DE4107919C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gußeinbettmassenmischung auf kera­ mischer Basis mit MgO-Mg₂P₂O₇-SiO₂-Partikeln zur Herstellung einer Gußeinbettmasse für die Fertigung von Gußformen für Me­ tall- oder Metall-Legierungsteile, insbesondere Titan- oder Titan-Legierungsteile in der Dentaltechnik.

Die Erfindung betrifft ferner eine aus der vorbeschriebenen Gußeinbettmassenmischung erhältliche Gußeinbettmasse in Form eines Breies sowie eine Gußform (Gußeinbettmassenmodell) sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Formgebung durch Gießen bietet aufgrund ihrer weitgehenden Gestaltungsfreiheit die Möglichkeit, auch geometrisch komplexe Kleinteile herzustellen. Der wesentliche Unterschied bei der Formgebung durch Gießen zu anderen Formgebungsverfahren liegt darin, daß der Werkstoff erst nach der Abkühlung mit einer teilweise erheblichen Schrumpfung im flüssigen Zustand und wäh­ rend der Erstarrung sowie einer beachtlichen Schwindung im fe­ sten Zustand seine Gestalt, Werkstoffstruktur und Güte erhält. Die Festschwindung ist hierbei durch ein entsprechendes Aufmaß zu berücksichtigen. Als ein besonders geeignetes Gußverfahren hat sich das Schleudergießen bewährt, bei dem das Gießmetall in eine um ihre Achse rotierende Kokille gefüllt wird, in der es unter Einwirkung der Zentrifugalkraft zu dem Gußstück geformt wird. Insbesondere in der Schmuckindustrie, aber auch bei der Brillenherstellung sowie in der Dentaltechnik wird vermehrt auf Titan oder Titan-Legierungen als Gußmaterial zurückgegriffen. Titan hat den Vorteil, biokompatibel zu sein, so daß die Mate­ rialkosten für Zahnersatzteile im Vergleich zu den relativ teu­ ren Goldlegierungen erheblich gesenkt werden können. Titan be­ sitzt weiterhin gute Festigkeitseigenschaften, einen relativ geringen Ausdehnungskoeffizient sowie eine geringe Wärmeleitfä­ higkeit und ist schließlich korrosions- und kavitationsbestän­ dig. Darüber hinaus läßt sich Titan auch gut beschichten.

Eine wesentliche Bedeutung im Hinblick auf die Qualität des Gußteiles kommt der Gußform zu, die insbesondere die Oberflä­ chengüte des Gußproduktes, aber auch die unerwünschte Lunker­ und Porenbildung bestimmt. Als typisches negatives Beispiel beim Modellguß ist beispielsweise das Anlösen von weichelasti­ schen Kunststofformteilen, aus denen Klammern, Bügel, Basisge­ rüstteile und anderes auf ein Einbettmassenmodell modelliert werden, durch die Binder-Einbettmasse festzustellen. Der ge­ nannte Modellierkunststoff verträgt sich nicht mit Ethylalkohol in der Binderflüssigkeit, der zu einem Anlösen der Oberfläche führt. Bei Verwendung von weichelastischen Kunststofformteilen (flex seals) ist man daher bereits dazu übergegangen, diese mit einer speziellen Feineinbettmasse abzudecken, ehe man das Mo­ dell und die Modellation mit der Binder-Einbettmasse ummantelt. Nachteiligerweise erhöht dies den fertigungstechnischen Auf­ wand.

In der Dentaltechnik werden Einbettmassen auf der Basis von Si­ liciumdioxid verwendet, die sich je nach der Verwendung der Bindemittel in gipsgebundene und phosphatgebundene oder sili­ katgebundene Massen einteilen lassen. Oxidkeramische Gußformen neigen jedoch häufig zu Formstoffreaktionen mit dem Gießmetall, die bis zur Unbrauchbarkeit des Gußstückes führen können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gußein­ bettmassenmischung, eine Guteinbettmasse in Breiform sowie eine Gußform und ein Verfahren zur Herstellung der Gußform (Gußeinbettmassenmodell) anzugeben, bei dem Metall-Formstoffre­ aktionen weitgehend verhindert werden und daß die Herstellung von möglichst lunker- und porenfreien Gießteilen, insbesondere aus Titan, mit hoher Oberflächenqualität formgetreu gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 bezeichnete Gußeinbettmassenmischung vorgeschlagen. Diese besitzt neben der nach dem Stand der Technik bekannten Zusammensetzung 40 bis 60 Massen-% Zirkondioxid. Unterhalb von 40 Massen-% an Zirkon­ dioxidgehalt kam es bei dem Gußstück vermehrt zur Lunker- und Porenbildung, wohingegen bei mehr als 60% Zirkondioxidgehalt keine gesicherte Abbindung der Gußeinbettmasse zu erzielen war.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll die Guß­ einbettmassenmischung in Pulverform keine Zirkondioxid-Teilchen aufweisen, deren Durchmesser 150 µm überschreitet. Vorzugsweise sollen mindestens 50% der in der Mischung enthaltenen Zirkon­ dioxid-Teilchen einen Durchmesser unter 50 µm aufweisen, wobei weiterhin vorzugsweise die restlichen Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser bis maximal 120 µm besitzen sollen. Die be­ sten Erfahrungen wurden mit einer Gußeinbettmassenmischung ge­ macht, die jeweils hälftig aus Zirkondioxid-Teilchen mit einem Durchmesser bis 50 µm und dem Rest aus solchen Zirkondioxid- Teilchen mit einem Durchmesser bis 120 µm, vorzugsweise 100 µm, bestanden. Das Zirkondioxid kann hierbei sowohl unstabilisiert als auch in stabilisierter oder teilstabilisierter Form vorlie­ gen.

Vorzugsweise basieren die Gußeinbettmassenmischungen auf feuer­ festen Bestandteilen, wie Cristobalit, Tridymit und Quarz, d. h. auf Quarz (SiO₂) und seinen Modifikationen. Quarz stellt hier­ bei die hexogonale Kristallform dar, die bei Erhitzung auf 867°C in Tridymit umgewandelt wird. Bei weiterer Erhitzung auf 1470°C tritt eine Transformation in Cristobalit ein. Kühlt man Tridymit und Cristobalit relativ rasch ab, wird die reversible Umwandlung bis hin zum Quarz verhindert, so daß Cristobalit und Tridymit auch bei Raumtemperatur vorliegen können. Um von die­ ser Mischung zu einer abbindungsfähigen Gußeinbettmasse zu kom­ men, werden als Bindemittel Monoammonium-Phosphat (NH₄H₂PO₄), Magnesiumoxid (MgO) und Wasser zugegeben.

Grundsätzlich sind jedoch auch andere Einbettmassen, beispiels­ weise aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid-Pulver als Hauptbe­ standteil und einem Binder verwendbar, denen Zirkondioxid in der oben angegebenen Menge beigemischt wird. Die jeweiligen Mi­ schungsverhältnisse sind nach dem Stand der Technik ebenso be­ kannt wie die Vor- und Nachteile der Variationen der Mi­ schungsverhältnisse. Aus diesem Grunde wird im folgenden nur beispielsweise die Behandlung einer phosphatgebundenen Einbett­ masse, bestehend aus feuerfesten Bestandteilen, nämlich Quarz, Tridymit und Cristobalit sowie den Bindemitteln Phosphat, Ma­ gnesiumoxid und Wasser behandelt. Die Abbindung und die Her­ stellung eines Einbettmassenmodelles bzw. einer Gußform findet dadurch statt, daß das Monoammoniumphosphat mit dem überschüs­ sigen Magnesit beim Anrühren der Gußeinbettmasse mit wasserhal­ tigen Flüssigkeiten zu Magnesium-Ammoniumphosphat-Wasserkomple­ xen reagiert. Das sich beim Anrühren bildende Magnesium-Ammoni­ umphosphat wird exotherm gebildet und ist schwer löslich. Auf­ grund seiner kristallinen Morphologie verbindet es die kerami­ schen Pulverbestandteile zu einer festen Form. Durch Erhitzen der Gußform wird diese entwässert und gesintert, wobei das Ma­ gnesium-Ammoniumphosphat stufenweise in die Verbindung Magnesi­ umpyrophosphat übergeht. Durch den in den Gußeinbettmassen stö­ chiometrisch überwiegenden Magnesit-Anteil sind in der gesin­ terten Gußform MgO-Mg₂P₂O₇-SiO₂-Partikel heterogen verteilt.

Das zusätzlich enthaltene Zirkondioxid hemmt jedoch uner­ wünschte Reaktionen des Gußeinbettmassenmaterials mit dem Gieß­ werkstoff bzw. verhindert diese fast vollständig, wenn in den oberflächennahen Schichten der Gußform im wesentlichen Zirkon­ dioxid enthalten ist.

Die Abbindungsreaktion ist mit einer Expansion der Einbettmasse verbunden, welche sich steigern läßt, wenn man als Anmischflüs­ sigkeit nicht Wasser, sondern ein wässriges Kieselsol benutzt, in dem Siliciumdioxid-Partikel kolloidal gelöst sind. Zur Sta­ bilisierung des kolloidalen Kieselsols enthält dieses alkali­ sche Zusätze in Form von Natriumhydroxid.

Die Erfindung betrifft ferner eine Gußeinbettmasse in Breiform, die, wie zuvor beschrieben, durch Zusatz von Bindemittel enthaltenen Lösungen erhalten wird. Hieraus erhält man durch Entwässern und Erhitzen eine Gußform, deren Zirkondi­ oxidgehalt an oder zu der dem Gußraum zugewandten Oberfläche hin größer ist als im Inneren des Gußeinbettmassenmodelles. Zur Herstellung dieser Gußform wird der in eine Dublierform gegebene Gußeinbettmassenbrei vor dem Abbinden so gelagert, daß die dem späteren Gußraum zugewandte Oberfläche nach unten ge­ richtet ist, so daß schwerkraftbedingt das spezifisch schwerere Zirkondioxid vermehrt in die oberflächennahen Schichten eindiffundiert. Man erhält somit eine Gußform, die an der be­ treffenden Oberfläche im wesentlichen aus Zirkondioxid besteht, während die übrigen Gußformstoffbestandteile praktisch nur als "Hinterfüllung" dienen.

Vorzugsweise wird zur Vermeidung von Poren- und Lunkerbildung nach Vermengung des Breies dieser unter Vakuum oder in einer weitgehend evakuierten Atmosphäre gerüttelt und weiterhin vor­ zugsweise nach Einfüllen in die Gußmuffel oder die Dublierform vor dem Abbinden ebenfalls gerüttelt. In einem konkreten Aus­ führungsbeispiel wurden 100 g Einbettmassenpulver, bestehend aus 40% SiO₂, 5% MgO und 5% NH₄H₂PO₄, 50% ZrO₂ mit jeweils zur Hälfte aus Partikeldurchmessern bis zu 50 µm und bis 120 µm vermengt und mit ca. 15 ml einer Anrührflüssigkeit zu einem Brei angemischt und in eine Silikonform gegeben. Nach Austrocknung bzw. Abbindung des Einbettmassenmodelles befanden sich in den untersten Schichten zum weitaus überwiegenden An­ teil Zirkondioxid-Partikel, die aufgrund ihres vergleichsweise größeren spezifischen Gewichtes abgesunken waren. Die demgemäß zirkondioxidreiche Oberfläche besitzt bei dem anschließend durchgeführten Titan-Schleuderguß den Vorteil, daß Reaktionen mit dem Titan verhindert werden, ferner besitzt Zirkondioxid in erster Näherung denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Titan bzw. Titan-Legierungen, so daß eine große Paßgenau­ igkeit der Gußteile gewährleistet ist.

Claims (10)

1. Gußeinbettmassenmischung auf keramischer Basis mit MgO-Mg₂P₂O₇-SiO₂ Partikeln zur Herstellung einer Gußein­ bettmasse für die Fertigung von Gußformen für Metall- oder Metall-Legierungsteile, insbesondere Titan- oder Titan- Legierungsteile in der Dentaltechnik, gekennzeichnet, durch einen Gehalt von 40 bis 60 Massen-% Zirkondioxid.

2. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zirkondioxid-Teilchen einen maximalen Durchmesser von 150 µm aufweisen.

3. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens 50% der Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser unter 50 µm aufweisen.

4. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die restlichen Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser bis maximal 120 µm aufweisen.

5. Gußeinbettmassenmischung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß 50% der Zirkondioxid- Teilchen einen Durchmesser bis 50 µm und der Rest einen Durchmesser bis 120 µm, vorzugsweise 100 µm, aufweist.

6. Gußeinbettmassenmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung Cristobalit, Tri­ dymit, Quarz neben Zirkondioxid enthält.

7. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie 30 bis 40 Massen-% Quarz, 3 bis 7 Massen-% Cristobalit, 3 bis 7 Massen-% Monoammoniumphos­ phat (NH₄H₂PO₄) und 3 bis 7 Massen-% Magnesiumoxid (MgO) sowie 40 bis 60 Massen-% ZrO₂ aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Gußeinbettmassenmodelles, dadurch gekennzeichnet, daß ein 40 bis 60 Massen-% Zirkondioxid, Rest Quarz und seine Modifikationen enthaltendes Einbettmassenpulver gemischt, mit Wasser, einer Anmischflüssigkeit oder einem Binder zu einem Brei vermengt und in eine Gußmuffel oder Dublierform gegeben, getrocknet und derart abgebunden wird, daß die dem späteren Gußraum zugewandte Oberfläche nach unten gerich­ tet ist, so daß vor dem Abbinden schwerkraftbedingt Zir­ kondioxid vermehrt in die oberflächennahen Schichten ein­ diffundiert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Vermengung des Breies dieser unter Vakuum oder in ei­ ner weitgehend evakuierten Atmosphäre gerüttelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Brei nach dem Einfüllen in die Gußmuffel oder die Dublierform vor dem Abbinden gerüttelt wird.