DE19649306C2 - Keramische Einbettmasse zum Herstellen von Gußformen - Google Patents

Keramische Einbettmasse zum Herstellen von Gußformen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Einbettmasse auf Basis von Calciumoxid zum Herstellen von Feingußformen für Titan, Zirkonium und andere Metalle und deren Legierungen, die im flüssigen Zustand hoch aggressive Schmelzen bilden.
In der Medizintechnik und dabei insbesondere in der Dentaltechnik haben sich Titan und seine Legierungen als Implantat- und Prothetikwerkstoff erfolgreich durchgesetzt. Es ist auch aufgrund seiner Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften ein nahezu idealer Werkstoff für den dentalen Zahnersatz. Diesen Vorteilen steht in der Gußtechnik jedoch die hohe Reaktivität der Titanschmelze entgegen, die ein Hindernis für weitere Verbreitung der Technologie ist.
Die üblichen Einbettmassen für die Herstellung der Gußformen sind für den Titanguß ausnahmslos ungeeignet, weil sie wenig widerstandsfähige Materialien wie Quarz bzw. Silikate, Phosphate usw. enthalten. Nach dem Eingießen des Titans in eine solche Form kommt es zur starken Reaktion der Metallschmelze mit der keramischen Formmasse und zusätzlich zur Aufhärtung und Versprödung der Titangußoberfläche durch die Sauerstoffaufnahme. Diese sog. alpha-case wird bis zu 0,5 mm dick und muß nachher entfernt werden. Damit wird die Geometrie des Gußstückes geändert bzw., bei dünnen Wandstärken, das Gußstück unbrauchbar gemacht.
Eine Einbettmasse für diese Anwendung wird in der EP 0 503 626 A1 vorgestellt. Sie enthält 40-60% Zirkonoxid, eventuell auch Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid. Die hiermit erzielte Verbesserung ist aber nur gering, weil weiterhin mindestens 40% der Einbettmasse aus Phosphat-Binder und Quarz bestehen, die mit der Titanschmelze heftig reagieren. Ähnliche Einbettmassen mit einem Phosphat-Binder werden auch in EP 0 433 546 A1, DE 40 19 818 A1, oder DE 35 42 921 A1 beschrieben. Den Anforderungen der dentalen Titanguß­ technologie entsprechen besser keramische Einbettmassen, die auf Quarz, Silikate bzw. Phosphate großenteils verzichten, zugunsten thermodynamisch stabileren Rohstoffe. Eine solche Einbettmasse ist aus DE 38 25 250 C2 bekannt. Sie basiert auf Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, mit Magnesiumacetat als Binder, alternativ mit kolloidalem SiO2 bzw. Ethylsilikat. Diese und der hohe Anteil an feinerem Aluminiumoxid (20 bis über 40%), das nicht ausreichend widerstandsfähig ist, führen jedoch auch hier zur schwachen Reaktion mit der Titanschmelze. Letztlich wird in EP 0 733 419 A1 eine andere Einbettmasse auf Basis von Zirkoniumoxid (bzw. Calciumzirkonat) und Magnesiumoxid mit einem Zirkonatbinder vorgeschlagen. Der Nachteil ist das hohe Gewicht und der Rohstoffpreis der ZrO2-haltigen Einbettmassen. Die Gußform aus einer solchen Einbettmasse muß vor dem Guß auf unter 500°C abgekühlt werden, weil bekanntlich das Zirkonoxid nur unter 500°C der Titan­ schmelze widersteht. Zusätzlich dazu kommt es in Gußformen nach den beiden letztlich genannten Schriften auch bei niedriger Gußtemperatur zur nachteiligen Aufnahme der Zr- bzw. Al-Ionen in die Gußoberfläche (Lenz, Dietz: Quintessenz Zahntech 21(1995) 633-645). Dies ist bei Magnesiumoxid oder Calciumoxid nicht der Fall.
Dem Einsatz von Calciumoxid, einem der thermodynamisch stabilsten oxidischen Rohstoffe für diese Anwendung, steht jedoch seine heftige Reaktion mit Wasser gegenüber (Löschen von Kalk) die sehr gefährlich ist (Augen, Haut). Zudem ist es hoch feuchtigkeitsempfindlich. Das macht die Anwendung in wasserhaltigen Einbettmassen praktisch unmöglich (DE 40 19 818 A1). Aus diesem Grund wird das Calciumoxid nur in nichthärtenden Schlickergemischen des Typs CaO-Öl/Kerosin verarbeitet (EP 0 233 478).
Die technische Lösung der geschilderten Probleme ist nicht nur für die dentale Titangußtechnik interessant, sondern auch für die Herstellung von Schmuck, Uhrenteilen und allgemeine in der industriellen Titanfeingußfertigung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine keramische Einbettmasse zu entwickeln, welche die vorstehend genannten Mängel nicht aufweist. Die aus einer solchen Einbettmasse hergestellte Gußform soll der aggressiven Metallschmelze auch bei höheren Temperaturen weitgehend widerstehen, so daß die Reaktion mit der Schmelze völlig unterbunden wird und die Aufhärtung und Aufnahme der Zr- bzw. Al-Ionen in die Oberfläche auf ein mögliches Minimum reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer keramischen Einbettmasse gelöst, die als Hauptbestandteil 30-40% Calciumoxid in einer deaktivierten Form enthält (Elektroschmelzprodukt, bzw. totgebrannt), oder 30-65% eines Gemisches aus demselben Calciumoxid und Calciumzirkonat, mit höchstens 40% Calciumoxid. Als Bindemittel wird 0,1-4% wasserlösliches Calciumsalz einer organischer Säure zugegeben. Weiterhin enthält die Einbettmasse 15-20% Aluminiumoxid, zusammen mit 0,001-0,1% Aluminiumpulver als Härtemittel und 10-15% Magnesiumoxid für die nötige thermische Expansion. Als Anmischflüssigkeit wird Wasser, oder eine wässrige Lösung benutzt. Nach dem Anmischen entsteht eine knetbare fließfähige Masse, die selbständig zum niedrigporösen, festen keramischen Körper abbindet.
Dieser Problemlösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das Calciumoxid durch spezielle Behandlung deaktivieren läßt. Zu dieser weniger üblichen Form des Calciumoxids gehören sog. Elektroschmelzprodukte, oder durch thermische Behandlung entstandenes "totgebranntes" Calciumoxid. Diese Produkte besitzen nicht die bekannte Aggressivität des gebrannten Kalkes, sind nicht hydroskopisch und lassen sich problemlos mit Wasser anmischen.
In einer derart hergestellten Einbettmasse lassen sich einwandfreie Feingußteile aus Titan und anderen reaktiven Metallen und dessen Legierungen je nach Bedarf bei unterschiedlichen Temperaturen schaffen. Die Gußstücke haften nicht an der keramischen Gußform und können leicht entfernt werden. Die so freigelegte Metallgußoberfläche hat einen sauberen metallischen Glanz ohne, bzw. mit nur einem Bruchteil der sonst üblichen alpha-case, so daß sie nicht nachgearbeitet werden muß. Mit der erfindungsgemäßen Einbettmasse ist auch die Aufnahme der Fremdionen in die Oberfläche des Gußstückes weitgehend unterbunden, weil die Einbettmasse zu hohem Teil aus Calciumoxid und Magnesiumoxid besteht.
Calciumoxid wird vorzugsweise als Elektroschmelzprodukt gewählt, oder in einer anderen deaktivierten Form (sog. totgebrannt), als grobes Pulver oder Sand in einer Korngröße bis höchstens 250 µm. Die optimale Menge liegt bei 30-40%. (Unter % werden ausschließlich Gewichtsprozente verstanden.) Geringere Mengen führen zu nachteilig schlechteren Gußergebnissen, größere Mengen dagegen zum nicht optimalen Verhalten der Einbettmasse. Es ist ebenfalls möglich, zusätzlich zum Calciumoxid das Calciumzirkonat anzuwenden. Die optimale Menge liegt dann bei 30-65% (mit höchstens 40% CaO).
Als Bindemittel wird ein wasserlösliches Calciumsalz einer organischer Säure in einer Menge von 0,1-4% verwendet, wie z. B. Calcium-Ligninsulfonat oder Calcium-Formiat. Bei hohen Temperaturen verbrennen sie zu CaO. Es ist auch möglich, zusätzlich ein oder mehrere andere verbrennbare Binder einzusetzen, wie z. B. Cellulosederivate, Polysaccharide, oder Polyvinylalkohol.
Zum Aushärten wird vorzugsweise 15-20% hochreaktives Aluminiumoxid in einer Korngröße bis 20 µm benutzt, in Kombination mit metallischem Aluminiumpulver (0,001-0,1%). Feines metallisches Aluminium besitzt die Eigenschaft, schon bei Raumtemperatur mit Wasser zu reagieren nach
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2
In leicht alkalischem Medium, wie dies in dem beschriebenen Einbettmassenschlicker der Fall ist, beginnt die Reaktion und damit die Festigung erst nach einigen Minuten, so daß genug Zeit für die plastische Verarbeitung des Schlickers bleibt. Die restliche Wassermenge wird vom reaktiven Aluminiumoxid aufgenommen. Damit läßt sich innerhalb einer bis weniger Stunden die Gußform ausreichend aushärten. Eine geringere Menge von Al und Al2O3 als vorzugsweise genannt führt nachteilig zu längeren Aushärtezeiten, größere Menge dagegen zur schlechteren Verarbeitung und Fließfähigkeit des Schlickers.
Die Kontraktion der Metallschmelze beim Erstarren in der Gußform wird üblicherweise beim dentalen Metallguß mit einer entsprechenden vorherigen Volumenexpansion der Gußform ausgeglichen. Zu diesem Zweck enthält die beschriebene Einbettmasse vorzugsweise 10-15% eines feinen (1-40 µm) Magnesiumoxides. Dieser Zusatz führt beim Brand bei Temperaturen über 900°C zur Bildung von MgAl2O4 und zu einer Volumenzunahme. Eine andere Menge an reaktivem MgO außerhalb der erwähnten Grenzen führt zu nicht optimalen Expansionswerten.
Zusätzlich zu den genannten Bestandteilen kann die Einbettmasse bis zu 25% einer groben Fraktion (Korngröße 150-600 µm) eines vorher genannten keramischen Rohstoffes enthalten. Gröbere Sande in dieser Korngröße sind reaktionsträge, nicht plastisch anmischbar, mit der Tendenz zum Entmischen und können deshalb nicht die Funktionen der vorher beschriebenen feineren Pulver ersetzen. Sie sind lediglich als Füllstoffe zuzumischen, um die Gasdurchlässigkeit der gebrannten keramischen Gußform dem Gasdruck der benutzten Gußanlage anzupassen.
In einer Menge bis zu 6% können dem Pulver oder der Anmischflüssigkeit ebenfalls Zusätze zugemischt werden, die die Fließfähigkeit, Plastizität, oder andere Eigenschaften der Einbettmasse verbessern.
Nachfolgend soll erläutert werden, wie die praktische Herstellung der Gußform bei Verwendung der beschriebenen Einbettmasse für den Titanguß realisiert wird.
Die Einbettmasse besteht aus Pulver und wasserhaltiger Anmischflüssigkeit. Beide Komponenten werden zuerst im Verhältnis 100 g Pulver mit 12-14 ml Anmischflüssigkeit zur knetbaren Masse angerührt und schließlich im Vakuummischer zum homogenen plastischen Schlicker 30 Sec. lang angemischt. Danach wird das fertige Wachsmodell eingebettet. Die Verarbeitungszeit beträgt ca. 5 Min., später beginnt eine langsame Versteifung des Schlickers, bis in etwa 2 Stunden die Gußform eine ausreichende Härte erreicht. Dann wird sie in einen kalten, oder bereits auf bis zu 300°C vorgeheizten Brennofen eingebracht. Mit einer Geschwindigkeit bis zu 10°C/Min. wird die Endtemperatur von etwa 1000°C (±40°C) erreicht. Bei der Temperatur wird die Gußform 1 Stunde an Luft gebrannt. Danach wird der Brennofen auf die gewünschte Gußtemperatur abgekühlt. Diese sollte mindestens 20 Min. gehalten werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Gußform zu erreichen. Schließlich wird die Gußform aus dem Brennofen entnommen und in der Gußanlage mit Titan gegossen.

Claims (6)

1. Keramische Einbettmasse zur Herstellung von Gußformen für Gußteile aus Titan, Zirkonium und anderen Metallen und deren Legierungen, die im flüssigen Zustand aggressive Schmelzen bilden, welche hauptsächlich aus einem keramischen, thermodynamisch stabilen Hauptbestandteil und einem Bindemittel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß sie als keramischen, thermodynamisch stabilen Hauptbestandteil 30-40 Gew.-% deaktiviertes Calciumoxid (Elektroschmelzprodukt, totgebranntes Calciumoxid), oder 30-65 Gew.-% eines Gemisches aus Calciumoxid und Calciumzirkonat (CaZrO3) mit höchstens 40 Gew.-% Calciumoxid enthält und als Bindemittel 0,1-4 Gew.-% eines wasserlöslichen Calciumsalzes einer organischer Säure vorgesehen ist.
2. Einbettmasse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 15-20 Gew.-% Aluminiumoxid (Al2O3) und 0,001-0,1 Gew.-% metallisches Aluminiumpulver (Al) enthält.
3. Einbettmasse nach Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 10-15 Gew.-% Magnesiumoxid (MgO) enthält.
4. Einbettmasse nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich bis zu 25 Gew.-% einer Fraktion der Korngröße von 150 µm bis 600 µm eines in Ansprüchen 1 bis 3 genannten keramischen Rohstoffes enthalten kann.
5. Einbettmasse nach Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich bis zu 6 Gew.-% verbrennbare, oder thermodynamisch stabile Zusätze enthalten kann, die die Verarbeitungseigenschaften der Einbettmasse verbessern.
6. Einbettmasse nach Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich ein oder mehrere wasserlösliche verbrennbare Bindemittel, insbesondere Cellulosederivate, Polysaccharide, oder Polyvinylalkohol enthalten kann.
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