CH638972A5 - Process for the manufacture of dental porcelains which have a reinforced mechanical strength - Google Patents
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Description
L'invention est relative à un procédé de fabrication de porcelaines dentaires ayant une résistance mécanique renforcée. Les porcelaines dentaires sont constituées, pour la majeure partie, d'un noyau alumineux recouvert d'un émail vitreux d'une épaisseur assez importante présentant des parties convexes à faible rayon de courbure, ce qui le rend encore plus fragile. Le principal défaut du verre étant sa faible résistance à la traction (ou à la flexion) et les fractures partant toujours de la surface, il est possible, en mettant celle-ci en compression, d'augmenter d'autant la résistance à la traction de l'ensemble. Pour cela, il existe plusieurs méthodes bien connues dans le domaine verrier. The invention relates to a method for manufacturing dental porcelain having reinforced mechanical strength. Dental porcelains are made up, for the most part, of an aluminous core covered with a vitreous enamel of a rather significant thickness having convex parts with small radius of curvature, which makes it even more fragile. The main defect of glass being its low tensile strength (or bending) and fractures always leaving the surface, it is possible, by putting it in compression, to increase the tensile strength by the same amount from the whole. For this, there are several well-known methods in the glass industry.
La trempe thermique consiste à refroidir rapidement la surface de l'article du point de ramollissement à une température inférieure à la température minimale de relaxation des contraintes. Le cœur de l'objet met alors la surface en compression en refroidissant. Cette méthode est difficilement applicable aux porcelaines dentaires qui sont des matériaux composites à parois d'épaisseurs très inégales et souvent minces. Thermal quenching consists of rapidly cooling the surface of the article from the softening point to a temperature below the minimum stress relaxation temperature. The heart of the object then puts the surface in compression while cooling. This method is difficult to apply to dental porcelain which are composite materials with walls of very uneven and often thin thicknesses.
On peut déposer sur la surface un émail à coefficient de dilatation inférieur à celui du cœur; cet émail est mis en compression par le cœur lors du refroidissement. Dans le cas des céramiques dentaires. cette mise en compression pourrait être effectuée par le noyau s'il avait un coefficient de dilatation nettement supérieur à celui de l'émail. An enamel with a lower coefficient of expansion than that of the core can be deposited on the surface; this enamel is compressed by the heart during cooling. In the case of dental ceramics. this compression could be carried out by the core if it had a coefficient of expansion significantly higher than that of the enamel.
Cela présente deux inconvénients: la mise en traction du noyau déjà fragile et les risques d'éclat sur les rayons convexes. This has two drawbacks: the tensioning of the already fragile core and the risk of splintering on the convex spokes.
Le procédé de fabrication de porcelaines dentaires est caractérisé en ce qu'on prend une ébauche de prothèse dentaire que l'on recouvre d'un émail de composition propre à un échange ionique, et que l'on trempe la prothèse revêtue dans un bain de sel fondu à une température comprise entre 200 C et le point de transformation de l'émail de manière à provoquer l'échange des ions alcalins voisins de la surface de la prothèse contre des ions alcalins de taille supérieure provenant du bain. Le bain du sel fondu peut être du K.N03, un mélange K2S04/KC1, ou un mélange NaN03/NaS04. L'émail peut être un alumino-silicate contenant un pourcentage poids sur les oxydes de 5 à 20% d'Al203 et/ou 5 à 15% de Zr02 et 5 à 20% d'un oxyde alcalin léger. Le procédé s'applique au renforcement d'un The process for manufacturing dental porcelain is characterized in that a dental prosthesis blank is taken which is covered with an enamel of composition suitable for ion exchange, and that the coated prosthesis is soaked in a bath of salt melted at a temperature between 200 C and the transformation point of the enamel so as to cause the exchange of alkaline ions close to the surface of the prosthesis for larger alkaline ions from the bath. The molten salt bath can be K.N03, a K2SO4 / KC1 mixture, or a NaN03 / NaSO4 mixture. The enamel can be an alumino-silicate containing a percentage by weight on the oxides of 5 to 20% of Al 2 O 3 and / or 5 to 15% of ZrO 2 and 5 to 20% of a light alkaline oxide. The method applies to the reinforcement of a
élément de prothèse dentaire choisi dans le groupe comportant une couronne Jacket, une couronne ou bridge céramo-métallique, une facette à crampons platine et une dent en porcelaine à crampons. dental prosthesis element chosen from the group comprising a Jacket crown, a ceramic-metallic crown or bridge, a platinum-clad veneer and a porcelain-clipped tooth.
La résistance mécanique de porcelaines dentaires a été augmentée dans une première étape par la cuisson sous vide. Cette technique permet, outre l'amélioration des qualités esthétiques, une augmentation de 20% de la résistance à la traction. The mechanical resistance of dental porcelain was increased in a first step by firing under vacuum. This technique allows, in addition to improving the aesthetic qualities, a 20% increase in tensile strength.
Plus récemment, la fabrication de masse noyau contenant des inclusions d'alumine en quantité croissante (jusqu'à 20% vol.) a permis une augmentation de 10% de la résistance à la traction de celui-ci. Cette technique d'addition de particules destinées à réduire la longueur de la faille de Griffith moyenne dans le matériau ne peut pas être appliquée à l'émail pour des raisons d'esthétique. Les fractures dans les matériaux vitreux partant en général de la surface, il était important d'améliorer la résistance à la traction de celle-ci sans en modifier l'aspect. More recently, the manufacture of core mass containing inclusions of alumina in increasing quantity (up to 20% vol.) Has enabled a 10% increase in the tensile strength thereof. This technique of adding particles intended to reduce the length of the average Griffith fault in the material cannot be applied to the enamel for aesthetic reasons. Because fractures in glassy materials usually start from the surface, it was important to improve the tensile strength of the surface without changing its appearance.
L'invention a pour but l'amélioration par trempe chimique de la résistance à la traction (donc à la flexion) de la couche superficielle des céramiques dentaires. The object of the invention is to improve the tensile strength (and therefore flexion) of the surface layer of dental ceramics by chemical quenching.
Appliquée à un émail de composition propre à l'échange ionique, la trempe chimique permet d'augmenter dans de grandes proportions la résistance à la traction de celui-ci sans altérer ni les formes ni les qualités esthétiques de la prothèse. Applied to an enamel of composition specific to ion exchange, the chemical hardening makes it possible to increase in great proportions the tensile strength of the latter without altering either the forms or the aesthetic qualities of the prosthesis.
La facilité du traitement de la prothèse, sa rapidité et son faible prix de revient sont également des buts recherchés de cette invention. The ease of treatment of the prosthesis, its speed and its low cost are also sought-after goals of this invention.
L'amélioration de la résistance à la traction apportée par l'invention permet d'augmenter la fiabilité des couronnes céramiques et des couronnes et bridges céramo-métalliques, des facettes à crampons platine et des dents en porcelaine à crampons. The improvement in tensile strength provided by the invention makes it possible to increase the reliability of ceramic crowns and ceramic-metallic crowns and bridges, veneers with platinum studs and teeth with porcelain studs.
L'invention permet notamment l'extension de l'utilisation des couronnes céramiques au détriment des céramo-métalliques dont l'esthétique est moins bonne et dont la mise en œuvre est plus longue et plus coûteuse. The invention allows in particular the extension of the use of ceramic crowns to the detriment of metal-ceramic whose aesthetics are less good and whose implementation is longer and more expensive.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: The invention will be better understood on reading the examples described with reference to the appended drawings, in which:
K K
la fig. 1 représente l'évolution du rapport — en fonction du temps, fig. 1 represents the evolution of the ratio - as a function of time,
Si la fig. 2 représente l'évolution de la résistance à la traction en fonction du temps. If fig. 2 represents the evolution of the tensile strength as a function of time.
Le procédé de fabrication de porcelaines dentaires selon la présente invention par trempe chimique peut être réalisé facilement de la manière suivante: la prothèse fabriquée selon les techniques habituelles sera recouverte d'un émail de composition propre à l'échange ionique, c'est-à-dire un alumino-silicate contenant entre 5 et 20% poids de Na20 ou de LizO destinés à être échangés et 5 à 20% poids A1203 et/ou 5 à 15% de Zr02 destinés à faciliter l'échange. Une fois terminées, la prothèse sera plongée, après préchauffage, dans un bain de sel fondu pendant le temps nécessaire pour que l'échange conduise à la mise en compression optimale, puis retirée et lavée à l'eau après refroidissement à l'air. The process for manufacturing dental porcelain according to the present invention by chemical quenching can be easily carried out in the following manner: the prosthesis manufactured according to the usual techniques will be covered with an enamel of composition suitable for ion exchange, that is to say -to say an alumino-silicate containing between 5 and 20% by weight of Na20 or LizO intended to be exchanged and 5 to 20% by weight A1203 and / or 5 to 15% of Zr02 intended to facilitate the exchange. Once completed, the prosthesis will be immersed, after preheating, in a bath of molten salt for the time necessary for the exchange to lead to optimal compression, then removed and washed with water after cooling in air.
Le bain de sels qui peut être contenu dans une nacelle en acier inoxydable sera, selon les cas, du KN03, un mélange K2S04/KCI ou un mélange NaN03/Na2S04. The salt bath which may be contained in a stainless steel basket will, as the case may be, be KN03, a K2SO4 / KCl mixture or an NaN03 / Na2SO4 mixture.
La température du bain sera choisie suffisamment inférieure au point de ramollissement de l'émail pour éviter la relaxation des contraintes créées par l'échange. Température et temps de traitement sont fonction de la viscosité du verre; quand la température augmente, la viscosité diminue en entraînant une augmentation de la vitesse d'échange, mais aussi une augmentation de la vitesse de relaxation des contraintes. Les températures habituellement utilisées sont comprises entre le strain point et le point de transformation du verre, domaine dans lequel la viscosité est comprise entre 3 • 1014 et IO13 Po. Les temps de traitement usuels sont compris entre 5 min et 5 h. The bath temperature will be chosen sufficiently below the softening point of the enamel to avoid relaxation of the stresses created by the exchange. Temperature and treatment time depend on the viscosity of the glass; when the temperature increases, the viscosity decreases, leading to an increase in the exchange rate, but also an increase in the rate of stress relaxation. The temperatures usually used are between the strain point and the glass transformation point, an area in which the viscosity is between 3 · 1014 and 1013 Po. The usual treatment times are between 5 min and 5 h.
L'exemple suivant, qui n'est pas limitatif, permettra de mieux comprendre l'intérêt de l'invention. The following example, which is not limiting, will better understand the advantage of the invention.
Un émail décomposition pondérale: Si02 66% / Ai203 15% / CaO 1 % / Na20 10% / B203 8% est fondu dans un creuset de A weight decomposition enamel: Si02 66% / Ai203 15% / CaO 1% / Na20 10% / B203 8% is melted in a crucible of
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
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40 40
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65 65
3 3
638 972 638,972
platine à environ 1450 C pendant 3 h à partir des matières premières suivantes: silice: Si02 - alumine hydratée: Al(OH)3 - calcite: CaC03 - carbonate de soude: Na2C03 - acide orthoborique: platinum at around 1450 C for 3 h from the following raw materials: silica: Si02 - hydrated alumina: Al (OH) 3 - calcite: CaC03 - sodium carbonate: Na2C03 - orthoboric acid:
h3bo3. h3bo3.
Le verre dont les caractéristiques dilatométriques sont les sui- 5 vantes: Glass with the following dilatometric characteristics:
coefficient de dilatation 20-400 C = 6-10~6 mm/ C point de transformation (Tg) = 560 C point de ramollissement (Pr) = 630 C est coulé dans l'eau, séché et broyé à une taille inférieure à 150 (i. io coefficient of expansion 20-400 C = 6-10 ~ 6 mm / C transformation point (Tg) = 560 C softening point (Pr) = 630 C is poured into water, dried and ground to a size less than 150 (i. io
L'émail obtenu est humecté et pressé en barreaux sous 200 kg/ mm2 dans un moule parallélépipédique de dimensions L x 1 x h = 50 x 6 x 8 mm. Les barreaux sont étuvés sous vide pendant une nuit à 500 C, cuits sous vide à 950 C pendant 1 h, puis refroidis dans le four à raison de 50 C/h. Ils sont alors usinés à l'aide d'une recti- 15 fieuse diamantée à la forme nécessaire pour les essais de flexion (parallélépipèdesde taille Lxlxh = 40x5x3 mm). Chaque face est ensuite abrasée au carborandum 800 puis au papier abrasif gris 600 américain. Les barreaux posés à plat sur de la silice talquée sont alors glacés sous vide pendant 3 min à 940 C, recuits 1 h à 600 C et 20 refroidis dans le four afin d'éviter-les contraintes thermiques. The enamel obtained is moistened and pressed into bars under 200 kg / mm2 in a parallelepiped mold in the dimensions L x 1 x h = 50 x 6 x 8 mm. The bars are steamed under vacuum overnight at 500 C, cooked under vacuum at 950 C for 1 h, then cooled in the oven at a rate of 50 C / h. They are then machined using a diamond grinding machine to the shape necessary for bending tests (parallelepipeds of size LxWxH = 40x5x3 mm). Each side is then abraded with carborandum 800 and then with gray 600 American sandpaper. The bars placed flat on talcum silica are then glazed under vacuum for 3 min at 940 ° C., annealed for 1 hour at 600 ° C. and cooled in the oven in order to avoid thermal stresses.
Un bain de nitrate de potassium fondu contenu dans une nacelle en acier inoxydable est maintenu à 480' C dans un four tubulaire vertical. Les barreaux placés par séries de cinq dans une nacelle en fils de platine fins sont d'abord préchauffés au-dessus du bain 25 A bath of molten potassium nitrate contained in a stainless steel basket is maintained at 480 ° C. in a vertical tube furnace. The bars placed in sets of five in a nacelle made of fine platinum wires are first preheated above the bath 25
pendant 10 min, puis trempés dans le sel fondu pendant le temps désiré (5% ou 10 ou 15 ou 20 min). A l'issue du traitement, ils sont refroidis à l'air puis rincés à l'eau. L'efficacité de l'échange Na-K est mesuré en fluorescence X par l'évolution du rapport K/Si en fonction du temps de traitement. Sur la fig. 1, qui représente l'évolution de ce rapport, on voit que, à la température considérée, l'échange est pratiquement complet après 20 min. for 10 min, then soaked in the molten salt for the desired time (5% or 10 or 15 or 20 min). At the end of the treatment, they are cooled in air and then rinsed with water. The efficiency of the Na-K exchange is measured in X-ray fluorescence by the evolution of the K / Si ratio as a function of the treatment time. In fig. 1, which represents the evolution of this ratio, it can be seen that, at the temperature considered, the exchange is practically complete after 20 min.
La résistance à la flexion des barreaux est mesurée sur une machine d'essai Instron en flexion 3 points. Les couteaux inférieurs sont distants de 30 mm et la vitesse de la machine est de 0,1 mm/ min. La contrainte de traction à la rupture sur la fibre externe est calculée par la formule: The bending strength of the bars is measured on an Instron 3-point bending test machine. The lower knives are 30 mm apart and the machine speed is 0.1 mm / min. The tensile stress at break on the external fiber is calculated by the formula:
3 PI 3 PI
a kg/mm2 = ——— a kg / mm2 = ———
2 b h2 2 b h2
P = charge de rupture en kg 1 = distance entre les couteaux (30 mm) b = largeur du barreau (mm) P = breaking load in kg 1 = distance between the knives (30 mm) b = width of the bar (mm)
h = hauteur du barreau (mm) h = bar height (mm)
On peut voir sur la fig. 2, qui représente l'évolution de la résistance à la traction en fonction du temps de traitement, que celle-ci augmente d'abord rapidement, passe par un maximum de 13 kg/ mm2 pour un temps de 5 min, puis décroît lentement quand le temps de traitement augmente. We can see in fig. 2, which represents the evolution of the tensile strength as a function of the treatment time, that it increases first rapidly, passes through a maximum of 13 kg / mm 2 for a time of 5 min, then decreases slowly when the processing time increases.
Le taux d'échange à 5 min n'étant que de 65% pour la température considérée de 480* C, il est possible, à une température inférieure, d'augmenter encore la résistance à la traction maximale en augmentant ce taux d'échange. The exchange rate at 5 min being only 65% for the considered temperature of 480 ° C, it is possible, at a lower temperature, to further increase the maximum tensile strength by increasing this exchange rate .
La formule de l'émail dont le renforcement est décrit dans cet exemple a permis la réalisation de couronnes dont les caractéristiques de forme et d'esthétique comparables à celles obtenues avec les émaux classiques n'ont en rien été altérées par la trempe chimique. The enamel formula, the reinforcement of which is described in this example, has made it possible to produce crowns whose shape and aesthetic characteristics comparable to those obtained with conventional enamels have in no way been altered by chemical quenching.
R R
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