Caracterização da vitrocerâmica de Li2Si2O5 em função do tratamento térmico e da análise da usinagem

Abstract

O dissilicato de lítio, Li2Si2O5, é um material vitrocerâmico muito utilizado na fabricação de próteses dentárias, possui grande destaque por ser biocompatível e devido suas propriedades estéticas, químicas e mecânicas, permite a confecção de próteses a partir da usinagem CAD/CAM (COMPUTER-AIDED DESIGN / COMPUTER-AIDED MANUFACTURING), com elevada precisão dimensional e a possibilidade de restauração imediata em pacientes. Os materiais comerciais são disponibilizados com estrutura Li2SiO3 (metassilicato de lítio) cujas características são: alta usinabilidade e baixa tenacidade à fratura. Após a usinagem das próteses, o material sofre tratamento térmico visando à conversão do Li2SiO3 em Li2Si2O5 (dissilicato de litio), fase de melhor tenacidade e excelente apelo estético. A compreensão desta transformação de fase, seus efeitos na usinabilidade e nas propriedades mecânicas é de interesse tecnológico e científico, pois o material será utilizado como prótese dentária após este processamento. Este trabalho visou à avaliação do Li2Si2O5 em relação as propriedades químicas, físicas e mecânicas quando submetido a diferentes tratamentos térmicos. Foram empregados métodos de caracterização por difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), massa específica aparente, além da determinação da dureza, tenacidade à fratura, constantes elásticas e resistência à flexão biaxial sob diferentes condições de tratamento térmico. Também foram analisados a distribuição de partículas das ferramentas utilizadas no processo de usinagem e os parâmetros de rugosidade Ra, Rz e Rt das superfícies usinadas. Os resultados indicaram que as amostras sem tratamento térmico apresentaram 43,47% de Li2SiO3 e 56,53% de fase amorfa em sua composição. Nessa condição, o material apresenta excelente usinabilidade, com tenacidade à fratura de 1,30 ± 0,02 MPa.m1/2, módulo de elasticidade de 82,3 GPa e resistência à flexão biaxial de 166,3 ± 22,5 MPa. A realização de tratamentos térmicos em temperaturas de 820-840 °C, por diferentes tempos, promove uma redução do teor de fase amorfa e aumento do módulo de elasticidade, refletido no leve aumento da tenacidade à fratura. Ganhos consideráveis de resistência à flexão biaxial são relacionados às condições de tratamento térmico onde apenas o Li2Si2O5 e a fase residual amorfa são encontrados (840 °C-7 min), pois nas condições de tratamento térmico onde as fases Li2SiO3, Li2Si2O5, SiO2 (cristobalita) e fase amorfa coexistem, as características dessas fases promovem tensões residuais, que inibem o aumento da resistência à flexão biaxial.

The lithium disilicate, Li2Si2O5, is a glass-ceramic material widely used in the manufacture of dental prostheses and the main features are its biocompatibility, aesthetic, chemical and mechanical properties which allows the preparation of prostheses from CAD/CAM (COMPUTER-AIDED DESIGN / COMPUTER-AIDED MANUFACTURING) systems, with high dimensional accuracy and the possibility of immediate restoration in patients. The commercial materials are available with Li2SiO3 structure (lithium metasilicate) whose characteristics are: high machinability and low fracture toughness. After the machining of the prostheses, the material undergoes heat treatment aiming at the conversion of Li2SiO3 into Li2Si2O5 (lithium disilicate), phase of better fracture toughness and excellent aesthetic appeal. The understanding of this phase transformation, its effects on machinability and mechanical properties is of technological and scientific interest, since the material will be used as a dental prosthesis after that processing. This work aimed at the evaluation of Li2Si2O5 in relation to chemical, physical and mechanical properties when submitted to different heat treatments. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and apparent specific mass were used for characterization and hardness, fracture toughness, elastic constants, and biaxial flexure strength were investigated under different heat treatment conditions. The particle distribution of the tools used in the machining process and the roughness parameters Ra, Rz and Rt of the machined surfaces also were analyzed. The results indicated that the not heat treated samples presented 43.47% of Li2SiO3 and 56.53% of amorphous phase in their composition. In that condition, the material exhibits excellent machinability, with fracture toughness of 1.30 ± 0.02 MPa.m1/2, Young modulus of 82.3 GPa and biaxial flexure strength of 166.3 ± 22.5 MPa. Heat treatments at temperatures of 820-840 °C for different times, promotes a reduction of the amorphous phase content and increasing on Young modulus, reflected in the slight rise on the fracture toughness. Considerable gains in biaxial flexure strength are related to the heat treatment conditions where as only Li2Si2O5 and amorphous residual phase are found (840 °C-7 min), because heat treatment conditions where as Li2SiO3, Li2Si2O5, SiO2 (cristobalite) and amorphous phases coexist, the characteristics of these phases promote residual stresses, which inhibit the increase of biaxial flexure strength.