Restauração metalocerâmica: um estudo comparativo da compatibilidade térmica de ligas Ni-Cr e porcelanas odontológicas

Metal-ceramic restoration: comparative thermal compatibility of Ni-Cr alloys and porcelains

Material Dentário

Restauração metalocerâmica: um estudo comparativo da compatibilidade térmica de ligas Ni-Cr e porcelanas odontológicas

Metal-ceramic restoration: comparative thermal compatibility of Ni-Cr alloys and porcelains

João Manuel Domingos de Almeida ROLLO^*

Sérgio Mazzer ROSSITTI^**

ROLLO, J. M. D. A; ROSSITTI, S. M. Restauração metalocerâmica: um estudo comparativo da compatibilidade térmica de ligas Ni-Cr e porcelanas odontológicas. Rev Odontol Univ São Paulo, v. 13, n. 1, p. 61-66, jan./mar. 1999.

Uma das aplicações tecnológicas em que é necessário haver compatibilidade entre um material cerâmico e um material metálico é a confecção de restaurações odontológicas do tipo metalocerâmica. Neste caso, uma porcelana é fundida sobre um substrato metálico para obtenção da prótese de um dente. O requisito fundamental para o sucesso da união metalocerâmica é a adequação dos coeficientes de expansão térmica de cada um dos materiais, de forma a se obter um estado de tensão de compressão adequado na camada cerâmica. Este trabalho propôs-se a levantar as curvas de expansão térmica de ligas Ni-Cr e porcelanas odontológicas, através da técnica de dilatometria e verificar a possível compatibilidade térmica dos pares metal/cerâmica. Simulando a entrada de um novo produto no mercado, desenvolveu-se uma liga Ni-Cr experimental denominada SR, que foi comparada a uma liga comercial de Ni-Cr bastante utilizada em restaurações metalocerâmicas. A partir da análise das curvas de expansão térmica, foi possível verificar a compatibilidade dos pares metal/cerâmica quanto à dilatação térmica, segundo os conceitos preconizados por YAMAMOTO⁷ (1985). Sob este aspecto, a liga experimental apresentou valores que a incluem como mais uma opção na família de ligas Ni-Cr para utilização em restaurações metalocerâmicas. Os resultados obtidos indicam que o equipamento e a metodologia utilizados são adequados para análise comparativa da compatibilidade térmica entre ligas metálicas Ni-Cr e porcelanas odontológicas.

UNITERMOS: Compatibilidade; Metalocerâmica; Próteses.

INTRODUÇÃO

A porcelana usada como material de restauração odontológica tem excelente estética e a mais aceitável biocompatibilidade no meio bucal. A técnica de metalocerâmica ou porcelana fundida sobre metal, como também é conhecida, é o método mais largamente utilizado para compensar a natureza extremamente frágil do material cerâmico³. O sucesso dos conjuntos metalocerâmicos depende da compreensão dos mecanismos envolvidos nesta união e na possibilidade de adequação das propriedades de cada um dos componentes, de forma a se obter a estabilidade do conjunto. Dentre outros fatores, é fundamental que a expansão térmica da liga metálica seja apropriada à da porcelana, pois, caso contrário, na etapa de resfriamento do conjunto metalocerâmico, após a fusão da porcelana sobre o metal, se desenvolverá um estado de tensões residuais na interface metal/porcelana que poderá levar ao trincamento do material cerâmico. Em geral, objetiva-se uma liga metálica com coeficiente de expansão térmica ligeiramente superior ao do material cerâmico, visando ter, após o resfriamento do par, um estado de tensões de compressão na porcelana, aumentando a resistência da união metalocerâmica. Esta união é, por si só, extremamente importante, pois toda a restauração estará comprometida se a união se romper¹.

A Figura 1 representa esquematicamente as curvas características da expansão térmica de ligas Ni-Cr e porcelanas comerciais disponíveis para metalocerâmica. A expansão térmica para a liga metálica é praticamente linear no intervalo de temperatura de interesse, pois essas ligas Ni-Cr são austeníticas desde a solidificação até a temperatura ambiente, não apresentando transformação de fases. A curva da porcelana odontológica é característica do estado vítreo, apresentando ponto de transição e de amolecimento⁷.

FIGURA 1
- Curvas esquemáticas de expansão térmica do metal e porcelana para aplicação em restaurações metalocerâmicas⁷.

Segundo YAMAMOTO⁷ (1985), "a diferença na expansão térmica entre metal e porcelana deve ser determinada na temperatura em que a porcelana fundida se solidifica durante o resfriamento. Esta temperatura corresponde ao ponto de amolecimento da porcelana durante o aquecimento". Os limites superior e inferior da diferença da expansão térmica entre metal e porcelana não podem ser determinados de forma absoluta, porém, podem ser indicados dentro de uma ‘faixa segura’. De acordo com a literatura^2,7, é provável que o limite superior da faixa segura seja aproximadamente 0,21%, enquanto o limite inferior seria 0,02% quando a operação de pós-soldagem é levada em consideração.

Do exposto anteriormente, deduz-se que, se conhecermos as curvas de expansão térmica do metal e da porcelana que compõem a restauração metalocerâmica, poderemos escolher o par que conduza ao estado de tensões mais interessante, ou, ainda, poderemos testar alterações de composição química e estrutural do metal ou da porcelana e verificar sua influência na expansão térmica.

MATERIAL E MÉTODO

As ligas Ni-Cr estudadas foram a Resistal e a SR. A liga Resistal é produzida pela Degussa S/A e indicada para aplicação metalocerâmica, utilizando qualquer porcelana comercial⁴; é comercializada na forma de pequenos cilindros de 7 mm de diâmetro e 13 mm de comprimento, obtidos a partir de barras trefiladas e tem composição química nominal: C = 0,1 / Si = 0,2 / Mn = 0,2 / Cr = 20,0 / Ni = 62,0 / Mo = 10,0 / Nb = 4,0 / Fe = 3,5 (% em peso). A liga SR foi desenvolvida experimentalmente durante este trabalho e tem composição química nominal: C = 0,1 / Si = 2,0 / Mn = 2,0 / Cr = 15,0 / Ni = 72,0 / Mo = 4,0 / Nb = 1,0 / Cu = 1,5 / Sn = 1,3 (% em peso). A liga SR foi produzida por fusão a vácuo na forma de cubos fundidos de 10 mm de aresta.

As três porcelanas odontológicas estudadas foram Willceram Porcelain, fabricada pela Williams Gold – Buffalo – USA; Duceram Metallkeramik, fabricada pela Ducera-Dental – Gesellschaft-mbH – Germany; e Vita-VMK 68, fabricada pela Vita Zahnfabrik – M. Kanter Gmb & Co – KG – Germany.

Os corpos-de-prova para ensaio dilatométrico têm dimensões conforme Figura 2.

FIGURA 2
- Dimensões dos corpos-de-prova para dilatometria (mm).

Os corpos-de-prova (CP) metálicos foram obtidos pelo processo de fundição em cera perdida e posteriormente usinados para a dimensão final. O termopar capilar necessário para monitoração da temperatura durante o ensaio de expansão térmica foi soldado no CP através de um microssoldador. Já os CPs cerâmicos, foram obtidos através de uma técnica desenvolvida durante este trabalho e cujas etapas principais são: a) obtenção de um invólucro de folha de platina com a dimensão desejada, que irá conter a massa cerâmica durante os ciclos de cocção; b) inserção do termopar capilar, que ficará retido no CP para controle de temperatura durante o ensaio dilatométrico; c) aplicação com pincel da massa cerâmica dentro do invólucro; d) cocção da porcelana em forno odontológico; e) remoção do invólucro de platina e acabamento do CP.

Para o ensaio de expansão térmica, os CPs metálicos não sofreram nenhum tratamento térmico, permanecendo no estado bruto de fundição. Os CPs de porcelana sofreram ciclos de cocção conforme seqüência: etapa inicial 650°C por 10 minutos seguido de queima a 940°C por 1 minuto e posterior resfriamento ao ar. Para cada tipo de porcelana, foram confeccionados 3 CPs: 1 CP com 2 ciclos de cocção, 1 CP com 3 ciclos de cocção e 1 CP com 5 ciclos de cocção, de forma a representarem a variação no número de cocções utilizado na prática, para obtenção de uma restauração metalocerâmica.

O dilatômetro utilizado para obtenção das curvas de expansão térmica foi um DT1000 da Adamel Lhomargy, que utiliza um transdutor diferencial de variável linear (LVDT) para medição da expansão térmica do CP. Os CPs metálicos foram aquecidos até 720°C a uma taxa de 60°C/minuto e os valores de dL/Lo x T foram plotados automaticamente. Os CPs cerâmicos foram aquecidos a 60°C/minuto até a temperatura de amolecimento característica de cada cerâmica, sendo então os valores de dL/Lo x T plotados automaticamente.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Análise Química - Os resultados da composição química das amostras da liga Resistal e SR estão na Tabela 1.

TABELA 1
- Composição química das ligas Resistal e SR analisadas por via úmida (% em peso)

A liga Resistal apresentou valores bastante próximos à composição nominal. Na liga SR, obtiveram-se valores próximos aos objetivados no cálculo da carga, evidenciando a eficiência da fusão a vácuo. O valor de 0,3% de Fe não era esperado e pode ter advindo de uma provável contaminação do cadinho do forno de indução, por corridas anteriores.

Expansão térmica - O gráfico da Figura 3 mostra as curvas de expansão térmica da liga Resistal e SR. Observa-se que o coeficiente de expansão térmica (a) definido como a inclinação da curva dL/Lo x T, aumenta com o aumento da temperatura, conforme indicado por VAN VLACK⁶ (1973). O a médio a 700°C observado para a liga Resistal é de 14,87 x 10^-6/°C, enquanto para a liga SR é 15,15 x 10^-6/°C, isto é, uma diferença próxima de 2%. As ligas SR e Resistal não apresentaram transformações de fase na faixa de temperatura estudada (que seriam caracterizadas por mudanças bruscas na inclinação da curva dL/Lo x T) e têm coeficiente de expansão térmica dentro da faixa de 13,5 a 15,5 x 10^-6/°C, citada por BINNS² (1983), como característica das ligas Ni-Cr aplicadas em restauração metalocerâmica.

FIGURA 3
- Curvas de expansão térmica das ligas Resistal e SR.

As curvas de expansão térmica das porcelanas foram agrupadas de acordo com o número de cocções sofridas pelos CPs. Na Figura 4, tem-se a situação de 2 ciclos de cocções e, nas Figuras 5 e 6, as situações de 3 a 5 cocções, respectivamente. Observa-se que todas as curvas obtidas têm o formato descrito por NORTON⁵ (1973) como característico do estado vítreo.

FIGURA 4
- Curvas de expansão térmica das porcelanas após 2 ciclos de cocção.

FIGURA 5 -
Curvas de expansão térmica das porcelanas após 3 ciclos de cocção.

FIGURA 6
- Curvas de expansão térmica das ligas porcelanas após 5 ciclos de cocção.

Com os resultados anteriormente obtidos, constitui-se a Tabela 2, que mostra os valores de dL/Lo para as cerâmicas e para as ligas metálicas medidas nas temperaturas de amolecimento de cada amostra de porcelana. As diferenças entre os valores de dL/Lo do metal e da porcelana também estão destacadas para avaliação de cada par metalocerâmico, segundo a prática desenvolvida por YAMAMOTO⁷ (1985).

TABELA 2 -
Diferenças entre os dL/Lo do metal e da porcelana nas temperaturas de amolecimento das porcelanas

Analisando os dados da Tabela 2, verifica-se que a temperatura de amolecimento das porcelanas variou com o número de queimas sofridas pelas amostras. Para a Duceram, observou-se o intervalo de 644 a 653°C. A Willceram variou de 695 a 700°C e a Vita variou no intervalo de 680 a 708°C. Há que se levar em consideração a provável diferença na posição do termopar dentro de cada uma das amostras, pois à medida que o termopar se encontra mais próximo da superfície do corpo de prova, maior será a influência da inércia térmica do corpo de prova.

Os valores de expansão térmica das porcelanas crescem à medida que aumenta o número de queimas no ciclo de cocção: Duceram: de 0,766 (2 queimas) para 0,809% (5 queimas), variação de 5,6%; Willceram: de 0,852 (2 queimas) para 0,922% (5 queimas), variação de 8,2%; Vita: de 0,783 (2 queimas) para 0,878% (5 queimas), variação de 12,0%.

Embora a porcelana Willceram tenha a maior expansão térmica na temperatura de amolecimento, a porcelana Vita é a que tem maior variação de expansão em função do número de queimas.

A variação observada em função do número de queimas crescente indica que está havendo provavelmente precipitação e aumento da quantidade de cristais de leucita na matriz vítrea. Como destacado por BINNS² (1983) e YAMAMOTO⁷ (1985), quanto maior a quantidade desses cristais, mais pronunciado é o efeito na expansão térmica, pois esses cristais têm coeficiente de dilatação térmica da ordem de 27 x 10^-6/°C.

As diferenças entre as expansões térmicas do metal e da porcelana variaram para os pares:

SR-Duceram de 0,160% a 0,134%;

SR-Willceram de 0,178% a 0,108%;

SR-Vita de 0,211% a 0,168%;

Resistal-Duceram de 0,138% a 0,112%;

Resistal-Willceram de 0,160% a 0,090%;

Resistal-Vita de 0,189% a 0,150%.

Segundo YAMAMOTO⁷ (1985), a faixa de diferença entre as expansões, considerada "segura" é de 0,21% a 0,02%. Acima de 0,21%, haverá o risco de fratura por compressão excessiva da cerâmica e, abaixo de 0,02%, haverá o risco de fratura por tração na porcelana. Destaca, porém, que, como a expansão térmica varia dependendo da manipulação dos materiais, poderão ocorrer trincamentos se eles não forem manuseados corretamente, ou se utilizados em condições impróprias, mesmo estando dentro da faixa de diferenças seguras.

Desta forma, no par SR-Vita 2 queimas, ocorre o risco de fratura por compressão na porcelana. Contudo, há que se lembrar que esta trinca pode ser suprimida com uma queima adicional da restauração metalocerâmica.

Todos os demais pares estariam aptos a ser utilizados na confecção de uma restauração metalocerâmica sem risco de incompatibilidade dilatométrica.

O equipamento e a metodologia utilizados neste trabalho permitiram obter as curvas de expansão térmica de 2 ligas Ni-Cr: Resistal e SR, e das porcelanas odontológicas: Duceram, Willceram e Vita-VMK 68. Desta forma, a compatibilidade entre os pares de porcelana e metal pôde ser efetivamente determinada.

CONCLUSÕES

1. As curvas de expansão térmica, plotadas em dL/Lo x T, para as ligas Resistal e SR estão de acordo com as curvas de materiais metálicos sem transformação de fases na faixa de temperatura estudada. Os coeficientes de expansão térmica, medidos no intervalo de temperatura Tamb a 700°C, são 15,15 x 10^-6/°C para a liga experimental SR e 14,87 x 10^-6/°C para a liga comercial Resistal;

2. as curvas de expansão térmica, plotadas em dL/Lo x T, obtidas para as porcelanas odontológicas estudadas, apresentaram a faixa de transição e o ponto de amolecimento de forma nítida. As temperaturas de amolecimento variaram na faixa de 644 a 708°C;

3. nossas observações confirmam resultados obtidos por outros autores, em relação ao número de queimas durante o ciclo de cocção. A porcelana Vita, dentre as por nós estudadas, foi a que apresentou variação de maior expansão térmica em relação ao número de cocção;

4. as diferenças entre os valores de expansão térmica (medidas em dL/Lo nas temperaturas de amolecimento de cada amostra) do metal e da porcelana, para os pares meta-locerâmicos estudados, variaram de 0,211% a 0,09%, ficando dentro da faixa de segurança definida por YAMAMOTO⁷ (1985) para restaurações metalo-cerâmicas: 0,21% a 0,02%;

5. a liga experimental SR, que apresentou um coeficiente de expansão térmica ligeiramente superior ao da liga Resistal, pode ser utilizada em conjunto com as porcelanas estudadas na confecção de restaurações metalocerâmicas, sob o ponto de vista de compatibilidade de coeficientes de expansão térmica.

ROLLO, J. M. D. A; ROSSITTI, S. M. Metal-ceramic restoration: comparative thermal compatibility of Ni-Cr alloys and porcelains. Rev Odontol Univ São Paulo, v. 13, n. 1, p. 61-66, jan./mar. 1999.

One of the technological applications where a metal-ceramic compatibility is necessary, is the dental restoration build-up, known as metaloceramic. In this case, a porcelain is fused on a metal substructure to have a dental prosthesis. The basic requirement for the success of this dental restoration is the adjustment of the thermal expansion coefficient of each material to achieve a compression stress on the ceramic layer. This study was carried out to obtain the thermal expansion curves for Ni-Cr alloy and dental porcelains to analyze the thermal compatibility between metal-ceramic. Simulating the introduction of a product on the market, an experimental Ni-Cr alloy was developed and compared with another largely commercialized Ni-Cr alloy. By analyzing these data, it was possible to verify the compatibility of each metal-ceramic pair regarding the thermal expansion behavior, using the Yamamoto’s (1985) methods. In conclusion, the results of the new experimental alloy showed values that can include it as one more option inside the Ni-Cr alloy family used in metaloceramic dental restoration. The results clearly indicate that the methodology and equipment applied to this work are adequate to proceed a comparative study on thermal compatibility of Ni-Cr alloys and dental porcelains.

UNITERMS: Compatibility; Metaloceramic; Dental prosthesis.

Recebido para publicação em 18/11/97

Reformulado em 07/05/98

Aceito para publicação em 27/10/98

** Engenheiro de Materiais, Gerente Industrial da FUNDINOX - Jundiaí - SP.

• ¹
  BERTOLOTTI, R. L.; MOFFA, J. P. Creep rate of porcelain bonding alloys as a function of temperature. Journal of Dental Research, v. 59, n. 12, p. 2062-2065, Dec. 1980.
• ²
  BINNS, D. The chemical and physical properties of dental porcelain. In: McLEAN J. E., ed. Dental ceramics: proceedings of the first international symposium on ceramics. Chicago : Quintessence, 1983. p. 41-82.
• ³
  CRUICKSHANKS-BOYD, D. W. Alternatives to gold porcelain bonding alloys. Dental Update, v. 8, n. 3, p. 111-119, Mar. 1981.
• ⁴
  DOMINGUES, F. A. Seqüência de trabalho e produtos utilizados para confecção de uma prótese fixa pela técnica metalocerâmica. In: Manual técnico da linha de produtos para prótese São Paulo : Degussa, 1991. p. 1-30.
• ⁵
  NORTON, F. H. Introdução à tecnologia cerâmica São Paulo : Edgard Blücher; EDUSP, 1973. Cap. 17, p. 200-210.
• ⁶
  VAN VLACK, L. H. Propriedades dos materiais cerâmicos São Paulo : Edgard Blücher; EDUSP, 1973. Cap. 9, p. 130-134.
• ⁷
  YAMAMOTO, M. Metal ceramics: principles and methods of Makoto Yamamoto. Chicago : Quintessence, 1985. Cap. 1, p. 15-202.

*

Professor Associado da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo - USP.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  02 Dez 1999
• Data do Fascículo
  Jan 1999

Histórico

• Aceito
  27 Out 1998
• Revisado
  07 Maio 1998
• Recebido
  18 Nov 1997