DE3445848A1

DE3445848A1 - Gusseinbettmasse und gussfeineinbettmasse

Info

Publication number: DE3445848A1
Application number: DE19843445848
Authority: DE
Inventors: Günther 2844 Lemförde Grill; Norbert Prof. Dr.-Ing. 4156 Willich Nowack
Original assignee: SHERA CHEMIE-TECHNIK GmbH; Shera Chemie Technik 2844 Lemfoerde GmbH; SHERA CHEMIE TECHNIK GmbH
Current assignee: Shera-Werkstofftechnologie 2844 Lemfoerde D GmbH
Priority date: 1984-12-15
Filing date: 1984-12-15
Publication date: 1986-06-19
Anticipated expiration: 2004-12-16
Also published as: DE3445848C2

Description

Gußeinbettmasse und Gußfeineinbettmasse
Die Erfindung betrifft eine Gußeinbettmasse zum Herstellen von Gußformen für Legierungsgußteile insbesondere in der Dentaltechnik mit dem Keramik-System MgO - Si02 - P205 sowie eine Gußfeineinbettmasse zum Herstellen von Gußformen für Legierungsgußteile insbesondere in der Dentaltechnik mit keramischen Bestandteilen als dünner Überzug für das Modell des zu gießenden Legierungsteils, wobei der Überzug als Primärschicht für den weiteren Auftrag einer gewöhnlichen Gußeinbettmasse als Sekundärschicht zur Herstellung der endgültigen Gußform dient.
In der Dentaltechnik werden Prothetikteile, wenn diese individuell für Jeden Patienten hergestellt werden müssen, aus Legierungen gefertigt, indem entsprechende Gußformen geschaffen werden, in die die flüssigen Legierungen gegossen werden.
Nach dem Erhärten der Legierung wird die Gußform entfernt und man erhält das Legierungsgußteil.
Die derzeit gebräuchlichen Gußeinbettmassen zur Herstellung der Gußformen sind auf der Basis Magnesit (MgO) - Siliziumdioxid (SiO2) - Modifikationen (Quarze, Cristobalit, Tridymit und amorphes Silo2) aufgebaut. Als Binder zur Herstellung der endgültigen und fertigen Gußeinbettmassen wird in der Dentaltechnik Monoammoniumphosphat verwendet. Die Abbindung und die Herstellung einer Gußform findet dadurch statt, daß das Monoammoniumphosphat mit überschüssigem Magnesit (MgO) beim Anrühren der Gußeinbettmasse mit wasserhaltigen Flüssigkeiten zu Magnesiumammoniumphosphat (Mg(NH4)P04. 6 6 H2°) reagiert.
Das sich beim Anrühren bildende Magnesiumammoniumphosphat (Mg(NH4)PO4 . 6 H20) wird exotherm gebildet und ist sohwerlöslich. Auf Grund seiner kristallinen Morphologie verbindet es die keramischen Pulverbestandteile zu einer festen Rohling-Gußform. Durch weiteres Erhitzen der Rohling-Gußform, beispielsweise in einem Ofen, bis auf 10000C wird die Gußform entwässert und gesintert. Bei diesen Prozessen geht das Magnesiumawanoniumphosphat (Mg(NH4)PO4 . 6H20) stufenweise in die Verbidnung Magnesiumpyrophosphat (Mg2P207) über Da in den Gußeinbettmassen ein stöchiometrischer Magnesit-2berschuß vorliegt, sind in der gesinterten Gußform MgO-Mg2P207-SiO2-Partikel heterogen verteilt. Es entsteht somit das Keramik-System MgO - SiO2 - P205.
Neben den Gußeinbettmassen gibt es noch Gußfeineinbettmassen, die sich von den Gußeinbettmassen dadurch unterscheiden, daß bei der Herstellung der Gußform ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist. Bei Anwendung der Gußfeineinbettmasse wird ein Wachsmodell des späteren Hohlraums der Gußform für den Legierungsguß mit der Gußfeineinbettmasse überzogen. Dabei wird eine Suspension (z.B. eine Wassersuspension) der keramischen Bestandteile, aus der die Gußfeineinbettmasse besteht (Partikelgrößen 500 Fm bis 1 pur), beispielsweise mit einem Pinsel auf das Wachsmodell aufgetragen und so mit einer Schicht ummantelt(Primärschicht). Das Wachsmodell mit der eingetrockneten Keramikpartikelschicht wird anschließend mit einer gewöhnlichen Gußeinbettmasse umgossen und so die Gußform hergestellt (Sekundärschicht). Durch Erwärmen fließt das Wachs aus der Gußform heraus und hinterläßt den Hohlraum, der später von der Gußlegierung ausgefüllt wird.
In der Dentaltechnik werden aus Gründen der Kostenersparnis edelmetallreduzierte oder edelmetallfreie Metall-Legierungen in zunehmendem Maße verwendet (z.B. Co-Cr-, Co-CrCNi-, Cr-Ni-, Fe-Ni-Cr-Basislegierungen). Die Gußformen sind aus den Materialien MgO - Mg2P207 - SiO2 aufgebaut. Die Gießtemperatur der genannten Legierungssysteme liegt zwischen 13500C und 1600°C.
Diese Gießtemperatur liegt zwischen der Gußform und der Legierung im Augenblick des Vergießens an. Da MgO - Mg2P207 mehrere eutektische Umwandlungstemperaturen besitzen (nämlich bei 12820C und 13250C), durchlaufen insbesondere die Partikelsorten MgO - Mg2P207, die in der Gußeinbettmasse vorhanden sind, beim Gußvorgang Umwandlungen. Die Gußeinbettmasse wird beim Überschreiten dieser Temperaturen an der Phasengrenze Gußeinbettmasse / flüssige Legierung weich, weil die genannten eutektischen Temperaturen überschritten werden. Die Gußeinbettmasse gibt an mikroskopisch erkennbaren und verteilten Kontaktstellen Gußeinbettmasse / flüssige Legierung dem mechanischen Druck nach.Durch diese partielle Verflüssigung der Gußeinbettmasse im Augenblick des Vergießens kommt es zu kleinen lokalen Einbrüchen der Legierung in die Gußeinbettmasse. Bestehende feste keramische Bestandteile (SiO und Silikate) werden ummantelt.
2 Die Folge ist zum einen eine hohe Oberflächenrauhigkeit der Legierungsgußteile, so daß diese nachgearbeitet werden müssen.
Die Präzision der Gußteile wird vermindert, was so weit führen kann, daß Gußteile entstehen, die nicht verwendet werden können.
Zum anderen greift die teilweise verflüssigte Einbettmasse an der Pasengrenze Einbettmasse / flüssige Legierung die Oxidhaut der Legierung an, schließt diese auf und verstärkt so die Hochtemperaturoxidation. Die Legierung besitzt eine auf der Oberfläche veränderte Zusammensetzung, so daß die Korrosionsbeständigkeit solcher Gußteile vermindert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Einbettmassen zu schaffen, mit denen sich Gußformen herstellen i', (Ie Legierungsgußteile mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit ermöglichen.
Als Lösung dieser Aufgabe wird die Zugabe eines die Liquidustemperaturen des Keramik-Systems erhöhenden und die Hochtemperaturoxidation des Legierungsgußteils erniedrigenden Stoffes vorgeschlagen. Dieser Stoff kann Zirkonsilikat (ZrSiO4) mit vorzugsweise einem Anteil von 3 bis 35 Gew.-%, Titan(IV)-oxide (TiO2 (Anatas und/oder Rutil)) mit vorzugsweise einem Anteil von 3 bis 30 Gew.- oder eine Mischung von Zirkonsilikat (ZrSiO4) und Titan(IV)-oxiden (TiO2 (Anatas und/oder Rutil)) mit vorzugsweise einem Anteil von 3 bis 30 Gew.-* sein. Bei den Gußfeineinbettmassen wird weiterhin als Zugabe eine Mischung von an sich bekannten Keramikoxiden (Korund, Siliziumdioxid-Modifikationen, Chrom(III)-oxid, Spinelle des Typs MgO.Al203 etc.) und Zirkonsilikat und/oder Titan(IV)-oxiden (TiO2) vorgeschlagen, wobei vorzugsweise der Anteil an Zirkonsilikat (ZrSiO4) und/oder Titan(IV)-oxiden (TiO2) in der Mischung 5 bis 100 Gew.-* beträgt.
Durch den Zusatz von Zirkonsilikat (ZrSi04)und/oder Titan(IV)-oxiden(TiO2) zu den Einbettmassen wird die Oberflächenrauhigkeit der Legierungsgußteile stark herabgesetzt, so daß sich ein Nachschleifen der Gußteile erübrigt. Die Präzision der Gußteile erhöht sich somit. Zudem wird der Mechanismus zur Hochtemperaturoxidation der Legierung im Augenblick des Gußprozesses stark reduziert, so daß die Legierung auf der Oberfläche die gleiche Zusammensetzung besitzt wie im Innern der Legierung. Die Oxidhaut (im wesentlichen Chrom(III)-oxid bei hochchromhaltigen Legierungen), die aus dem Hochtemperaturangriff der Einbettmasse zusammen mit Luft auf die flüssige Legierung (Cr-Co, 1500°C) entsteht, kann durch den Zirkonsilikat-Zusatz um durchschnittlich 70 bis 90 vermindert werden. Das Zirkonsilikat (ZrSiO4) und das kristallographisch verwandte Titan(IV)-ozid (TiO2, Rutil) wirken auf die Legierungsgußteile beim Gußprozeß als Hochtemperaturkorrosions-Inhibitoren. Bei den Gußformen mit einer Gußfeineinbettmasse besteht ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Gußform und der Legierung nur über die Zirkonsilikat- und/oder Titan(IV)-oxidhaltige Primärschicht.
Insgesamt ist somit eine gleichbleibende Verarbeitung von Dentallegierungen zu hochwertigen Prothetik-Teilen mit hohen Oberflächengüten unter variablen Herstellungsbedingungen möglich.
Die Wirkung von Zirkonsilikat (ZrSiO4) und/oder Titan(IV)-oxiden beruht auf folgenden Faktoren: Das Zirkonsilikat (ZrSiO4) und das Titan(IV)-oxid (TiO2, Rutil) sind hochschmelzende Stoffe. Zirkonsilikat (ZrSiO4) ist eine inkongruent schmelzende Verbindung, die bei 17750C+300C schmilzt.
Titan(IV)-oxid (TiO2, Rutil) schmilzt bei 18300C+3O0C. Durch das Aufnehmen von Zirkonsilikat (ZrSiO4) und/oder Titan(IV)-oxid (TiO2, Rutil) in das Keramik-System MgO - SiO2 - P205 steigen die Liquidustemperaturen an und die partielle Verflüssigung des keramischen Verbundes wird wesentlich verringert.
ZrSiO4 reagiert bei Temperaturen ab 12000C mit dem freien Magnesit (MgO) in der folgenden Weise: Hierdurch wird die MgO-Aktivität in der Gußeinbettmasse vermindert. Das Mg2P207 alleine besitzt einen wesentlich höheren Schmelzpunkt von 13820C als ein Gemisch MgO - Mg2P207.
TiO2 bindet ebenfalls MgO zu hochschmelzenden Titanaten ab.
Die Liquidustemperaturen der Gußeinbettmasse werden angehoben.
Ein Zusammenbrechen der Gußeinbettmasse an der Phasengrenze Gußeinbettmasse / flüssige Legierung wird durch das Zirkonsilikat (ZrSiO4)und/oder das Titan(IV)-oxid (TiO2) vermieden. Diese Formstabilität ist der Grund für die außergewöhnlich glatte Oberfläche der Legierungsgußteile.
Das Zirkonsilikat (ZrSiO4), das aus dem Zirkonsilikat (ZrSiO4) freigesetzte Zirkondioxid (ZrO2) und das Titan(IV)-oxid (TiO2) werden in die Zunderschichten (Oxidationsprodukte der Legierung) eingebaut. Die Zunderschicht wird folglich durch das Zirkondioxid (ZrO2) und das Titan(IV)-oxid (TiO2) dotiert. In der Regel bestehen solche Zunderschichten aus Chrom(III)-oxid oder auch aus Chrom(III)-oxid-Spinellen, wenn die Legierung eine Chrombasislegierung ist.Es ist für die Paßgenauigkeit eines Gußerzeugnisses von Bedeutung daß diese Zunderschicht nach dem Vergießen nicht weiter wächst und damit die Geometrie von Präzisionsgüssen nicht verändert wird. Durch die Dotierung mit Zr(IV)- und Ti(IV)-Ionen wird die Oxidationsgeschwindigkeit der Legierung herabgesetzt. Die Gründe liegen in der Veränderung der Defektstruktur der Zunderschichten und dem damit gehemmten Sauerstofftransport-Mechanismus. ZrO2 und TiO2 kann man als Hochtemperaturkorrosions-Inhibitoren bezeichnen.
Ein weiterer Grund für die besondere Eignung von ZrSiO4 und dem dem ZrSiO4 strukturell verwandten TiO2 für den Einsatz in Gußeinbettmassen und Gußfeineinbettmassen liegt in dem Wärmeleitungsverhalten von ZrSiO4. Dieses besitzt bei 12000C eine -3 -1 -1 o °C-1, während -1 Wärmeleitfähigkeit von 9.10 -3 cal.cm .s . 0 , wShrend Siliziumdioxid-Modifikationen bei der gleichen Temperatur nur eine Wärmeleitfähigkeit von 4*10 3 cal.cm-1.s-1.°C-1 besitzen.
Ersetzt man in einer Gußeinbettmasse oder GuMEeineinbettmasse SiO2 durch ZrSiO4, so wird die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Die zeit- und temperaturabhängigen Umwandlungsreaktionen und Verzunderungsreaktionen werden in ihren Ausmaßen gemindert.
In den Bildern sind Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) dargestellt und zeigen die Oberfläche einer Co-Cr-Dentallegierung, die einmal in einer herkömmlichen Gußform der Keramik-Systems MgO - SiO2 - P2O5 vergossen wurde (Bilder 1 bis 4) und die zum anderen in einer erfindungsgemäßen Gußform des Systems MgO- SiO2 - P205 - ZrSiO4 vergossen wurde (Bilder 5 bis 7).
Bild 1: REM-Aufnahme mit 20-facher Vergrößerung; sie zeigt die Oberfläche einer Co-Cr-Dentallegierung, die bei 1500°C in einer Gußform des Keramik-Systems MgO - SiO2 - P205 vergossen wurde; erkennbar sind starke Oberflächenfehler infolge von Reaktionen zwischen der Legierung und der Gußeinbettmasse, wobei insbesondere Löcher und Schmelzperlen sichtbar sind; Bild 2: REM-Aufnahme mit 100-facher Vergrößerung; gleiche Bedingungen wie bei Bild 1; durch die Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit sind Vertiefungen erkennbar; Bild 3t REM-Aufnahme mit 300-facher Vergrößerung; gleiche Bedingungen wie bei Bild 1; sie zeigt eine Detailvergrößerung von typischen Oberflächenfehlern; Bild 4t REM-Aufnahme mit 1000-facher Vergrößerung; gleiche Bedingungen wie bei Bild 1; sie zeigt weitere Vergrößerung von Oberflächenfehlern, insbesondere die Mikrorauhigkeit der Dentallegierung; Bild 5: REM-Aufnahme mit 20-facher Vergrößerung; sie zeigt, wie bei den Bildern 1 bis 4, die Oberfläche einer Co-Cr-Dentallegierung, die bei 15000C allerdings in einer erfindungsgemäßen Gußform des Systems MgO -SiO2 - P205 - ZrSiO4 (12dz ZrSiO4) vergossen wurde; erkennbar ist gegenüber Bild 1 die starke Reduzierung von Oberflächenfehlern und die getreue Abdruckbildung des Gußobjekts; Bild 6: REM-Aufnahme mit 100-facher Vergrößerung; gleiche Bedingungen wie bei Bild 5; im Vergleich zu Bild 2 ist erkennbar, daß die Zahl der Oberflächenfehler stark herabgesetzt ist und die Oberflächenrauhigkeit vermindert ist; Bild 7: REM-Aufnahme mit 1000-facher Vergrößerung; gleiche Bedingungen wie bei Bild 5; im Vergleich zu Bild 4 ist eine starke Reduzierung von Oberflächenfehlern zu erkennen, wobei praktisch keine Kraterbildung mehr auftritt.
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Claims

Patentansprüche 1. Gußeinbettmasse zum Herstellen von Gußformen für Legierungsgußteile insbesondere in der Dentaltechnik mit dem Keramik-System MgO - SiO2 - P205, gekennzeichnet durch die Zugabe eines die Liquidustemperaturen des Keramik-Systems erhöhenden und die Hochtemperaturoxidation des Legierungsgußteils erniedrigenden Stoffes.
2. Gußeinbettmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zugabe von Zirkonsilikat (ZrSiO4).
3. Gußeinbettmasse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zirkonsilikat (ZrSi04) im Keramik-System 3 bis 35 Gew.-9Ó beträgt.
4. Gußeinbettmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zugabe von Titan(IV)-oxiden (TiO2 (Anatas und/oder Rutil)).
5. Gußeinbettmasse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Titan(IV)-oxiden (TiO2 (Anatas und/oder Rutil)) im Keramik-System 3 bis 30 Gew.- beträgt.
6. Gußeinbettmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zugabe von Zirkonsilikat (ZrSiO4) und Titan(IV)-oxiden (mio2 (Anatas und/oder Rutil)).
7. Gußeinbettmasse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zirkonsilikat (ZrSiO4) und Titan(IV)-oxiden (mio2 (Anatas und/oder Rutil)) 3 bis 30 Gew.- beträgt.
8. Gußfeineinbettmasse zum Herstellen von Gußformen für Legierungsgußteile insbesondere in der Dentaltechnik mit keramischen Bestandteilen als dünner Überzug für das Modell des zu gießenden Legierungsgußteils, wobei der ueberzug als Primärschicht für den weiteren Auftrag einer gewöhnlichen Gußeinbettmasse als Sekundärschicht zur Herstellung der endgültigen Gußform dient, gekennzeichnet durch die Zugabe eines die Hochtemperaturoxidation des Legierungsgußteils erniedrigenden Stoffes.
9. Gußfeineinbettmasse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Zirkonsilikat (ZrSiO4) als keramischer Bestandteil.
10. Gußfeineinbettmasse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Titan(IV)-oxide (TiO2) als keramischer Bestandteil.
11. Gußfeineinbettmasse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Mischung von Zirkonsilikat (ZrSiO4) und Titan(IV)-oxiden (TiO2) als keramischer Bestandteil.
12. Gußfeineinbettmasse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Mischung von an sich bekannten Keramikoxiden (Korund, Siliziumdioxid-Modifikationen, Chrom(III)-oxid, Spinelle des Typs MgOA1203 etc.) und Zirkonsilikat (ZrSi04) und/oder Titan(IV)-oxiden (ei02).
13. Gußfeineinbettmasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zirkonsilikat (ZrSiO4) und/oder Titan(IV)-oxiden (ei02) in der Mischung 5 bis 100 Gew.-% beträgt.