EP0503626A1 - Verwendung einer Gusseinbettmassenmischung, Gusseinbettmasse und Gusseinbettmassenmodell sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verwendung einer Gusseinbettmassenmischung, Gusseinbettmasse und Gusseinbettmassenmodell sowie Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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EP0503626A1
EP0503626A1 EP19920104283 EP92104283A EP0503626A1 EP 0503626 A1 EP0503626 A1 EP 0503626A1 EP 19920104283 EP19920104283 EP 19920104283 EP 92104283 A EP92104283 A EP 92104283A EP 0503626 A1 EP0503626 A1 EP 0503626A1
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casting
investment
zirconium dioxide
mass
cast
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Peter Steinfort
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Cowadental Cohen & Co GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns

Definitions

  • the invention relates to a casting investment mixture on a ceramic basis for producing a casting investment compound for the production of casting molds for metal or metal alloy parts, in particular titanium or titanium alloy parts in dental technology.
  • the invention further relates to a casting investment in the form of a slurry obtainable from the above-described casting investment mixture and to a casting mold (casting investment model) and a process for its production.
  • shaping by casting offers the possibility of also producing geometrically complex small parts.
  • the main difference in shaping by casting compared to other shaping processes is that the material only acquires its shape, material structure and quality after cooling with a sometimes considerable shrinkage in the liquid state and during solidification as well as considerable shrinkage in the solid state. The shrinkage must be taken into account by taking an appropriate allowance.
  • Centrifugal casting has proven to be a particularly suitable casting method, in which the casting metal is filled into a mold rotating about its axis, in which it is shaped into the casting under the action of centrifugal force.
  • titanium or titanium alloys are increasingly used as the casting material.
  • Titanium has the advantage of being biocompatible, so that the material costs for dental prostheses can be significantly reduced compared to the relatively expensive gold alloys. Titanium still has good strength properties, one relative low coefficient of expansion and low thermal conductivity and is ultimately corrosion and cavitation resistant. In addition, titanium can also be coated well.
  • the mold which determines in particular the surface quality of the cast product, but also the undesired formation of voids and pores, is of crucial importance with regard to the quality of the cast part.
  • a typical negative example in model casting is the dissolving of flexible plastic molded parts, from which clips, brackets, basic framework parts and other are modeled on an investment material model, using the binder investment material.
  • the modeling plastic mentioned is not compatible with ethyl alcohol in the binder liquid, which leads to the surface becoming detached.
  • flexible plastic molded parts flexible seals
  • it has therefore already started to be covered with a special fine investment material before the model and the model are coated with the binder investment material. This disadvantageously increases the manufacturing outlay.
  • oxide-ceramic molds In dental technology, investment materials based on silicon dioxide are used, which, depending on the use of the binders, can be divided into gypsum-bound and phosphate-bound or silicate-bound compositions.
  • oxide-ceramic molds often have a tendency to react with molding materials with the casting metal, which can lead to the casting being unusable.
  • the casting investment mixture described in claim 1 is proposed.
  • this has 40 to 60% by mass of zirconium dioxide. Below 40% by mass of zirconium dioxide content, voids and pores were increasingly formed in the casting, whereas, with more than 60% zirconium dioxide content, no reliable setting of the cast investment material could be achieved.
  • the casting investment mixture in powder form should not have any zirconium dioxide particles whose diameter exceeds 150 ⁇ m. At least 50% of the zirconium dioxide particles contained in the mixture should preferably have a diameter of less than 50 ⁇ m, and the remaining zirconium dioxide particles should furthermore preferably have a diameter of up to a maximum of 120 ⁇ m.
  • the best experiences were made with a casting investment mixture, each half of which consisted of zirconium dioxide particles with a diameter of up to 50 ⁇ m and the rest of such zirconium dioxide particles with a diameter of up to 120 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m.
  • the zirconium dioxide can be both unstabilized and in a stabilized or partially stabilized form.
  • the casting investment mixtures are preferably based on refractory constituents, such as cristobalite, tridymite and quartz, ie on quartz (SiO2) and its modifications. Quartz is the hexagonal crystal form, which is converted to tridymite when heated to 867 ° C. Upon further heating to 1470 ° C, a transformation into cristobalite occurs. If tridymite and cristobalite are cooled relatively quickly, the reversible conversion down to the quartz is prevented, so that cristobalite and tridymite can also be present at room temperature. In order to obtain a castable investment material from this mixture, monoammonium phosphate (NH4H2PO4), magnesium oxide (MgO) and water are added as binders.
  • NH4H2PO4 monoammonium phosphate
  • MgO magnesium oxide
  • the setting and the production of an investment material model or a casting mold takes place in that the monoammonium phosphate reacts with the excess magnesite when the casting investment material is mixed with water-containing liquids to form magnesium-ammonium-phosphate-water complexes.
  • the magnesium ammonium phosphate that forms when mixed is exothermic and is difficult to dissolve. Due to its crystalline morphology, it combines the ceramic powder components into a solid form. By heating the mold, it is dewatered and sintered, the magnesium ammonium phosphate gradually being converted into the compound magnesium pyrophosphate.
  • MgO-Mg2P2O7-SiO2 particles Due to the stoichiometric predominance of magnesite in the investment materials, MgO-Mg2P2O7-SiO2 particles are distributed heterogeneously in the sintered casting mold.
  • the additionally contained zirconium dioxide inhibits undesired reactions of the casting investment material with the casting material or prevents them almost completely if zirconium dioxide is essentially contained in the layers of the casting mold near the surface.
  • the setting reaction is associated with an expansion of the investment, which can be increased if the mixing liquid used is not water but an aqueous silica sol in which silicon dioxide particles are colloidally dissolved.
  • the colloidal silica sol contains alkaline additives in the form of sodium hydroxide.
  • the invention is further characterized by the cast molding compound in slurry form described in claim 8, which, as described above, is obtained by adding solutions containing binders. From this, a mold is obtained by dewatering and heating, the zirconium dioxide content of which is greater on or towards the surface facing the casting space than in the interior of the casting investment model. To produce this casting mold, the casting investment slurry placed in a duplicating mold is stored before setting so that the surface facing the subsequent casting space is directed downward, so that, due to gravity, the specifically heavier zirconium dioxide increasingly diffuses into the layers near the surface. A casting mold is thus obtained which essentially consists of zirconium dioxide on the surface in question, while the other casting material components serve practically only as a “backfill”.
  • the slurry is preferably shaken under vacuum or in a largely evacuated atmosphere, and further preferably also shaken after pouring into the casting muffle or the duplicating mold before setting.
  • 100 g of investment powder consisting of 40% SiO2, 5% MgO and 5% NH4H2PO4, 50% ZrO2, each with half of particle diameters up to 50 microns and up to 120 microns and mixed with about 15 ml of a mixing liquid mixed in a porridge and placed in a silicone mold. After the investment model had dried out or set, the bottom layers contained a large majority of the zirconium dioxide particles, which had dropped due to their comparatively larger specific weight.
  • the surface that is accordingly rich in zirconium dioxide has the advantage in the subsequent titanium centrifugal casting that reactions with the titanium are prevented, furthermore zirconium dioxide in a first approximation has the same coefficient of thermal expansion as titanium or titanium alloys, so that a great fit of the castings is ensured.

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Abstract

Um Reaktionen der Gußform mit dem zu vergießenden Metall, insbesondere Titan, zu verhindern und ein weitgehend poren- und lunkerfreies Gießprodukt zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dem zur Herstellung dienenden Gußeinbettmassenpulver auf keramischer Basis 40 bis 60 Massen-% Zirkondioxid beizugeben. Zum Abbinden wird das Aufnahmegefäß für den mit einem Bindemittel versetzten Gußeinbettmassenbrei so gelagert, daß schwerkraftbedingt das Zirkondioxid in die unteren Zonen diffundiert und sich dort ablagert und im wesentlichen die Wand des späteren Gußraumes bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gußeinbettmassenmischung auf keramischer Basis zur Herstellung einer Gußeinbettmasse für die Fertigung von Gußformen für Metall- 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 während der Erstarrung sowie eine beachtlichen Schwindung im festen 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 Materialkosten für Zahnersatzteile im Vergleich zu den relativ teuren Goldlegierungen erheblich gesenkt werden können. Titan besitzt weiterhin gute Festigkeitseigenschaften, einen relativ geringen Ausdehnungskoeffizient sowie eine geringe Wärmeleitfähigkeit und ist schließlich korrosions- und kavitationsbeständig. 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 Oberflächengüte des Gußproduktes, aber auch die unerwünschte Lunker- und Porenbildung bestimmt. Als typisches negatives Beispiel beim Modellguß ist beispielsweise das Anlösen von weichelastischen Kunststofformteilen, aus denen Klammern, Bügel, Basisgerüstteile und anderes auf ein Einbettmassenmodell modelliert werden, durch die Binder-Einbettmasse festzustellen. Der genannte 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 Modell und die Modellation mit der Binder-Einbettmasse ummantelt. Nachteiligerweise erhöht dies den fertigungstechnischen Aufwand.
  • In der Dentaltechnik werden Einbettmassen auf der Basis von Siliciumdioxid verwendet, die sich je nach der Verwendung der Bindemittel in gipsgebundene und phosphatgebundene oder silikatgebundene 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 Gußeinbettmassenmischung, eine Guteinbettmasse in Breiform sowie eine Gußform und ein Verfahren zur Herstellung der Gußform (Gußeinbettmassenmodell) anzugeben, bei dem Metall-Formstoffreaktionen 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 Zirkondioxidgehalt 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 Gußeinbettmassenmischung in Pulverform keine Zirkondioxid-Teilchen aufweisen, deren Durchmesser 150 µm überschreitet. Vorzugsweise sollen mindestens 50 % der in der Mischung enthaltenen Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser unter 50 µm aufweisen, wobei weiterhin vorzugsweise die restlichen Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser bis maximal 120 µm besitzen sollen. Die besten Erfahrungen wurden mit einer Gußeinbettmassenmischung gemacht, 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 vorliegen.
  • Vorzugsweise basieren die Gußeinbettmassenmischungen auf feuerfesten Bestandteilen, wie Cristobalit, Tridymit und Quarz, d.h. auf Quarz (SiO₂) und seinen Modifikationen. Quarz stellt hierbei 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 dieser Mischung zu einer abbindungsfähigen Gußeinbettmasse zu kommen, werden als Bindemittel Monoammonium-Phosphat (NH₄H₂PO₄), Magnesiumoxid (MgO) und Wasser zugegeben.
  • Grundsätzlich sind jedoch auch andere Einbettmassen, beispielsweise aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid-Pulver als Hauptbestandteil und einem Binder verwendbar, denen Zirkondioxid in der oben angegebenen Menge beigemischt wird. Die jeweiligen Mischungsverhältnisse sind nach dem Stand der Technik ebenso bekannt wie die Vor- und Nachteile der Variationen der Mischungsverhältnisse. Aus diesem Grunde wird im folgenden nur beispielsweise die Behandlung einer phosphatgebundenen Einbettmasse, bestehend aus feuerfesten Bestandteilen, nämlich Quarz, Tridymit und Cristobalit sowie den Bindemitteln Phosphat, Magnesiumoxid und Wasser behandelt. Die Abbindung und die Herstellung eines Einbettmassenmodelles bzw. einer Gußform findet dadurch statt, daß das Monoammoniumphosphat mit dem überschüssigen Magnesit beim Anrühren der Gußeinbettmasse mit wasserhaltigen Flüssigkeiten zu Magnesium-Ammoniumphosphat-Wasserkomplexen reagiert. Das sich beim Anrühren bildende Magnesium-Ammoniumphosphat wird exotherm gebildet und ist schwer löslich. Aufgrund seiner kristallinen Morphologie verbindet es die keramischen Pulverbestandteile zu einer festen Form. Durch Erhitzen der Gußform wird diese entwässert und gesintert, wobei das Magnesium-Ammoniumphosphat stufenweise in die Verbindung Magnesiumpyrophosphat übergeht. Durch den in den Guteinbettmassen stöchiometrisch überwiegenden Magnesit-Anteil sind in der gesinterten Gußform MgO-Mg₂P₂O₇-SiO₂-Partikel heterogen verteilt. Das zusätzlich enthaltene Zirkondioxid hemmt jedoch unerwünschte Reaktionen des Gußeinbettmassenmaterials mit dem Gießwerkstoff bzw. verhindert diese fast vollständig, wenn in den oberflächennahen Schichten der Gußform im wesentlichen Zirkondioxid enthalten ist.
  • Die Abbindungsreaktion ist mit einer Expansion der Einbettmasse verbunden, welche sich steigern läßt, wenn man als Anmischflüssigkeit nicht Wasser, sondern ein wässriges Kieselsol benutzt, in dem Siliciumdioxid-Partikel kolloidal gelöst sind. Zur Stabilisierung des kolloidalen Kieselsols enthält dieses alkalische Zusätze in Form von Natriumhydroxid.
  • Die Erfindung ist ferner durch die im Anspruch 8 beschriebene Gußeinbettmasse in Breiform gekennzeichnet, die, wie zuvor beschrieben, durch Zusatz von Bindemittel enthaltenen Lösungen erhalten wird. Hieraus erhält man durch Entwässern und Erhitzen eine Gußform, deren Zirkondioxidgehalt 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 gerichtet ist, so daß schwerkraftbedingt das spezifisch schwerere Zirkondioxid vermehrt in die oberflächennahen Schichten eindiffundiert. Man erhält somit eine Gußform, die an der betreffenden 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 vorzugsweise nach Einfüllen in die Gußmuffel oder die Dublierform vor dem Abbinden ebenfalls gerüttelt. In einem konkreten Ausführungsbeispiel 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 Anteil 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 Paßgenauigkeit der Gußteile gewährleistet ist.

Claims (12)

  1. Gußeinbettmassenmischung auf keramischer Basis zur Herstellung einer Gußeinbettmasse 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 gekennzeichnet, daß die Zirkondioxid-Teilchen einen maximalen Durchmesser von 150 µm aufweisen.
  3. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 50 % der Zirkondioxid-Teilchen einen Durchmesser unter 50 µm aufweisen.
  4. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 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, Tridymit, Quarz neben Zirkondioxid enthält.
  7. Gußeinbettmassenmischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 30 bis 40 Massen-% Quarz, 3 bis 7 Massen-% Cristobalit, 3 bis 7 Massen-% Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) und 3 bis 7 Massen-% Magnesiumoxid (MgO) sowie 40 bis 60 Massen-% ZrO₂ aufweist.
  8. Gußeinbettmasse, erhältlich aus einer Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dem eine Bindemittelflüssigkeit zugesetzt wird, in Form eines Breies, einer Paste oder dergleichen.
  9. Gußform, erhältlich aus einer Masse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkondioxid-Gehalt an oder zu der dem Gußraum zugewandten Oberfläche hin größer ist als im Inneren der Gußform (des Gußeinbettmassenmodelles).
  10. Verfahren zur Herstellung eines Gußeinbettmassenmodelles nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein 40 bis 60 Massen-% Zirkondioxid, Rest Quarz und seine Modifikationen enthaltenes 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 gerichtet ist, so daß vor dem Abbinden schwerkraftbedingt Zirkondioxid vermehrt in die oberflächennahen Schichten eindiffundiert.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Vermengung des Breies dieser unter Vakuum oder in einer weitgehend evakuierten Atmosphäre gerüttelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brei nach dem Einfüllen in die Gußmuffel oder die Dublierform vor dem Abbinden gerüttelt wird.
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