DE10136093C1

DE10136093C1 - Kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung

Info

Publication number: DE10136093C1
Application number: DE10136093A
Authority: DE
Inventors: Klaus Paesler
Original assignee: Girrbach Dental GmbH
Current assignee: Amann Girrbach GmbH
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-07-27

Abstract

Es wird eine kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung mit einem Cr-Gehalt von 22 bis ca. 27 m%, einem Mo-Gehalt von 4,5 bis ca. 5,5 m%, einem W-Gehalt von 3,5 bis ca. 5,5 m%, einem Si-Gehalt von 0,8 bis ca. 1,3 m%, einem Fe-Gehalt von 0,1 bis ca. 0,4 m%, einem Nb-Gehalt von 0,1 bis ca. 0,4 m%, einem Ce-Gehalt von 0,2 bis ca. 0,6 m% und einem N-Gehalt von ca. > 0,15 m%, Rest Co und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die Nickel bis maximal 0,02 m% und Kohlenstoff bis maximal 0,05 m% enthalten können, vorgeschlagen. Die Legierung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Dentalgussskeletten und Suprakonstruktionen.

Description

Die Erfindung betrifft eine kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Verwendung einer solchen Legierung nach Anspruch 4.

Kobaltlegierungen sind bekannt und werden beispielsweise in der Dentaltechnik zur gießtechnischen Herstellung von Dentalprotheseteilen verwendet. Insbeson dere werden solche Legierungen dazu verwendet, die Basiselemente von Prothe sen herzustellen, auf welche dann Dentalkeramiken aufgebrannt werden.

Um optimale Ergebnisse erzielen zu können, muss die Legierung, aus welcher die Basiselemente hergestellt werden, unter anderem folgende Eigenschaften auf weisen:

1. Die Legierungszusammensetzung muss so beschaffen sein, dass sie ein Schmelz- und Gießverhalten aufweist, durch das der Zeitpunkt des Abgusses eindeutig zu erkennen ist. Dies ist wichtig, um Gussfehler wie Lunker oder Grobkornbildung durch Heiß- und Kaltgüsse zu vermeiden.
2. Die Verarbeitung der Legierung muss mit den in der Zahntechnik eingesetz ten Techniken problemlos möglich sein. Sie sollte eine möglichst niedrige Härte haben.
3. Zwischen dem metallischen Basiselement und der aufgebrannten Dentalke ramik muss sich eine gute Haftung ausbilden.
4. Das Gussgefüge muss auch nach den Keramikbränden noch feinkörnig und spannungsfrei sein, um Spätsprünge und Abplatzungen der Keramik vorzu beugen.
5. Es werden gute mechanische Eigenschaften wie z. B. Zugfestigkeit, 0,2% Dehngrenze, Elastizitätsmodul und plastische Dehnung gefordert, so dass aus der Legierung grazile und bruchsichere Dentalskelette gefertigt werden können.
6. Das Ausfließverhalten der Legierung muss so eingestellt sein, dass ohne zu überhitzen alle in der Zahnheilkunde üblichen prothetischen Teile vollständig ausfließen.
7. Die Legierung darf durch die Keramikbrennprozesse keine dunkle Oxidhaut bilden, die zu einer optischen Verfärbung der Keramik führen könnte.
8. Die aus der Legierung hergestellten Dentalskelette müssen sich auch mit der modernsten Fügetechnik, dem Laserschweißen, problemlos fügen lassen. So ist es wichtig, die Legierungen ohne Kohlenstoffzusatz herzustellen, um Kar bidausscheidungen in den Laserschweißnähten zu vermeiden, die zu Brü chen in den Laserschweißnähten führen können.
9. Wichtig ist die Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität einer Dentalle gierung. Moderne Dentallegierungen müssen internationalen Normen ent sprechen.
10. Der Wärmeausehnungskoeffizient sollte in einem Bereich liegen, in dem es möglich ist, die aus der Legierung hergestellten Dentalskelette mit den auf dem Markt befindlichen Dental-Keramiken problemlos bebrennen zu können.

Insbesondere hinsichtlich des letztgenannten Punktes, aber auch bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften sind die bisher bekannten Kobaltlegierungen nicht vollständig befriedigend. Beispielsweise ist aus der DE 41 23 606 C2 eine Legie rung bekannt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) im Temperaturbereich von 25°C bis 500°C im Bereich von etwa 13,8 × 10^-6 K^-1 liegt. Beim Bebrennen der Dentalskelette mit Dentalkeramik ist es wichtig, dass der WAK der Dentalke ramik kleiner als der der verwendeten Legierung ist. Dies ist deshalb wichtig, um zu vermeiden, dass die Keramik beim Abkühlen einer Zugspannung ausgesetzt wird. Solche Zugspannungen können entsprechende Keramiken nicht aufneh men, so dass es beim Auftreten von Zugspannungen zu Abplatzungen und Ris sen kommen kann.

Es hat sich herausgestellt, dass zahlreiche Dentalkeramiken ihren WAK bei Tem peraturerhöhungen, also beispielsweise beim Bebrennen, irreversibel erhöhen. Unter anderem wegen dieses Effekts ist ein WAK der Dentallegierung von 13,8 × 10^-6 K^-1 in vielen Fällen zu klein. Andererseits darf der WAK der Dentallegierung auch nicht zu groß sein, da sonst keine ausreichende Haftung zwischen Keramik und Dentalskelett erreicht werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Ko balt-Basislegierung zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere einen WAK aufweist, der bei 14,6 × 10^-6 K^-1 liegt.

Diese Aufgabe wird mit einer Legierung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Legierung hat einen WAK im Temperaturbereich von 25°C bis 500°C im Bereich um 14,6 × 10^-6 K^-1. Dieser WAK liegt im Bereich aller handelsüblichen Keramikmassen für Kobalt-Basis-Aufbrennlegierungen und ist hierbei groß genug, dass trotz WAK-Erhöhung der Keramikmasse beim Bebren nen keine Rissbildung auftritt. Weiterhin ist der erzielte WAK klein genug, dass ein guter Haftungsverbund zwischen Dentalskelett und Dentalkeramik gewährleistet ist.

Die Legierung ist aufgrund ihrer Kohlenstofffreiheit optimal laserschweißbar. Die ser Sacheverhalt wurde bereits in anderen Arbeiten, beispielsweise in der DE 198 45 638 C1, ausführlich behandelt.

Die Ceranteile in der Legierung dienen dem Oxidationsschutz und hierbei insbe sondere dem Schutz vor der sogenannten inneren Oxidation. Das Cer verhindert eine Chromdiffusion in Richtung der Oberfläche bei wiederholter Wärmebehand lung. Eine solche Chromdiffusion ist aus zweierlei Gründen unerwünscht: Zum einen führt die Chromdiffusion zu einer Verarmung an Chrom in den Rand schichten, was zu einer Erhöhung der Korrosionsanfälligkeit führt. Weiterhin bildet das diffundierte Chrom an der Oberfläche des Zahnskelettes eine schwarze Oxid schicht, die auch durch die Keramiklagen hindurch sichtbar ist. Das Cer hingegen bildet eine helle Oxidschicht.

Das oben gesagte ist bereits aus der DE 41 23 606 C2 bekannt. Aus Rücksicht auf die mechanischen Eigenschaften wird dort jedoch ein geringer Ceranteil von 0,15 bis 0,35 m% vorgeschlagen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das Cer beim Umschmelzen einem relativ hohen Abbrand von bis zu 30% unterworfen ist. Es wird daher vorgeschlagen den Ceranteil auf bis zu 0,6 m% zu erhöhen, so dass der Ceranteil auch im fertigen Gussteil noch ausreichend hoch ist, um eine Chromdiffusion sicher zu verhindern.

Der Stickstoffgehalt sollte über 0,15 m% liegen. Stickstoff stabilisiert die Gam maphase und gewährleistet damit die guten mechanischen Eigenschaften der Legierung.

Die Dotierung mit Nb zwischen 0,1 und 0,4 m% gewährleistet ein feinkörniges Gefüge, das auch nach dem Brennprozess gewährleistet ist. Dies ist wichtig, da die hohen Temperaturen beim Brennen grundsätzlich die Gefahr mit sich bringen, dass innerhalb der Legierung ein Kornwachstum mit den bekannten negativen Folgen stattfindet. Durch die hier gegebene Feinkörnigkeit resultieren u. a. die guten mechanischen Eigenschaften, wie die hohe Rp 0,2 Dehngrenze und die für diesen Legierungstyp extrem niedrige Härte HV 10 von nur 310. Die niedrige Härte bedeutet wiederum eine gute Bearbeitbarkeit der Gussoberflächen. Weiter hin verfügt die Legierung über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, was mit dem "Static Immersion Test" gemäß der internationalen Norm ISO/FDIS 10271: 2001 nachgewiesen wurde.

Des Weiteren wurde die erfindungsgemäße Legierung auch auf ihr biologisches Verhalten - "Biological evaluation of medical devices" - Tests for in vitro cytotoxi city" mit L 929-Fibroblasten nach ISO 10993-5: 1999 - getestet. Die Legierung zeigt unter den spezifizierten Testbedingungen keine cytotoxischen Effekte.

Das Ausfließverhalten wurde mit der z. Zt. üblichen Meyerscheibe getestet und es wurde ein 100%iges Ausfließverhalten erzielt.

Der Zeitpunkt des Abgusses wird durch Aufreißen der Schmelzbadoberfläche an gezeigt, d. h. die Schmelzbadoberfläche spiegelt.

Der Haftverbund zwischen den zu verblendenden Gussskeletten und Dentalke ramiken wurde nach Schwickerath getestet. Die hierbei erzielten Ergebnisse wa ren sehr gut.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich ein Fe-Gehalt von bis zu 0,4 m% günstig auf den Haftverbund auswirkt.

Die Zusammensetzung einer beispielhaften nickel- und kohlenstofffreien Kobalt- Basislegierung und die sich daraus ergebenden mechanischen Eigenschaften sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

Tabelle 1

Die Anteile sind hierbei in Masse-Prozent (m%) angegeben.

Die in Tabelle 1 angegebene Legierung weist folgende mechanische Merkmale auf:

Tabelle 2

Claims

1. Kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung mit einem
Cr-Gehalt von 22 bis ca. 27 m%
Mo-Gehalt von 4,5 bis ca. 5,5 m%
W-Gehalt von 3,5 bis ca. 5,5 m%
Si-Gehalt von 0,8 bis ca. 1,3 m%
Fe-Gehalt von 0,1 bis ca. 0,4 m%
Nb-Gehalt von 0,1 bis ca. 0,4 m%
Ce-Gehalt von 0,2 bis ca. 0,6 m%
N-Gehalt von ca. < 0,15 m%,
Rest Co und herstellungsbedingte Verunreinigungen, die Nickel bis maxi mal 0,02 m% und Kohlenstoff bis maximal 0,05 m% enthalten können.

2. Kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
Ce-Gehalt bis 0,5 m%.

3. Kohlenstofffreie Kobalt-Basis-Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
Cr-Gehalt von 25 m%, einen
Mo-Gehalt von 5 m%, einen
W-Gehalt von 5 m% und einen
Si-Gehalt von 1 m%.

4. Verwendung einer Kobalt-Basis-Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Dentalgußskeletten und Suprakonstruktio nen.