DE2320016A1 - Chrom-kobalt-legierung - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Dipl. oec.

PATENTANWALT
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19. April 1973 7465-III/St.

The Regents of the University of Michigan Ann Arbor,

Michigan, (V.St.A.)

Chrom-Kobalt-Legierung

Priorität vom 1. Mai 1972 aus der USA-Patentanmeldung Nr. 248 843

Die Erfindung betrifft eine Chrom-Kobalt-Legierung. Chrom-Kobalt-Legierungen haben bekanntlich ein breites Anwendungsgebiet bei der Herstellung von Gußstücken für Teilgebisse oder vollständige Gebisse gefunden. Sie müssen die Anforderungen gewisser physikalischer Eigenschaften erfüllen, z.B. ausreichende Dehnung und Zähigkeit sowie den richtigen Grad der Härte, um einem Zahnarzt oder Zahntechniker kleinere, jedoch notwendige Regulierungen bei der Versorgung von Patienten zu gestatten. Ein Techniker oder Zahnarzt muß in der Lage sein, die Klammerbefestigung um mehr als 10 Winkelgrade zu biegen, ohne daß ein Bruch eintritt. Als Ausgleich - für eine so gute Biegsamkeit - jedoch muß die Klammer genügend Härte aufweisen, um die Form und Lage zu bewahren, auf die sie eingestellt worden ist, sowie einer Verdrehung durch Beißkräfte zu widerstehen. In der DT-OS 2 011 854 ist eine Chrom-Kobalt-Legierung beschrieben, die die notwendigen Anforderungen erfüllt, wobei

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die Festigkeit und Zähigkeit der Legierung durch eine kritische Kombination eines genau definierten Gehaltes an Molybdän und Kohlenstoff erzielt wird. Diese vorbekannte Legierung verdankt ihre Festigkeit der Bildung von Karbidausfällungen. Jedoch besitzt eine Legierung, die ihre Festigkeit durch die Bildung von Karbiden erlangt, gewisse bei ihr stets vorhandene Nachteile. Zum Beispiel zeigen solche Kobalt-Legierungen größere Schwankungen hinsichtlich mechanischer und physikalischer Eigenschaften, und zwar innerhalb verschiedener Proben oder Gußstücke. Der Gehalt an Karbidausfällungen verändert nicht nur die Eigenschaften, sondern die Anordnung und Verteilung der Ausfällungen und hat zusätzlich eine bemerkenswerte Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Chrom-Kobalt-Legierungen Iconnen gegossen und umgegossen werden, und zwar bei Temperaturen im Gebiet von etwa 1500⁰C bis l600°C.Mögliche Schwankungen bei diesen Temperaturen von einer Schmelze zur anderen sowie die Verwendung von Abfallmaterialien und Einfüllüberresten beim Umgießen (die im allgemeinen zu teuer sind, um weggeworfen zu werden) zusammen mit den Schwankungen der Formtemperaturen (d.h. alle oder irgendeine der verschiedenen angewandten Bedingungen, denen Legierungen für Zähne unterworfen werden) haben eine deutliche Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften der durch Carbide gehärteten Legierungen, die schließlich in den Mund des Patienten gelan-gen.

Der Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung dieser Legierung so zu wählen, daß sie hohe Festigkeit, hohe Dehnbarkeit sowie einen besseren Ausgleich von Dehnung und Zähigkeit besitzt und infolge dieser Eigenschaften besonders für die Herstellung gegossener Teilgebisse geeignet ist.

Diese Aufgabe ist bei einer solchen Chrom- Kobalt-Legierung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie 18 % bis 28$ Chrom, 25# bis 50% Kobalt, 18* bis kO% Nickel und 12,35? bis 13,5% Tantal enthält.

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Aufgrund dieser Zusammensetzung erhält die Legierung ihre Härte schneller durch einen Ausscheidungshärtungsmechanismus (Steigerungshärtung) als durch die Bildung von Carbiden. Da also keine Carbidausfällung stattfindet, bewirken die angewandten Arbeitsbedingungen während des Gießens der Legierung sowie andere Verfahrensmaßnahmen keine Schwankungen der mechanischen Eigenschaften und der Festigkeit. Das Umschmelzen der hier vorgeschlagenen Legierung, einschließlich das Umgießen der Abfälle, sowie Schwankungen der Gießtemperaturen bewirken keine Schwankungen der physikalischen Eigenschaften der Legierung. Und was sehr wichtig ist, der Verlust an Dehnbarkeit wird auf ein Minimum beschränkt, da die Legierung durch den Ausscheidungshärtungsmechanismus gehärtet wird.

Es ist zwar bereits bekannt, Tantal als Zusatz zu Chrom-Kobalt -Legierungen zur Verbesserung gewisser Eigenschaften zu verwenden, ohne daß jedoch die speziellen Mengen angegeben sind, die erst im Rahmen vorliegender Erfindung überraschend zu einem optimalen Ergebnis von Festigkeit, Zähigkeit und Dehnbarkeit der Legierung führen und diese für Zahnanwendung besonders brauchbar machen. Solche bekannten Legierungen sind " zum Beispiel in der kanadischen Patentschrift 238 742 für Schneidewerkzeuge beschrieben und enthalten nicht mehr als etwa 5% Tantal. In dem einzigen Beispiel, das in dieser kanadischen Vorveröffentlichung angeführt ist, enthält die Legierung auch etwa 15% Wolfram und 2% Kohlenstoff. In der US-PS 3 O85 005 ist ferner eine Legierung für Turbinenmaschinen und Gasverbrennungskammern beschrieben, die aus 15% bis 25% Chrom, 2% bis 15% Wolfram, 3% bis 25% Tantal oder Columbium und wechselnden Mengen an Aluminium, Molybdän und Titan besteht, wobei der Rest Kobalt und "zufällige Verunreinigungen", einschließlich bis etwa 0,5 % Kohlenstoff, ist.

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Aus der US-PS 2 974 O3;6 ist eine Legierung für Gasturbinenmaschinen vor bekannt, die sich aus 15$ bis 30$ Chrom., 5$ bis 15$ Wolfram, 0,5 $ bis 20$ Tantal, 0,01$ bis 3$ Zirkon, 0,1$ bis 1,3$ Kohlenstoff und Kobalt zusammensetzt. In der US-PS 3 314 784 ist eine ähnliche Legierung für Maschinen beschrieben, die im wesentlichen aus 20$ bis 35$ Chrom. 5$ bis 20$ Wolfram, 3$ bis 5$ Tantal, 0,7$ bis 1,3$ Kohlenstoff und Kobalt besteht. Aus der US-PS 3 366 478 ist eine Legierung für Gasturbinenmaschinen mit einem ausgezeichneten Widerstand gegen kombinierte Wirkungen von Spannung und Oxydation bei erhöhten Temperaturen (etwa 76O⁰C bis 1100⁰C bekannt, die aus 0,03 $ bis 0.2 $ Kohlenstoff, 15$ bis 30$ Chrom, 10$ bis 30$ Nickel, 2$ bis 12$ Tantal, 0,1$ bis.0,5$ Zirkon, verschiedenen Mengen an anderen Metallen besteht, wobei der Rest im wesentlichen Kobalt ist. Dort ist darauf aufmerksam gemacht, es sei wesentlich, daß die Menge an Tantal in der dort beschriebenen Legierung nicht mehr als 12$ und der Chromgehalt nicht mehr als 30$ betragen soll.

Die Legierung vorliegender Erfindung besteht demgegenüber - wie gesagt - aus 18$ bis 28$ Chrom (vorzugsweise 23$ bis 26$ Cr), 25$ bis 50$ Kobalt (vorzugsweise 33$ bis 36$ Co), 18$ bis 40$ Nickel (vorzugsweise 24$ bis 30$ Ni) und von 12,3$ bis 13_S5$ Tantal (vorzugsweise etwa 13$), wobei die Mengen an Tantal kritisch sind, um die nachstehend genannten Eigenschaften zu erhalten. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen frei von Kohlenstoff sind, um eine unerwünschte Carbidausfällung zu vermeiden, haben eine Dehnung von mindestens 10$ und einen Zähigkeitsfaktor von mindestens 8OOO. Die Streckgrenze der Legierung ist größer als etwa 5600 kg/cm², und ihre Härte nicht größer als etwa 330 KHN-Einheiten.

Die prozentuale Dehnung ist ein Maß für die Ausdehnung, um

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die eine Legierung in der Länge zunimmt, wenn diese von einer Belastung null bis zum Bruchpunkt gezogen wird. Die prozentuale Dehnung steht in direkter Beziehung zum Kaltformen einer Legierung wie beim Gebrauch einer Zange zum Formen von Draht zu Klammern. Die Streckgrenze ist eine Angabe für das Verhalten einer Klammer sowie eines gesamten Gebisses unter Beißkräften, wobei diese Kräfte leicht Belastungen oberhalb der Streckgrenze einer Legierung erzeugen können, die Mangel an dieser Eigenschaft hat, was bewirkt, daß das Gebiß aus seiner richtigen Verschlußlage ausweicht, für die es ursprünglich hergestellt war. Die Zähigkeit ist die Fähigkeit einer Legierung, plötzlichen Stössen und Schlägen standzuhalten, die die Legierung über ihre Streckgrenze hinaus, jedoch innerhalb ihrer Bruchfestigkeit belasten. Sie ist auch ein Maß für die Reservefestigkeit einer Legierung in einem Gebißaufbau, die benötigt wird, wenn das Stück auf einen Steinboden fallen würde. Der "Zähigkeitsfaktor" ist definiert als das Produkt, das erhalten wird durch Multiplizieren der prozentualen Dehnung (als ein Dezimalbruch) mit der Zugfestigkeit der Legierung, ausgedrückt in Pfund pro Quadratzoll. Die Zugfestigkeit ist die größte Streckungseinheit, der eine Legierung unter Spannung bis zum Bruchpunkt wi-dersteht. Die Härte ist die Widerstandsfähigkeit einer Legierung gegen Eindringen in die. Oberfläche und ist ein Maß für die Wirkung des Verschleisses der Oberfläche. Extreme Härte wird nicht' ge-, wünscht wegen des Verschleisses, den ein hartes Gebiß an den gegenüberliegenden Zähnen bewirkt» die mit ihm in Berührung stehen.

Die hier beschriebenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Legierungen wurden mit Hilfe einer Inston Universal Testing Machine und einem Dehnungsextensometer ermittelt. Die Mikrohärte wurde bestimmt 'mit einem Tukon Mikrohärte Tester und einem Knoop Aggregat mit einer Last von 500 gr. Proben für das Testen der Mikrohärte waren Längsschnitt von Teststäben, die nach üblichen metallurgischen Verfahren poliert wurden. -6-

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Die nachstehend beschriebenen Legierungen wurden hergestellt in Argon-Atmosphäre unter Anwendung von Heizaggregaten vom Induktrionstyp. Nach dem Zusammenschmelzen von Chrom, .: Kobalt und Nickel wurde die abgewogene Menge Tantal zugegeben und mit der geschmolzenen Legierung gemischt. Es wurde beobachtet, daß das Tantal sich augenblicklich in der Dreier-Legierung aus Cr-Co-Ni auflöst. Die Temperaturen reichten von etwa 15^O⁰C bis 156O⁰C. Die Vierer-Legierung wurde unter Argon zwecks Homogenisierung im gleichen Temperaturgebiet umgeschmolzen und dann bei 1510 C bis 1550 C unter Anwendung eines Schleuderinduktionsaggregates gegossen.

Waehsmodelle wurden unter Verwendung einer geteilten Messingform hergestellt, in die geschmolzenes Maehs eingefüllt wurde. Die Form lieferte die' Dehnungsprobe ,die Einfüll- und Entlüftungsstutzen, alles in einem Stück. Die Größen der Wachsmuster für die Herstellung der Dehnungsproben waren die gleichen wie diejenigen, die- in der Anweisung Nr. 14 der American Dental Anociation für Chrom-Kobalt-Guß-Legierungen angegeben sind. Die Wachsmodelle wurden darauf eingesetzt unter Verwendung eines phosphatgebundenen Einsatzes. Der Einsatz wurde dann auf 99°° ^c erhitzt und Wärme wurde ein- und eine halbe Stunde angesaugt, bevor die öüsse durchgeführt: wurden. Die Bestandteile der hergestellten Legierungen sind-In Tabelle angegeben, und die physikalischen Eigenschaften dieser Legierungen sind in Tabelle 2 enthalten. Die Legierungen I, J, K und L veranschaulichen die vorliegende Erfindung. Die übrigen Legierungen sind Veigleichsbeispiele.

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Tabelle I

Zusammensetzung der hergestellten Legierungen. Bestandteile in Gewichtsprozent.

Beispiel Nr. A B C

D E F G H I J K L M N

Cr	C£	30	Ta -
30	40	29,4	■ 0
29,4	39,2	28,8	2,0
28,8	38,4	28,6	3,9
28,6	38,1	- 28,3	4,8
28,3	37,7	27,8	5,7
27,8	37,0	27,3	7,4
27,3	36,3	26,8	9,1
26,8	35,7	26,3	10,7
26,3	35,1	26,2	12,3
26,2	34,9	26,1	12,7
26,1	34,8	26,0	13,0
26,0	34,6	25,9	13,4
25,9	34,5	25,4	13,8
25,4	33,9	15,2

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Tabelle II Physikalische Eisenschaften der hergestellten Legierungen

Beispiel Nr. Streckgrenze: Zugfestigkeit:Dehnung: Härte

(0,2*) , , psl χ IQ³ psi χ IQ³ % KHN

A 44,0 80,3

B 48,3 78,0

C , 55,0- 82,6

D 56,0 84,0

E . 60,0 102,0

P 60,0 ' 102,0

G 70,0 106,0

H 74,0 . 106,5

I 80 121·, 0

J 82,4 122,0

K 91,0 124,5

L Λ 97,0 127,0

M 99 126,0

N-. 100 136

Die obigen Ergebnisse zeigen das kritische Verhalten des Tantalgehaltes in der Legierung gemäß den Beispielen I, J, K und L. Dabei ergibt sich eine merkliche Zunahme der Zugfestigkeit in dem Maße, wie der Tantalgehalt von kleineren Beträgen auf 12,3 % anstieg. Wenn jedoch die obere Grenze von etwa 13,5 % Tantal überschritten ist, zeigt sich eine deutliche und unerwünschte Zunahme der Härte zusammen mit einer nachteiligen Abnahme der Dehnung.

Alle im obigen Text sowie in den Patentansprüchen genannten Prozentzahlen stellen Gewichtsprozente dar.

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31	230
30.6	228
28	285
28,5	285
28	290
26,5	310
21	307
21	320
18 ,	320
13	325
10,0	328
6,5	330
5,5	350
4,6	375

Claims (4)

DfpL-tng. Dipl. occ puM. PATENTANWALT "ZÜUID ! Mßjtthen 2t - foltwrrf*. ti Tel·*«»* 9* 17 if 19. April 1973 7465-III/St. The Regents of the University of Michigan Ann Arbor, Michigan, (V.St.A.) Patentansprüche:

1. Chrom-Kobalt-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1855 bis 28? Chrom, 25? bis 5OJg Kobalt, 18? bis 40? Nickel und 12,3? bis 13,5? Tantal enthält.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tantalgehalt 12,7? bis 13,2? beträgt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt 23? bis 26?, der Kobaltgehalt 33? bis 36? und der Niekelgehalt 24? bis 30? beträgt.

4. Legierung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tantalgehalt 13? beträgt.

5· Gebißguß, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht.

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