DE3244803A1 - Cobalt/chrom-legierungen fuer metallkeramik-zahnersatz - Google Patents
Cobalt/chrom-legierungen fuer metallkeramik-zahnersatzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Cobalt/Chrom-Dentallegierungen,
die Ruthenium und Aluminium enthalten und sich durch besondere physikalische, thermische und Oxidations-Eigenschaften
auszeichnen und geeignet sind für auf Metall aufgebranntes Porzellan im Rahmen des Zahnersatzes/ für
Kronen, Brücken u.dgl. (Metallkeramik), ohne der Notwendigkeit eines Bindemittels.
Dentallegierungen, insbesondere solche für die Herstellung von mit Porzellan verblendeten Kronen oder Brücken,
müssen die verschiedensten Kriterien erfüllen. So müssen sie beispielsweise für das Gewebe verträglich sein,
dürfen sich nicht verfärben, müssen korrosionsbeständig und ungiftig sein. Die Legierungen sollen an ihrer Oberfläche
während des Einschmelzens mit einem Gebläse oder einem Brenner und während des Aufbrennens des Porzellans
eine schützende und haftende Oxidschicht bilden, die in ihrer Stärke nicht ungebührlich anwächst. Die gebildeten
Oxide müssen mit dem Porzellan verträglich sein, andernfalls kommt es zu thermischen Spannungen an der Grenzfläche
zum Porzellan. Darüberhinaus dürfen die Oxide das
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Porzellan nicht verfärben. Schließlich sollten die Oxide das Porzellan an der Legierung zu binden vermögen, ohne
daß ein spezielles Bindemittel angewandt werden muß.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung soll etwas
größer sein als der der allgemein verfügbaren Porzellane, so daß das Porzellan in dem Zahnersatz unter Druck steht
und sich nur geringfügige Spannungen an der Grenzfläche auszubilden vermögen. Schließlich sollte die Legierung
formstabil sein bei der Aufbringung des Porzellans, entsprechende Festigkeit aufweisen, einen annehmbaren Sitz
ergeben und schließlich lötbar sein. Darüberhinaus sollte sie einen hohen Elastizitätsmodul, hohe Streckgrenze und
Härte besitzen und leicht gießbar, schleifbar und polierbar sein mit den üblichen Techniken, die in Dentallaboratorien
angewandt werden.
Die Kriterien, die die Auswahl einer für die Herstellung Porzellan verblendeten Zahnersatzes geeigneter Legierungen
beeinflussen, sind sehr unterschiedlich von den Kriterien, die für die Auswahl von Legierungen gelten,
welche zur Herstellung von Teilprothesen zur Anwendung gelangen sollen, für die kein Porzellan benötigt wird.
Diese Kriterien wurden bisher in weitem Umfang von Legierungen mit einem hohen Edelmetallgehalt erfüllt. Derartige
Legierungen enthalten Gold, Platin, Palladium, Silber, Indium, Zinn, Gallium, Zink u.dgl. und Spurenmetalle
(US-PSen 1 283 264, 3 413 723, 3 667 936,
3 767 391, 3 819 366, 3 981 723 und 4 007 040).
Mit den laufend steigenden und weit schwankenden Kosten für Edelmetalle und den überlegenen physikalischen und
technischen Vorteilen,die Nickel/Chrom-Legierungen zu
bieten vermögen erlangten diese Legierungen zunehmende
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Bedeutung in der Dentaltechnik anstelle der Edelmetalllegierungen.
Diese Legierungen enthalten im allgemeinen zur Erreichung der speziellen physikalischen Eigenschaften
Zinn, Gallium u.dgl. (US-PSen 2 089 587, 3 304 177, 3 464 817, 3 749 570 und 3 914 867).
In letzter Zeit erhärtete sich die Ansicht, daß Nickel ein Allergen ist und Beryllium ist bekanntlich giftig.
Obwohl über diese Legierungen noch nicht genügend Daten vorliegen, besteht doch ein dringender Bedarf nach
Dentallegierungen, die weder Nickel noch Beryllium enthalten, einen niederen Anteil an Edelmetallen aufweisen
und trotzdem obige Kriterien erfüllen.
Es wurde daher bereits eine Anzahl von Cobalt/Chrom-Legierungen
mit und ohne Nickel und/oder Beryllium in der Dentaltechnik für die Herstellung herausnehmbarer Teile.
Kronen und Brücken, angewandt (US-PSen 3 756 809,
3 802 875, 3 802 934 und 3 837 838). Die Zusammensetzung und die physikalischen und thermischen Eigenschaften
dieser Legierungen begrenzten jedoch ihre Anwendbarkeit für Porzellan-verblendete Kronen und Brücken.
Cobalt/Chrom-Legierungen unterschiedlichster Zusammensetzung
für Metallkeramik-Zahnersatz sind bekannt (US-PSen
4 229 215, 4 253 869, 4 255 190 und 4 263 045). Darunter
gibt es auch Legierungen, die neben Chrom und Cobalt Ruthenium enthalten. Keine dieser bekannten Legierungen
enthalten jedoch Aluminium und gegebenenfalls Yttrium, die nach der Erfindung zu einer bedeutenden Verbesserung
der Oxidbildung der Legierung und der Reaktionsfähigkeit
der Legierung in der Technik des schmelzenden Tiegels und Präzisionsgusses (melting crucible and casting investment)
führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun.eine Legierung mit geringem
Edelmetallgehalt zu bringen, die viele der Eigenschaften von Legierungen mit hohem Edelmetallgehalt besitzen
und daher für die Herstellung von Porzellan-verblendeten festen Brücken und Kronen sehr wünschenswert
sind und darüberhinaus auch kein Nickel und/oder Beryllium enthalten.
Die erfindungsgemäßen Cobalt/Chrom-Legierungen enthalten
Ruthenium und Aluminium und unterscheiden sich deutlich von den bisher in der Dentaltechnik für Zahnprothesen
angewandten Cobalt/Chrom-Legierungen. Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen Schmelzeigenschaften,
die ihre Verarbeitung mit üblichen Erdgas/Sauerstoff-Gebläsen
in Dentallaboratorien ermöglichen. Sie bilden beträchtlich verbesserte Oxide während des Einschmelzens
mit dem Gebläse oder dem Brenner und dem Aufbrennen des Porzellans, wobei die Oxide ohne der Notwendigkeit
eines Bindemittels eine einwandfreie Verbindung zwischen Legierung und Porzellan gewährleisten. Die
erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich daher in sehr
zweckmäßiger Weise für die Herstellung Pprzellan-verblendeter
fixer Brücken und Kronen anstelle von Legierungen mit hohem Edelmetallanteil und von Legierungen
mit Nickel- und/oder Berylliumgehalten anwenden.
Die erfindungsgemäßen Cobalt/Chrom-Legierungen enthalten
40 bis 60 Gew.-% Cobalt, 20 bis 30 Gew.-% Chrom, 5 bis 15 Gew.-% Ruthenium, 1 bis 4 Gew.-% Aluminium, 0 bis
0,15 Gew.-% Yttrium, 0 bis 15 Gew.-% Wolfram, 0 bis
6,5 Gew.-% Molybdän, 0 bis 3 Gew.-% Niob, 0 bis 0,25 Gew.-:
Zirconium und 0 bis 1,5 Gew.-% Mangan - Summe 100 % -,
wobei die Summe W + Mo abzüglich der Summe Ru + Nb + Zr weniger als etwa 5 % ausmacht. Diese Legierungen zeigen
überragende physikalische und chemische Eigenschaften
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einschließlich der Ausbildung einer bruchfesten Bindung mit dem Porzellan, ohne daß dafür ein eigenes Bindemittel
angewandt werden muß. Die erfindungsgemäßen Legierungen können anstelle von Legierungen mit hohem Edelmetallgehalt
sowie anstelle von Nickel/Chrom-Legierungenfwie
sie bisher für Porzellan-verblendete fixe Brücken und Kronen angewandt worden sind, zum Einsatz gelangen.
Bevorzugte Zusammensetzungen von Legierungen nach der Erfindung
sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt
(Gew.-%).
1 | 2 | 3 | 4 | |
Co | 54,85 | 53 | 55 | 60 |
Cr | 25 | 23 | 25 | 25 |
Ru | 5 | 10 | 5 | 5 |
Al | 2,9 | 3,9 | 2,9 | 3,9 |
Y | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
W | 10 | 10 | 10 | — |
MO | — | — | — | 5 |
Nb | 2 | — | 2 | — |
Zr | 0,15 | — | — | — |
Mn | _ — | ι | 1 .0 |
Die erfindungsgemäßen Cobalt/Chrom-Legierungen sind besonders
geeignet für die Herstellung von Zahnprothesen, da das Cobalt diesen Legierungen Eigenschaften verleiht,
die sehr nahe herankommen an Eigenschaften von hoch Edelmetall-haltigen Legierungen, insbesondere was den
Wärmeausdehnungskoeffizient anbelangt, der dem von Gold nahekommt. Das Chrom in der Legierung verbessert
die Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und Verfärben. Chromgehalte zwischen etwa 20 und 30 % wirken
als Verfestiger in fester Lösung und stellen ein ge-
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eignetes Mittel zur Einstellung des Wärmeausdehnungsverhaltens der Legierung auf die verschiedenen handelsüblichen
Porzellane dar.
Die Gehalte an Aluminium oder Aluminium und Yttrium in den erfindungsgemäßen Legierungen sind kritisch zur Erreichung
der verschiedenen Kriterien, die eine Legierung für die Herstellung von Metallkeramik-Zahnersatz
geeignet machen. Dies gilt insbesondere deshalb, weil 0 die erfindungsgemäße Legierung eine schnelle und einwandfreie
Bindung des Porzellans ermöglicht, ohne daß ein Bindemittel angewandt werden muß. Darüberhinaus setzt
Aluminium und gegebenenfalls Yttrium die Gießtemperatur herab und verbessert die Oxidationsbeständigkeit der
Legierung. Diese verbesserte Oxidationsbeständigkeit der Legierung verhindert die Ausbildung einer dicken Oxidschicht
auf dem Metallgrundkörper während des Aufbrennens des Porzellans. Dies ist wesentlich, da dicke Oxidschichten
brüchig sind und die Festigkeit der Bindung des Porzellans an dem Metall bei Metallkeramik-Zahnersatz
nachteilig beeinflussen können.
Die erfindungsgemäßen Legierungen sind relativ inert
gegenüber dem Tiegel während des Einschmelzens mit dem Gebläse oder dem Brenner. Sie ergeben eine dünne Schlacke,
die sich leicht abheben läßt. Es wird angenommen, daß dieses Verhalten Aluminium in Verbindung mit Yttrium zugeschrieben
werden kann.
Die aus den erfindungsgemäßen Legierungen hergestellten
Gußkörper haben reinere Oberflächen, als man sie mit den üblichen Cobalt/Chrom/Ruthenium-Legierungen erhielt.
Dies dürfte darauf beruhen, daß die Legierungen weniger reaktiv sind mit der Form beim Präzisionsguß (Investment)
und daher nach Entfernung der Form die Oberfläche des Gußkörpers sowohl glatter ist, als auch für das Metall
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der Legierung charakteristischer ist als die Reaktionsprodukte der Legierung mit dem Formwerkstoff. Auch dies
dürfte dem vorhandenen Aluminium und gegebenenfalls Yttrium zuzuschreiben sein.
Die auf den erfindungsgemäßen Legierungen während des Entgasens
und des Aufbrennens des Porzellans gebildeten Oxide, besitzen eine günstigere Farbe als die auf den
üblichen Cobalt/Chrom-Legierungen gebildeten Oxidschichten. So ist insbesondere die während des Entgasens
gebildete Oxidschicht hellgrau und diese Farbe dunkelt nicht nach während der Aufbringung des Porzellans. Hingegen
bildet sich auf den üblichen Cobalt-Chrom-Legierungen während des Entgasens ein grünliches Oxid, welches
bei dem folgenden Aufbrennen des Porzellans nachdunkelt. Es wird angenommen, daß diese günstige Eigenschaft der
erfindungsgemäßen Legierungen ebenfalls dem Aluminium und dem gegebenenfalls vorhandenen Yttrium zuzuschreiben ist.
Um die Wärmeausdehnung der Legierung entsprechend einzustellen,
kann man variierende Mengen an Niob und Wolfram und/oder Molybdän anwenden. Anstelle von Wolfram und
Molybdän eignet sich dafür auch Tantal und Vanadium. Auch Ruthenium hat einen gewissen Einfluß auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Legierung. Alle diese Legierungselemente setzen ihn herab.
Die Gehalte an Ruthenium, Niob und Zirconium in der Legierung machen diese duktiler. Wolfram und Molybdän wie
auch Chrom verspröden die Legierung. · Es wurde festgestellt, daß Legierungen mit entsprechender Duktilität für
metallkeramischen Zahnersatz mit Chromkonzentrationen im Bereich von etwa 20 bis 30 % erreicht werden können,wenn
die Summe W + Mo abzüglich der Summe Ru + Nb + Zr < etwa 5 5 % gehalten wird. Eine bestimmte Relation zwischen den
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Gehalten an Ruthenium, Niob und Zirconium einerseits und
Aluminium und gegebenenfalls Yttrium andererseits muß eingehalten werden. Der Grund dafür ist, daß möglicherweise Aluminium und auch Yttrium die Duktilitäts-Verbesserung,
die man durch Ruthenium, Niob und Zirconium erreichen kann, herabsetzt. So wurde festgestellt, daß
die Aluminiumkonzentration unter etwa 4 % und die Yttriumkonzentration
unter etwa 0,15 % gehalten werden muß.
Daraus ergibt sich, daß bevorzugt die erfindungsgemäßen
Legierungen 40 bis 60 % Co und 20 bis 30 % Cr enthalten. Bevorzugt werden Legierungen mit bis 10 % Ru, 1 bis 4 % Al, bis 0,1 % Y
0 bis 10 % W, 0 bis 5 % Mo, 0 bis 2 % Nb, 0 bis 0,15 % Zr
und 0 bis 1 % Mn mit der Maßgabe, daß
die Summe W + Mo abzüglich der Summe Ru + Nb + Zr unter 5 % gehalten wird.
Die erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich nach üblichen
Verfahren herstellen, d. h. das Legieren kann an der Luft, unter Vakuum oder unter Inertgas wie Argon stattfinden.
Vakuum und Inertgas wird bevorzugt, jedoch ist dies nicht wesentlich. Die Hauptlegierungsbestandteile
werden zuerst eingeschmolzen beispielsweise in einem Induktionsofen, wobei darauf zu achten ist, daß eine
homogene Verteilung von Chrom in der Schmelze erreicht wird, indem seine Tendenz aufzuschwimmen.entgegengewirkt
wird. Nach dem Aufschmelzen und Mischen von Cobalt und Chrom wird Wolfram zugegeben. Die restlichen Legierungselemente werden entweder als solche oder als vorgebildete
Legierungen mit Cobalt oder Chrom eingesetzt. Sobald die gesamte Legierung geschmolzen ist, werden Barren abgegossen
und das Wiederaufschmelzen dieser Barren oder Stangen
geschieht in üblicher Weise mit einem Erdgas/Sauerstoff-Gebläse oder in einer Induktionsschmelzanlage.
/9
lA-56 763 ~
Wie bereits darauf hingewiesen, lassen sich die erfindungsgemäßen Legierungen anstelle hoch Edelmetall-haltiger
oder Nickel-haltiger Legierungen anwenden, ohne daß die Verarbeitungstechniken.die in Dentallaboratorien üblich
sind, geändert werden müßten. Die Gußkörper aus den erfindungsgemäßen
Legierungen zeigen eine glatte nicht poröse Oberfläche. Die Abwesenheit von Nickel und
Beryllium vermeidet auch die Notwendigkeit besonderer Vorkehrungen bei der Verarbeitung der Legierungen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert. Wenn nichts anderes angegeben, handelt es
sich jeweils um Gew.-% bzw. Gew.-Teile.
In der folgenden Tabelle 2 ist die Zusammensetzung von
erfindungsgemäßen und Vergleichs-Legierungen angegeben.
/10
lA-56
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Q)
lA-56 763 -
1Z
Die physikalischen Eigenschaften der Legierungen l bis
und der prozentuale Wärmeausdehnungskoeffizient K bei
500 0C für die erfindungsgemäßen Legierungen 1 bis 4 sind
in der Tabelle 3 zusammengestellt. Die physikalischen Eigenschaften wurden auf einer "Instron-Prüfmaschine"
ermittelt. Die K -Werte wurden mit einem Theta-Differentialdilatometer
bestimmt bei einer Bezugstemperatur von 30 0C und bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 K/min gegenüber
reinem Platin als Standard.
K Streckgrenze Bruchfestigkeit Dehnung
(psi) .1 03N/cm2 (psi) .103N/cm2
1 0,6398 ( 87,000) 60,0 (100,000) 69,0 8
2 0,6480 ( 90,000) 62,1 (108,000) 74,5 6
3 0,6398 ( 97,000) 66,9 (111,000) 76,6 7
4 0,6726 ( 84,000) 58,0 (100,000) 69,0 6
5 ~ (101,000) 69,7 (123,000) 84,9 6
6 — (104,000) 71,8 (145,000)100 14
7 — ( 61,000) 42,1 ( 61,000) 42,1 0
8 — keine Bestimmung, da zu spröde
9 — keine Bestimmung, da zu spröde
10 -- .( 34,000) 23,5 ( 34,000) 23,5 0
11 — ( 62,000) 42,8 ( 62,000) 42,8 0
12 — ( 73,000) 52,4 ( 89,000) 61,4 3
Die erfindungsgemäßen Legierungen 1 bis 5 haben Werte
für Streckgrenze und Dehnung, die wohl für die Anwendung in Metallkeramik-Zahnersatz entsprechen. Sie.bilden auch
eine Oxidschicht, die sich besonders für die Verbindung des Metallgußkörpers mit dem Porzellan eignet.
/12
ÖAD ORIGINAL
lA-56 763
Aus den Legierungen 6 bis 12 geht hervor wie kritisch die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung ist
und in wie weit die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung solchen,die nicht der Erfindung entsprechen,
bei ihrer Anwendung als Unterlage für Metallkeramik-Zahnersatz kritisch sein können.
Die Legierung 6 ist aus der US-PS 4 253 869 bekannt; deren Meßwerte zeigen die Bedeutung der Anwesenheit von
Aluminium und gegebenenfalls Yttrium. Die Legierung reagiert mit dem Schmelztigel und dem Formwerkstoff, was
sehr unerwünscht ist. Hingegen sind die erfindungsgemäßen
Legierungen 1 bis 5 gegenüber Tiegel und Formmaterial inert. Durch den fehlenden Gehalt an Aluminium und gegebenenfalls
Yttrium ist die Legierung 6 etwas duktiler, d. h. sie hat eine höhere Dehnung.
Die Bedeutung der Anwesenheit von Aluminium zur Verhinderung einer Reaktion der Legierung mit dem Tiegelmaterial
oder Formwerkstoff ergibt sich auch aus Legierung 7, die
ebenfalls kein Aluminium enthält und mit Tiegel und Form reagiert.
Die Bedeutung des oberen Grenzwerts für den Aluminiumgehalt zeigt der Vergleich der Ergebnisse der Legierungen
nach der Erfindung mit den Legierungen 8 und 9. Legierung
9 enthält 6 % Aluminium und ist zu spröde;um als Dentallegierung für Metallkeramik-Zahnersatz verwendet zu
werden. Auch die Legierung 8 ist zu spröde trotz des Zusatzes von Yttrium, welches die Versprödung durch den
hohen Aluminiumgehalt nicht aufzuheben vermag. Andererseits ist die erfindungsgemäße Legierung 3, deren Zusammensetzung
mit Ausnahme der Aluminiumkonzentration den Legierungen 8 und 9 entspricht, keineswegs spröde, da ihr
Aluminiumgehalt auf < 4 % bemessen ist.
/13
iA-56 763
Die Bedeutung der Begrenzung des Molybdängehalts auf < 6,5 geht durch Vergleich der Legierungen 4 und 10 hervor. Die
Legierung 10 mit 10 % Mo ist zu spröde, während die erfindungsgemäße
Legierung mit 5 % Mo eine Dehnung von 6 % besitzt, was absolut annehmbar ist.
Der Einfluß von hohen Yttriumgehalten geht durch Vergleich der Legierungen 3 und 11 hervor. Die Legierung 11
mit 1 % Y ist zu spröde, während die sonst gleich zusammengesetzte
erfindungsgemäße Legierung mit nur 0,1 % Y
eine annehmbare Dehnung aufweist.
Die Bedeutung der Einhaltung der Relation zwischen Wolfram und Molybdän einerseits und Ruthenium, Niob und
5 Zirconium andererseits nach der Erfindung zeigt die Legierung 12. Da diese Differenz bei Legierung 12 nicht
< 5 % ist, ergibt sich eine nicht akzeptable Dehnung von 3 %. Andererseits hat die erfindungsgemäße Legierung 5
mit gleicher Zusammensetzung wie Legierung 12, jedoch 2 % Niob anstelle von Wolfram eine akzeptable Dehnung von
6 %, weil diese Differenz < 5 % - nämlich 3 % - ist.
8149
k3 ORIGINAL
Claims (1)
- PatentanspruchCobalt/Chrom-Dentallegierung für metallkeramischen Zahnersatz enthaltend 40 bis 60 % Cobalt, 20 bis 30 % Chrom, 5 bis 15% Ruthenium sowie Aluminium und gegebenenfalls Yttrium gekennzeichnet durch einen Aluminiumgehalt von 1 bis 4 %, einen Yttriumgehalt von 0 bis 0,15 % sowie 0 bis 15 % Wolfram, 0 bis 6,5 % Molybdän, 0 bis 3 % Niob, 0 bis 0,25 % Zirconium, O bis 1,5 % Mangan - Summe 100 % - mit der Maßgabe, daß die Summe W + Mo abzüglich der Summe Ru + Nb + Zr etwa < 5 % ist.8149
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