Transformation Behavior, Chemical Composition, Surface Topography and Bending Properties of Five Selected 0.016'' × 0.022'' NiTi Archwires

Abstract.

Purpose: The aim of this study was to characterize five selected commercial NiTi archwires in terms of their transformation behavior, chemical composition, surface topography and mechanical properties (at temperatures of 22 °C, 37 °C and 60 °C).

Material and Methods: The rectangular orthodontic archwires investigated were Neo Sentalloy F80™ (GAC, Central Islip, NY, USA), 35 °C Thermo-Active Copper NiTi™ (A-Company/Ormco, Glendora, CA, USA), Rematitan^® “Lite” (Dentaurum, Pforzheim, Germany), Titanol^® SE S (Forestadent, Pforzheim, Germany) and Titanal™ (Lancer, San Marcos, CA, USA) in size 0.016'' × 0.022''. The chemical composition and surface topography were analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy using an analytical scanning electron microscope (XL30, EDAX SUTW Saphire^® Detector; Philips, Eindhoven, Netherlands). The transition temperatures were measured by means of differential scanning calorimetry (DSC; Perkin-Elmer Pyris 1, Perkin-Elmer, Fremont, CA, USA) in a range of − 80 °C to + 80 °C. The mechanical properties and their dependence on temperature were determined by means of 3-point bending tests. The binary archwire materials were characterized by a two-phase structure (NiTi matrix and Ni3Ti4 precipitates).

Results: The SEM analyses revealed abradant residues in virtually all archwires, while DSC revealed complex transformation properties. In addition to the martensitic and austenitic transformations, an R-phase transformation was also detected. The bending tests showed pronounced loading and unloading plateaus. The martensitic archwires (Neo Sentalloy F80™, 35 °C Thermo-Active Copper NiTi™) were found to have a lower strength than the martensitic-austenitic (Rematitan^® “Lite”) and the austenitic archwires (Titanol^® SE S, Titanal™). With increasing temperature (in the range from 22 °C to 60 °C) a linear rise in the plateau forces was recorded.

Conclusions: When assessing the quality of archwires, account should be taken of the surface quality, as it is this that determines corrosion resistance, biocompatibility and friction characteristics. The mechanical properties depend on the initial state; moderate plateau forces and plateau moments can only be achieved with martensitic archwires. In contrast to conventional steel alloys, the strength characteristics are heavily dependent on temperature and need to be known if NiTi archwires are to be used to optimal effect. In addition, the superelastic plateau is used only partially, if at all, when minimum leveling is required.

Zusammenfassung.

Ziel: Ziel der Studie ist die Charakterisierung fünf ausgewählter NiTi-Drähte anhand ihres Umwandlungsverhaltens, ihrer chemischen Zusammensetzung, Oberflächenbeschaffenheit und mechanischen Biegeeigenschaften (bei Temperaturen von 22 °C, 37 °C und 60 °C).

Material und Methoden: Untersucht wurden Vierkantdrähte der Produkte Neo Sentalloy F80™ (GAC, Central Islip, NY, USA), 35 °C Thermo-Active Copper NiTi™ (A-Company/Ormco, Glendora, CA, USA), Rematitan^® “Lite” (Dentaurum, Pforzheim, Deutschland), Titanol^® SE S (Forestadent, Pforzheim, Deutschland) und Titanal ™(Lancer, San Marcos, CA, USA) der Dimension 0.016'' × 0.022''. Die chemische Zusammensetzung und Oberflächenbeschaffenheit wurden mithilfe der EDX-Mikroanalyse (XL30, EDAX SUTW Saphire^®, Philips, Eindhoven, Niederlande) bestimmt. Die Umwandlungstemperaturen wurden mithilfe der dynamischen Differenz-Kalorimetrie (DSC; Perkin-Elmer Pyris 1, Perkin Elmer, Fremont, CA, USA) in einem Temperaturbereich von −80 °C bis + 80 °C gemessen. Die mechanischen Eigenschaften und deren Abhängigkeit von der Temperatur wurden anhand von Drei-Punkt-Biegeversuchen mit einer Stützlänge von 12 mm bei Temperaturen von 22 °C, 37 °C und 60 °C ermittelt. Die binären Bogenmaterialien waren durch ein zweiphasiges Gefüge (NiTi-Matrix und Ni3Ti4-Ausscheidungen) gekennzeichnet.

Ergebnisse: In der Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Untersuchung wurden bei annähernd allen Bögen Schleifrückstände nachgewiesen. Bei der DSC-Untersuchung wurden komplexe Umwandlungsverhalten ersichtlich. Neben den martensitischen und austenitischen Umwandlungen konnte der Nachweis einer R-Phasenumwandlung (martensitisch-austenitisch) erbracht werden. Die Biegeversuche zeigten ausgeprägte Be- und Entlastungsplateaus. Die martensitischen Bögen (Neo Sentalloy F80™, 35 °C Thermo-Active Copper NiTi™) hatten eine geringere Festigkeit als die martensitisch-austenitischen (Rematitan^® “Lite”) bzw. austenitischen Bögen (Titanol^® SE S, Titanal™). Mit steigender Temperatur wurde ein linearer Anstieg der Plateaukräfte verzeichnet.

Schlussfolgerungen: Bei der Beurteilung der Bogenqualität sollte die Oberflächengüte herangezogen werden, da sie Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und Reibungsverhalten bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften hängen vom Ausgangszustand ab. Moderate Plateaukräfte und -momente können nur mit martensitischen Bögen erreicht werden. Die Festigkeitseigenschaften sind im Gegensatz zu herkömmlichen Stahllegierungen stark temperaturabhängig; ihre Kenntnis ist für einen optimalen Einsatz der NiTi-Bögen erforderlich. Weiterhin wird bei geringeren Nivellierungsaufgaben das superelastische Plateau nicht oder nur teilweise genutzt.