DE69817320T2

DE69817320T2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen

Info

Publication number: DE69817320T2
Application number: DE69817320T
Authority: DE
Inventors: Italo Morena
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-02-14
Also published as: EP0938940A1; ES2205290T3; EP0938940B1; DE69817320D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche von aus Titan oder Legierungen davon oder ähnlichen Metallen hergestellten Teilen oder Gegenständen unter einer regulierten Atmosphäre. Die Gegenstände werden vorzugsweise durch Wachsausschmelzgießen, insbesondere zur Verwendung bei der prothetischen Zahnheilung, in der Kieferorthopädie und dergleichen, geformt.
Bekanntlich hat Titan spezielle Eigenschaften, wie die Affinität zu O₂ und H, und wird bei hoher Temperatur unabhängig von dem O₂-Partialdruck leicht oxidiert.
Deshalb muss das Gießen bei Verwendung der herkömmlichen Wachsausschmelzung in einer neutralen Atmosphäre (aus Argon oder anderen Edelgasen) ausgeführt werden.
Heutzutage werden automatische Vorrichtungen vertrieben, die mit einem Lichtbogen zum Schmelzen des Materials ausgerüstet und für ein Gießen des geschmolzenen Titans in einen Gießzylinder in einer neutralen Atmosphäre, wie Inertgas, ausgelegt sind.
Diese Vorrichtungen sind zufriedenstellend, jedoch ist ihre Verbreitung aufgrund der hohen Anlagenkosten und des (zur Zeit) begrenzten Bedürfnisses beschränkt, da gegenwärtig die spezialisierten Werkstätten nur „passivierte" Teile liefern, d. h. Teile, die einer Passivierungsoberflächenbehandlung unterworfen worden sind, was völlig unzulänglich ist.
In der Tat ist eine solche Passivierung vom ästhetischen Gesichtspunkt höchst fraglich, da sie dem Gegenstand ein dunkles und mattes gräuliches Aussehen gibt. Tatsächlich führt sie zu einer tiefen Oxidation, die keinerlei ästhetische Qualität hat.
Die schlechte Biokompatibilität von Gold und seinen Legierungen, sowie die von Cr-, Co-, Ag- und Ga-Legierungen und anderer Metalle, die gegenwärtigen in prothetischen Vorrichtungen und in Vorrichtungen zur Fehlerkorrektur in der Mundhöhle benutzt werden, steht ihrer Anwendung stark entgegen.
Man möchte deshalb dem ärztlich tätigen Personal realisierbare Alternativen zum Einsatz von Gold, Chrom-Kobalt, sowie zu dem sogenannten „chirurgischen" Stahl geben, der bis heute das am häufigsten verwendete Material auf dem Gebiet der Dentalprothetik, der kieferorthopädischen Korrektur und der Implantation unter die Knochenhaut ist.
Wie bereits erwähnt, gibt es bekannte Vorrichtungen zum Gießen von Gegenständen aus Titan in einer neutralen Atmosphäre unter Verwendung eines Lichtbogen zum Schmelzen des Materials und unter Verwendung von Zirkonoxid als Beschichtung des Gießzylinders. Obwohl die Ergebnisse insgesamt akzeptabel sind, wird ein solches bekanntes Verfahren nach dem Schmelzen und mit dem vollständig mit Metallschmelze gefüllten Zylinder durchgeführt, was nicht empfehlenswert ist. Die Temperatur des Zylinders ist hoch, etwa 800°C, so dass es nicht zweckmäßig ist, die Schmelz- und Gießmaschine zu öffnen, um den Zylinder zu entnehmen und in Wasser zu setzen und so auf die regulierte Atmosphäre zu verzichten. Auf diese Weise erreicht man eine Abschreckung des Metalls mit einer gleichzeitigen Oxidation (tief oder an der Oberfläche) des Gegenstands sowie eine starke Wasserstoffverunreinigung, die den Gegenstand spröde macht und zur Bildung von Oberflächenoxiden mit einer dunkelgrauen Farbe führt, was ästhetisch überhaupt nicht gefällig ist (Passivierung).
Gießverfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Schmelzen von Titan mit einem Vakuumlichtbogen in einem wassergekühlten Tiegel aus Kupfer ist in M. J. Donachie: „Titanium – A Technical Guide" 1988, ASM, Metals Park, Ohio, US offenbart.
Das Oxidieren und Nitrieren von Titan zur Verbesserung der Verfestigung des Schutzes gegen Verschleiß ist aus dem „ASM Handbook, 10. Ausgabe, Bd. 5, Surface Engineering" 1994, ASM International, Metals Park, Ohio, US bekannt.
Die GB 2 244 019 and die GB 2 244 019 offenbaren ein Verfahren zum Gießen von Zahnmetall mit einer Gießvorrichtung, die eine hermetisch abgedichtete Gießkammer unter einer Inertgasatmosphäre aufweist.
Die FR 2695581 offenbart eine Behandlung eines oxidationsempfindlichen Metalls, die in einer abgetrennten Umgebung ausgeführt wird. Sie besteht aus dem Einführen des Metalls in diese Umgebung, der Erzeugung eines Teilvakuums, dem Schmelzen des Metalls, dem Einführen des Metalls in eine Form und aus dem Verfestigenlassen. Nachdem die Umgebung unter ein Teilvakuum gesetzt worden ist, wird sie mittels eines Inertgases gespült.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Gießen von Metallen, wie Metall und Legierungen davon, ist in der GB 732298 offenbart.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile dadurch zu überwinden, dass ein verbessertes Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Gegenständen bereitgestellt wird, die aus Titan oder seinen Legierungen gemacht werden.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren erreicht, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
Nach der Erfindung werden alle zur Erzielung eines fertiggestellten Gegenstands erforderlichen Vorgänge unter einer neutralen und regulierten Atmosphäre in einer einzigen Vorrichtung ausgeführt, so dass man ein fertiges Teil erhält, das durch einen stark anhaftenden Film geschützt ist und ein gutes Aussehen hat, bevor es in die Normalatmosphäre und dann in die Mundhöhle überführt wird.
Das Teil wird dann einer anodischen Oxidation oder Nitrierung in einer Ammoniakatmosphäre unterworfen, was die richtige Ausbildung eines Schutzüberzugs aus Oxid oder Nitrid mit einer Haftfestigkeit an dem Teil in der Größenordnung von 1.400 kg/mm² ermöglicht.
Das Verfahren der Erfindung wird nun im Einzelnen unter spezieller Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung offenbart, die ein Blockdiagramm einer für die Durchführung des Verfahrens ausgelegten Vorrichtung zeigt.
Eine solche Vorrichtung hat im Wesentlichen einen abgedichteten Behälter 1, der mit einem transparenten Deckel, damit alle Arbeitsschritte visuell überwacht und gesteuert werden können, und mit eingebogenen Gummihandschuhen zur Handhabung der Gegenstände versehen ist.
Die Vorrichtung ist weiterhin mit einer Flasche eines Inertgases und einem zugehörigen Zugreduzierventil, ferner mit einer Vakuumpumpe und einer Gettervorrichtung 3 versehen, die so ausgelegt ist, dass eine schnelle und vollständige Oxidation des in der Vorrichtung enthaltenen Metalls verursacht wird, wodurch alle restlichen O₂-Moleküle in dem abgedichteten Behälter 1 entfernt werden.
Der abgedichtete Behälter 1 nimmt weiterhin einen Hochtemperaturzylinder 5, wo der Gegenstand gegossen wird, einen Behälter 7, der ein Flüssigkeitsbad (beispielsweise Öl) enthält, in dem der Gegentand abgeschreckt werden kann, sowie einen Arm 6 zum Entfernen des Gegenstands aus dem Zylinder 5 und zum Eintauchen in das Ölbad des Behälters 7 auf, wo er unter Abwesenheit von Verunreinigungen abgeschreckt wird.
In dem Behälter 1 der Vorrichtung sind weiterhin eine Oberflächenveredelungsstation 9 (Kühlbereich), eine Sandblasstation 11 und eine Beizstation 13 vorgesehen.
Obwohl die Gefahr einer Verunreinigung des abgeschreckten Gegenstandes sehr klein ist, werden doch bei der Erfindung alle aufeinanderfolgenden Schritte der Veredelung 9, des Sandblasens 11 und des Beizens 13 unter der neutralen Umgebung ausgeführt, die in dem Behälter 1 vorhanden ist.
In dem Behälter 1 sind zusätzlich (falls erforderlich) eine Station 15 zum mechanischen Polieren des Gegenstands, eine Station 17 für (Mikro-) Schweißvorgänge und eine Station (nicht gezeigt) für Punktschweißvorgänge enthalten. Alle oben erwähnten Polier- und Schweißvorgänge werden in der neutralen Atmosphäre ausgeführt.
Der Behälter 1 enthält weiterhin eine anodische Oxidationsvorrichtung 19 und eine Vorrichtung 21 zum Nitrieren des Gegenstands in einer Ammoniakatmosphäre. Während dieser Vorgänge wird entweder eine Oxid- oder eine Nitridbeschichtung auf der Oberfläche des Gegenstands 23 oder 25 ausgebildet, beispielsweise eine Beschichtung mit einer Haftkraft (Kohäsion) zwischen 1000 und 2000 kg/mm², vorzugsweise in der Größenordnung von 1400 kg/mm². Nach einer solchen Behandlung nach solchen Behandlungen kann der Gegenstand 23 (oder 25) der Atmosphäre oder Verunreinigungen ohne die Gefahr ausgesetzt werden, dass er weiteren unerwünschten chemischen oder chemisch-physikalischen Reaktionen unterliegt, entweder auf der Oberfläche oder im Körper des Gegenstands. Auf diese Weise kann der Gegenstand das ästhetische Aussehen unbeschränkt beibehalten, so dass ein solcher Gegenstand gegenüber einem aus anderen Materialien oder nach einem anderen Verfahren hergestellten bevorzugt wird. Solche Eigenschaften sind beispielsweise eine Rosafärbung, wenn der Gegenstand gut zur Zahnfleischschleimhaut passen muss, oder eine milchige Färbung, wenn die kieferorthopädischen Vorrichtungen sich auf dem Zahnschmelz von natürlichen Zahnkronen befinden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von prothetischen Vorrichtungen, aus Titan oder Legierungen davon, zur Verwendung in der Mundhöhle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist – Bereitstellen eines abgedichteten Behälters, – Erhalten einer neutralen Atmosphäre in dem abgedichteten Behälter mittels eines Inertgases, einer Vakuumpumpe und einer Gettervorrichtung, wobei die Gettervorrichtung ein Metall für das Herbeiführen einer schnellen und vollständigen Oxidation aufweist, um so im wesentlichen alle restlichen O₂-Moleküle in dem abgedichteten Behälter zu entfernen, – Ausbilden einer prothetischen Vorrichtung in einem Hochtemperatur-Gießzylinder in dem abgedichteten Behälter unter der so erhaltenen neutralen Atmosphäre, – Eintauchen der gegossenen Vorrichtung in ein Abschreckbad in dem abgedichteten Behälter unter der gleichen neutralen Atmosphäre, wodurch das Abschrecken der gegossenen Vorrichtung in dem abgedichteten Behälter unter der gleichen neutralen Atmosphäre herbeigeführt wird, und – darauffolgendes Unterwerfen der gegossenen Vorrichtung einer anodischen Oxidation in dem gleichen Behälter unter der gleichen neutralen Atmosphäre, wodurch eine Schutzbeschichtung auf der Oberfläche der gegossenen Vorrichtung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Inertgas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Vorrichtung in dem Hochtemperatur-Gießzylinder durch Wachsausschmelzgießen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Temperatur des Gießzylinders etwa 800°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Flüssigkeitsbad ein Ölbad ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beschichtung eine Adhäsionskraft (Kohäsion) zwischen 1000 kg/mm² und 2000 kg/mm² und vorzugsweise in der Größenordnung von 1400 kg/mm² hat.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin Feinbearbeitungs-, Sandstrahl- und Abbeizschritte der gegossenen Vorrichtung aufweist, wobei alle diese weiteren Vorgänge in dem abgedichteten Behälter unter der neutralen Atmosphäre ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin Polier- und/oder Schweißschritte der gegossenen Vorrichtung aufweist, wobei alle diese weiteren Vorgänge in dem abgedichteten Behälter unter der neutralen Atmosphäre ausgeführt werden.