JP5060077B2 - 鋳造用金合金 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用金合金に関するものである。

歯科治療において修復物作製に用いられる鋳造用金合金は、精密鋳造によって、所望の形状を与えることができ、歯牙との適合に優れる長所を備える反面、色調が金属色なので、白色のレジン材料やオールセラミック材料に比べ、審美性に劣る欠点がある。

鋳造用金合金の審美性における短所を補うために、一般的には、メタルセラミック修復が用いられる。メタルセラミック修復は、セラミック粉末からなる歯科用陶材を鋳造フレーム上に築盛し、乾燥、焼成を経て、緻密なセラミック層を金属表面に形成する手法である。このとき、歯科用陶材を築盛する前に、鋳造体は、デギャッシングと呼ばれる熱処理を経て、表面に酸化物層を形成させ、歯科用陶材との接合を確実にする。歯科用陶材からなるセラミック層は、天然歯に近い色調を有するため、金属を用いても審美性に優れた修復物を作製することができる。

金属フレームは、セラミック層の下地となり、その色調は、セラミック層の色調に反映される。金属が白金色の場合は、セラミック層の色調が暗くなり、審美的には好ましくない。さらに、修復物がクラウン又はブリッジの場合は、下地の金属が辺縁に沿って露出することがあり、金属が白金色であると、審美的には好ましくない。これらの理由から、強い黄金色の金属が大変好まれている。

このニーズに応える従来技術の一例として、特許文献１に開示される鋳造用金合金がある。この合金は、Ａｕ７５〜９８％、Ｐｔ０．１〜１５％、Ｆｅ０．１〜１０％、Ｉｎ０．１〜３％、Ｗ０．０５〜５％からなり、黄金色を有することを特長とするものである。
別な従来技術として、特許文献２に開示される鋳造用金合金がある。この文献の請求項２によれば、Ａｕ８２．０〜８４．０％、Ｐｔ８．９〜１０．９％、Ｐｄ４．０〜６．０％、Ａｇ０．２〜０．５％、Ｚｎ１．５〜２．５％、Ｆｅ０．２％、Ｉｒ０．１％にＴａ、Ｓｎを含有する鋳造用金合金である。
特開平１−１３２７２８号公報 特開２００２−１２９２５２号公報

前記特許文献１に開示される合金系では、鋳造体の金属組織が、白金色の晶出物粒子とＡｕリッチの黄金色のマトリックス相との２相からなっている。これは、鋳造時の凝固過程において、Ａｕと固溶しづらいＦｅ及びＷが、Ｐｔ−Ｆｅ−Ｗ系高融点金属間化合物として晶出し、マトリックスのＰｔ、Ｆｅ、Ｗ濃度が減少することによって、相対的にＡｕ濃度が増すからである。そのため、外観上は、確かに強い黄金色を呈す。
一方で、メタルセラミック修復は、天然歯の自然な色調を再現させるために、異なる色調の陶材を繰返し築盛、焼成して、複雑な色合いを表現することが、ごく一般的に行われている。陶材の焼成は、通常９００℃前後の高温に達するため、この合金系では、熱変形を起こす問題がある。これは、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｗの大部分が粗大粒子として晶出し、マトリックスが、低強度・低融点のＡｕリッチ相となるためである。この合金系は、熱変形により歯牙との適合が確保できないため、大型のブリッジ等の修復に用いることは困難である。

前記特許文献２に開示される合金系は、Ｚｎ添加量が多いため、常温での強度は高く、Ｐｄを含有するため液相点を高くすることができる。しかし、合金組織は、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの固溶体なので、前記特許文献１に開示された合金系のＡｕリッチ相より相対的にＡｕ濃度が少なく、色調は、Ａｕ特有の豊かな黄金色が希釈された淡黄色となる。一方で、常温における硬さを増大させるためにＺｎを多く含有するので、合金の融点が低下し、陶材焼成時には、高温によって、強度が低下するので、大きな熱変形を起こす。このように、この合金系に代表される鋳造用金合金は、色調が不十分であって、さらに適合に不安を抱えている。

以上述べたように、鋳造用金合金に対するニーズは、未だに十分満たされていない。Ａｕ含有量が高い、高品位の鋳造用金合金は、前記２例の他にも多数の製品が入手できるが、それら従来技術は、前記２例に代表されるように、色調が優れても熱変形に問題があるものと、色調が淡い上に熱変形に問題があるものとに集約される。

本発明は、従来技術の問題点に鑑みて、強い黄金色を呈しながら、耐熱変形性に優れた鋳造用金合金を提供することを目的とするものである。

本発明は、Ａｕ：８３．０〜９０．０質量％、Ｐｔ：８．０〜１０．０質量％、Ｉｎ：１．０〜２．０質量％及びＣｏ：０．１〜１．５質量％からなる鋳造用金合金である。ここで、鋳造用金合金とは、鋳造して形態を付与する金合金のことであり、歯科分野に限らず、装身具及びその他の用途に用いることも、無論可能である。

本発明は、Ｃｒ、Ｆｅのうち少なくとも１種の元素を０．１〜０．５質量％含有することを特長とする鋳造用金合金である。

本発明は、Ｉｒ、Ｒｅのうち少なくとも１種の元素を０．０２〜１．０質量％含有することを特長とする鋳造用金合金である。

本発明は、歯科メタルセラミック修復に用いることを特長とする鋳造用金合金である。

本発明によれば、強い黄金色を呈し、かつ、耐熱変形性に優れた鋳造用金合金を提供することができる。次にその理由を述べる。

金合金の黄金色は、Ａｕ含有量増加に伴って濃くなるが、Ａｕ含有量が多すぎると実用的な強度を得ることができない。そこで、添加元素を検討するのが、金合金の一般的な設計手法である。従来技術では、Ｆｅ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎなどの添加元素が選択されており、前述のように、強い黄金色と耐熱変形性とを両立することができなかった。

本発明は、Ａｕ：８３．０〜９０．０質量％、Ｐｔ：８．０〜１０．０質量％、Ｉｎ：１．０〜２．０質量％及びＣｏ：０．１〜１．５質量％からなる鋳造用金合金である。本発明の金合金は、微細なＰｔ−Ｃｏ分散相の晶出によって、マトリックスのＡｕ濃度が増し、豊かな黄金色が得られる。マトリックスは、ＡｕとＩｎ、Ｃｏとの固溶強化により、実用的な強度を維持できる。さらに、マトリックスの固溶強化とＰｔ−Ｃｏ分散相による分散強化によって熱変形を抑制することができる。

Ａｕは、豊かな黄金色発現のために最低８３％は必要である。Ａｕの含有量が９０％を超えると、熱変形が大きくなり、又実用的な強度も得られない。望ましくは、８７〜９０％の添加がよい。

Ｐｔは、８％以上の添加によって、金合金の融点を上げ、耐熱変形性を高める。しかし、Ａｕと固溶して、黄金色を薄める効果が強いため、上限は１０％としなければならない。Ｉｎは、Ａｕに固溶して強度を向上させる効果がある。１％未満では、その効果が不十分であり、２％を超えると、融点を著しく低下させ、又、黄金色を薄める。

本発明で、Ｃｏの果たす役割は特異的である。鋭意研究の末、次の効果を発揮することを見出した。第１に、金合金の凝固過程でＰｔ−Ｃｏ金属間化合物を晶出する効果と、第２に、Ａｕリッチなマトリックスに固溶してマトリックスを強化する効果である。これらの効果を発現させ、豊かな黄金色でありながら、耐熱変形性に優れた金合金を得るためには、Ｃｏ添加量は、０．１〜１．５％がよい。Ｃｏが０．１％より少ないと、Ｐｔ−Ｃｏの晶出が不十分で、固溶強化も分散強化も十分に発現せず、１．５％を超えると、マトリックスに固溶するＣｏが増すため黄金色を薄めるからである。

なお、前記金合金にＣｒ、Ｆｅのうち少なくとも１種の元素を０．１〜０．５％添加することによって、さらにＰｔの晶出を促し、黄金色を増す働きが得られる。添加量が０．１％未満ではその効果が得られず、０．５％を超えると、マトリックスに固溶して黄金色を過分に薄める。

さらに、前記金合金にＩｒ、Ｒｅのうち少なくとも１種の元素を０．０２〜１．０％添加することによって、Ｐｔの晶出をさらに促し、黄金色を増す働きが得られる。これらの元素は、融点が著しく高く、Ａｕに固溶しないため、結晶粒微細化元素として知られているが、０．０２％未満ではその効果が得られず、１．０％を超えると、粗大な粒子を晶出し、分散強化の効果が失われ、熱変形が過大になる。

なお、前記金合金は、歯科用金属としてメタルセラミック修復に用いるのに好適である。ただし、色調と耐熱変形性が必要とされる分野、例えば、装身具等に用いても好適であって、適用分野を歯科に限定するものではない。

以下、本発明の具体的実施例について説明する。

本発明の実施例の組成を表１に、比較例の組成を表２に示す。

（金合金の作製）
実施例１に示す組成の鋳造用金合金は、次の方法によって得られた。ＡｕとＰｔとを、まずアーク溶解炉によって溶解し、さらに他の添加元素を加えて、溶製した。溶解後のボタン状の合金は、厚さ１mmまで圧延し、裁断した。
実施例２〜５及び比較例４〜５に示す組成の鋳造用金合金は、実施例１と同様の方法で得た。
実施例６〜９及び比較例１〜３に示す組成の鋳造用金合金は、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｎ又はＣｒとＰｔとの母合金をあらかじめ作製し、これを後に添加した他は、実施例１と同様の方法で得た。

（試験片の作製）
実施例及び比較例の色調評価用及び熱変形評価用の試験片は、次の方法によって作製した。鋳造は、装身具業界や歯科技工の精密鋳造法として一般的なロストワックス法によった。

色調評価用試験片は、直径１２mm、厚さ１．２mmのワックスパターンを作製し、リン酸塩系埋没材で埋没・焼成した後、反転加圧式鋳造機を用いて鋳造した。次に、鋳造体から埋没材を除去し、スプルーを切断して、片面を#100、#240、#600、#1000の耐水研磨紙で順に研磨し、ダイヤモンドペーストでバフ研磨して、鏡面の試験片を得た。

熱変形評価用試験片は、前記と同様の鋳造方法で２mm角、長さ５０mmの角棒に鋳造し、デギャッシングを想定して１０００℃で１０分間、大気中で熱処理した。さらに、角棒の端面を除く４面は、#100、#240、#600の耐水研磨紙で順に研磨し、#1000の耐水研磨紙で仕上げた。

（色調の評価）
実施例及び比較例の鋳造用金合金の色調は、純金との色差ΔＥ^＊によって評価した。
色差ΔＥ^＊は、ＣＩＥＬａｂ表色系において、２色間の明度Ｌ^＊、彩度ａ^＊及び彩度ｂ^＊の差（ΔＬ^＊、Δａ^＊及びΔｂ^＊）の２乗和の平方根で定義される値で、肉眼では判定しづらい色調の差を定量的に表す指標である。
色差ΔＥ^＊が大きいほど、２色間の隔たりが大きく、色調が異なることを表す。

純金鏡面と前記方法で作製した試験片鏡面とのΔＬ^＊、Δａ^＊及びΔｂ^＊を色差計（ビックガードナー社，カラーガイド）で計測し、色差ΔＥ^＊求めた。
結果を表１及び表２に示す。

（熱変形の評価）
実施例及び比較例の鋳造用金合金の熱変形は、加熱変位Ｄを測定して評価した。金属を加熱すると、一般に強度が低下し、自重によって熱変形する。その程度を評価するために、金属棒の一端を固定し、水平に保持した片持ち梁の状態で加熱して、垂直変位量を測定した。試験片は、前記方法で作製したものを用い、加熱条件は、１０００℃のＡｒガス中で１０分間とし、加熱変位Ｄは、固定端から約４０mmの垂直変位量を精度０．０５mmのハイトゲージで測定して、求めた。この評価方法によれば、単純形状の試験片と、非酸化雰囲気の加熱とによって、自重による熱変形を、誤差要因を排除して、再現性よく定量的に求めることができる。
結果を表１及び表２に示す。

（結果）
実施例１〜実施例４に示す鋳造用金合金は、請求項１に記載の金合金である。加熱変位Ｄは、１．８mm以下であり、かつ、色差ΔＥ^＊は、２３以下であった。
実施例５及び実施例６に示す鋳造用金合金は、請求項２に記載の金合金であり、Ｄが１．４mm以下、かつ、ΔＥ^＊が２２以下であった。
実施例７及び実施例９に示す鋳造用金合金は、請求項３に記載の金合金であり、Ｄが１．８mm以下、かつ、ΔＥ^＊が２１以下であった。

比較例１、比較例４及び比較例５は、ΔＥ^＊が２３以下で、やはり優れた黄金色であった。しかしながら、これら比較例は、Ｄが２．３mm以上となり、耐熱変形性が十分でなかった。
比較例２及び比較例３は、市販金合金の例であるが、ΔＥ^＊が２５で、黄金色が薄く、淡黄色であった。さらに、Ｄは、２．７mm以上となり、耐熱変形性が不十分であった。

図１は、実施例及び比較例のＤ及びΔＥ^＊の関係である。本発明の実施例に示すすべての金合金は、Ｄが１．８mm以下となり、比較例に示すすべての金合金は、Ｄが２．３mm以上となった。実施例に示す金合金は、熱変形が比較例より十分小さく、修復物と歯牙との適合が確実になり、辺縁封鎖性を高めることができ、２次う蝕を効果的に抑制することができる。さらに、実施例に示すすべての金合金は、色差ΔＥ^＊が２３以下で、強い黄金色を備えていた。

図２は、実施例２に示す金合金の断面組織である。ＥＤＳによる元素分析の結果、Ｐｔ及びＣｏを主とする相からなる微細な分散相とＡｕ、Ｉｎ及びＣｏを主とする固溶相とからなるマトリックスとが確認された。他の実施例についても、これと同様の組織であった。比較例１、比較例４及び比較例５に示す金合金にも分散相が観察されたが、加熱変位が大きく、分散強化の効果は認められなかった。

上述の実験的検証によって、本発明に示す組成の鋳造用金合金は、加熱変位が１．８mm以下であって、純金との色差が２３以下であり、従来技術に比べ、強い黄金色を呈しながら、耐熱変形性に優れていることが明らかとなった。

実施例及び比較例に示す金合金の色差ΔＥ^＊と加熱変位Ｄの関係を表す図である。 本発明の金合金の断面組織の一例である。

Claims (4)

1. Ａｕ：８３．０〜９０．０質量％、Ｐｔ：８．０〜１０．０質量％、Ｉｎ：１．０〜２．０質量％及びＣｏ：０．１〜１．５質量％からなることを特長とする鋳造用金合金。
2. Ｃｒ、Ｆｅのうち少なくとも１種の元素を０．１〜０．５質量％含有することを特長とする請求項１に記載の鋳造用金合金。
3. Ｉｒ、Ｒｅのうち少なくとも１種の元素を０．０２〜１．０質量％含有することを特長とする請求項１又は２に記載の鋳造用金合金。
4. 歯科メタルセラミック修復に用いることを特長とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鋳造用金合金。