Optimización superficial de alambres de ortodoncia de Ni-Ti superelástico mediante nitruración gaseosa. Parte 1: caracterización de las temperaturas de transformación y de la superelasticidad

Biomecái~ica, VI, 11 (81-87), 1998 ORIGINALES F. BOCCIO A. MEMBRIVE* Op imización supe icial de alamb es M. V. ALFONSO J. LL. TAMARIT*" A. CAMPOS de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico E. SOLANO F. J. GIL* median e ni u ación gaseosa. G upo de in es igación en O odoncia. Facul ad de Odon ología Uni e sidad Pa e 1: ca ac e ización de las empe a u as de Se illa TREB. Depa amen o de Ciencias de los de ans o mación y de la supe elas icidad Ma e iales e Ingenie ía Me alú gica. **Depa amen o Física e Ingenie ía Nuclea . ETSEIB Uni e sidad Poli écnica Su ace 0p imiza ion 0 supe elas ic Ni-Ti de Ca aluña. o hodon ic wi es by gaseous ni u a ion. Pa 1: cha ac e iza ion o ans o ma ion and supe elas ici y empe a u es Resumen Summa y Uno de los p oblemas más impo an es en O odoncia es la al a de deslizamien o de los alamb es de O odoncza sob e el b acke , zmpidiendo una buena e apia pa a la co ección de las posiciones den ales. Se han cambiado diseños y ma e iales de los b acke s, pe o no se ha abajado con los alamb es. Es e es udio mues a la n u ación gaseosa como un e icaz mé odo de mejo a del desliza- mien o de los alamb es o odóncicos de Ni-Ti supe elás ico (com- posiciones ce canas a la equia ómica) espec o al b acke , p inci- pal incon enien e de es as aleaciones en la aplicación o odóncica. Se comp obó el e ec o que la ni u ación iene sob e la o maczón de ase ma ensí ica nducida po ensión, y po lo an o en las p op edades supe elás cas eon ayuda de ensayos a acc ón a 20 y 37T, así como con calo ime ías DSC que pe mi en la de e mi- nac ón de las cua o empe a u as ca ac e ís cas de la mns o - mación ma ensí ica e moelás ica: A,, M,, A, y MF. Se obse ó un acusado descenso de las empe a u as de ans o mación en mues as empladas en agua, mien as que mues as dejadas en- pia en ho no mos a on un descenso más mode ado. Es as úl i- mas p esen a on supe elas ic dad en un ango de empe a u as li- ge amen e dis in o al del ma e ial de pa ida. One o he mos mpo an p oblems zn O hodon cs s he lack o sl pp ng be ween he wz es on he bmcke , a o d ng he good he apy o he ee h co ec zon Se e nl deszgns and ma e zals ha e been es ed o he b acke s, bu he e a e no wo ks w h he a chwz es In hls pape , he zmp o emen o he slzppzng p ope - es be zoeen he NI-T supe elas c o hodon c a chw es and he b acke s has been shown by he n ogen d us on ea men . The h gh alue o he c on coe ic en s he ma n p oblem o he use o hese a chwz es n o hodon cs The e ec o he an um n zde coa zng on he s ess znduced ma ens zc ans o ma zon, on he supe elas zc p ope es, and he ans o ma zon empe a u- es has been s udzed An mpo an dec ease o he ans o ma zon empe a u es A,, M,, A, y M, o he samples qzienched zn wa e a e he hea ea men has been obse ed Th s dec ease s lowe when he samples a e cooled on he u nace and he samples, zn hzs case he N -Ti a chw es p esen szipe elas zc p ope es. Key wouds: Supe elas ici y. Ni-Ti. Ni ogen Di usion ea - men . Palab as cla e: Supe elas icidad. Ni-Ti. Ni u ación. Co espondencia P o . D F. J. GIL MUR Dp o. de C~encias de los Ma e iales e Inge- nie ía Me alú gica ETS de Ingenie ía Indus ial Uni e sidad Poli écni- ca de Ca aluña. A da. Diagonal, 647 08028 Ba celona VOL. VI No 11,1998 Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico. 81 In oducción ope a, con olado po las empe a u as de ans o ma- ción ma ensí ica e moelás ica. des ués de a a del El desa ollo de nue as aleaciones ha con ibuido de mane a muy signi ica i a a la e olución de los a- amien os odon ológicos. Los ma e iales adicional- men e empleados como el Au, ace o inoxidable o Co- C -Ni han dado paso a una nue a gene ación de alea- ciones con unas excelen es ca ac e ís icas de enaci- dad y de ecupe ación en e a g andes ala gamien os. Es as nue as aleaciones me álicas ales como aleacio- nes de Ti-P (Ti-Mo) o el Ni-Ti ma ensí ico abajado en ío o ecen g andes en ajas en la mecano e apia o odóncica. Sin emba go, el ma e ial que o ece unas p opiedades más adecuadas es el Ni-Ti supe elás ico', p ecisamen e po que su supe elas icidad ans o ma- cional (en la que se induce una ans o mación ma - ensí ica al ca ga y la e ans o mación al desca ga ) le pe mi e aplica unas ensiones mode adas al pe io- don o, sob elle ando, sin emba go, de o maciones e- la i amen e g andes. Es pues un ma e ial con una e- cupe ación (sp ingback) excelen e y con una muy baja igidez. Es o es de i al impo ancia en o odoncia, ya que las ue zas de baja in ensidad man enidas de ma- ne a con inua son las que han demos ado una mayo e ec i idad y un meno pe íodo de a amien o en la co ección de maloclusiones den ales. Sin emba go, los a cos o odóncicos de Ni-Ti co- me cializados ac ualmen e p esen an unas malas p o- piedades de deslizamien o espec o a su elemen o de guiado (el b aclce ). Es e incon enien e malba a a las excelen es p opiedades de es as aleaciones, a las que hay que suma su biocompa ibilidad6. La de o ma- ción plás ica supe icial y la ele ada icción con el b acke pueden hace inú iles los es ue zos de un de- e minado a co e incluso p o oca mo imien os den- a ios no deseados. Po o o lado, cabe des aca que la adición con o- lada de Cu al Ni-Ti aumen a la es abilidad de las em- pe a u as de ans o mación en e pequeñas a ia- ciones de composición química y educe la his é esis é mica (pequeños incon enien es ambos de las alea- ciones Ni-Ti supe elás icas en su uso en o odoncia), p opo cionando un sis ema de ue zas más adecuado al a amien o o odóncico y mejo ando la o mabili- dad y las p opiedades de deslizamien o. No obs an e, la mejo a en las p opiedades ibológicas de es as alea- ciones es muy insu icien e y ampoco llega a mínimos deseables desde el pun o de is a del con ac o a co- b acke (aunque g acias a las o as en ajas la u iliza- ción de los a cos de Ni-Ti-Cu ha aumen ado ecien e- men e). Bas e como p ueba de la impo ancia de es e p oblema en el a amien o o odóncico el hecho que ya exis an soluciones al p oblema en ocadas desde el o o pun o de is a, el b aclce , del que se emplean cons ucciones llamadas supe deslizan es, aunque con un cos o muy ele ado. El obje i o del p esen e abajo es el es udio del man- enimien o de las p opiedades de supe elas icidad ans o macional y el ango de empe a u as a la que Ni-Ti supe elás ico median e ni u ición gaseosa. Es e a amien o se aplica pa a log a la op imización supe - icial pe seguida en el Ni-Ti, ya que se ha p e e ido pa - i de es as aleaciones, más blandas que las de Ni-Ti-Cu. F en e a las muchas al e na i as de a amien os de op imización supe icial, se ha con iado en un i a a- mien o e moquímico supe icial de ni u ación gaseo- sa, p incipalmen e po su sencillez y economía (sob e odo en e a la al e na i a de los b acke s supe desli- zan es) combinados con una nada desdeñabh uncio- nalidad p obada ya en o as aleaciones de uso médico5, en las que se mejo ó conside ablemen e las p opiedades deslizan es y el desgas e. En la li e a u- a exis en an eceden es de o os a amien os supe i- ciales del Ni-Ti4,7-9. LOS más in e esan es en la a lica- ción o odóncica son los de implan ación de iones ni- ógeno y el sho peening, basados en una amo iza- ción, que han demos ado man ene in ac as las p o- piedades de memo ia de o ma? Sin emba go, no se alcanzan alo es de mic odu eza más allá de 5OOHV. Se ha plan eado la di usión po ni u ación gaseosa".", pe o es e úl imo es udio se concen a en un ango de composiciones cuyo compo amien o se aleja mucho de la supe elas icidad, la cual se p esen a en compo- siciones ce canas a la eauia ómica. Las empe a u as de ans o mación ma ensí ica e moelás ica con olan en g an medida la supe elas- icidad y con iene sabe que' el Ni-Ti supe elás ico es una aleación ca az de ansi a a dis in as ases en I unción de la empe a u a y ensión. En iando, y a una ensión nula, se llega a una empe a u a M, donde se inicia la ans o mación de la ase aus ení i- ca en ma ensí ica, has a que a la empe a u a M, acaba dicha ans o mación. En sen ido con a io. ca- len ando y a ensión nula, se da la e ans o mación de ma ensi a en aus eni a, de inida po las empe a- u as de As y A, que de inen su inicio y in espec i- amen e. Si, en cambio, la empe a u a es cons an e y si uada en un ango ap opiado, y se ca ga el ma e ial, se llega una ensión al que la ma ensi a es inducida po ensión a pa i de aus eni a. Al desca ga , se llega a una ensión donde la ma ensi a e ans o ma y el ala gamien o que había sido abso bido po el cambio de ase se in ie e, con lo que la ecupe ación es idealmen e o al. Es e úl imo e ec o es el unda- men o del e ec o supe elás ico. La de e minación de las cua o em e a u as ca ac e ís icas de la ans o - mación ma ensí ica y de la e ans o mación se hace necesa ia pa a la es imación del ango de empe a u- a en el que puede exis i la supe elas icidad (la com- p obación de ini i a son los ensayos ensión-de o - mación a una empe a u a dada). La supe elas icidad sólo pude exis i en e As y MD (MD es la empe a u- a más al a en la que puede induci se ma ensi a po ensión; po encima de M,, después de una zona elás- ica la de o mación se da á g acias a la gene ación y mo imien o de dislocaciones de la a~s eni a)~-~. 82 F. Boccio y cols. Ma e ial y me odología expe imen al El ma e ial empleado ue Ni-Ti supe elás ico (44,1% en peso Ti) en o ma de a cos de o odoncia come ciales de sección ci cula (diáme o 0.018"), su- minis ados po la i ma ORMCOO. En la igu a 1 se mues a su compo amien o supe elás ico a la empe- a u a de 37T, y en la abla 1 se ecogen los p ome- dios de dis in as mediciones de las empe a u as ca- ac e ís icas de la ans o mación ma ensí ica. Ob- sé ese que a 37T, empe a u a de se icio del ma- e ial, és e p esen a una ase ausení ica. Las ni u aciones gaseosas se ealiza on sin p e ia p epa ación de la mues a, al y como llega el ma e- ial al o odoncis a. Se empleó un ho no ubula ali- men ado po ni ógeno gaseoso de al a pu eza, con un lujo ci culan e y ap oximadamen e cons an e, su- icien e como pa a e i a la con aminación de la a - mós e a in e io . P e iamen e a cualquie ni u ación, la na e a ce ámica po amues as ue calen ada pa a elimina posibles p esencias de apo de agua y se man u o un lujo de ni ógeno de 1 l/min, pa a ase- gu a la expulsión del ai e en el in e io del ubo. Una ez anscu ido el iempo de ni u ación, se p ocedió según dos mé odos: 1) Ex acción de la mues a bajo un ele ado lujo ci culan e de N, pa a e i a la oxidación, e inmedia- amen e emple en agua a 20" C. 2) En iamien o en ho no, siemp e en a mós e a de N,, ci culando el lujo imp escindible pa a e i a la oxidación. Se ni u ó a es empe a u as: 800, 900 y 1.000" (supe io es a la de ec is alización, si uada al ededo de 700" C) an o pa a las mues as empladas como pa a las dejadas en ia en el ho no. La o a a iable con olado a del p oceso, el iempo de ni u ación, se ijó en 15,30,45 y 60 minu os pa a las mues as em- pladas en agua. Pa a las mues as dejadas en ia en Tabla 1. Tempe a u as ca ac e ís icas de ans o mación del ma e ial de pa ida Tempe a u as de ans o mación (eC) M S M, As A, - 29 -9,5 -8,5 33 ho no se emplea on iempos de 3,5,10 y 20 minu os, eniendo en cuen a que el iempo e ec i o de ni u a- ción es mayo ya que mien as se en ían, las mues- as siguen en a mós e a de ni ógeno. Es impo an e menciona que las ni u aciones ue- on eplicadas un mínimo de dos eces, de mane a que una de ellas se des inó al DSC y o a a los ensa- yos mecánicos de acción. Po las es ables ca ac e ís- icas de con ol del p oceso ( iempo, empe a u a, y en meno medida, el lujo de ni u ación), los au o es no c eemos que se haya in oducido sesgo o con u- sión alguna al compa a dis in as p opiedades de un mismo caso a pa i de dos éplicas dis in as. Se ealiza on análisis calo imé icos DSC (Di ie en- ial scanning calo ime y) pa a la ob ención de las em- pe a u as de ans o mación an o de las mues as a adas como del ma e ial en es ado de ecepción. El equipo empleado ue un Uni e sal TA 2920 MDSC:, y la elocidad de en iamien o/calen amien o emplea- da de 2T/min en un ango de -50" a a- -50T. El a co o odóncico abaja sob e odo a lexión, en meno medida a o sión y es ue zo axial. Sin emba - go, se e ec ua on ensayos ensión-de o mación a ac- ción an o a empe a u a ambien e de 20" C como a la empe a u a co po al de 37". A modo compa a i o el ensayo de acción es pe ec amen e álido y pe - mi e ca ac e iza pe ec amen e la supe elas icidad ans o macional. El equipo empleado ue una má- quina elec omecánica MTS-ADAMEL I,HOMAIZGY, con el alamb e ijado a una longi ud de 20 mm y una elocidad de mo dazas de 1 mm/min. Se ca gó has a un ala gamien o del 5% y se desca gó. En los ensayos a empe a u a co po al se loga on los 37" calen an- do con lujo de ai e calien e una cáma a aislan e si- uada en e mo dazas y con olando la empe a u a del alamb e con un e mopa . Resul ados expe imen ales y discusión Pa a las mues as empladas en agua, las medidas calo imé icas mos a on un acusado descenso de las o loO 0; cua o ma e ial empe a u as en es ado de ecepción de ans o mación (Fig. 2). Es espec o sabido que al -100 E (%) a composiciones más pob es en Ti co esponden em- pe a u as de ans o mación más bajas. I'o lo an o, FIG. l.-Ensayos o/& a acción a 37" C del ma e ial en es- pudie a explica se es e descenso como sul an e de la ado de ecepción. o mación de ni u os (ine i ablemen e ambién de VOI.. VI No 11,1998 Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico.. . 83 FIG. 2.-Tempe a u as de ans o mación pa a las mues- as empladas en agua, en unción de los dis in os iempos y empe a u as de ni u ación. óxidos u oxini u os) de i anio, pe o en cualquie caso, con un a amien o de sólo 15 minu os se hab ía sa u ado la capacidad eac i a del i anio, ya que As, M,, A, y M, ( odas ellas ex emadamen e sensibles a la composición) no a ia on signi ica i amen e pa a iempos de a amien o mayo es (Fig. 2). Como ya se e á más adelan e, las mues as a a- das y dejadas en ia en ho no no p esen a on un des- censo an d ás ico de las empe a u as de ans o - mación. En consecuencia. el discenso uod ía se a i- I buido, además de pequeños cambios en la composi- ción química, a la o mación de acan es c eadas a las al as empe a u as del a amien o. El emple no pe - mi i ía que o os á omos llenasen los huecos en la ed debido a la al a elocidad de en iamien o. Po un lado, las acan es a o ecen la p ime a e apa de la ans o mación, un mo imien o de cizalladu a com- binado con el mo imien o po acan es. En la segun- da y úl ima e apa, la ma ensi a e moelás ica del Ni- Ti su~e elás ico se o ma en un D oceso de acomoda- 1 I ción po maclado, que o ma placas de ma ensi a acomodada colindan e con la ase i (o aus eni a) ma- iz. Pe o si la ase aus eni a p esen a una g an densi- dad de acan es, la in e ca a con las placas ma ensí- icas segu amen e end á g andes di icul ades en a anza . Pa ece se que un g an núme o de acan es anclan la ans o mación1. Los ensayos de acción a empe a u a ambien e y a 37'! C de las mues as empladas en agua no mos- a on en ningún caso supe elas icidad, lo que de acue do con los esul ados del DSC es lógico (Fig. 3); a mayo iempo y empe a u a de ni u ación, más acusado es el compo amien o ágil y sólo en los casos menos se e os se pudo ap ecia una de o ma- ción plás ica has a el 5% de ala gamien o sin llega a o u a. Pa a las mues as dejadas en ia en ho no, las me- didas calo imé icas DSC mos a on un descenso más mode ado de las cua o empe a u as de ans o ma- a) Ensayo a 20" C u) Ensayo a 37' C FIG. 3.-Ensayos de acción de las mues as empladas en agua. Las di isiones en los ejes ep esen an 100 MPa pa a la ensión y un 1% pa a el ala gamien o. 84 F. Boccio y cols. BIOMECANIC~ Tiempo de a amien o a 900" C FIG. 4.-Tempe a u as de ans o mación pa a las mues- as dejadas en ia en ho no, en unción de los dis in os iempos. ción, como puede obse a se en la igu a 4 pa a las a adas a 900" C. Igualmen e, pudie a explica se es e descenso como esul an e de la o mación de ni u os (ine i ablemen e ambién de óxidos u oxini u os) de i anio. En onces la composición química del ma e ial a ia ía, lo que jus i ica ía el descenso de las empe- a u as de ans o mación po muy pequeño que uese el empob ecimien o en i anio. Pudie a pensa - se que, ya que aquí no se da el anclaje de la ans o - mación ma ensí ica po la pe manencia de acan es, el descenso debe ía se aún más le e. No obs an e, es p obable que po la ca ac e ís ica del mé odo de deja en ia las mues as en el ho no las posibilidades de una pequeña oxidación aumen en, y po lo an o el empob ecimien o en i anio sea mayo , con lo que se iene o o mo i o que acusa el descenso de las empe- a u as de ans o mación. Los ensayos de acción en las mues as dejadas en- ia en ho no mues an pa a la empe a u a de se - icio de 37" un compo amien o supe elás ico con ensiones de ans o mación y e ans o mación muy bajas (Fig. 5). Es e compo amien o se da en odos los casos, lo que iene que se debido al empob ecimien- o en Ti que la ni u ación ha p o ocado. O sea, ade- más de la di usión de ni ógeno in e s icial, se han o mado ni u os de i anio en la supe icie más ex e- io . Al baja las empe a u as de ans o mación ambién descienden las ensiones de an o mación. Los ensayos a acción y a empe a u a ambien e de 20" de las mues as dejadas en ia en ho no (Fig. 51, mues an ambién supe elas icidad en odos los casos. Pa a es os úl imos casos, se á in e esan e es udia el g ado de man enimien o de las p opiedades supe - elás icas en unción de la se e idad de la ni u ación. Pa a ello, nos es ú il la compa ación de la de o mación pe manen e al desca ga E,, que nos da una medida de la ma ensi a que no e ans o ma y de la ampli- ud de la zona a ec ada po la ni u ación que no se á suscep ible de expe imen a supe elas icidad (Fig. 6). Como e a lógico espe a , puede obse a se la enden- cia a una mayo de o mación esidual a medida que aumen a la se e idad del emple. a) Ensayo a 20" C b) Ensayo a 37" C Al (%) FIG. 5.-Ensayos de acción de las mues as dejadas en ia en ho no. Las di isiones en los ejes ep esen an 100 MPa pa a la ensión y un 1 % pa a el ala gamien o. VOL. VI No 11,1998 Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico. .. 85 Tiempo (min) Tiempo (min) FIG. 6.-De o mación pe manen e en los ensayos de ac- FIG. 7.-Rendimien o elás ico en los ensayos de acción a ción a 20" de las mues as dejadas en ia en ho no, en 20" de las mues as dejadas en ia en ho no, en unción unción del iempo y empe a u a de ni u ación. del iempo y empe a u a de ni u ación. -- En una aplicación supe elás ica, el endimien o elás ico e puede se en endido como el po cen aje de ene gía elás ica ecupe ada en la desca ga espec o al o al in oluc ado en la ca ga has a un 5% de ala ga- mien o. La obse ación del mismo (Fig. 7) ambién e- ela una mayo pé dida del g ado de supe elas ici- dad con la se e idad de la ni u ación. Como se obse a á en la Pa e 11 de es e abajo la capa de ni u os hace aumen a los alo es de du eza desde 300 unidades Vicke s a alo es supe io es a las 1.100 unidades Vicke s; es e impo an e aumen o de du eza hace que los coe icien es de icción en e el alamb e de Ni-Ti ni u ado y el b acke disminuyan desde 0,50 a 0,25, lo que mejo a de una mane a muy impo an e el deslizamien o de los alamb es. Asimis- mo, es e ecub imien o ha á disminui de mane a e i- caz la esis encia a la co osión y la libe ación de iones al medio isiológico, ya que la capa ine e ni u- ada ac úa como ba e a de la deg adación. Conclusiones Como conclusiones des acamos es ideas. En p i- me luga , cons a a que la ni u ación y pos e io emple en agua a 20" es un mé odo ecnológica- men e in álido. P obablemen e, la o mación de a- can es a al a empe a u a y su pe manencia, impide la mani es ación del e ec o supe elás ico en un ango de empe a u as azonable. De es e modo, el Ni-Ti pe de ía el in e és desde el pun o de is a de su apli- cación en o odoncia. En segundo luga , apun amos la bondad del mé o- do de ni u ación gaseosa y pos e io en iamien o en ho no en is a al man enimien o de las p opiedades supe elás icas. Es e iden e que a iando la composi- ción del ma e ial de pa ida (en iqueciéndolo lige a- men e en Ti), puede llega se a un compo amien o su- pe elás ico más adecuado a 37" después de una ni- u ación gaseosa que endu ezca has a el ni el eque- ido. Sin emba go, es muy p obable que es o no hi- cie a al a si las mues as u ie an más sección que la de los alamb es es udiados que nos ue on suminis- ados. Po úl imo, se ha comp obado que e1 g ado de man enimien o de las p opiedades supe elás icas dis- minuye con la se e idad de la ni u ación. En esumen, es pues asumible que el mé odo de ni- u ación gaseosa es capaz de man ene de alguna mane a las p opiedades supe elás icas de las aleacio- nes Ni-Ti supe elás icas en el seno del ma e ial, al mismo iempo que se ha cons a ado su bondad como mé odo de op imización supe icial. O o aspec o de i al impo ancia es que la implemen ación de es e a amien o sob e el a co de o odoncia no supone iesgo alguno pa a el pacien e, al y como se desp en- de de es udios de la libe ación de iones al medio sali- a del níquel- i anio supe elás ico6. La sencillez, eco- nomía y la mejo a del deslizamien o espec o al b nc- ke jun o con el man enimien o de las p opiedades supe elás icas, hacen del mé odo de ni u ación gaseo- sa del níquel- i anio supe elás ico un candida o p o- me edo en su aplicación o odóncica. Bibliog a ía 1. Rohi CL, Sachde a, Miyazaki S. Supe elas ic Ni-Ti aiioys in o - hodon ics. En: Due ig TW, Mel on KN, S ockel D, Wayman CM, edi o es. Enginee ing aspec s o shape memo y aiioys. London: Bu e wo h-Heinemann; 1990. págs. 452-69. 86 F. Boccio y cols. BIOMECÁXICA