CN107847399A - 增加硅酸锂玻璃陶瓷成型体的强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及获得硅酸锂玻璃陶瓷的医用成型体的方法。为了增加其强度，提出在包括硅酸锂玻璃或包含硅酸锂玻璃的成型体中锂离子被更大直径的碱金属离子替换，以产生表面压缩应力。为此，成型体用包含碱金属的熔体覆盖，对于所述碱金属，使用等分量的包含碱金属的盐。

Description

增加硅酸锂玻璃陶瓷成型体的强度的方法
发明背景
本发明涉及一种增加包含硅酸锂玻璃陶瓷的医用成型体或者该体的一部分的强度的方法，所述成型体优选为牙科成型体的形式，特别是桥、牙冠、顶盖、嵌体、高嵌体或贴面。
因为硅酸锂玻璃陶瓷的强度和生物相容性，牙科技术中经证实的方法已使用其作为坯料以制作牙科修复体。已发现，对于包含硅酸锂(lithium metasilicate)作为主晶相的硅酸锂(lithium silicate)坯料，如果机械加工在没有高的工具磨损的情况下容易进行是可能的，则这是有利的。在其中产物转化为焦硅酸锂玻璃陶瓷的随后热处理时，其然后具有高的强度。其还具有良好的光学性质和足够的化学稳定性。相应的方法公开于例如，DE197 50 794 A1或DE 103 36 913 B4。
为了获得高强度同时具有良好的半透明性，将至少一种选自氧化锆、氧化铪或其混合物，特别是氧化锆的稳定剂加入到碳酸锂、石英、氧化铝等形式的起始原料，即通常的起始组分。这里注意例如DE 10 2009 060 274 A1，WO 2012/175450 A1，WO 2012/175615A1，WO 2013/053865 A2或EP 2 662 342 A1。
I.L. Denry等, Enhanced Chemical Strengthening of Feldspathic DentalPorcelain, J Dent Res, October 1993, 第1429-1433页，和R.R. Seghi等, Effects ofIon Exchange on Hardness and Fracture Toughness of Dental Ceramics, TheInternational Journal of Prosthodontics, Volume 5, No. 4, 1992, 第309-314页的出版物公开了由长石玻璃类型组成的复合陶瓷的研究，其中可能存在白榴石沉淀。为了提高强度，提出以两步方法，用锂离子代替钠离子，然后用钾离子代替锂离子。较小的离子也可以被铷离子代替。如果使用氧化铷，则能够使强度提高最多80％。然而，铷具有增加陶瓷的热膨胀系数的缺点。
DE 30 15 529 A1公开了一种改善牙瓷的机械强度的方法。在这种方法中，修复体涂上釉质，使釉质中有碱金属离子交换。为此，将修复体浸入温度在200℃和釉质转变点之间的熔盐浴中。
US 4 784 606 A公开了一种玻璃牙科支架，其强度由于离子交换而增加。
发明简述
本发明的目的是进一步开发前述类型的方法，使得使用简单的处理技术措施可增加成型体的强度。用此方法，应该还有可能通过增加强度所需的措施来阻止成型体中杂质的存在。
在又一方面，该方法还应能够使未经训练的人增加所述强度至所需的程度。
本发明的目的基本上得以实现，在于通过更大直径的碱金属离子替换锂离子在包括或包含硅酸锂玻璃陶瓷的成型体中产生表面压缩应力，在于成型体被包含相应的碱金属离子的熔体覆盖，和在于成型体经时间t与熔体接触和熔体然后从成型体除去，其中包含碱金属离子的等分量的盐用于熔体。
有可能将成型体置于第一容器，例如具有穿孔的篮中，使得
- 包含成型体的第一容器被引入熔体，或者
- 盐被引入包含成型体的第一容器并熔化，或者
- 含成型体的第一容器置于盐上，所述盐然后熔化。
作为独立提出的方案，使分配的盐在容器(下文称为第二容器)例如囊中可用，其具有通过撕掉或旋开而可除去的封口。特别是，存在这样的可能性，即在盐熔化之前将成型体置于盐上，或盐在第二容器中熔化和成型体然后浸入熔体中。本发明还涵盖这样的可能性，即成型体与具有穿孔的容器(下文称为第三容器)一起浸入第二容器中存在的熔体中。
根据进一步优选的方案，本发明教导，该体被作为容器的耐热箔 (下文称为第四容器)包裹，其中存在分配量的盐，和然后将盐熔化。
令人惊讶地发现，当硅酸锂玻璃陶瓷的成型体中存在的锂离子被更大的碱金属离子替换时，产生预应力，因此产生表面压缩应力，导致强度显著增加。
同时令人惊讶地发现，腐蚀抗性增加。已发现，除了通过离子交换增加强度之外，其中获得大于500 MPa、优选地大于800 MPa的弯曲强度值(通过DIN EN ISO 6872-2009-01中指定的三点弯曲测量方法测定)，还存在化学抗性改进，其也通过DIN EN ISO 6872-2009-1中给定的方法测定，得到< 95 µg x cm-2的化学稳定性。
用于产生表面压缩应力的碱金属离子优选地是Na、K、Cs和/或Rb离子。
根据本发明，成型体，其从而具有要可用的型体(特别是在牙科成型体的情况下的桥、牙冠、顶盖、嵌体、高嵌体或贴面)的几何形状，在熔体中经时间t退火，以实现锂离子被更大直径的碱金属离子的所需替换，结果是产生需要的表面压缩应力和导致强度增加。
特别是，提供了以仅完全浸入成型体所需的量分配的熔体，使得在退火后，即，在离子交换后，其然后经处理，以致对于每个强度增加过程，使用新盐，从而使用新熔体，结果是与其中熔体使用超过一次的方法相比，不存在污染。然而，如果相应的熔体使用超过一次，未背离本发明，即使这不是优选的。
特别是，提供了在包含钾离子的熔体中退火的成型体，其中优选的盐熔体是KNO3、KCl或K2CO3盐熔体。
优选地，本发明的特征在于成型体置于包含钾离子的熔体、特别是包含KNO3、KCl或K2CO3的熔体或包含钠离子的熔体、特别是包含NaNO3、乙酸钠或有机酸的钠盐的熔体或包含钾离子和钠离子的混合物的熔体(特别是50:50 mol.%的比率)、优选地包含NaNO3和KNO3的熔体中，或被其覆盖。
为了确保在离子交换期间存在恒定的离子交换电势，本发明进一步提出进入盐的锂离子是结合的。特别是，提出通过加入盐例如碱金属磷酸盐，例如K2HPO4至能够离子交换的碱金属盐，结合锂离子。熔体中的锂离子含量通过磷酸锂的沉淀而降低。
独立地，发现如果成型体在熔体中在温度T ≥ 300℃、特别是350℃ ≤ T ≤ 600℃、优选430℃ ≤ T ≤ 530℃下退火t ≥ 5分钟、特别是0.5小时 ≤ t ≤ 10小时、特别优选3小时 ≤ t ≤ 8小时的一段时间，在表面区域中需要的离子交换是特别良好的。
在该区域中至多30分钟的较短的退火/接触时间在原则上足以在表面区域中产生需要的表面压缩应力。在往下到至20 µm或更大的深度处需要成型体强度增加的情况下，则更长的接触/退火时间，例如6或10小时将是需要的，这取决于退火温度。
为了使盐能够以能量-节约和温度-受控的方式熔化和在需要的时间长度内退火成型体，本发明的特征为具有容器(下文称为第五容器)的加热装置，所述容器几何形状与第二容器的外部尺寸至少在其一些区域上匹配。第五容器有可能容纳于加热装置的加热板中。
优选的是由玻璃熔体制造的成型体或由其得到成型体的坯料，该玻璃熔体至少包含以下成分作为起始组分：SiO2、Al2O3、Li2O、K2O、至少一种成核剂如P2O5和至少一种稳定剂如ZrO2。
在具体的方式中，本发明的特征在于，不仅锂离子被更大的碱金属离子，特别是钾和/或钠离子所代替，而且还提高了起始物质的强度，因此在成型体/由其得到成型体的坯料的玻璃相中，包含至少一种溶解的稳定剂，特别是呈ZrO2的形式，其中相对于初始组合物，所述浓度优选为8-12重量％。
特别地，本发明的特征在于，成型体/坯料由包含以下重量百分比组分的玻璃熔体制成：
- SiO2 50-80，优选地52-70，特别优选56-61
- 成核剂，例如P2O5，0.5-11，优选地3-8，特别优选4-7
- Al2O3 0-10，优选地0.5-5，特别优选1.5-3.2
- Li2O 10-25，优选地13-22，特别优选14-21
- K2O 0-13，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Na2O 0-1，优选地0-0.5，特别优选0.2-0.5
- ZrO2 0-20，优选地4-16，特别是6-14，特别优选8-12
- CeO2 0-10，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Tb4O7 0-8，优选地0.5-6，特别优选1.0 - 2.0
- 任选地，一种或多种碱土金属的一种或多种氧化物，所述碱土金属选自镁、钙、锶和钡，0-20，优选地0-10，特别优选0-5，
- 任选地，选自B2O3、MnO2、Fe2O3、V2O5、TiO2、Sb2O3、ZnO、SnO2和氟化物的一种或多种添加剂，0-6，优选地0-4
- 任选地，原子序数为57、59-64、66-71的稀土金属，特别是镧、钇、镨、铒和铕的一种或多种氧化物，0-5，优选地0-3，
其中总和为100重量%。
“任选地，一种或多种氧化物”是指在玻璃熔体中包含一种或多种氧化物不是绝对必要的。
特别地，成型体/坯料包含以下重量百分比组分：
SiO2 58.1 ± 2.0
P2O5 5.0 ± 1.5
Al2O3 4.0 ± 2.5
Li2O 16.5 ± 4.0
K2O 2.0 ± 0.2
ZrO2 10.0 ± 0.5
CeO2 0-3, 优选地1.5 ± 0.6
Tb4O7 0-3, 优选地1.2 ± 0.4,
Na2O 0-0.5, 优选地0.2-0.5
其中总和为100重量％。
在实施方案中，本发明的特征在于，在冷却过程中或者在冷却到室温之后，由玻璃熔体形成坯料，然后坯料在温度TW1下在时间tW1内经历至少第一热处理W1，其中620℃≤TW1≤800℃，特别是650℃≤TW1≤750℃，和/或1分钟≤tW1≤200分钟，优选10分钟≤tW1≤60分钟。成型体由坯料/热处理坯料制成。
核和硅酸锂晶体在第一热处理步骤期间形成。相应的硅酸锂玻璃陶瓷坯料可通过容易地锻造为成型体即牙科物体而形成，其中工具磨损是最小的。
成型体也可通过从上述组成的坯料或粒料压制来制造，其中所述一个或多个热处理步骤可在压制程序期间或在其之后进行。
特别是为了获得最终结晶，特别是为了产生焦硅酸锂晶体或转化硅酸盐晶体为焦硅酸盐晶体，在第一热处理W1之后对硅酸锂玻璃陶瓷坯料提供了在温度TW2下经历第二热处理W2，持续时间tW2，其中800℃≤TW2≤1040℃，优选800℃≤TW2≤900℃和/或2分钟≤tW2≤200分钟，优选3分钟≤tW2≤30分钟。
对于导致预结晶/最终结晶的热处理步骤，优选选择以下温度值和加热速率。关于第一热处理W1，特别提供两步法，其中第一保持阶段在640℃至680℃的范围内，并且第二保持阶段在720℃至780℃的范围内。在每个保持阶段中，加热的坯料在一定的温度下保持一段时间；在第一阶段中，优选在35-45分钟之间，在第二阶段中优选在15-25分钟之间。
在第一热处理阶段之后或在第二热处理阶段之后，但优选在第二热处理阶段之后，通过研磨或碾磨来加工坯料，以获得期望几何形状的成型体。随后，成型体进行模拟釉烧(不实际施加釉)或用手抛光。如果通过压制得到成型体，则也是如此。
可用的成型体然后在盐熔体中退火。盐熔体可包含赋予颜色的添加剂，特别是包括一种或多种从铈至镱(原子序数58至70)的镧系元素和/或一种或多种选自钒、锰、铁、钇、锑的元素。
从盐熔体中移出，冷却和去除任何粘附的盐熔体/糊剂残余物，并且如果需要的话，在一定程度上加工如此获得的可用成型体后，其可特别配置作为牙科修复体。鉴于强度增加，成型体可以特别是多单元桥。
相应成型体的样品已经证明可以获得超过800MPa的弯曲强度值。使用DIN EN ISO6872:2009-1中规定的弯曲强度的三点法来测定该值。
DIN EN ISO 6872:2009-1中规定的水解测试中获得的化学稳定性的值是< 95 µgx cm-2。根据本发明的方法因此不仅增加成型体的强度，而且增加其腐蚀抗性。
特别是，提供了盐，包括一种或多种碱金属盐，其被压制/压缩成盐体和其被置于成型体上或成型体被置于其上，和盐体然后熔化，使得盐熔体完全包裹成型体，并且需要的离子交换可发生。在该过程中成型体可容纳在具有穿孔的容器中。
根据进一步的方案，为了能够通过熔化的盐(其如所提及的包括或包含一种或多种碱金属盐)进行离子交换，使盐可等分在容器中(即，第二容器)，例如具有通过旋开或撕掉可除去的封口的囊。第二容器也可同时作为成型体的容器使用，使得盐与位于盐上的成型体一起熔化。还自然存在这样的可能性，即首先熔化盐，然后将成型体浸入熔体中。上述说明还包括首先用盐包围成型体，然后熔化盐的可能性。还存在通过具有穿孔的容器例如丝网篮将成型体浸入熔体中的可能性。
与上述独立地，当与盐接触时成型体初始应处于室温。与本领域的现有技术相反，在盐/熔体中退火之前成型体初始不加热。
根据本发明，还特别提供了20-65体积％玻璃相，特别是40-60体积％。
因此，本发明的特征还在于其中硅酸锂晶体以35-80体积％，特别是40-60体积％的范围存在的成型体。如果含有P2O5的话，这里的硅酸锂晶体是指焦硅酸锂晶体、硅酸锂晶体和磷酸锂晶体的总和。
特别是，成型体的特征在于从表面往下至10 µm的深度，替换锂离子的碱金属离子的浓度，特别是如果使用钾离子的话，在5-20重量%的范围内。在从表面开始8-12 µm的深度，碱金属离子应以范围5-10重量%存在。在从表面开始12-14 µm的深度，碱金属离子应以范围4-8重量%存在。在从表面开始14-18 µm的深度，碱金属离子的相应范围是1-3重量%。碱金属离子的重量百分比逐层减少。
如所提及的，重量百分比值不考虑成型体中已经存在的碱金属离子。数值特别适用于钾离子。
附图简述
本发明的进一步细节、优点和特征不仅从权利要求、从它们中得出的特征(单独和/或组合)获得，而且从下面给出的实施例中得出。
附图
图1 在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的第一实施方案的示意图。
图2 在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的第二实施方案的示意图。
图3 在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的第三实施方案的示意图。
图4 在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的第四实施方案的示意图。
图5 在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的第五实施方案的示意图。
图6 a), b)在硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型体中产生表面压缩应力的布置的另外的实施方案的示意图。
图7 容纳盐的囊。
图8 根据图7的含盐熔体和成型体的囊，和
图9 加热装置。
优选实施方案的描述
首先应举例说明的是，作为硅酸锂玻璃陶瓷的成型体的玻璃组分中存在的锂离子被更大直径的碱金属离子替换的结果，产生表面压缩应力，导致强度增加。
在下述测试中，至少将原料诸如碳酸锂、石英、氧化铝、氧化锆在鼓式混合机中混合，直至得到目视均匀的混合物。下面给出根据制造商的数据的组合物用于测试。
原则上以下内容适用于下文给出的测试：
所述混合物在耐高温铂合金坩埚中在1500℃的温度下熔融5小时。随后将熔体倒入模具中以得到矩形体(块)。随后将该块进行两步热处理，称为第一热处理步骤，以产生作为主晶相的硅酸锂晶体(第一处理步骤)。在第一热处理步骤W1中，以2K/分钟的加热速率将块由此加热至660℃，并在该温度下保持40分钟。然后将它们以10K/分钟的加热速率进一步加热至750℃。样品在该温度下保持20分钟。这种热处理影响成核，并形成硅酸锂晶体。
然后使块进行第二热处理步骤W2 (第二处理步骤)以形成作为主晶相的焦硅酸锂晶体。在该热处理步骤中，块在温度T2下保持一段时间t2。相应的值在下面给出。然后将它们冷却到室温。
然后通过研磨块，通过从冷却的块机械制得矩形形状的弯曲棒(样品) (第三处理步骤)。弯曲棒具有以下尺寸：长度15mm，宽度4.1mm和高度1.2mm。然后使用具有1200粒化度的碳化硅砂纸对一些样品的边缘进行平滑。使用Struers Knuth-Rotor旋转研磨机进行研磨。然后研磨样品的侧面(第四处理步骤)。这里也使用具有1200粒化度的SiC砂纸。然后对于没有材料应用的一些另外的样品进行釉烧(第五处理步骤)。这种釉烧(称为第三热处理步骤)在温度T3进行t3的时间。进行釉烧以密封表面的任何裂纹。
按照DIN EN ISO 6872:2009-01的规定进行三点弯曲强度测量。为此目的，样品(小棒)以10mm的间距安装在两个支架上。装载活塞作用在棒之间的样品上，与样品接触的尖端具有0.8毫米的半径。
样品还进行DIN EN ISO 6872:2009-01中规定的水解测试。
实施例1 (根据本发明的硅酸锂玻璃陶瓷)
使用根据制造商规格的以下起始组合物(以重量百分比计)来得到硅酸锂玻璃，并从该硅酸锂玻璃陶瓷材料中进行多个测试。
玻璃相的百分比在40-60体积％的范围内。
a)测试系列＃1
得到20个棒和进行处理步骤1-5。最终的结晶(第二热处理步骤)在温度T2 = 830℃下进行t2 = 5分钟的时间。釉烧(第五处理步骤)在温度T3 = 820℃下进行t3 = 4分钟的时间。
这些棒中的10个，没有进一步处理，然后进行三点弯曲强度测试和得到322 Mpa的平均值。
剩余的10个棒然后在480℃温度的工艺纯的KNO3的盐浴中退火1小时。棒然后从熔体中取出和熔体残余物使用热水除去。然后按上所述进行三点弯曲强度测量。平均三点弯曲强度值是750 MPa。
b)测试系列#2
如对于测试系列#1得到20个棒。在釉烧后直接对10个棒进行三点弯曲强度测试，和得到347 MPa的平均弯曲强度值。其它10个棒然后在温度480℃的工艺纯的KNO3的熔体中退火10小时。平均弯曲强度值是755 MPa。
c)测试系列#3
然后对如对于第一测试系列得到的棒，对于在KNO3熔体中退火的棒和不退火的棒二者，通过DIN EN ISO 6872:2009-01中给出的方法，测定化学稳定性。在钾离子熔体中不退火的棒具有96.35 µg x cm-2的起始值。退火的棒的化学稳定性值是90.56 µg x cm-2。
d)测试系列#4
然后从前述起始材料得到棒，但仅进行处理步骤1-3，即，边缘不经平滑或抛光处理，和没有釉烧。对制备的20个棒中的10个进行弯曲强度测量，和得到187 MPa的平均值。其它10个棒然后在温度580℃的工艺纯的KNO3的盐熔体中退火10小时。平均三点弯曲强度值是571MPa。
e)测试系列#5
从已经描述的组成的硅酸锂材料制备另外20个棒，和对于它们仅进行处理步骤1-4，即，不釉烧。对于不退火的10个棒，得到233 MPa的平均弯曲强度值。其它10个棒然后在NaNO3熔体中在480℃下退火20分钟。棒具有620 MPa的弯曲强度。
测试显示，所有样品具有超过100%的强度增加，不管在碱金属离子熔体中退火前它们接受良好的机械制备(测试系列a), b), e))还是不接受良好的机械制备(测试系列d))。
关于初始值(即没有退火)的偏离，应注意样品来自不同批次的相同类别的起始材料，和在样品制备中存在差异。
实施例＃2 (根据本发明的硅酸锂玻璃陶瓷)
按照如上所述将下列重量百分比组成的硅酸锂材料熔融：
SiO2 56.0-59.5
P2O5 4.0-6.0
Al2O3 2.5-5.5
Li2O 13.0-15.0
K2O 1.0-2.0
ZrO2 9.5 - 10.5
CeO2 1.0-2.0
Tb4O7 1.0-1.2
Na2O 0.2-0.5
玻璃相百分比在40-60体积％的范围内。
将熔融的材料倒入铂模具中以得到圆棒(粒料)，用于在压制陶瓷用的牙科炉中压制。由此在铸模材料中形成矩形的空腔以提供用于根据实施例1测量的样品棒。棒的尺寸对应于测试系列a)至e)的尺寸。在860℃的温度下将待压制的材料压入铸模材料中30分钟。然后使用平均直径为110μm的氧化铝颗粒和1至1.5巴的喷射压力从铸模材料中除去所述棒，以保持低的可能损害。然后根据测试系列a), b)和e) (第四处理步骤)，将边缘平滑，和将表面抛光。不釉烧(第五处理步骤)。从而制备样品，和其50%按DIN EN ISO 6872:2009-01所规定的，直接进行弯曲强度测量。剩余的样品然后在碱金属离子熔体中退火。
f)测试系列#6
将10个样品的边缘平滑，和将表面抛光。这些样品具有264 MPa的平均弯曲强度。10个样品然后在工艺纯的KNO3盐熔体中在420℃下退火10小时。平均弯曲强度是464 MPa。
g)测试系列#7
10个样品具有254 MPa的平均弯曲强度。10个样品在工艺纯的KNO3盐熔体中在500℃下退火10小时。平均弯曲强度是494 MPa。
h)测试系列#8
没有退火的10个样品具有204 MPa的平均弯曲强度。另外10个样品在工艺纯的NaNO3盐熔体中在480℃下退火10分钟。平均弯曲强度是475 MPa。
初始强度值的偏离可归因于使用不同的批次和样品制备的性质。
实施例＃3 (现有技术的玻璃陶瓷)
使用商业粒料，用于在压制陶瓷用的牙科炉中压制。粒料分析揭示了以下重量百分比的组成：
SiO2 65.0-72.0
P2O5 2.5-5.0
Al2O3 1.5-3.5
Li2O 12.0-15.5
K2O 3.0-4.0
ZrO2 0-1.5
CeO2 0.5-2.3
Tb4O7 0.5-1.0
Na2O 0-0.1
玻璃相百分比为5-15体积％。
将相应的粒料在920℃的温度下在牙科炉中压制30分钟。然后根据处理步骤#4，平滑边缘并进行抛光。
i)测试系列#9
10个样品的测量显示422 MPa的平均弯曲强度。
10个样品在工艺纯的NaNO3盐熔体中在480℃下退火20分钟。在退火后，平均弯曲强度是355 MPa。
实施例＃4 (根据现有技术的玻璃陶瓷)
使用根据分析的下列重量百分比组成的硅酸锂玻璃陶瓷的市售可得的块体：
SiO2 65.0-72.0
P2O5 2.5-5.0
Al2O3 1.5-3.5
Li2O 12.0-15.5
K2O 3.0-4.0
ZrO2 0-1.5
CeO2 0.5-2.3
Tb4O7 0.5-1.0
Na2O 0-0.1
玻璃相的百分比为5-15体积％。
对于实施例1，根据第3和第4处理步骤，通过研磨块体(成型体)制备相应尺寸的样品棒，其边缘平滑并且随后抛光表面。
为了得到作为样品的主晶相的焦硅酸锂晶体，通过加热样品至850℃达10分钟的时间，根据制造数据进行最终结晶。
j)测试系列#10
对这10个样品进行上述类型的三点弯曲强度测量。得到的平均值是352 MPa。10个另外的样品在工艺纯的KNO3熔体中在480℃下退火10小时。平均弯曲强度是594 MPa。
k)测试系列#11
从相应批次制备另外20个样品和进行相同的处理步骤，包括最终结晶，但除了第四处理步骤，使得没有对样品进行良好的机械制备(不抛光或平滑边缘)。
以此方式制备的样品中的10个具有331 MPa的平均弯曲强度值。10个样品在KNO3熔体中在480℃下退火10小时。平均弯曲强度值是477 MPa。
l)测试系列#12
如对于测试系列#10 (j)制备样品。不退火的10个样品的平均弯曲强度值是381 MPa。将10个样品在工艺纯的NaNO3熔体中在480℃退火20分钟。平均强度值为348 MPa。
实施例/测试系列的比较表明，在样品的玻璃相中在低的总碱金属氧化物含量下，即在结晶实施之后，和在陶瓷材料中高的玻璃百分比下，锂离子可以被其它更大直径的碱金属离子代替，从而产生期望的表面压缩应力，随之增加强度。同时，化学抗性提高。如从实施例3和4清楚可见的，如果所使用的成型体(即样品)中的玻璃相的百分比低于20％，特别是低于15％，则这些作用减小或根本不可见。对此可能的原因(可能与玻璃相百分比无关)是玻璃相中的碱金属氧化物含量即氧化钠和氧化钾的含量大于起始组合物的2.5重量％，特别是大于3重量％。Li2O在起始组合物中的百分比也可能具有影响，即，较高的锂离子百分比能够增加氧化钠和氧化钾对锂离子的交换，使得压缩表面应力增加。
可能的解释如下。引起表面压缩应力的离子交换发生在玻璃陶瓷样品的表面和盐熔体之间的界面处，其中通过玻璃陶瓷的碱金属离子的扩散来控制该过程。锂离子从玻璃陶瓷扩散到表面，在那里它们被盐熔体中的碱金属离子代替，并且在代替锂离子后，盐熔体中的碱金属离子从表面扩散进入玻璃陶瓷的内部区域。如果硅酸锂玻璃陶瓷中的玻璃相百分比高并且在退火之前玻璃相中的钾离子和钠离子的百分比相对较低，则与其中玻璃相百分比低并且玻璃相中的原始碱金属离子百分比(氧化钠和氧化钾)相对较高的玻璃陶瓷材料相比，原动力以及因此离子交换的潜势会更高/更有效。
这可以通过玻璃相中较高的锂离子百分比，即没有结合在沉淀物中并因此可用于离子交换的锂离子百分比来进一步加强。沉淀物是Li-Si和Li-P沉淀物。
对根据本发明的硅酸锂玻璃陶瓷样品进行进一步的测量表明，从表面向下至10 µm的深度，替换锂离子的碱金属离子的百分比在5-20重量%的范围内。在从表面开始8-12 µm的深度，碱金属离子以5-10重量%的范围存在。在从表面开始12-14 µm的深度，碱金属离子以4-8重量%的范围存在。在从表面开始14-18 µm的深度，碱金属离子的范围是1-3重量%，其中碱金属离子的重量百分比逐层减少。
不管是否储存钾离子，与未在含钾离子的盐熔体中退火的样品相比，使用扫描电子显微镜检查时显微结构没有差异。
由此可见，根据教导，当锂离子被更大直径的碱金属离子代替时，产生表面压缩应力。为了引起具有硅酸锂玻璃陶瓷材料的成型部件的强度增加，根据本发明提出了不同的措施并参考附图进行了解释。
为了提高硅酸锂玻璃陶瓷的成型体10的强度，例如呈桥或冠的形式，即，为了根据本发明的教导用更大直径的碱金属离子替换锂离子以产生表面压缩应力，根据图1-5的实施方案实例，其中使用容器12 (亦称为第六容器)，其中桥或冠被熔体14完全包裹。为此，根据图1的实施方案实例，硝酸钾被引入容器12，和熔化。温度大约为480℃。在进行釉烧以密封表面瑕疵后，预先通过用作为主晶相的焦硅酸锂晶体研磨得到的硅酸锂玻璃陶瓷的成型体10被引入熔体14。或者，进行手工平滑。成型体10在室温下然后置于篮16 (亦称为第一容器)中，其然后与成型体10 (下文简称为冠10)一起浸入熔体12中，并在熔体中退火8小时。然后篮16与冠10一起从熔体12移出，和在冷却后，从冠10除去存在的熔体残余物。冠10不随后锻制。
如可从示意图见到的，熔化的盐以冠10完全浸入熔体14中的方式等分。在离子交换发生后，熔体经处理，使得可在新熔体中处理另外的修复体。
为了允许维持锂离子交换电势，例如K2HPO4可加入硝酸钾盐，产生这样的益处，即留在硅酸锂玻璃陶瓷体的锂离子与磷酸根离子形成磷酸锂形式的沉淀，使得结果是没有富集含锂离子的硝酸钾熔体。K2HPO4作为锂离子的获得者起作用。
在图1的实例中，冠10被浸入熔体14中，而根据图2的实例实施方案，冠10首先与篮16一起被引入容器12。碱金属离子盐、特别是硝酸钾，或例如硝酸钠和硝酸钾的混合物(仅提及钾金属离子盐作为实例)的压制或压缩的型体18被置于冠10上，使得通过前述类型的热处理，盐体18被熔化，使得冠10被完全浸入熔体中。然后可根据图1的实例进行温度-时间处理。同样适用于除去和清洁。
图3的实例实施方案在原理上对应于图2，其中限定了冠10不是通过篮16被引入，而是在没有帮助的情况下被引入容器12。
如在图1的实例实施方案中，根据图2和3的实例实施方案的成型体应该在与盐体18接触时处于室温下。
图4和5的实例实施方案不同于图1-3之处在于冠10直接位于盐体18上，或首先置于具有穿孔的容器例如丝网篮16中，和然后丝网篮16置于盐体18上。这在容器12中。盐体18然后被熔化。盐体18从而具有确保冠10被熔体完全包裹的体积。
关于盐体18，应注意这可具有塑料覆层，以能够简单操作，而没有盐颗粒漏泄的危险。塑料覆层然后在使用的温度下溶解。
另外的实施方案形式显示在图6中，其中冠10被熔化的钾盐完全包裹。为此，使用耐热箔，特别是金属箔26，其中存在等分量的钾盐24。箔26被称为第四容器。其量经选择，使得冠10被盐24/从盐形成的熔体完全包裹。金属箔26然后被密封，即，盐24与冠10被金属箔26完全围绕。然后按上所述进行温度-时间处理，以熔化盐和按上所述退火在钾盐熔体中的冠10，使得可发生离子交换，并使得产生表面压缩应力。
根据图7和8的实例实施方案，等分量的钾盐或钾盐的混合物被引入囊20，例如含铝的囊。囊20 (亦称为第二容器)通过盖22密封，其沿凸缘样边界21延伸。为了硬化冠10，囊20中的盐24被熔化和冠10然后被引入，或冠10置于盐上，冠10和盐升到需要的温度以熔化盐24。后一选择自然地包括打开囊20，即，盖22至少部分地从边界21除去和可能完全除去。
还应注意，还自然地存在这样的可能性，即冠10位于称为第三容器的丝网篮中，使得其与冠10一起浸入熔体。
独立地，冠10在与盐24/熔体初始接触时应处于室温下。
为了以有利于能量项的方式熔化称为第二容器的囊20中的盐，可使用熔炉28，如图9中纯粹示意图所示。熔炉28具有容器30，称为第五容器，其与囊20的外部几何形状匹配，使得囊20靠紧容器30的内壁，使得良好的热传递是可能的。从图9可见，囊20的周围的凸缘状边界21延伸到容器30的几何形状匹配的台阶状凹槽32中。
上述时间/温度处理之后，不进行另外的处理步骤，特别是高于200℃的温度处理步骤，以排除碱金属离子、特别是钠离子和/或钾离子从成型体例如冠10的表面层扩散至内部区域的可能性。

Claims (35)

1. 增加硅酸锂玻璃陶瓷的医用、优选牙科成型体(10)或其一部分的强度的方法，所述成型体或部分特别是桥、牙冠、顶盖、嵌体、高嵌体或贴面，
特征在于
在硅酸锂玻璃陶瓷的成型体(10)中通过用更大直径的碱金属离子替换锂离子产生表面压缩应力，在于该成型体被包括或包含一种或多种具有更大直径的离子的碱金属的盐的熔体(14)覆盖，在于该成型体与熔体在温度T下接触一段时间t，和在于熔体然后从成型体除去，其中等分量的盐用于熔体。
2. 权利要求1的方法，
特征在于
盐体(18)按等分量通过压制/压缩从盐制备，和盐体位于成型体(10)上或成型体直接或间接位于盐体上，然后将盐体熔化。
3. 权利要求1或2的方法，
特征在于
成型体(10)位于具有穿孔的第一容器(16)，例如丝网篮中，和然后
- 含成型体(10)的第一容器被浸入熔体(14)中，或者
- 含成型体的第一容器被引入盐中，然后将盐熔化，或者
- 含成型体的第一容器位于盐或盐体上，且盐与将成型体浸入正形成的熔体中同时熔化。
4. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
成型体(10)被包含分配量的盐的耐热箔(26)包裹，然后将盐熔化。
5. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
使分配的盐在第二容器(20)例如囊中可用，其具有可通过例如撕掉而除去的封口(22)。
6. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
在盐的熔化前，成型体(10)位于盐上。
7. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
将盐在第二容器(20)中熔化，然后将成型体浸入熔体中。
8. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
成型体(10)与具有穿孔的第三容器一起浸入第二容器(20)中存在的熔体中。
9. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
向能够进行离子交换的碱金属盐中加入磷酸盐，例如K2HPO4，以结合锂离子。
10. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
Na、K、Cs和/或Rb离子用作碱金属离子以产生表面压缩应力。
11. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
熔体(14)包含使成型体(10)着色的一种或多种元素。
12. 根据至少权利要求11的方法，
特征在于
所述一种或多种着色元素是具有范围为58-70的原子序数的一种或多种镧系元素，优选地铈、镨、铽和/或铒。
13. 根据至少权利要求11的方法，
特征在于
至少一种着色元素是选自钒、锰、铁、钇和锑的元素。
14. 根据至少权利要求11的方法，
特征在于
一种或多种着色元素被包含溶解在包含碱金属离子的熔体(14)中。
15. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
成型体(10)在包含钾离子的熔体(14)中，特别是在包含KNO3、KCl或K2CO3的熔体或包含钠离子的熔体中，特别是在包含NaNO3、乙酸钠或有机酸的钠盐的熔体中，或在包含钾离子和钠离子的混合物、特别是50:50摩尔百分比的比率的熔体中，优选地在包含NaNO3和KNO3的熔体中退火。
16. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
成型体(10)在温度T下退火一段时间t，其中T ≥ 300℃，特别是350℃ ≤ T ≤ 600℃，优选地430℃ ≤ T ≤ 530℃，特别是其中t ≥ 5分钟，优选地0.5小时 ≤ t ≤ 10小时，特别优选3小时 ≤ t ≤ 8小时。
17. 前述权利要求中至少一项的方法，
特征在于
成型体(10)从玻璃熔体制备，所述玻璃熔体至少包含以下作为起始组分：SiO2、Al2O3、Li2O、K2O、至少一种成核剂例如P2O5和至少一种稳定剂例如ZrO2。
18. 根据至少权利要求17的方法，
特征在于
玻璃熔体包含至少一种着色金属氧化物例如CeO2和/或Tb4O7。
19. 根据至少权利要求17的方法，
特征在于
成型体(10)或从其制造成型体的坯料，由包含以下重量百分比组分的玻璃熔体制成：
- SiO2 50-80，优选地52-70，特别优选56-61
- 成核剂，例如P2O5，0.5-11，优选地3-8，特别优选4-7
- Al2O3 0-10，优选地0.5-5，特别优选1.5-3.2
- Li2O 10-25，优选地13-22，特别优选14-21
- K2O 0-13，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Na2O 0-1，优选地0-0.5，特别优选0.2-0.5
- ZrO2 0-20，优选地4-16，特别是6-14，特别优选8-12
- CeO2 0-10，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Tb4O7 0-8，优选地0.5-6，特别优选1.0 - 2.0
- 任选地，一种或多种碱土金属的一种或多种氧化物，所述碱土金属选自镁、钙、锶和钡，0-20，优选地0-10，特别优选0-5，
- 任选地，选自B2O3、MnO2、Fe2O3、V2O5、TiO2、Sb2O3、ZnO、SnO2和氟化物的一种或多种添加剂，0-6，优选地0-4，
- 任选地，原子序数为57、59-64、66-71的稀土金属，特别是镧、钇、镨、铒和铕的一种或多种氧化物，0-5，优选地0-3。
20. 根据至少权利要求17的方法，
特征在于
该玻璃熔体包含以下重量百分比的成分作为起始组分
dest_path_image002。
21. 根据至少权利要求17的方法，
特征在于
在冷却期间或在冷却到室温后由玻璃熔体形成坯料，然后在温度TW1下对所述坯料进行至少一次第一热处理W1，持续时间tW1，其中620℃≤TW1≤800℃，特别是650℃≤TW1≤750℃，和/或1分钟≤tW1≤200分钟，优选10分钟≤tW1≤60分钟。
22. 根据至少权利要求21的方法，
特征在于
第一热处理W1分两步进行，其中特别是在第一步骤中设定温度TSt1，其中630℃≤Tst1≤690℃，和/或在第二步骤中设定温度TSt2，其中720℃≤TSt2≤780℃，和/或至温度TSt1的加热速率ASt1为1.5K/分钟≤ASt1≤2.5K/分钟和/或至温度TSt2的加热速率ASt2为8K/分钟≤TSt2≤12K/分钟。
23. 根据至少权利要求21的方法，
特征在于
在第一热处理W1之后，硅酸锂玻璃陶瓷坯料在温度TW2下经受第二热处理W2，持续时间tW2，其中800℃≤TW2≤1040℃，优选800℃≤TW2≤870℃，和/或2分钟≤tW2≤200分钟，优选3分钟≤tW2≤30分钟。
24. 根据至少权利要求21的方法，
特征在于
在第一热处理步骤或第二热处理步骤之后，特别是在第一热处理步骤之后，通过研磨和/或碾磨或压制由坯料制备成型体(10)，其中在压制期间或之后进行一个或多个热处理步骤。
25. 硅酸锂玻璃陶瓷的成型体(10)，其呈医用、特别是牙科物体或其一部分的形式，特别是桥、牙冠、顶盖、嵌体、高嵌体或贴面，
其特征在于
通过用更大直径的碱金属离子代替锂离子在成型体(10)中产生表面压缩应力。
26. 权利要求25的成型体，
特征在于
碱金属离子是Na、K、Cs和/或Rb离子，特别是Na离子或K离子，或Na和K离子。
27. 权利要求25或26的成型体，
特征在于
成型体(10)或由其制备成型体的坯料的玻璃相含有至少一种稳定剂，特别是以ZrO2的形式，其增加了成型体的强度，其浓度在成型体的起始组合物中优选为8-12重量％。
28. 根据至少权利要求25的成型体，
特征在于
成型体(10)由玻璃熔体制备，所述玻璃熔体包含以下重量百分比的组分
- SiO2 50-80，优选地52-70，特别优选56-61
- 成核剂，例如P2O5，0.5-11，优选地3-8，特别优选4-7
- Al2O3 0-10，优选地0.5-5，特别优选1.5-3.2
- Li2O 10-25，优选地13-22，特别优选14-21
- K2O 0-13，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Na2O 0-1，优选地0-0.5，特别优选0.2-0.5
- ZrO2 0-20，优选地4-16，特别是6-14，特别优选8-12
- CeO2 0-10，优选地0.5-8，特别优选1.0-2.5
- Tb4O7 0-8，优选地0.5-6，特别优选1.0 - 2.0
- 任选地，一种或多种碱土金属的一种或多种氧化物，所述碱土金属选自镁、钙、锶和钡，0-20，优选地0-10，特别优选0-5，
- 任选地，选自B2O3、MnO2、Fe2O3、V2O5、TiO2、Sb2O3、ZnO、SnO2和氟化物的一种或多种添加剂，0-6，优选地0-4，
- 任选地，原子序数为57、59-64、66-71的稀土金属的一种或多种氧化物，特别是镧、钇、镨、铒和铕的一种或多种氧化物，0-5，优选地0-3。
29. 根据至少权利要求25的成型体，
特征在于
所述成型体(10)由玻璃熔体制备，所述玻璃熔体包含以下重量百分比的组分：
dest_path_image002。
30. 根据至少权利要求25的成型体，
特征在于
玻璃相范围为20-65体积％。
31. 根据至少权利要求25的成型体，
特征在于
所述成型体(10)体积的35％至80％是硅酸锂晶体。
32. 权利要求25-31中至少一项的成型体，
特征在于
从表面开始向下至10μm深度，代替锂离子的碱金属离子百分比在5-20重量％的范围内，和/或在离表面8-12μm的深度处，碱金属离子的百分比在5-10重量％的范围内，和/或在离表面12-14μm的层深度处，碱金属离子的百分比在4-8重量％的范围内，和/或在离表面14-18μm的深度处，碱金属离子的百分比在1-3重量％的范围内，其中碱金属离子的重量百分比逐层地减小。
33.用至少一种碱金属盐填充的囊(20)在硅酸锂陶瓷材料的成型体(10)中通过用更大直径的碱金属离子替换锂离子产生表面应力的用途，特征在于成型体被在囊中熔化的至少一种碱金属盐覆盖。
34. 根据至少权利要求5，熔化在第二容器(20)例如囊中的等分的盐的加热装置(28)，
特征在于
加热装置(28)具有第五容器(30)，其至少在一些区域中与第二容器(20)的外部几何形状在几何形状上匹配。
35. 权利要求34的加热装置，
特征在于
第五容器(30)位于加热装置(28)的加热板中。
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