Disminución de la fricción en alambres de NITI mediante difusión controlada de nitrógeno

Abstract

El desarrollo de nuevas aleaciones ha contribuido de manera muy significativa a la evolución de los tratamientos odontológicos. Los materiales tradicionalmente empleados como el Au, acero inoxidable o Co-Cr-Ni han dado paso a una nueva generación de aleaciones con unas excelentes características de tenacidad y de recuperación frente a grandes alargamientos. Estas nuevas aleaciones metálicas tales como aleaciones de Ti-B (Ti-Mo) o el Ni-Ti martensítico trabajado en frio ofrecen grandes ventajas en la mecanoterapia ortodóncica. Sin embargo, el material que ofrece unas propiedades más adecuadas es el ni-Tik superelástico, precisamente porque su superelasticidad transformacional (en la que se induce una transformación martensítica al cargar y la retransformación al descargar) le permite aplicar unas tensiones moderadas al periodonto, sobrellevando, sin embargo, deformaciones relativamente grandes. Es pues un material con una recuperación (springback) excelente y con una muy baja rigidez. Esto es de vital importancia en ortodoncia ya que las fuerzas de baja intensidad de manera continua son las que han demostrado una mayor efectividad y un menor periodo de tratamiento en la corrección de maloclusiones dentales. Sin embargo, los arcos ortodóncicos de Ni-Ti comercializados actualmente presentan unas malas propiedades de deslizamiento respecto a su anclaje con el diente (el bracket). Este inconveniente malbarata las excelentes propiedades de estas aleaciones, a las que hay que sumar su biocompatibilidad. La elevada fricción con el bracket puede hacer inútiles los esfuerzos de un determinado arco e incluso provocar movimientos dentarios no deseados. Por otro lado, cabe destacar que la adición controlada de Cu al Ni-Tik aumenta la estabilidad de las temperaturas de transformación frente a pequeñas variaciones de composición química y reduce la histéresis térmica (pequeños inconvenientes ambos de las aleaciones Ni-Ti superelásticas en su uso en ortodoncia), proporcionando un sistema de fuerzas más adecuado al tratamiento ortodóncio y mejorando la formabilidad y las propiedades de deslizamiento. No obstante, la mejor en las propiedades tribológicas de estas aleaciones es muy insuficiente y tampoco llega a mínimos deseables desde el punto de vista del contacto arco-bracket (aunque gracias a las otras ventajas el uso de los arcos de Ni-Ti-Cu se ha generalizado últimamente). Baste como prueba de la importancia de este problema en el tratamiento ortodóncico el hecho que ya existan soluciones al problema enfocadas desde el otro punto de vista, el bracket, del que se emplean construcciones llamadas superdeslizantes, aunque con un costo muy elevado. El objetivo de presente estudio es optimizar las propiedades superficiales del Ni-Ti superelástico mediante nitruración gaseosa manteniendo al mismo tiempo, o procurando no mermar demasiado las propiedades claves que hacen de estas aleaciones una aplicación tan importante en el tratamiento ortodóncio. Dichas propiedades son la superelasticidad transformacional y el rango de temperaturas a la que opera, controlado por las temperaturas de transformación martensítica termoelástica. Frente a muchas alternativas de procesos de optimización superficial se ha confiado en un tratamiento termoquímico de nitruración gaseosa, principalmente por su sencillez y economía (sobre todo frente a la alternativa de los brackets superdeslizantes) combinados con una nada desdeñable funcionalidad probada ya en otras aleaciones de uso médico, en las que se mejoró considerablemente las propiedades deslizantes y el desgaste. En la literatura existen antecedentes de otros tratamientos superficiales del Ni-Ti. Los más interesantes en la aplicación ortodóncica son los de implantación de iones nitruro y el shot peening que han demostrado mantener intactas las propiedades de memoria de forma. Sin embargo, el proceso de implantación iónica produce heterogeneidades en el espesor del recubrimiento, debido a la geometría de los alambres. El shot peening (proceso de bombardeo de partículas duras sobre el alambre) produce aumentos de dureza insuficientes para la mejora significativa del deslizamiento del alambre sobre el bracket. Además, de producir una rugosidad elevada que perjudicará su comportamiento frente al desgaste. CONCLUSIONES. 1. El proceso de nitruración gaseosa produce capas homogéneas y tenaces en toda la geometría del alambre. 2. La caracterización metalográfica después del proceso de difusión de nitrógeno crea tres zonas en el alambre: - zona superficial de nitruros de titanio. - zona intermedia de solución de nitrógeno en Ni-Ti. - zona central (sin cambios) idéntica al material de recepción. 3. La nitruración gaseosa es un método eficaz para el aumento de la dureza superficial en los arcos de Ni-Ti de aproximadamente un 300%. 4. Al aumentar la dureza superficial, disminuye el coeficiente de fricción. 5. Coeficientes de fricción más bajos en las capas exteriores a medida que aumenta la severidad del tratamiento. 6. La formación de la capa de nitruro de titanio provoca una ligera variación en las temperaturas de transformación pero mantiene las propiedades superelásticas de uso clínico. 7. Las muestras enfriadas en agua perdieron la superelasticidad. 8. El mejor compromiso entre la conservación de las propiedades superelásticas y de deslizamiento ha sido para el tratamiento térmico a 900ºC durante 20 minutos enfriado en horno. 9. Grandes precauciones para evitar: - la oxidación. - la incorporación de impurezas. 10. La optimización del acabado superficial con técnicas de pulido mejoraría aún más el deslizamiento del alambre. 11. La sencillez, economía y las altas nanodurezas que permiten unos bajos coeficientes de fricción junto con el mantenimiento de las propiedades superelásticas compensan los inconvenientes del método y lo hacen un candidato prometedor en su aplicación ortodóncica.