Verfahren zur Herstellung von Gusswerkstücken und Einbettmasse

Abstract

 Um ein Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken insbesondere filigraner Präzisionsgußteile im medizinischen Bereich, bei dem eine aus einer keramischen Einbettmasse bestehende Gießform vor dem Einfüllen eines Gießwerkstoffes zur Kompensation einer beim Abkühlen aus dem schmelzflüssigen Zustand auftretenden Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes gezielt expandiert wird, wobei die Einbettmasse aus einer quarzfreien Oxidkeramikmischung (M₁, M₂) einem Bindemittel und einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol unter Zufügung einer organischen Carbonsäure gebildet wird, zu schaffen, mit dem sich eine vergleichsweise einfache Steuerung der beim Abbinden auftretenden Expansion (ε_A) der quarzfreien Einbettmasse erzielen läßt, wird die beim Abbinden auftretende Expansion (ε_A) der Einbettmasse durch Variieren des Gehalts (w) an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol gesteuert. Ferner wird eine diesbezügliche Einbettmasse angegeben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken, insbesondere filigraner Präzisionsgußteile im medizinischen Bereich, bei dem eine aus einer keramischen Einbettmasse bestehende Gießform vor dem Einfüllen eines Gießwerkstoffes zur Kompensation einer beim Abkühlen aus dem schmelzflüssigen Zustand auftretenden Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes gezielt expandiert wird, wobei die Einbettmasse aus einer quarzfreien Oxidkeramikmischung, einem Bindemittel und einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol unter Zufügung einer organischen Carbonsäure gebildet wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einbettmasse für die Herstellung von Gußwerkstücken durch ein solches Verfahren.

[0002] Im medizinischen Bereich, insbesondere in der Dentaltechnik, werden individuell anzufertigende Prothesen üblicherweise aus Metallegierungen, etwa auf Basis von Titan (Ti), Palladium (Pd), Nickel-Chrom (NiCr), Cobalt-Chrom (CoCr), oder aus glaskeramischen Werkstoffen gegossen. Die hierzu verwendeten Gießformen bestehen aus einer keramischen Einbettmasse, die mit Hilfe eines dem zu rekonstruierenden Körperteil entsprechenden Wachsmodells gewonnen wird. Dies geschieht dadurch, daß ein aus einer Keramikmischung und einem Bindemittel bestehender Brei mit einer Anmischflüssigkeit angerührt und auf das Wachsmodell aufgetragen wird. Nachdem bei Raumtemperatur der Brei nach kurzer Zeit abgebunden ist, wird die auf diese Weise gebildete feste Gießform auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Wachs des Wachsmodells rückstandslos herausfließt. Um die erforderlichen Gießparameter, beispielsweise die Kantenstabilität der Gießform, zu erreichen, wird die Gießform vor dem Einbringen des Gießwerkstoffes auf Temperaturen von bis zu 1000°C vorgewärmt.

[0003] Während des Abkühlens ist der Gießvorgang durch eine Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes gekennzeichnet. Bereits im flüssigen Zustand tritt eine Schrumpfung ein, die beim Erstarren in eine Schwindung übergeht. Um eine möglichst geringe Abweichung des Gußteils von dem dem zu rekonstruierenden Körperteil entsprechenden Wachsmodell sicherzustellen, ist es bekannt, die Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes durch eine Expansion der die Gießform bildenden Einbettmasse zu kompensieren. Die Gesamtexpansion der Einbettmasse setzt sich dabei aus einer Abbindeexpansion während des Abbindens des Breis und einer thermischen Expansion beim Erwärmen der Gießform zusammen. Eine hohe thermische Expansion läßt sich dann erreichen, wenn quarzhaltige Einbettmassen verwendet werden. Dies ist auf das thermische Umwandlungsverhalten von Siliciumdioxid-Modifikationen zurückzuführen. So findet durch eine α/β-Umwandlung eine sprunghafte Ausdehnung von Cristobalit bei etwa 270°C und von Quarz bei etwa 570°C statt.

[0004] Quarzhaltige Einbettmassen zeichnen sich zwar durch hohe Expansionswerte von bis zu 2% aus, die eine Abbindeexpansion oftmals entbehrlich machen, weisen aber neben einer gesundheitsschädlichen Bildung von Feinstäuben mit einer Korngröße von < 10 pm den Nachteil eines gleichfalls ungleichmäßigen Abkühlungsverhaltens auf. Dies hat zur Folge, daß in dem beim Abkühlen mit der Einbettmasse in Kontakt stehenden Gußteil Spannungen auftreten, die zu einer unzulässigen plastischen Verformung oder Rissbildung führen können. Nachteilig bei quarzhaltigen Einbettmassen ist ferner eine verhältnismäßig niedrige Erweichungstemperatur, die bei hohen Gießtemperaturen, wie sie beim Vergießen von beispielsweise Titanlegierungen erforderlich sind, Verschlackungsreaktionen hervorrufen, die Passungenauigkeiten mit sich bringen. Bei Gießwerkstoffen auf Basis von Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr), die oberhalb einer Temperatur von etwa 900°C eine hohe Affinität zu Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff aufweisen, ergibt sich darüber hinaus eine durch Oxidation gebildete Versprödung der Außenhaut des Gußwerkstückes. Diese unter der Bezeichnung Alpha-case-Form bekannte Randzonenoxidation geht zwar mit einer erhöhten Materialhärte einher, die für gewisse Anwendungszwecke erwünscht ist, für Präzisionsgußteile aber aufgrund der damit verbundenen Passungenauigkeiten infolge von beispielsweise Lunker oder Gaseinschlüssen zu vermeiden ist.

[0005] Im Vergleich hierzu weisen die weniger gesundheitsgefährdenden und weniger zu einer Alpha-case-Form-Bildung neigenden quarzfreien keramischen Einbettmassen ein nahezu konstantes thermisches Ausdehnungsverhalten auf. Aufgrund eines bis zu etwa 900°C, daß heißt bis zur Vorwärmtemperatur der Gießform, kleinen Ausdehnungskoeffizienten, läßt sich mit quarzfreien Einbettmassen allerdings nur eine geringe thermische Expansion von maximal 0.5% erreichen. Zur Kompensation der beim Abkühlen auftretenden Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes sind daher hohe Werte für die Abbindeexpansion erforderlich.

[0006] Mit der Europäischen Patentanmeldung 97 119 939.3 ist bereits vorgeschlagen worden, eine organische Carbonsäure, beispielsweise Citronensäure, einer quarzfreien, aus einer Magnesiumoxid (MgO) enthaltenden Oxidkeramikmischung, einem auf Magnesiumoxid (MgO) und Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) basierenden Bindemittel und als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol bestehenden Einbettmasse zuzuführen, um eine hohe Abbindeexpansion zu erhalten. Durch den Gehalt an Magnesiumoxid (MgO) in der Oxidkeramikmischung und der Art und dem Anteil der Carbonsäure läßt sich dabei die für den zu verarbeitenden Gießwerkstoff erforderliche Abbindeexpansion einstellen.

[0007] Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß sich eine hohe Anzahl bereitzustellender Einbettmassen entsprechend den unterschiedlichen Gießwerkstoffen ergibt. Neben dieser in wirtschaftlicher Hinsicht unbefriedigenden Vorratshaltung ist bei dem aus der oben bezeichneten Europäischen Patentanmeldung bekannten Verfahren auch die aufwendige Handhabung zum Einstellen der erforderlichen Abbindeexpansionswerte nachteilig.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken zu schaffen, mit dem sich eine vergleichsweise einfache Steuerung der beim Abbinden auftretenden Expansion einer quarzfreien Einbettmasse erzielen läßt. Mit der vorliegenden Erfindung soll ferner eine Einbettmasse, die sich in einem solchen Verfahren anwenden läßt, angegeben werden.

[0009] Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die beim Abbinden auftretende Expansion der Einbettmasse durch Variieren des Gehalts an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol gesteuert wird.

[0010] Die Erfindung macht sich die überraschende Erkenntnis zu eigen, daß es zur Einstellung einer hinreichend großen Abbindeexpansion bei quarzfreien Einbettmassen ausreichend ist, den Gehalt an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol entsprechend den jeweiligen Gießwerkstoffen zu variieren. Ursächlich für die erzielbaren Abbindeexpansionswerte ist in erster Linie das Zusammenwirken der organischen Carbonsäure mit dem Kieselsol. Kieselsol weist als wässrige anionische Lösung von kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) bei einem pH-Wert von über 10 negativ aufgeladene und sich infolgedessen gegenseitig abstoßende SiO₂-Partikel auf, die das Kieselsol hinreichend stabilisieren und ihm eine verhältnismäßig geringe Viskosität verleihen. Durch die Carbonsäure wird der pH-Wert des Kieselsols abgesenkt, und es tritt eine Säure-Base-Reaktion auf, die Kieselgel gemäß der folgenden Gleichung ausfällen läßt:

mit

≡Si-O^-:

Silicatanion auf der Oberfläche eines SiO₂-Partikels und

≡Si-O-H:

undissoziierte Kieselsäure auf der Oberfläche eines SiO₂-Partikels.

[0011] Da Carbonsäure beispielsweise im Vergleich zu Mineralsäuren und deren Derivate verhältnismäßig schwach ist, wird der pH-Wert nicht so weit reduziert, daß eine Ladungsumkehr, etwa durch Absorption von H⁺-lonen, stattfände, die das nunmehr instabile Kieselsol stabilisierte. Während des Abbindens der Einbettmasse entstehen aus dem ausgefällten Kieselgel wasserhaltige, kristalline oder teilkristalline Silicate, die zu einer Volumenvergrößerung und damit zu einer Erhöhung der Abbindexpansion führen. Durch Variation des Gehaltes an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol läßt sich folglich der Volumenanteil expandierender, auskristallisierender Silicate verändern und damit die Abbindeexpansion stufenlos steuern, und zwar nahezu unabhängig von der Zusammensetzung der Oxidkeramikmischung.

[0012] Von besonderem Vorteil ist es, wenn zum Einstellen einer bestimmten Expansion der Einbettmasse der Gehalt an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-% variiert wird. Versuche ergaben, daß handelsübliches 30%-iges Kieselsol zu einer Abbindeexpansion von 0.8% führt, wohingegen sich bei einem Anteil an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol von 40 Gew.-% eine Abbindeexpansion von 6% erreichen läßt. Die Variation des Siliciumdioxid-Gehalts im obigen Intervall ermöglicht demnach für die meisten Gießwerkstoffe ausreichend große Abbindeexpansionswerte.

[0013] Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, daß wenn 100 g Oxidkeramikmischung, Bindemittel und Carbonsäure mit 15 ml bis 40 ml Kieselsol angemischt werden, sich eine genügend hohe Absenkung des pH-Wertes erreichen läßt. Zweckmäßigerweise wird ein Kieselsol eingesetzt, bei dem die Siliciumdioxid-Partikel eine BET-Oberfläche von 50 m²/g bis 350 m²/g aufweisen.

[0014] Zur Lösung der oben angeführten Aufgabe wird ferner eine Einbettmasse für die Herstellung von Gußwerkstoffen vorgeschlagen, die aus einer quarzfreien Oxidkeramikmischung, einem Bindemittel und einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol besteht, denen eine organische Carbonsäure zugegeben ist, und die sich dadurch auszeichnet, daß zum gezielten Einstellen der beim Abbinden auftretenden Expansion der Gehalt an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol in Abhängigkeit von dem zu verwendenden Gießwerkstoff variiert ist.

[0015] Eine solchermaßen ausgebildete Einbettmasse läßt sich in dem zuvor beschriebenen Verfahren verwenden und ermöglicht insofern eine einfache Steuerung der beim Abbinden auftretenden Expansion. Um ausreichend große Expansionswerte zu erzielen, beträgt der Gehalt an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol vorteilhafterweise zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-%.

[0016] In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Carbonsäure eine Di- oder Tricarbonsäure ist. Di- und Tricarbonsäuren gemäß der chemischen Formel R(COOH)_x mit x= 2,3 können als feste Stoffe der Einbettmasse zugemischt werden, sind sehr gut wasserlöslich und können beim Erhitzen rückstandsfrei abgebaut werden. Besonders geeignet sind die folgenden Di- und Tricarbonsäuren:

• Oxalsäure ((COOH)₂)
• Weinsäure (HOOC-(CHOH)₂-COOH)
• Citronensäure (HOOC-CH₂-C(OH)-(COOH)-CH₂-COOH)
• Apfelsäure (HOOC-CH2-CH(OH)-COOH)
• Malonsäure (HOOC-CH₂-COOH)
• Maleinsäure (HOOC-CH₂=CH₂-COOH)

[0017] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die quarzfreie Oxidkeramikmischung aus Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität, vorzugsweise Aluminiumsilicate, Zirkoniumsilicat und stabile Silicate der Erdalkalimetalle, sowie Magnesiumoxid (MgO) und Korund (α-Al₂O₃) zusammengesetzt. Derartige Oxidkeramikmischungen sind in der Regel hochschmelzend und weisen einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Im Vergleich zu quarzhaltigen Einbettmassen sind sie wesentlich beständiger und insbesondere besser geeignet für den Feinguß von auf Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr) basierenden Metallegierungen. Überdies ist die Gefahr einer Verschlackung vergleichsweise gering. Die erfindungsgemäße Einbettmasse weist vorteilhafterweise einen Anteil an Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität von 96 Gew.-% bis 30 Gew.-%, einen Anteil an Korund (α-Al₂O₃) von Spur bis 40 Gew.-% und einen Anteil an Magnesiumoxid (MgO) von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-% auf.

[0018] In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß das Bindemittel ein Phosphatbinder auf Basis von Magnesiumoxid (MgO) und Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) ist. Der Anteil an Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) in dem Bindemittel beträgt dabei zweckmäßigerweise zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-% bezogen auf die Masse der Oxidkeramikmischung. Enthält die Oxidkeramikmischung Magnesiumoxid (MgO) wird beim Abbinden der Einbettmasse das Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) des Bindemittels in Mg₂P₂O₇ = MgO·P₂O₅ umgewandelt. Die Komponente P₂O₅ ist zwar gegenüber flüssigen Metallen instabil, geht aber bei einer Temperatur von ca. 1400°C in die in thermochemischer Hinsicht stabile Verbindung Mg₂P₂O₇ über. Durch den verhältnismäßig geringen Anteil an Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) in der Einbettmasse ist sichergestellt, daß der P₂O₅-Anteil hiernach weniger als 3% ausmacht. Dies kommt vor allem dann zum Tragen, wenn ein auf Titan (Ti) basierender Gießwerkstoff verwendet wird, da Titan (Ti) beziehungsweise Titanlegierungen stark reduzierend sind.

[0019] Einzelheiten und weitere Vorteile des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1

Die Zusammensetzung der Oxidkeramikmischung einer Einbettmasse in einem Dreiecksdiagramm und

Fig. 2

ein Diagramm, daß die Abbindeexpansion ε_A einer quarzfreien Einbettmasse in Abhängigkeit des Gehalts w an Siliciumdioxid (SiO₂) in einer aus Kieselsol bestehende Anmischflüssigkeit darstellt.

[0020] Das Dreiecksdiagramm gemäß Fig. 1 läßt die Zusammensetzung der Oxidkeramikmischung einer Einbettmasse erkennen. Die Ecken des gleichseitigen Dreiecks entsprechen dabei den reinen Komponenten Korund (α-Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität, wie etwa Aluminiumsilicate, eines ternären Systems. Auf den nach Massenanteilen geteilten Dreieckseiten finden sich die binären Randsysteme, während Punkte innerhalb des Dreiecks das ternäre Gemisch darstellen. Linien konstanter Massengehalte w einer Komponente verlaufen parallel zu den Dreiecksseiten, die der jeweiligen Ecke der reinen Komponente gegenüberliegen, und schneiden auf den Randmaßstäben die jeweiligen Massenanteile ab. Für eine bevorzugte Einbettmasse, die einen Anteil an Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität von 96 Gew.-% bis 30 Gew.-%, einen Anteil an Korund (α-Al₂O₃) von Spur bis 40 Gew.-% und einen Anteil an Magnesiumoxid (MgO) von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-% aufweist, ergibt sich demzufolge der mit A gekennzeichnete Bereich.

[0021] Das Diagramm in Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Größe der beim Abbinden einer quarzfreien Einbettmasse auftretenden Expansion ε_A und dem Gehalt w an Siliciumdioxid (SiO₂) in einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol. Zu erkennen ist, daß bei einem Gehalt w an Siliciumdioxid (SiO₂) von 30 Gew.-% eine Abbindeexpansion von etwa 0,8% auftritt, während sich mit einem Gehalt w an Siliciumdioxid (SiO₂) von 40 Gew.-% eine Abbindeexpansion von nahezu 6% erreichen läßt. Durch Verdünnung eines etwa 40%-igen Kieselsols auf einen Wert zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-% läßt sich somit gezielt eine Abbindeexpansion zwischen 0,8% und 6,0% einstellen, ohne daß es einer Änderung der Zusammensetzung der übrigen Bestandteile der Einbettmasse, wie es bisher üblich war, bedarf. Unter der Abbindeexpansion ε_A wird dabei die Längenänderung ΔL eines Teilchens der Einbettmasse nach dem Abbinden bezogen auf die Ausgangslänge L₀ des Teilchens in einer Koordinatenrichtung verstanden.

[0022] Die dem Diagramm gemäß Fig. 2 zugrundeliegende Einbettmasse setzt sich aus den folgenden, jeweils auf das Gesamtgewicht der Einbettmasse bezogenen Bestandteilen zusammen:

• Oxidkeramikmischung (M₁):

  19 Gew.-% Korund (α- Al₂O₃) mit einem mittleren Korndurchmesser von 250 µm

  5,4 Gew.-% Magnesiumoxid (MgO) mit verschiedenen Kornfraktionen von 10 µm bis 70 µm

  63 Gew.-% Schmelzmullit mit einem mittleren Korndurchmesser von 70 µm

  5,8 Gew.-% Zirkoniumsilicat (ZrSiO₄) mit einem mittleren Korndurchmesser von 30 µm

• Bindemittel: 6,2 Gew.-% Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) in wasserfreier Qualität
• Organische Säure: 0,6 Gew.-% Citronensäure
• Anmischflüssigkeit: 30% bis 40%-iges Kieselsol; 16 ml für 100 g Einbettmasse

[0023] Eine solche Einbettmasse läßt sich im breiigen Zustand zu einer Gießform verarbeiten, wobei nach ca. 10 min die Abbindereaktion bei Raumtemperatur eintritt. Nach ca. 1 h, wenn die Gießform völlig abgebunden und fest ist, stellt sich die in Fig. 2 für unterschiedliche Gehalte w an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol dargestellte Abbindeexpansion ε_A ein. Im zur Herstellung filigraner Präzisionsgußteile interessierenden Temperaturbereich bis 900°C weist eine derartige Einbettmasse eine geringe, nahezu lineare thermische Expansion ε_th von 0,35% auf. Damit eignet sich die Einbettmasse in besonderem Maße für Anwendungen im medizinischen Bereich, insbesondere in der Dentaltechnik, etwa zur Herstellung von Implantaten.

[0024] So sind für Dentallegierungen auf Basis von Cobalt, Chrom und Molybdän in der Modellgußtechnik regelmäßig eine Abbindeexpansion in der Größenordnung von 1,7% bis 2,3% erforderlich. Bei der oben beschriebenen Einbettmasse läßt sich dies mit einem Kieselsol, das einen Gehalt w an Siliciumdioxid (SiO₂) von 34 Gew.-% bis 36 Gew.-% aufweist, realisieren. Für Nicht-Edel-Metall-Legierungen (NEM), beispielsweise Dentallegierungen auf Basis von Cobalt, Chrom und Molybdän, Cobalt, Chrom und Wolfram oder Nickel, Chrom und Molybdän, welche teuere Edelmetallegierungen ersetzen, sind in der Regel Abbindeexpansionswerte von 2,8% bis 3,5% erforderlich, die sich bei der obigen Einbettmasse mit einem 36% bis 38%-igem Kieselsol erreichen lassen. In der Kronen- und Brückentechnik, in der vor allem Dentallegierungen auf Basis von Cobalt, Chrom und Molybdän oder Titan Anwendung finden, müssen für die Abbindeexpansionswerte zwischen 2,3% und 3,8% erreicht werden. Hierzu eignet sich ein Kieselsol, dessen Gehalt w an Siliciumdioxid (SiO₂) zwischen 34 Gew.-% und 36 Gew.-% beträgt. Für Legierungen mit einem hohen Schrumpfungswert läßt sich - wie zuvor erörtert - auch eine Abbindeexpansion von bis zu 6% erzielen. Dies eröffnet die Möglichkeit, neue Legierungstypen oder Glaskeramiken zur Herstellung biokompatibler Implantate zu verwenden, die selbst mit einer quarzhaltigen Einbettmasse nicht herstellbar sind.

[0025] Die oben beschriebene Einbettmasse zeichnet sich dadurch aus, daß die Hauptbestandteile der Oxidkeramikmischung feuerfeste Oxide, nämlich Mullit und Zirkoniumsilicat (ZrSiO₄) sind. Alternativ können auch andere Aluminiumsilicate, Spinell oder Magnesiumaluminate, Calciumaluminate oder sonstige Silicate der Erdalkalimetalle sowie stabilisiertes und unstabilisiertes Zirkoniumdioxid (Zirkonium(IV)-oxid) Anwendung finden. Zur Verbesserung der Ausbettung des Gußteils ist das gleichfalls feuerfeste Korund (α-Al₂O₃) vorhanden, das bei einer Kornfraktion von mehr als 100 pm vergleichsweise grobkörnig ist und daher Sollbruchstellen in der Matrix der Einbettmasse bildet. Demgegenüber weist das Zirkoniumsilicat eine feine Kornfraktion von weniger als 40 µm auf und dient demzufolge zur Verbesserung der Oberflächengüte des Gußteils.

[0026] Eine weitere bevorzugte Einbettmasse setzt sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen, wobei sich die Gehalts-Angaben erneut auf die Gesamtmasse der Einbettmasse beziehen:

• Oxidkeramikmischung (M₂):

  10 Gew.-% Korund (α-Al₂O₃) mit einem mittleren Korndurchmesser von 250 µm

  5,3 Gew.-% Magnesiumoxid (MgO) mit verschiedenen Kornfraktionen von 10 µm bis 70 µm

  78 Gew.-% Zirkoniumsilicat (ZrSiO₄) mit einem mittleren Korndurchmesser von 30 µm

• Bindemittel: 6,1 Gew.-% Monoammoniumphophat (NH₄H₂PO₄) von wasserfreier Qualität
• Organsiche Säure: 0,6 Gew.-% Citronensäure
• Anmischfllüssigkeit: 37%-iges Kieselsol; 17 ml für 100 g Einbettmasse

[0027] Bei einer solchermaßen zusammengesetzten Einbettmasse tritt die Abbindereaktion gleichfalls nach ca. 10 min bei Raumtemperatur ein. Nach ca. 1 h ist die gefertigte Gießform völlig abgebunden und es stellt sich eine Abbindeexpansion ε_A von ca. 2,5% ein. Die Einbettmasse besitzt bis 900°C eine annähernd lineare thermische Ausdehnung von ε_th = 0,3% und ist daher universell in der Modellgußtechnik, insbesondere aber auch für Glaskeramiken, einsetzbar. Hinsichtlich letzterem kommt vorteilhafterweise zum Tragen, daß Zirkoniumsilicat (ZrSiO₄) mit zähflüssiger Glaskeramik fast keine klebende Verbindung eingeht. Glaskeramiken, die zur Herstellung biokompatibler Implantate, etwa als Ersatz für Zahnteile, Knorpelteile oder kleine Knochenteile im Kiefer oder Ohrenbereich, beruhen in der Regel auf dem teilkristallinen Grundsystem SiO₂-Al₂O₃-MgO-CaO-K₂O/Na₂O/NaF/P₂O₅. Die Glaskeramik wird dabei üblicherweise bei Temperaturen von ca. 900°C in die Gießform gepreßt. Passgenaue Präzisionsteile lassen sich deshalb herstellen, weil die beim Abkühlen der Glaskeramik einsetzende Volumenkontraktion durch die Abbindeexpansion der die Gießform bildenden Einbettmasse kompensiert wird. Im Unterschied zu einer quarzhaltigen Einbettmasse, die aufgrund der Quarz-Umwandlung bei 570°C und der Cristobalit-Umwandlung bei 270°C ein unstetiges Ausdehnungsverhalten beim Abkühlen aufweisen mit der Folge, daß in der einen nahezu konstanten Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Glaskeramik Spannungen auftreten, die zu einer unzulässigen Verformung oder gar zur Rissbildung führen, zeichnet sich die voranstehend beschriebene quarzfreie Einbettmasse durch einen annähernd konstanten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus, der damit einer hohen Passgenauigkeit Rechnung trägt.

[0028] Die zuvor beschriebenen Einbettmassen eignen sich in besonderem Maße für einen Titan-Feinguß, bei dem die Einsatztemperatur der Gießform allerdings in etwa 500°C betragen soll, um die Bildung einer Alpha-case-Form zu verhindern. Die obigen Einbettmassen zeichnen sich darüber hinaus durch die Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken aus, bei dem die beim Abbinden auftretende Expansion auf einfache Art und Weise gesteuert wird. Eine einfache Handhabung ist hierbei nicht zuletzt dadurch sichergestellt, daß die zur Erzielung hoher Abbindeexpansionswerte erforderliche organische Säure entweder bereits vor dem Anmischvorgang mit dem Kieselsol in der Einbettmasse enthalten ist, oder erst während des Anmischvorganges zusammen mit dem Kieselsol in fester oder bereits aufgelöster Form zugegeben wird.

Bezugszeichenliste

[0029] 

ε_A

Abbindeexpansion

ε_th

thermische Expansion

w

Massengehalt

A

Bereich bevorzugter Gemische

M₁

Oxidkeramikmischung

M₂

Oxidkeramikmischung

ΔL

Längenänderung

L₀

Ausgangslänge

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gußwerkstücken, insbesondere filigraner Präzisionsgußteile im medizinischen Bereich, bei dem eine aus einer keramischen Einbettmasse bestehende Gießform vor dem Einfüllen eines Gießwerkstoffes zur Kompensation einer beim Abkühlen aus dem schmelzflüssigen Zustand auftretenden Volumenkontraktion des Gießwerkstoffes gezielt expandiert wird, wobei die Einbettmasse aus einer quarzfreien Oxidkeramikmischung (M₁, M₂), einem Bindemittel und einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol unter Zufügung einer organischen Carbonsäure gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die beim Abbinden auftretende Expansion (ε_A) der Einbettmasse durch Variieren des Gehalts (w) an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen einer bestimmten Expansion (ε_A) der Einbettmasse der Gehalt an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-% variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 100 g Oxidkeramikmischung, Bindemittel und Carbonsäure mit 15 ml bis 40 ml Kieselsol angemischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kieselsol mit BET-Oberflächen der Siliciumdioxid-Partikel von 50 m²/g bis 350 m²/g eingesetzt wird.

5. Einbettmasse für die Herstellung von Gußwerkstücken durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einer quarzfreien Oxidkeramikmischung, einem Bindemittel und einem als Anmischflüssigkeit dienenden Kieselsol, denen eine organische Carbonsäure zugegeben ist,
dadurch gekennzeichnet ,
daß zum gezielten Einstellen der beim Abbinden auftretenden Expansion (ε_A) der Gehalt an kolloidalem, amorphem Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol in Abhängigkeit von dem zu verwendenden Gießwerkstoff variiert ist.

6. Einbettmasse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Siliciumdioxid (SiO₂) in dem Kieselsol zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-% beträgt.

7. Einbettmasse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbonsäure eine Di- oder Tricarbonsäure, vorzugsweise Oxal-, Malon-, Malein-, Wein-, Citronen- oder Apfelsäure, ist.

8. Einbettmasse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die quarzfreie Oxidkeramikmischung aus Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität, vorzugsweise Aluminiumsilicate, Zirkoniumsilicat und stabile Silicate der Erdalkalimetalle, sowie Magnesiumoxid (MgO) und Korund (α-Al₂O₃) zusammengesetzt ist.

9. Einbettmasse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Anteil an Oxiden hoher thermischer und chemischer Stabilität von 96 Gew.-% bis 30 Gew.-%, einen Anteil an Korund (α-Al₂O₃) von Spur bis 40 Gew.-% und einen Anteil an Magnesiumoxid (MgO) von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-%.

10. Einbettmasse nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Phosphatbinder auf Basis von Magnesiumoxid (MgO) und Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) ist.

11. Einbettmasse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Monoammoniumphosphat (NH₄H₂PO₄) in dem Bindemittel 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% bezogen auf die Masse der Oxidkeramikmischung beträgt.

Zeichnung