DE19509080A1 - Metallkeramisches Verbundgußverfahren und zerlegbarer metallkeramischer Verbundgußkörper zur Herstellung keramisch beschichteter Sekundärgußpassungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung fußt auf dem deutschen Gebrauchsmuster mit der Nr: 94 04 379.5, führt dessen erfinderischen Gedanken fort und beansprucht zugleich dessen Priorität.

Verschiedentlich besteht die Notwendigkeit reversibel fügbare Passungen herzustellen, die auf der sekundären Passungsoberfläche aus Schutz- oder Verschleißgründen eine Schicht aus Sinter-, Preß- oder Gießkeramik aufweisen und zwar in der Weise, daß die Kongruenz der Passungspartner und damit die Präzision des Passungssitzes trotz dieser Keramikschicht nicht gestört wird.

Eine typische und zugleich sehr wichtige, jedoch nur beispielhaft angegebene Anwendungssituation findet sich in der Zahnheilkunde, wo teleskopierende Prothesenanker, wie Doppelkronen und Geschiebe aufgrund der an Primär- und Sekundärteil in unterschiedlicher Weise anliegenden Sauerstoffdiffusionspotentiale durch Spaltkorrosion unterschiedlich stark angegriffen werden und zum Korrosionsschutz ein entsprechend andersartiges technisches Vorgehen erfordern: Während Primärteile durch geeignete Legierungswahl gegenüber dem hier nur geringen Sauerstoffpotential vor Lochfraß sicher geschützt werden können, verursacht das weitaus höhere Sauerstoffpotential an Prothesengerüst und Sekundärteil passungsseitig die Ausbildung korrosiver Schichten aus schwerlöslichen Verbindungen der aus der Dentallegierung freigesetzten Metallionen. Gelöst verbleibende Metallionen, die ebenfalls aus der sekundären Passungsoberfläche stammen, können aus dem Geschiebespalt austreten und heftige Zahnfleischreaktionen verursachen. Infolge des hohen Sauerstoffgradienten am Sekundärteil sind auch hochedelmetallhaltige Dentallegierungen vor dieser korrosiven Zerstörung nicht sicher, zumal wenn weitere destabilisierende Faktoren, wie Komplexbildner oder Kleinpotentiale von Lokalelementen fördernd hinzutreten. Es ist vorgeschlagen worden, die Passungsseiten von zunächst als Metallkörper fertiggestellten Außenkronen sekundär durch wenige Mikrometer dicke Überzügen von Metallnitriden, -siliziden und ähnlichen Sonderkeramiken zu schützen, wie man auch primär aus anderem Grund, nämlich zur Beseitigung von Passungsdefiziten, Sekundärkronen passungsseitig mit Kunststoff überkleidet hat. Im ersten Falle hat sich jedoch gezeigt, daß die Dünnschichten nicht stabil sind und bei Rißbildung zu lokal besonders intensivem Korrosionsangriff an den Leckstellen führen. Solche meist nach einem CVD- oder Kathodenzerstäubungsverfahren erzeugten Schichten sind. Im zweiten Fall des Kunststoffüberzugs wird oftmals lediglich eine Verlagerung des Spaltkorrosionsproblems aus dem Geschiebespalt heraus an die Phasengrenze zwischen Metall und Kunststoff erreicht. Die im Stand der Technik bekannten Problemlösungen sind also nach wie vor unbefriedigend.

Technische Aufgabe

Die technische Aufgabe besteht darin, eine Passung z. B. einen teleskopierenden zahntechnisch-prothetischen Zahnersatzanker herzustellen, deren sekundäre Passungsfläche eine Schutzschicht aus keramischem Material aufweist, welche dauerhaft und spaltfrei mit dem Metall des Sekundärteils verbunden ist, im besonders bevorzugten Falle des zahntechnisch-prothetischen Zahnersatzankers dielektrisch ist und damit selbst nicht korrodieren wie auch einen Korrosionsstrom nicht leiten kann.

Lösung der technischen Aufgabe

Herstellbar ist eine solche Sekundärpassung mit einer paßgenauen einige -zig bis einige hundert Mikrometer dicken passungsseitigen Keramikbeschichtung erfindungsgemäß über einen mehrschichtigen metallkeramischen Verbundgußkörper. Dieser Verbundgußkörper besteht einerseits aus den eigentlichen Passungspartnern, nämlich dem metallischen Primärteil (Fig. 1, Schicht a), der keramischen Schicht c) und dem metallischen Sekundärteil - Schicht d) - des Anspruchs 1 und der Fig. 1.

Dabei ist die keramische Schicht c) mit dem metallischen Sekundärteil permanent verbunden. Ferner weist der erfindungsgemäße Schichtkörper eine Schicht b) auf, welche mit dem Primärteil a) ebenso wie mit der keramischen Schicht c) nur temporär und leicht lösbar verbunden ist.

Die nur temporäre Verbindung macht den Verbundkörper in, bzw. an der Schicht b) zerlegbar. Bei einer Schichtdicke von b) von nur wenigen bis je nach Präzisionsanforderungen einigen -zig Mikrometern wird mit Zerlegen des Verbundkörpers ein dem Primärteil paßgenau kongruenter, keramisch ausgekleideter Sekundärteil erhalten, sofern die Geometrie der Teile dies erlaubt.

Die Zerlegbarkeit in, bzw. an der Schicht b) wird dadurch erreicht, daß die Schicht b) entweder in sich mürbe, bzw. porös und leicht zerstörbar hergestellt oder auch für Metalle und keramische Massen schlecht bis gar nicht benetzbar ist.

Kennzeichnung

Metallkeramischer Verbundkörper (Fig. 1), der durch eine zwischen einer metallischen Grundschicht (a) und einer keramischen Folgeschicht (c) eingefügten keramischen Trennschicht (b) von nur geringem inneren Zusammenhalt oder nur geringem äußeren Zusammenhalt mit der Grundschicht und/oder der keramischen Folgeschicht einerseits zerlegbar ist, während andererseits eine die keramische Folgeschicht (c) überlagernde metallische Deckschicht (d) permanent mit dieser durch Gußverbund verfügt ist,wobei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers ein metallkeramisches Angußverfahren zugrunde liegt, bei welchem auf eine keramische Oberfläche schmelzflüssiges Metall aufgegossen wird und mit dieser einen fest haftenden metallkeramischen Verbund eingeht.

Beschreibung mit Abgrenzung gegen den Stand der Technik

Das der Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtkörpers zugrunde liegende Verfahren geht von der bekannten Tatsache aus, daß hochschmelzende Metalle und Legierungen häufig mit der Keramik von Tiegel- und Formwand chemische Reaktionen eingehen, die zu einem Verhaften von Metall und keramischer Substanz führen. Diese sogenannte Formwandreaktion oder "mould-wall-reaction" ist geradezu die Crux des Feingußwesens schlechthin. Sie macht die paßgenaue Verarbeitung reaktionsfreudiger Metalle und Legierungen nach dem traditionellen Gußverfahren in keramische Formen schwierig bis unmöglich.

Die vorliegende Erfindung hat jedoch gerade aus dieser, dem Fachmann als außerordentlich unangenehm vertrauten Erscheinung der Formwandreaktion eine besondere metallkeramischen Fügetechnik entwickelt: eine vorgegebene keramische Oberfläche, z. B. die keramische Beschichtung eines Metallkörpers, wird mit schmelzflüssigem Metall übergossen, eine der Formwandreaktion analoge Reaktion zwischen Keramik und Metall verfügt beide Partner zu einem festen Verbund.

Liegt zusätzlich der thermische Erweichungsbereich der Keramik an der Arbeitstemperatur der Sekundärlegierung, so wird bei entsprechender geometrischer Gestaltung der jeweiligen Raumformen (Fig. 2) durch Aufschrumpfen des aufgegossenen Metalls (Fig. 2d) auf die erweichte Keramik (Fig. 2c) ein besonders fester Verbund bei weitgehender Reduktion der Porosität des keramischen Verbundpartners erreicht. Die Schicht nach Anspr. 1b findet sich bei dieser Form der Erfindung nicht ausgeführt.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für diese Form des erfindungsgemäßen Gußverbundes stellen wie in Fig. 2 zu sehen zumindest im koronalen Abschnitt keramisch beschichtete Wurzelstifte oder Implantatkonnektoren dar, die sich durch Übergießen mit dem Aufbaumetall (d) irreversibel fest verfügen lassen.

Das Verfahren stellt die im Stand der Technik bekannten metallkeramischen Verbundverfahren des Emaillierens oder metallkeramischen Verblendens auf den Kopf. Es kann als indirektes Angußverfahren vielfältige technische Anwendung finden, und zwar insbesondere dann, wenn neben dem reinen Fügeerfolg auch eine Unterbrechung der thermischen oder elektrischen Leitung zwischen beiden Fügepartnern (Fig. 2a, d) gewünscht wird. Durch besondere Gestaltung der keramischen Verbundzone wird erfindungsgemäß ein permanenter, wie auch ein nur temporärer, gezielt lösbarer Verbund erzeugt. Die physikalische Leitungsunterbrechung kann beispielsweise am Stiftaufbau nach Anspruch 5 besondere Bedeutung erlangen, als hierdurch eine Weiterleitung von Temperaturschwankungen an die Wurzelstift-Zementfuge unterbunden und diese so vor thermischer Zerrüttung geschützt wird, wie auch zwischen einer zahnprothetischen Restauration und dem Kiefergewebe ggf. über den metallischen Wurzelstift fließende Korrosionsströme unterbrochen werden.

Von den bekannten Verfahren des Ein- und Angießens im Stande der Technik unterscheidet sich das erfindungsgemäße Fügeverfahren in so fern, als daß anders als beim Eingießen eine korrosionsgefährdete offene autogene Oxidfuge zwischen den metallischen Partnern nicht verbleibt, sondern daß infolge der chemischen Bindung zwischen Metall und Keramik ein geschlossener Verbund resultiert, der jedoch anders, als beim traditionellen Angießen nichtmetallisch geschlossen ist.

Ein besonderer Anwendungsfall für das erfindungsgemäße metallkeramische Fügeverfahren der zugleich die besondere Bedeutung des temporären, wie permanenten metallkeramischen Fügens aufzeigt, ist die Herstellung eines zerlegbaren Schichtkörpers nach Anspr. 1. Es lassen sich über diesen Schichtkörper teleskopierende Zahnersatzanker herstellen, die auf der sekundären Passungsseite eine hochbelastbare keramische Beschichtung aufweisen. Medizinisch sinnvoll ist ein solcher Zahnersatzanker dadurch, daß seine in ganz besonderer Weise der Spaltkorrosion unterliegende sekundäre Passungsseite gerade hiervor geschützt ist, womit der biologisch begründeten Forderung nach weitestgehender Reduktion korrosionsgefährdeter Metalloberflächen an Zahnersatzstrukturen in besonders augenfälliger Weise genügt wird. Der Werdegang eines solchen keramisch innenbeschichteten Teleskopanters ist der folgende:

Der übliche metallische Primärteil (Fig. 3a) wird zunächst mit einer labilen keramischen Schicht nach Anspruch 1b überzogen, die auf dem ersteren durch eingeschränkte Bindung zum Metall nur temporär haftet und/oder in sich einen nur temporären Zusammenhalt aufweist oder von der Primärteilunterlage leicht entfernbar ist und zudem keramischen Massen gegenüber eine nur geringe Benetzbarkeit aufweist.

Die geringe Benetzbarkeit für keramische Massen der Schicht nach Anspruch 1b, kann eine werkstofftypische Eigenschaft sein, wie z. B. beim Bornitrid, sie kann sich aber auch erfindungsgemäß ebenso aus einer besonderen physikalischen Beschaffenheit, wie z. B. einer besonderen Porosität des Werkstoffs ergeben.

Erfindungsgemäße Werkstoffe zum Aufbau dieser Schicht sind bevorzugt Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, jeweils für sich alleine oder in Mischungen untereinander, fakultativ auch mit Zusätzen von Oxiden und/oder Nitriden der Seltenerdmetalle und/oder Oxiden der Titangruppenmetalle.

Die Metalloxide bilden für sich alleine, oder auch mit Siliziumdioxid ein porenreiches Xerogel, welches fakultativ mit Boroxid stabilisiert sein kann, bzw. eine lockere Sinterschicht. Zur Erzeugung eines Xerogels geht man von einer kolloidalen Lösung eines Oxids, bzw. Hydroxids aus, in welcher ggf. die übrigen Schichtbildner suspendiert werden. Diese Suspension trägt man auf den Primärteil nach Versäubern und entfetten, ggf. nach leichtem Abstrahlen und/oder Heißätzen auf und brennt sie nach Abtrocknen ein. Daneben ist es aber ebenso erfindungsgemäß, eine entsprechende Schicht durch ein Verfahren der Flammbeschichtung, Flammenpyrolyse, der chemischen Aufwachstechnik (CVD) oder ein Verfahren der Kathodenzerstäubung aufzutragen.

Auf die labile Schicht nach Anspruch 1b, an deren Stelle in der Fig. 3 bei Fertigstellung der Geschiebespalt f) tritt, wird diejenige Keramikschicht Fig. 3c aufgetragen, welche den Sekundärteil (Fig. 3d) auf seiner Passungsseite dauerhaft bedecken soll. Dabei kann im einfachsten Falle eine der üblichen dentalkeramischen Verblendmassen benutzt werden, wie auch an dieser Stelle pyrolytisch, nach einem chemischen Aufwachsverfahren oder durch Kathodenzerstäubung hergestellte Keramik- und Sonderkeramikschichten (d. h. auch sog. Hartstoffschichten wie z. B. Siliziumnitrid, Siliziumcarbid) erfindungsgemäß sind. Ebenfalls erfindungsgemäß sind Keramikschichten aus einer Preß- oder Gießkeramik.

Über die Schicht nach Fig. 3c hinweg wird ein Wachsmodell des metallischen Sekundärteils (Fig. 3d) angefertigt und dieses mit den anhängenden Keramikschichten samt Primärteil in Formstoff eingebettet und abgegossen. Nach dem Guß läßt sich die Struktur in oder an der labilen Schicht nach Anspruch 1b zerlegen und zwar so, daß ein dem Primärteil kongruenter, auf seiner Passungsseite keramisch verblendeter Sekundärteil erhalten wird. Dieser kann erfindungsgemäß auch auf seiner Außenseite in der üblichen Weise fakultativ mit Dentalkeramik verblendet sein (Fig. 3e). Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, eine solche zahnfarbige Dentalkeramik vor Zerlegen des Schichtkörpers aufzubrennen. Die Paßgenauigkeit der in der beschriebenen Weise erhaltenen Passungen ist selbst bei manuell aufgetragenen Trennschichten sehr gut, da deren ursprüngliches Porenvolumen durch die Schrumpfungskräfte des erstarrenden und abkühlenden Metalls weitgehend reduziert wird, wie sich auch sinterkeramische Passungsbeschichtungen durch den gleichen Effekt hochverdichtet finden. Die Überreste der meisten der erfindungsgemäßen Trennschichten können von Primär- wie Sekundärpassungsoberfläche schon mittels Dampfstrahler entfernt werden. Dies gilt insbesondere für Sinterschichten auf Aluminiumoxidbasis. Pyrolyse- und CVD-Beschichtungen, die am Primärteil relativ stärker haften erfordern fakultatives Abstrahlen zu ihrer Beseitigung.

Eine besondere Nutzanwendung für das beschriebene Vorgehen wird insbesondere für den Fall gesehen, wo zur Passungsherstellung solche Metalle und Legierungen verwendet werden müssen, die durch eine besonders intensive Formwandreaktion gekennzeichnet sind, wie z. B. Titan, Zirconium, Hafnium, Wolfram-, Chrom- und Cobalt- und Nioblegierungen, bzw. Legierungen, die reich an diesen chemischen Elementen oder anderen "Haftoxidbildnern" der metallkeramischen Verbundtechnik, z. B. des Emaillierens,sind.

Abgegrenzt gegen den Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren, bzw. der erfindungsgemäße Schichtkörper dadurch, daß anders, als bei der bekannten Aufgußtechnik nicht mit einer einzigen, temporären Trennschicht gearbeitet wird, die die Metallmassen von Primär- und Sekundärteil trennt und nach Guß und Zerlegen wieder restlos entfernt wird, sondern daß eine weitere passungsseitige keramische Schicht eingeführt wird, die mit dem Sekundärteil dauerhaft fest verbunden ist und zwar über das besondere, erfindungsgemäße metallkeramisch Verbundgußverfahren. Ferner sind die erfindungsgemäß hergestellten Sekundärpassungen, wie z. B. Sekundärkronen von Teleskopankern mit den bekannten Sonderkeramikbeschichtungen auf ihrer Passungsseite grundsätzlich dadurch unterschieden, daß erfindungsgemäß die spätere, nämlich keramische Passungsoberfläche in Umkehrung des Verfahrens im Stande der Technik zuerst hergestellt und danach mit ihrer späteren Unterlage versehen wird.

Es wird erfindungsgemäß also der Werkstückteil, welcher im Stand der Technik als Unterlage einer Beschichtung dient, ungekehrt im Gußverfahren zur "Beschichtung" desjenigen Werkstückteiles, der traditionell als Beschichtung sekundär aufgetragen ist. Dies ist von großer Bedeutung in so fern, als daß eine mit der Passungstoleranz vereinbare Schichtdicke beim herkömmlichen Vorgehen nur wenige Mikrometer betragen kann, da sonst die Kongruenz vom Primär- zum Sekundärteil verloren gehen würde. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt jedoch die Erzeugung praktisch beliebig großer, bzw. von anderen Faktoren, die nicht in der Passungstoleranz liegen, begrenzter Schichtdicke der keramischen Abdeckung zu, was für deren Stabilität und damit das Korrosionsverhalten der Sekundärpassung von ausschlaggebender Wirkung ist.

Claims (7)

1. Metallkeramischer Verbundgußkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest drei der nachgenannten vier Schichten aufweist, die wie angegeben aufeinander abfolgen:

• a) metallische Grundschicht, bevorzugt aus einer Dentallegierung,
• b) Schicht bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid, jeweils für sich allein oder in Mischungen untereinander, wobei fakultative Zusätze von Boroxid, eines Seltenerdmetalloxids, Seltenerdmetallnitrids oder eines Titangruppenmetalloxids oder Siliziumdioxid erfindungsgemäß sind,
• c) Sinter-, Gieß-, Spritz- oder presskeramische Schicht, oder nach einem chemischen Aufwachs- oder Kathodenzerstäubungsverfahren oder durch Flammspritzen aufgebrachte keramische Schicht,
• d) metallische Deckschicht, bevorzugt aus einer Dentallegierung, die auf c) aufgegossen ist und auf c) vermittels eines durch und während dieses Aufgießvorganges gebildeten metallkeramischen Verbundes permanent haftet,

wobei der Verbundgußkörper zwischen der Schicht a) und b), und/oder innerhalb von b) selbst und/oder zwischen b) und c) zerlegbar ist, wie auch die Schicht b) fehlen kann, so daß dann die Grundschicht a) mit der Deckschicht d) durch die Keramikschicht c) permanent fest verfügt wird.

2. Metallkeramischer Verbundgußkörper nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide und/oder Metallnitride der fakultativen Schicht b) in einer besonders bevorzugten Form der Erfindung als Teilchen von etwa 1-3 Mikrometern vorliegen und in ein Xerogel aus kolloidaler Kieselsäure oder kolloidalem Aluminiumoxid eingebettet oder auch nach einem Verfahren der Flammenpyrolyse einer die entsprechenden Metalle enthaltenden anderen chemischen Verbindung, durch Flammspritzen oder ein Verfahren der chemischen Aufwachstechnik (CVD) oder ein Verfahren der Kathodenzerstäubung auf den Primärteil aufgebracht sind.

3. Permanent gefügter metallkeramischer Verbundgußkörper nach Anspr. 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als ein zahntechnisch-prothetischer Stiftaufbau ausgebildet ist, bei welchem bevorzugt ein vorgefertigter, zumindest im Kronenabschnitt nur nach Anspr. 1c keramisch beschichteter Wurzelstift oder Implantatkonnektor mit dem Aufbaumetall übergossen und irreversibel durch metallkeramischen Gußverbund verfügt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines metallkeramischen Verbundkörpers dadurch gekennzeichnet, daß man auf eine keramische Oberfläche, bevorzugt eine keramische Beschichtung eines Metallkörpers ein schmelzflüssiges Metall oder eine schmelzflüssige Metallegierung aufgießt, so daß Keramik und Metall zu einem dauerhaften metallkeramischen Verbund gefügt werden, wobei diejenigen Metalle und Metallegierungen im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt sind, die ein starkes Benetzungsvermögen gegenüber keramischen Massen aufweisen und mit diesen im Sinne einer gußtechnischen Formwandreaktion stark reagieren, wie Cobalt-, Wolfram-, Niob-, oder Chromlegierungen, bzw. die Titangruppenmetalle und ihre Legierungen oder auch die sogenannten dentalen Aufbrennlegierungen auf Gold- und Platinmetallbasis.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet,daß die keramische Beschichtung eines Metallkörpers nach Anspr. 4 in sich mehrschichtig, insbesondere temporär mehrschichtig und damit in sich zerlegbar wie auch von der metallischen Unterlage abnehmbar sein kann.

6. Metallkeramischer Verbundgußkörper dadurch gekennzeichnet, daß er als eine zahntechnisch-prothetische Sekundärpassung, insbesondere eine sekundäre Doppelkrone mit paralleler oder konischer Funktionsfase oder auch ein Riegelgehäuse ausgebildet ist, deren Passungsseite eine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellte keramische Beschichtung hat.