Development of experimental Ag-based brazing alloys for orthodontic applications

Abstract

Ag based soldering alloys are widely used in the fabrication of orthodontic appliances and always concerned the literature for their potential to release Cu and Zn through corrosion and/or wear mechanisms. Aim: The development of experimental Ag based brazing alloys free of Cu and Zn.Materials and Methods: Four commercially alloys were selected: Dentaurum Universal silver Soldering, Leone Orthodontic Solder, Nobil Metal Solder and Orthotechnology Silver Solder. The experimental alloys Ag12Ga, Ag10Ga5Sn, Ag20In and Ag7Sn were fabricated in an induction melting machine. 14 disk shape specimens were prepared for each alloy by melting each material in a reducing flame and after metallographic preparation SEM-EDX and XRD analysis was preformed. The hardness was measured employing Vickers testing. The electrochemical properties were evaluated by OCP, PDS, CP and EIS in a NaCl 0.9% and a Ringer’s electrolyte solution with the use of a mini cell system. Immersion testing was performed in the same solutions and the extracts of 4, 7 and 10 weeks were imposed to ICP analysis for the evaluation of ions concentrations. Hardness, OCP, Icorr and Ecorr were statistically analyzed by one way ANOVA and Holm-Sidak multiple comparison procedure (a=0.05). The results of the ICP were statistically analyzed using two way ANOVA and Holm-Sidak multiple comparison procedure (a= 0.05).Results: Commercially alloys belong to the Ag-Zn-Cu ternary system and are consisted of a Ag rich and a Cu rich FCC phase. AgGa and AgGaSn are two phase alloys whereas AgIn and AgSn single phase. All alloys demonstrated similar melting temperature range. The commercially alloys demonstrated higher hardness values. The OCP and Ecorr values were higher for the experimental alloys showing greater resistance to oxidation, whereas the Icorr magnitudes were lower indicating lower reaction kinetics. All alloys tested formed oxides and chlorides, though in the case of the commercially alloys a steady surface layer could not be formed and any salt depositions were vulnerable to pitting corrosion phenomena. Immersion testing revealed the release of Cu and Zn ions from the commercially alloys and Ga ions from AgGa and AgGaSn.Conclusions: The commercially alloys demonstrate an inferior behavior compared to the experimental ones. From the experimental alloys AgIn and AgSn showed a promising behavior as they did not release any ions in vitro and expressed low corrosion vulnerability.

Οι κολλήσεις Ag χρησιμοποιούνται ευρύτατα για τη παρασκευή ορθοδοντικών μηχανημάτων αν και μπορούν να απελευθερώσουν Cu και Zn στο στοματικό περιβάλλον μέσω μηχανισμών διάβρωσης.Σκοπός: Η παρασκευή πειραματικών κραμάτων Ag που δε περιέχουν Cu και Zn.Μέθοδος – Υλικά: Χρησιμοποιήθηκαν 4 εμπορικά σκευάσματα: Dentaurum Universal silver Soldering, Leone Orthodontic Solder, Nobil Metal Solder και Orthotechnology Silver Solder και παρακευάστηκαν 4 πειραματικά κράματα: Ag12Ga, Ag10Ga5Sn, Ag20In and Ag7Sn. 14 δίσκοι από κάθε υλικό παρασκευάστηκαν λιώνοντας κατάλληλη ποσότητα σε αναγωική φλόγα και μετά από μεταλλογραφική παρασκευή τα δείγματα υποβλήθηκάν σε ανάλυση με SEM-EDX και XRD. Η σκληρότητα μετρήθηκε με δοκιμασία Vickers. Οι ηλεκτροχημικές ιδιότητες προσδιορίστηκαν με OCP, PDS, CP και EIS σε διαλύματα NaCl 0.9% και Ringer’s. Οι τιμές της σκληρότητας, OCP, Icorr και Ecorr υποβλήθηκαν σε στατιστική ανάλυση one way ANOVA και δοκιμασία πολλαπλών συγκρίσεων Holm-Sidak (a=0.05). Για τις συγκεντρώσεις των ιόντων χρησιμοποιήθηκε two way ANOVA και δοκιμασία πολλαπλών συγκρίσεων Holm-Sidak (a=0.05). Αποτελέσματα: Τα εμπορικά σκευάσματα ανήκουν στο σύστημα Ag-Zn-Cu και αποτελούνται από μια φάση πλούσια σε Αg (FCC) και μία πλούσια σε Cu (FCC). Τα κράματα AgGa και AgGaSn είναι διφασικά ενώ τα AgIn και AgSn μονοφασικά. Όλα τα κράματα εμφανίζουν παραπλήσιες θερμοκρασίες τήξεως. Τα εμπορικά σκευάσματα εμφανίζουν υψηλότερη σκληρότητα. Οι τιμές OCP και Ecorr είναι υψηλότερες για τα πειραματικά σκευάσματα υποδηλώνοντας μεγαλύτερη αντίσταση σε οξείδωση, ενώ οι τιμές Icorr είναι χαμηλότερες και συνεπώς οι ταχύτητες των αντιδράσεων είναι μικρότερες. Σε όλα τα κράματα σχηματίζονται χλωρίδια και οξείδια αλλα στα εμπορικά δεν είναι εφικτή η δημιουργία ενός σταθερού επιφανειακου στρώματος. Η δοκιμασία εμβυθυνσης έδειξε ότι τα εμπορικά κράματα απελευθερώνουν Cu και Zn ενώ τα AgGa και AgGaSn ιόντα Ga.Συμπεράσματα: Τα εμπορικά σκευάσματα εμφανίζουν χειρότερη συμπεριφορά από τα πειραματικά. Από τα πειραματικά τα AgIn και AgSn έδειξαν τη καλύτερη συμπεριφορά αφού δεν απελευθερώνουν ιόντα και εμφανίζουν υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση.