Gusseinbettmasse

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gußeinbettmasse auf keramischer Basis für die Herstellung von Gußformen nach dem Wachsausschmelzverfahren zum Gießen von Titan, Titanlegierungen oder anderen im flüssigen Zustand heftig mit Sauerstoff reagierenden Metallen, welche im wesentlichen eine Grundmasse mit Zirkonoxid und mit anderen thermodynamisch stabilen Rohstoffen und zusätzlich Zement und Bindemittel enthält. Eine solche Gußeinbettmasse ist in der EP-A-92104283.4 beschrieben.

[0002] Die bekannte Gußeinbettmasse soll sich insbesondere für die Erstellung von Gußformen zum Gießen von Titan eignen. Titan ist aufgrund von guten mechanischen Eigenschaften und seiner Biokompatibilität ein nahezu idealer Werkstoff für dentale Restaurationen. Die große Reaktionsfreudigkeit des geschmolzenen sowie auch festen und noch glühenden Titans stellt bei der Gußtechnik bisher jedoch ein großes Problem dar.

[0003] Der Einbettmasse kommt gerade beim Titanguß eine Schlüsselrolle zu. Die Einbettmasse nach der genannten EP-A-92 104283.4 soll als thermodynamisch stabilen, keramischen Rohstoff Quarz (SiO₂) und seine Modifikationen, gemischt mit 40 - 60 % Zirkonoxid oder aber auch Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid enthalten. Ein Zirkonoxidgehalt von weniger als 40 % wird ausdrücklich als nachteilig bezeichnet. Als Bindemittel werden Monoammonium-Phosphat (NH₄H₂PO₄) und Magnesiumoxid (MgO) genannt. Die Einbettmasse nach dieser Schrift enthält also mindestens 40 % Bestandteile, die mit Titan heftig reagieren. Um dies zu unterdrücken, soll die Einbettmassenmischung vor dem Aushärten so gelagert und geschüttelt werden, daß schweres Zirkonoxid schwerkraftbedingt in die Nähe der Gußoberfläche diffundiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch dies nicht zu sauberen und glänzenden Oberflächen der Gußstücke führt, weil aggressive Metalle, insbesondere Titan, sehr heftig mit Siliziumdioxiden und Phosphaten reagieren. Das führt zu einem sehr festen Haften des Gußstückes an der die Gußform bildenden Einbettmasse, zu einer dicken Oxidschicht an der Gußteiloberfläche und zur Diffusion von Sauerstoff in die Oberfläche des Gußteils und damit zur Ausbildung einer sehr spröden und rißanfälligen Zone, der sogenannten "alpha-case" (bis 0,3 mm dick), die nachträglich entfernt werden muß.

[0004] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gußeinbettmasse der eingangs genannten Art zu entwickeln, welche alle üblichen Eigenschaften der bekannten phosphatgebundenen Gußeinbettmassen besitzt, bei der jedoch Reaktionen zwischen dem Metall und dem Material der Gußform möglichst weitgehend verhindert werden.

[0005] Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als thermodynamisch stabile Rohstoffe maximal 35 % Magnesiumoxid und maximal 50 % Zirkonoxid oder Calciumzirkonat, als Zement 5 - 15 % hydraulischer Calciumoxidzement und als Bindemittel maximal 2 % eines alkalischen Zirkonatbinders vorgesehen sind.

[0006] Dieser Problemlösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es außerhalb der keramischen Industrie spezielle alkalische Zirkonatbinder gibt, so daß man zum Aushärten der Gußeinbettmasse hydraulische Zemente anwenden kann, die bekanntlich nur in alkalischen Medien härten.

[0007] In der erfindungsgemäßen Gußeinbettmasse sind keine Stoffe vorhanden, welche mit dem aggressiven Titan reagieren. Dennoch ist das Material vergleichbar gut zu verarbeiten wie die bisher gebräuchlichen silikat- und phosphathaltigen Gußeinbettmassen. Der für die Verwirklichung der Erfindung erforderliche Zirkonatbinder sollte alkalisch bis neutral sein, um die Härtung des Calciumoxidzements nicht negativ zu beeinflussen. Die Konzentration sollte, abhängig von der gewünschten Verarbeitungszeit, bei maximal 2 % liegen.

[0008] Der calciumoxidhaltige, silikatfreie Zement gewährleistet die Härtung des gegossenen Schlickers zu einer harten Gußform. Von Vorteil sind hierbei schnell härtende Zemente mit einem hohen CaO-Gehalt (mindestens 45 %) und einem möglichst niedrigen Al₂O₃-Gehalt. Je nach gewünschter Härtezeit (Abbindezeit) liegt der Zement-Gehalt bei 5 - 15 %.

[0009] Das Magnesiumoxid verhilft dem fertigen Pulvergemisch zu einem homogenen Gefüge, verbessert die Fließfähigkeit des Schlickers und gleicht den Unterschied zwischen "schwerem" Zirkonoxid und anderen "leichteren" Bestandteilen des Pulvergemisches aus. Aus diesem Grund sollte das industrielle Magnesiumoxidpulver mit einem hohen Schüttgewicht bevorzugt werden, wobei eine Reinheit von mindestens 98 % wünschenswert ist. Eine optimale Wirkung wird ab ca 20 % bis 35 % MgO erreicht. Ein höherer Gehalt führt, neben anderem wegen der gewählten Reinheit, zu schlechteren Gußergebnissen und einem nicht optimalen Verhalten der Einbettmasse.

[0010] Bei dem Zirkonoxid ist der Vorzug einem vollstabilisierten Elektroschmelzprodukt mit geringer Oberfläche zu geben, weil solche Pulver mit geringer Menge an Flüssigkeit zu Schlicker anmischbar sind. Die Korngröße soll dabei so gewählt werden, daß mindestens 50 % des Pulvers zwischen 120 bis 250 Mikron liegt.

[0011] Optimale Wirkung erreicht man mit 20 bis 35 % Zirkonoxid. Eine höhere Menge führt zu einem schlechteren Zusammenhalt der Gußeinbettmasse. Bei über 50 % Zirkonoxid ergibt sich keine homogene Einbettmasse mehr.

[0012] Für die genaue Passung der dentalen Gußstücke wird üblicherweise die Erstarrungskontraktion des gegossenen Metalls mit einer entsprechenden vorherigen Volumenexpansion der Gußform kompensiert. Zusätzlich muß auch die Kontraktion der Gußform ausgeglichen werden, die durch den Wasseraustritt ab 100° C und die Sinterschrumpfung ab ca. 600° C eintritt. Neben der thermischen Dehnung der Rohstoffe, die aber bei den oben genannten relativ gering ist, wird das Problem folgendermaßen gelöst:

[0013] Es ist bekannt, daß bei einer Reihe von Festkörperreaktionen, bei denen Spinelle gebildet werden, eine unterschiedlich große Volumenzunahme eintritt. Aufgrund der Tatsache, daß in der Einbettmasse Magnesiumoxid vorliegt, führt der Zusatz von Aluminiumoxid zur Bildung von MgAl₂O₄-Spinell bei Temperaturen von 950 - 1300° C und einer entsprechenden Volumenzunahme. Vorzugsweise wird hochreaktives Aluminiumoxid Al₂O₃ zu 15 - 25 % dem Pulvergemisch zugesetzt. Zum verbesserten Ablauf der Festkörperreaktion schon bei niedrigeren Temperaturen bzw. mit niedrigerem Al₂O₃-Gehalt kann dem Einbettmassenpulver eine Reihe von Keimbildnern zugesetzt werden (MgAl₂O₄, Fe_xO_y, B₂O₃, CrO₃ ...).

[0014] Einbettmassen dieser Art kann man mit gutem Ergebnis für Titanguß einsetzen, vorteilhaft ist sie aber auch bei sehr hohen Temperaturen, z.B. für Bearbeitung von (glas)keramischen Materialien. Die Spinellbildung wird erst bei ca. 1600° C vollständig abgeschlossen, so daß die Sinterschrumpfung der Gußform ständig mit der erzeugten Volumenzunahme kompensiert werden kann.

[0015] Dem Einbettmassenpulver bzw. der Flüssigkeit können zusätzlich geringe Mengen an Additiven zugemischt werden, z.B. Verflüssigungsmittel, Mittel zum Erreichen einer höheren Gasdurchlässigkeit der Gußform, Dispergiermittel, Beschleuniger bzw. Verzögerer der Zementhärtung usw. Der Vorzug ist dabei immer ausbrennbaren bzw. nicht phosphat- und silikathaltigen Stoffen zu geben.

[0016] Die Einbettmasse, die als Pulver und wasserhaltige Flüssigkeit vorliegt, wird ähnlich den üblichen phosphatgebundenen Einbettmassen verarbeitet. Nach Anmischen der beiden Komponenten entsteht ein plastischer, fließfähiger Schlicker. Die Wachsmodellation wird damit eingegossen. Die Verarbeitungszeit kann auf bis zu 15' eingestellt werden, so daß genug Zeit für Korrekturen bleibt. Die Zementhärtung bewirkt eine allmähliche Versteifung der Gußform, bis nach ca. 1/2 - 2 Std. - je nach Zusammensetzung - eine ausreichend harte Gußform vorliegt. Beim Brand wird vorzugsweise eine Haltestufe bei 150 - 300° C gewählt, um das Wasser aus der keramischen Form langsam entweichen zu lassen. Der weitere Temperaturanstieg kann grundsätzlich - dank der geringen thermischen Dehnung der Rohstoffe - relativ schnell erfolgen. Das gesamte Temperaturprofil hängt jedoch auch von dem benutzen Expansionsmittel ab. Beim dentalen Titanguß wird die Gußform nachher vorzugsweise auf ca. 450° C abgekühlt, getempert und in einer Gußanlage mit Titan gegossen.

[0017] Die beschriebene Einbettmasse haftet beim Ausbetten nicht am Gußstück und läßt sich von Hand entfernen. Die Gußoberfläche ist metallisch sauber bis glänzend, mit einer stark reduzierten alpha-case Zone, die nur auf Verunreinigungen der Rohstoffe und Aluminiumoxid zurückzuführen ist.

Ansprüche

1. Gußeinbettmasse auf keramischer Basis für die Herstellung von Gußformen nach dem Wachsausschmelzverfahren zum Gießen von Titan, Titanlegierungen oder anderen im flüssigen Zustand heftig mit Sauerstoff reagierenden Metallen, welche im wesentlichen eine Grundmasse mit Zirkonoxid und mit anderen thermodynamisch stabilen Rohstoffen und zusätzlich Zement und Bindemittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als thermodynamisch stabile Rohstoffe maximal 35 % Magnesiumoxid und maximal 50 % Zirkonoxid oder Calciumzirkonat, als Zement 5 - 15 % hydraulischer Calciumoxidzement und als Bindemittel maximal 2 % eines alkalischen Zirkonatbinders vorgesehen sind.

2. Gußeinbettmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkonoxidanteil maximal 35 % beträgt.

3. Gußeinbettmasse nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 15 - 20 % Aluminiumoxidpulver enthält, welches bei 950 bis 1300 °C mit Magnesiumoxid unter Volumenzunahme reagiert.