při 750 °C přesahuje 1,0 % lin.;
  • k vakuovému zatmelování jsou vhodné jen pomalu tuhnoucí hmoty;
  • k odlévání slitin obsahujících stříbro a palladium jsou sádrové formovací hmoty nevhodné; pro stejné slitiny platí zákaz používání hmot s přísadou grafitu;
  • všechny hmoty musí být uchovány tak, aby se zabránilo přístupu vlhkosti;
  • nejdůležitější ze všech podmínek je přesné dodržení mísicího poměru V/P, který rozhodujícím způsobem ovlivňuje fyzikální vlastnosti formy.

Spotřeba sádrových formovacích hmot v současné době klesá kvůli nebezpečí ovlivnění struktury odlitku rozkladem pojiva. Doporučuje se je používat vlastně jen pro vysokokarátové zlaté slitiny a zvlášť pro odlévání inlejí a onlejí. Ty mají zpravidla výrazně členěný povrch a z měkčích forem se snáz vybaví.

Jinak je lze ve všech indikacích nahradit hmotami fosfátovými, zahřátými na 700 °C.