DE19845638C1

DE19845638C1 - Verwendung einer kohlenstofffreien Kobalt-Basislegierung als Werkstoff für die Dentalprothetik

Info

Publication number: DE19845638C1
Application number: DE19845638A
Authority: DE
Inventors: Klaus Paesler
Original assignee: Dentaurum JP Winkelstroeter KG
Current assignee: Dentaurum GmbH and Co KG
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-10-06

Abstract

Es wird die Verwendung einer kohlenstofffreien Kobalt-Basislegierung zur Herstellung von Dentalprothetikteilen und Suprakonstruktionen vorgeschlagen, umfassend 25 bis 35 m% Cr, 4 bis 11 m% Mo, 0,5 bis 2,1 m% Si, 0,2 bis 0,5 m% N, 0,5 bis 3,0 Gew.-% mindestens eines Elementes der fünften Nebengruppe sowie Rest-Co und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer kohlenstofffreien Kobalt-Basislegierung für die Herstellung von Teilen für die Dentalprothetik. Diese Legierungen sind insbesondere für die Herstellung von Modellgußprothesen und Suprakonstruktionen für die Versorgung zahnloser Patienten konzipiert.

Dazu müssen diese Legierungen vielfältige Forderungen erfüllen:

1. Die Verarbeitung muß mit den in der Zahntechnik üblichen Technologien problemlos durchführbar sein.
2. Das Schmelz- und Gießverhalten soll so sein, daß der Zeit punkt des Abgusses eindeutig zu erkennen ist, um Fehlgüsse durch sogenannte Kalt- oder Heißgüsse zu vermeiden.
3. Weiterhin werden von der Legierung, und zwar im Hinblick auf eine gute Bearbeitbarkeit, eine verhältnismäßig nied rige Härte, jedoch andererseits gute mechanische Eigen schaften, wie z. B. Zugfestigkeit, Streckgrenze, Elastizi tätsmodul und Dehnung, gefordert, so daß sich aus der Le gierung grazile, nicht bruchgefährdete Teile, wie z. B. Klammerprothesen und Suprakonstruktionen großer Spannwei ten in den üblichen Abmessungen herstellen lassen.
4. Die aus der Legierung hergestellten Prothetikteile müssen gegen alle in der Nahrung und im Oralbereich vorkommenden Elemente und Verbindungen korrosionsresistent sein.
5. Die aus den Legierungen hergestellten dentalen Gußteile, beispielsweise Suprakonstruktionen, müssen durch übliche Fügetechniken problemlos verbindbar sein.

Es sind bislang zwar eine ganze Reihe von Kobalt-Basislegierun gen, insbesondere als Werkstoffe für die Prothetik, bekannt (EP 0 475 286 B1), jedoch sind beispielsweise deren Korrosions festigkeiten nicht voll befriedigend. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß herkömmliche Kobalt-Basislegierungen, bei einer Vielzahl von derzeit angewandten Fügetechniken, schlechte Ver arbeitungseigenschaften aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kobalt-Basislegie rung zur Verwendung für die Dentalprothetik vorzustellen, die die Probleme der bekannten Kobaltlegierungen, insbesondere beim Fügen von Prothetikteilen und Suprakonstruktionen, bei deren Verwendung als Werkstoffe für obige Einsatzgebiete vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer kohlenstofffreien Kobalt-Basislegierung gelöst, welche einen Chromgehalt von 25 bis 35 m% (Massen%), einen Molybdängehalt von 4 bis 11 m%, einen Siliziumgehalt von 0,5 bis 2,1 m%, einen Stickstoffgehalt von 0,2 bis 0,5 m%, einen Gehalt eines Elemen tes der fünften Nebengruppe von 0,5 bis 3,0 m%, sowie Rest Ko balt und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und die Korrosi onsfestigkeit der erfindungsgemäßen kohlenstofffreien Kobalt- Basislegierung werden durch die oben genannten Bereichsgrenzen der Legierungsbestandteile erreicht.

Durch den Zusatz von Chrom und Molybdän bildet sich auf der Oberfläche der auf der erfindungsgemäßen Legierung hergestell ten Gußobjekte eine Passivierungsschicht, die korrosive Angrif fe in der Mundhöhle verhindert. Darüber hinaus unterbindet Mo lybdän das Auftreten von Lochfraßkorrosion. Eine korrosionsfe ste Legierung verlangt mindestens 25 m% Chrom und mindestens 4 m% Molybdän. Über 35 m% Chrom versprödet das Material. Mehr als 11 m% Molybdän führt zu einer extremen Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften, insbesondere, was die Duktilität und Härte der Legierung anbelangt.

Silizium muß zu mindestens 0,5 m% in der Legierung enthalten sein, da ansonsten die Viskosität der Schmelze unter einem zu niedrigen Siliziumgehalt leidet und ein Abgießen der Legierung stark erschwert ist. Über 2,1 m% Siliziumgehalt folgt eine Ver sprödung der Legierung, was zu einer Grobkornbildung führt. Dies bedeutet eine Absenkung der mechanischen Eigenschaften und eine Bruchgefahr der so abgegossenen Dentalskelette.

Zur Stablisierung der γ-Phase der erfindungsgemäßen Legierung und zur Anhebung der mechanischen Eigenschaften wie Streckgren ze, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchdehnung ist der Zusatz von mindestens 0,2 m% Stickstoff erforderlich (siehe Päßler, K.: "Darstellung, Prüfung und Eigenschaften von edelme tallfreien Dentallegierungen und Titan", Quintessenz Verlags GmbH, Berlin, Seiten 29, 37 bis 38, 1998). Stickstoff wirkt als Nickelersatz im Hinblick auf Korrosionsfestigkeit und Biokompa tibilität. Der interstitiell gelöste Stickstoff geht auch bei mehrmaligem Aufschmelzen der erfindungsgemäßen Legierung unter zahntechnischen Bedingungen nicht verloren, was besondere Vor teile im Hinblick auf die Wiederverwertbarkeit von derartigen aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Dentalgußske letten bedeutet. Trotzdem sollte beim Einsatz von Gußtrichtern und Anstiftungen mindestens 50 m% Neumaterial der erfindungsge mäßen Legierung eingesetzt werden.

Es hat sich vorteilhafterweise gezeigt, daß das Vorhandensein mindestens eines Elementes der fünften Nebengruppe, V, Nb, Ta, in der angegebenen Konzentration bei der Erstarrung der erfin dungsgemäßen Legierung zu einer erwünschten Feinkornbildung des Legierungsgefüges führt. Dafür sind mindestens 0,5 m% von zu mindest einem Element der fünften Nebengruppe notwendig. Ein Anteil von mehr als 3 m% führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung.

In der Zahntechnik kommt erfahrungsgemäß häufiger ein Überhit zen von Dentallegierungen beim Vergießen vor. Dieser Sachver halt liegt darin begründet, daß die Zahntechniker befürchten, die ihnen in der Regel nur einmal zur Verfügung stehenden Guß modelle könnten nicht auslaufen. Eine Überhitzung der Schmelze der Legierung bedeutet die teilweise Zerstörung der für die feinkristalline Erstarrung erforderlichen, natürlichen Kri stallkeime. Eine überhitzte Legierung erstarrt grobkristallin. Dies bedeutet eine Absenkung der mechanischen Eigenschaften und eine Bruchgefahr der so abgegossenen Dentalskelette. Diese ne gativen Auswirkungen einer Überhitzung werden durch den Zusatz mindestens eines Elementes der fünften Nebengruppe vollständig verhindert, bzw. bei einer extremen Überhitzung der erfindungs gemäßen Legierung weitgehend abgeschwächt.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung ist kohlenstofffrei. Unter Kohlenstofffreiheit wird verstanden, daß der Anteil an Kohlenstoff im Bereich von 0,02 m% und darunter liegt. Bislang bekannte Kobalt-Chrom-Molybdän-Modellgußlegierungen enthalten Kohlenstoff, und zwar bis zu 0,64 m%. Es hat sich gezeigt, daß viele dieser bekannten Legierungen bei Fügetechniken wie z. B. Laserschweißen Probleme verursachen. Beispielsweise spritzt eine solche Legierung beim Laserschweißen oftmals, und es ent stehen häufig unsaubere, teilweise porige und unebene Laser nähte. Auch treten hin und wieder im Bereich der Lasernaht Kar bidausscheidungen auf, die die mechanischen Eigenschaften der Verbindung im Bereich der Lasernaht gegenüber dem Ausgangswerk stoff beachtlich verschlechtern und in den Lasernähten oftmals zu Brüchen führen. Mit der erfindungsgemäßen Legierung werden dagegen stets hervorragende Laserschweißeigenschaften erzielt.

Insbesondere ist es vorteilhaft, daß die erfindungsgemäß ver wendete Legierung eisenfrei ist. Dadurch wird eine hervorragen de Korrosionsstabilität erreicht, da keine Eisenoxide interme diär auftreten und damit die Legierungen, insbesondere durch die Beanspruchungen im Oralbereich, korrodieren.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die erfindungsgemäß verwende te Legierung nickelfrei ist. Nickel kann, wenn es im Oralbe reich in Lösung geht, Nickelinduzierte Allergien auslösen, was der Biokompatibilität derartiger Legierungen abträglich ist.

Unter Nickelfreiheit und Eisenfreiheit wird verstanden, daß die jeweiligen Anteile dieser Elemente im Bereich von < 0,1 m%, be vorzugt bei 0,02 m% oder darunter liegen.

Besonders bevorzugt ist ein Siliziumgehalt von 0,5 bis 1,7 m%, da in dieser Konzentration ein optimales Verhältnis zwischen Schmelzviskosität und minimaler Versprödung der Legierung er zielt werden kann. Innerhalb dieses Bereiches tritt keine Grob kornbildung der erstarrten Legierung auf, und sie läßt sich noch entsprechend einfach abgießen.

Die Zugabe von 0,5 bis 1,7 m% Silizium erweist sich als beson ders vorteilhaft, da in diesen Bereichsgrenzen das Aufreißen der Schmelzbadoberfläche bei der optimalen Abgußtemperatur noch einfacher erkannt werden kann und eine Überhitzung der Schmelze verhindert wird.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß der Stickstoffgehalt kleiner als 0,45 m% beträgt. Dadurch wird die γ-Phase der erfindungsge mäßen Legierung besonders effizient stabilisiert und es findet eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Streckgrenze, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Bruchdehnung statt.

Weiterhin bevorzugt ist der Einsatz von 4 bis 9 m% Molybdän, da damit die Härte der Legierung besonders vorteilhaft für die an gestrebte Verwendung eingestellt werden kann.

Die Zugabe von 0,5 bis 1,7 m% mindestens eines Elementes der fünften Nebengruppe erweist sich als besonders vorteilhaft, da in diesen Bereichsgrenzen deren Funktion als Feinkornbildner für die erfindungsgemäße Legierung optimal zur Wirkung kommt. Ferner werden die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestig keit, Streckgrenze, Dehnung und Härte durch diese Legierungsbe standteile positiv beeinflußt.

Aufgrund seiner Atomgröße weist insbesondere Ta beim Einbau in das Legierungsgefüge vorteilhafte Eigenschaften auf. Zur Varia tion des Legierungsgefüges hinsichtlich seines feinkristallinen Erstarrungsverhaltens werden neben Ta daher bevorzugt V und/oder Nb sowohl allein oder in Kombination eingesetzt.

Derartige erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen sind ins besondere prädestiniert für die Herstellung von Klammerprothe sen, Modellgußteilen und Suprakonstruktionen.

Im Hinblick auf die Korrosionsfestigkeit der Legierung wird be vorzugt darauf geachtet, daß diese durch die Wahl der Gehalte der verschiedenen Komponenten eine Durchbruchsspannung mit ei nem Potentialwert von ca. 900 mV oder höher aufweist. Durch bruchspannung als Maß für die Korrosionsfestigkeit ist bei spielsweise in der Veröffentlichung E. Lenz "Erfahrungen in der DDR mit NEM-Legierungen", NEM-Symposium in Stuttgart, vom 28. Januar 1989 beschrieben. Auf die Beschreibung der entspre chenden Methode zur Bestimmung der Durchbruchsspannungen wird hiermit ausdrücklich verwiesen.

Die Korrosionstests wurden gemäß der DIN-Norm 13912, Teil 2, durchgeführt, wobei der Potentialvorschub 20 mV/min. betrug. Es konnten bei der erfindungsgemäßen Legierung Durchbruchspoten tialwerte im Mittel von ca. 920 mV gemessen werden. Damit wei sen die erfindungsgemäßen Legierungen ein ausgezeichnetes Kor rosionsverhalten und damit verbundene Biokompatibilität auf. Als Vergleich wird eine hoch goldhaltige Legierung (Au87Ag5Pt3Cu3Zn2 in der Veröffentlichung von Päßler, K. und Mann, E. "Der dentale Titanguß - Grundlagen, Technologie und werkstoffkundliche Bewertung", Quintessenz Zahntechik 17, Seite 717 bis 726 (1991)) angeführt.

Bei gleicher Methode wurde bei dieser stark edelmetallhaltigen Legierung ein Durchbruchspotential von 785 mV gemessen. Diese Legierung gilt als ein besonders korrosionsfester und biokompa tibler Vertreter derartiger hochgoldhaltiger Legierungen.

Im vorliegenden Fall kann durch die erfindungsgemäße Legierung auf teure Edelmetalle verzichtet und dennoch ein besseres Kor rosionsverhalten erzielt werden.

Die Legierung kann auch sehr einfach verarbeitet werden, da hierbei keine besondere Schutzgasatmosphäre oder ein Abgießen im Vakuum erforderlich sind. Vielmehr kann das Abgießen der Le gierung unter völlig normalen Bedingungen stattfinden. Der ge eignete Zeitpunkt zum Abguß der Legierung wird dem Fachmann durch das Aufreißen der Schmelzbadoberfläche angezeigt. Dies erspart ihm ein relativ aufwendiges Messen sehr hoher Tempera turen, um den geeigneten Zeitpunkt des Abgießens festzustellen. Der Abguß findet in einem Temperaturintervall von ca. 1520 bis 1560°C statt. Wird dieser Zeitpunkt beachtet, wird mit der Ausfließprobe nach MEYER (siehe: Päßler, K.: "Die Weiterent wicklung des Rematitan-Systems", Quintessenz Zahntechnik 21, Seite 650 (1995)) ein Ausfließindex von 100% erreicht. Dieser Ausfließindex zeigt an, daß mit der erfindungsgemäßen Legierung auch grazilere Teile, wie z. B. Klammern, problemlos herge stellt werden können.

Anhand einer beispielhaften eisen-, nickel- und kohlenstoff freien Kobalt-Basislegierung mit der nachfolgend genannten Zu sammensetzung wurden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der Legierung bestimmt. Die folgenden tabellarischen Angaben betreffen m%:

Tabelle 1

Hierbei ergeben sich folgende mechanische Eigenschaften der er findungsgemäßen Legierung:

Tabelle 2

Neben dem sehr guten Laserschweißverhalten aufgrund der Kohlen stofffreiheit zeichnet sich die erfindungsgemäße Legierung auch durch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie sie in Ta belle 2 exemplarisch vorliegen, aus.

Ähnliche Werte werden bisher nur durch hoch kohlenstoffhaltige Kobalt-Basislegierungen erreicht. Die mechanische Härte der er findungsgemäßen Kobalt-Basislegierungen ist mit einem HV10-Wert von 330 sehr niedrig. Dies ermöglicht ein sehr gutes Verarbei tungsverhalten.

Claims

1. Verwendung einer kohlenstofffreien Kobalt-Basislegierung mit einer Elementzusammensetzung, bestehend aus

1. 25 bis 35 m% Cr
2. 4 bis 11 m% Mo
3. 0,5 bis 2,1 m% Si
4. 0,2 bis 0,5 m% N
5. 0,5 bis 3,0 m%, gebildet von mindestens einem Element der fünften Nebengruppe,
6. Rest-Co und herstellungsbedingten Verunreinigungen

für die Dentalprothetik.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit der Maßga be, daß der Siliziumgehalt 0,5 bis 1,7 m% beträgt.

3. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß der Stickstoffgehalt 0,2 bis 0,45 m% beträgt.

4. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Maßgabe, daß der Gehalt mindestens eines Elemen tes der fünften Nebengruppe 0,5 bis 1,7 m% beträgt.

5. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der Maßgabe, daß der Molybdängehalt 4 bis 9 m% beträgt.

6. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der Maßgabe, daß das Element der fünften Ne bengruppe Ta ist.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Le gierung zur Herstellung von Klammerprothesen, Modellguß teilen und Suprakonstruktionen verwendet wird.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Le gierung zur Herstellung lasergefügter Dentalgußskelette verwendet wird.

9. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Legierung bei einer Temperatur von 1520 bis 1560°C abgegossen wird.