DE4123606A1 - Kobalt-basis-legierung, insbesondere als werkstoff fuer die dentalprothetik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Kobalt-Basis-Legierung, welche sich insbesondere für die Herstellung von Teilen für die Dentalprothetik eignet.

Diese Legierungen sollen insbesondere für das Aufbrennen von keramischen Massen geeignet sein und müssen eine Vielzahl wei­ terer Forderungen erfüllen:

• 1. Es muß sich eine befriedigende Haftfestigkeit und Lang­ zeitfestigkeit der auf das metallische Prothetikteil auf­ gebrannten Dentalkeramik ergeben. Dies setzt eine weitge­ hende Übereinstimmung der Wärmekoeffizienten von Legierung und Dentalkeramik voraus, wobei der Wärmeausdehnungs­ koeffizient der Legierung möglichst etwas größer sein sollte als derjenige der Dentalkeramik, damit die aufge­ brannte Keramik nach dem Brennprozeß im abgekühlten Zu­ stand mit Sicherheit nicht unter Zug-, sondern allenfalls unter Druckspannung steht. Diese Forderung resultiert aus der Tatsache, daß Keramik zwar eine hohe Druckfestigkeit aufweist, aber nur eine geringe Zugfestigkeit.
• 2. Weiterhin werden von der Legierung, und zwar im Hinblick auf eine gute Bearbeitbarkeit, eine verhältnismäßig geringe Härte, jedoch andererseits gute andere mechanische Eigenschaften, wie z. B. Zugfestigkeit, Streckgrenze, Elastizitätsmodul und Dehnung, gefordert, so daß sich aus der Legierung grazile, nicht bruchgefährdete Teile, wie z. B. Brücken und Kronen, in den üblichen Größen und Abmes­ sungen herstellen lassen.
• 3. Die Legierungen sollten ferner ein problemloses Schmelz- und Gießverhalten aufweisen und den richtigen Zeitpunkt für den Abguß der Legierung für die die Legierung verar­ beitenden Fachleute leicht erkennbar machen, um Fehlgüsse durch zu kalte oder überhitzte Schmelzen zu vermeiden.
• 4. Die aus der Legierung hergestellten Prothetikteile dürfen bei der späteren Weiterverarbeitung nicht zur Bildung von Warmrissen neigen, und zwar auch dann nicht, wenn die Pro­ thetikteile dünnwandig sind.
• 5. Die Prothetikteile müssen gegen alle in der Nahrung vor­ kommenden Elemente und Verbindungen korrosionsfest sein.
• 6. Das Porzellan der Aufbrennkeramik darf beim Aufbrennen auf die Prothetikteile keine von der Legierung verursachte Verfärbung erfahren, d. h. die Legierung darf auch keine dunkle Oxidhaut bilden, die durch das Porzellan durch­ scheint.

Es sind zwar eine ganze Reihe von Kobalt-Basis-Legierungen als Werkstoffe für die Prothetik bekannt, jedoch sind deren Wärme­ ausdehnungskoeffizienten sowie deren Korrosionsfestigkeit nicht voll befriedigend.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kobalt-Basis- Legierung vorzustellen, die die Probleme der bekannten Kobalt-Legierungen, insbesondere bei deren Verwendung als Werkstoff für die Prothetik, vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kobalt-Basis- Legierung dadurch gelöst, daß sie einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 Gew.-%, einen Mangangehalt von 0,3 Gew.-%, einen Sili­ ziumgehalt von ca. 0,9 bis ca. 1,8 Gew.-%, einen Stickstoff­ gehalt ca. < 0,15 Gew.-%, einen Chromgehalt von ca. 22 bis 25 Gew.-%, einen Molybdän-Gehalt von ca. 6,5 bis ca. 8 Gew.-%, einen Wolframgehalt von ca. 4 bis ca. 6 Gew.-% und einen Anteil an Seltenerdmetallen von ca. 0,15 bis ca. 0,35 Gew.-% enthält.

Die erfindungsgemäßen Legierungen überstehen insbesondere mehr­ fache Wärmebehandlungen, ohne daß ihre Mikrostruktur darunter leidet bzw. ohne daß dadurch mechanische Festigkeitswerte, die Korrosionsfestigkeit und andere für die Legierung essentielle Eigenschaften in merklichem Umfang negativ beeinflußt werden.

So ist es insbesondere wichtig, den Kohlenstoffanteil bei dem oder unter dem angegebenen Grenzwert zu halten, um das Auftre­ ten von Carbidausscheidungen zu vermeiden. Außerdem wird gleichzeitig die Korrosionsfestigkeit günstig beeinflußt und die Legierung zeigt keine zu große Härte.

Der Mangangehalt ist im wesentlichen nur wegen seines Desoxi­ dationsverhaltens erwünscht und kann prinzipiell auch durch andere Elemente, die gleichwirkend sind, ersetzt werden.

Der Haupteffekt in bezug auf die Korrosionsfestigkeit und die mechanische Festigkeit der Kobalt-Basis-Legierung wird durch die vier Elemente Silicium, Molybdän, Chrom und Wolfram bewirkt.

Der Stickstoffanteil, der oberhalb der Grenze von 0,15 Gew.-% liegen soll und bis zur Löslichkeitsgrenze des Stickstoffs in der Legierung gehen kann, stabilisiert die Gammaphase in die­ ser, ähnlich wie dies bei nickelhaltigen Legierungen die Nickelanteile bewirken. Der Stickstoffanteil wird bei der er­ findungsgemäßen Legierung also ganz bewußt relativ hoch ge­ wählt, um der Legierung auch ohne Nickelanteile die notwendigen mechanischen Festigkeitswerte geben zu können. Nickel ist be­ kanntermaßen als toxisch einzustufen und damit insbesondere bei Legierungen, die ständig in Kontakt mit Körperflüssigkeit ste­ hen, als kritisch zu betrachten.

Die Seltenerdmetallanteile, insbesondere Ceranteile, der Le­ gierung dienen dem Oxidationsschutz und hierbei insbesondere dem Schutz vor der sogenannten inneren Oxidation. Ein Ceranteil verhindert dabei insbesondere eine Chromdiffusion in Richtung zur Oberfläche bei wiederholter Wärmebehandlung, welche sonst eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit bedingt.

Da sich Seltenerdmetalle normalerweise negativ auf die mechani­ sche Festigkeit auswirken, wird zum einen der Cergehalt auf relativ geringe Werte beschränkt und zum anderen wird bei be­ vorzugten Legierungen darauf geachtet, daß keine weiteren Seltenerdmetalle mehr in der Legierung enthalten sind. Die an­ gegebenen Cerwerte reichen aus, um der Oberfläche der Legierung ausreichende Hafteigenschaften für die aufzubrennende Keramik zu geben.

Durch ihre besonderen mechanischen und thermischen Eigenschaf­ ten läßt sich die erfindungsgemäße Kobalt-Basis-Legierung in einer Vielzahl von Bearbeitungsverfahren verwenden, so z. B. dem Erodieren, dem Zerspanen oder auch dem Gießen.

Im Hinblick auf die Korrosionsfestigkeit wird zusätzlich darauf zu achten sein, daß möglichst geringe Eisenanteile in der Kobalt-Basis-Legierung vorhanden sind bzw. daß diese im wesent­ lichen eisenfrei ist.

Es hat sich ferner herausgestellt, daß auch Edelmetallanteile in der erfindungsgemäßen Legierung völlig fehlen können, ohne daß dadurch die guten Eigenschaftswerte der Legierung darunter leiden.

Unter Nickelfreiheit, Eisenfreiheit oder Edelmetallfreiheit wird verstanden, daß die jeweiligen Anteile der Elemente im Bereich von 0,02 Gew.-% oder darunter liegen.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kobalt-Basis-Legierung zur Herstellung von Dentalprothetik- oder Modellgußteilen ist eine der besonders bevorzugten Anwendungen. Hier wirkt sich ins­ besondere günstig aus, daß bei den erfindungsgemäßen Kobalt- Basis-Legierungen Wärmeausdehnungskoeffizienten erzielt werden können, die im gesamten Temperaturbereich von 25°C bis 500°C kleiner oder gleich dem Wert von 14,3 · 10^-6 K^-1 sind.

Es ist sogar möglich, erfindungsgemäße Legierungen herzustel­ len, deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 25°C bis 500°C im Bereich von 13,8 · 10^-6 K^-1 oder etwas darüber liegt.

Solche Legierungen sind insbesondere prädestiniert für die Her­ stellung von Metallteilen, die mit einer Aufbrennkeramik ver­ sehen werden, wie z. B. Kronen, Brücken und ähnliches. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Dentalkeramik in der Regel bei ca. 13,7 · 10^-6 K^-1 liegen, ergibt sich beim Abkühlen des Werkstückes eine gewisse Druckspannung, und bei den sonst üb­ lichen Temperaturen, denen verblendete Dentallegierungsteile ausgesetzt sind, wird sich niemals eine Zugspannung, sondern stets nur eine gewisse Druckspannungsbeanspruchung ergeben.

Damit ist die Gefahr der Ausbildung von Rissen oder des Ab­ platzens der Keramik von der darunterliegenden Metallstruktur bei den üblichen Heiß-Kalt-Zyklen, denen Dentalprothetikteile unterworfen werden, äußerst gering.

Im Hinblick auf die Korrosionsfestigkeit der Legierung wird bevorzugt darauf geachtet, daß diese durch die Wahl der Gehalte der verschiedenen Komponenten eine Durchbruchsspannung mit ei­ nem Potentialwert von ca. 900 mV oder höher aufweist.

Die Durchbruchsspannung als Maß für die Korrosionsfestigkeit ist beispielsweise in der Veröffentlichung E. Lenz "Erfahrungen in der DDR mit NEM-Legierungen", NEM-Symposium in Stuttgart, vom 28.01.1989 beschrieben. Auf die Beschreibung der entspre­ chenden Methode zur Messung der Durchbruchsspannungen wird hiermit ausdrücklich verwiesen. Die Tests wurden gemäß der DIN-Norm 13912, Teil II, durchgeführt, wobei der Potentialvor­ schub 20 mV/min betrug.

Es konnten bei der erfindungsgemäßen Legierung Durchbruchs­ potentialwerte im Mittel von ca. 935 mV gemessen werden, die deutlich über denen von bekannten Kobalt-Chrom- Molybdän- Legierungen liegen, für die normalerweise Werte von 850 mV ermittelt werden.

Daraus ist die ausgezeichnete Biokompatibilität der vorgeschla­ genen Dentallegierung ersichtlich.

Trotz der guten Korrosionseigenschaften der vorgeschlagenen Legierung läßt sich diese mit kochendem Königswasser (1 Teil HNO₃ + 3 Teile HCl) überraschend gut anätzen, was im Falle der Verblendtechnik im Klebeverfahren große Bedeutung besitzt.

Die Legierung kann auch sehr einfach verarbeitet werden, da hierbei eine besondere Schutzgasatmosphäre oder ein Abgießen im Vakuum nicht erforderlich ist. Vielmehr kann das Abgießen der Legierung unter völlig normalen Bedingungen stattfinden.

Der geeignete Zeitpunkt zum Abguß der Legierung wird dem Fach­ mann durch das Aufreißen der Schmelzbadoberfläche angezeigt, was in einem Temperaturintervall von ca. 1430 bis ca. 1480°C geschieht. Dies erspart dem Fachmann ein relativ aufwendiges Messen sehr hoher Temperaturen, um den geeigneten Zeitpunkt des Abgießens festzustellen.

Eine besonders bevorzugte Kobalt-Basis-Legierung wird im folgenden des nachfolgenden Beispiels noch näher erläutert.

Anhand einer eisen-, nickel- und edelmetallfreien Kobalt-Basis- Legierung mit der nachfolgend genannten Zusammensetzung wurden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der Legierung be­ stimmt.

Die folgenden tabellarischen Angaben betreffen Gewichtsprozent:

Hierbei ergeben sich folgende mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung:

Diese Legierung eigenet sich insbesondere ausgezeichnet für die Verblendung mit Dentalkeramik, die beispielsweise unter der Be­ zeichnung Biodent von der Firma De Trey Dentsply GmbH, 6072 Dreieich, vertrieben wird und die einen Ausdehnungsko­ effizienten von ca. 13,7 · 10^-6 K^-1 aufweist. Demgegenüber hat die zum Beispiel angegebene Legierung einen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten von 13,8 · 10^-1 K^-1, so daß hier eine aus­ gezeichnete Kompatibilität besteht.

Claims (10)

1. Kobalt-Basis-Legierung, insbesondere zur Herstellung von Dentalprothetikteilen mit einem
C-Gehalt von 0,05 Gew.-%,
Mn-Gehalt von 0,3 Gew.-%,
Si-Gehalt von ca. 0,9 bis ca. 1,8 Gew.-%,
N-Gehalt von ca. <0,15 Gew.-%,
Cr-Gehalt von ca. 22 bis ca. 25 Gew.-%,
Mo-Gehalt von ca. 6,5 bis ca. 8 Gew.-%,
W-Gehalt von ca. 4 bis ca. 6 Gew.-% und
Seltenerdmetall-Gehalt von ca. 0,15 bis ca. 0,35 Gew.-%.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Seltenerdmetallgehalt überwiegend von Ce gebildet wird.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer Cer im wesentlichen keine weiteren Seltenerdmetalle in der Legierung enthalten sind.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Legierung im wesentlichen Ni-frei und gegebenenfalls Fe-frei ist.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen edel­ metallfrei ist.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung bei Temperaturen von 25°C bis 500°C kleiner oder gleich 14,3 · 10^-6 K^-1 beträgt.

7. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung bei Temperaturen von 25°C bis 500°C größer oder gleich 13,8 · 10^-6 K^-1 beträgt.

8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchbruchsspannung der Legierung einen Potentialwert von 900 mV oder mehr aufweist.

9. Verwendung einer Kobalt-Basis-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Herstellung von Kronen, Brücken oder Modellgußteilen.

10. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von ca. 1430°C bis ca. 1480°C abgegossen wird.