DE3740732C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Titanlegierungen mit einem bestimmten Gehalt an Vanadium und Aluminium zur Herstellung von Dentalgußstücken.

Titan und seine Legierungen haben überlegene physikalische Eigenschaften, wie geringes Gewicht, hohe mechanische Festigkeit, und überlegene chemische Korrosionsbeständigkeit. Sie werden deshalb im Flugzeug- und Raketenbau sowie für Chemieanlagen verwendet. Außerdem haben sie gute Benetzungs­ eigenschaften, so daß sie häufig als Ersatzmaterial im lebenden Körper, beispielsweise als Werkstoff für Zahnersatz, verwendet werden. Besonders bekannt ist die Legierung Ti-6 Al-4 V (eine Titanlegierung mit einem Gehalt von 6 Gewichtsprozent Aluminium und 4 Gewichtsprozent Vanadium) und ihre Verwendung im Flugzeugbau. Diese Legierung hat physikalische Eigenschaften, die diejenigen von reinem Titanium überlegen sind (vgl. Tabelle I).

Tabelle I

Der in der DE-AS 11 07 947 beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen hitze­ beständiger Werkstoffe aus Titanlegierungen mit 1 bis 6% Vanadin und/oder Molybdän und mindestens ebenso hohem Aluminiumgehalt zu schaffen, die auch unter extremen Temperaturbedingungen, insbesondere in der Hitze, hohe Zug- und Bruchfestigkeitswerte zeigen (vgl. Spalte 1, Zeilen 21 bis 35, Oberbegriff des Patentanspruchs).

Die Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zum Herstellen hitzebeständiger Werkstoffe aus Titanlegierungen, wobei ein Gußstück aus diesen Legierungen zunächst im Mehrphasen­ gebiet geglüht wird, so daß sich eine vergröberte Mikrostruktur mit kontinuierlicher α-Phase bildet, worauf abgeschreckt und in der Wärme gealtert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei 815 bis 899°C während 4 bis 24 Stunden geglüht und 12 bis 24 Stunden bei 540 bis 649°C gealtert wird (vgl. kennzeichnender Teil des Patentanspruchs). Der Aluminiumgehalt soll dabei 8% nicht übersteigen, da er, ebenso wie ein Wasserstoffgehalt von über 0,03%, die Veredelung beeinträchtigt (vgl. Spalte 1, Zeilen 45 bis 51). Evtl. Siliciumgehalte der Ausgangs­ legierung können besonders zwischen 0,5 und 1,0% die Wirkung des Veredelungsverfahrens sogar noch verbessern. Wenn die 1,5%-Grenze an Silicium überschritten wird, führt dies zur Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften (vgl. Spalte 3, Zeilen 10 bis 14).

Der in der DE-AS 11 75 887 beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, schweißbare Titanlegierungen zur Herstellung von geschweißten, rohrförmigen Körpern, die wenigstens bis zu 35% im Durchmesser aufgeweitet werden können, vorzuschlagen (vgl. Spalte 8, Zeilen 7 bis 10).

Gelöst wird dies durch die Verwendung einer schweißbaren Legierung, die aus 3% Aluminium, 2,5% Vanadium, Rest Titan mit einem Gehalt an den üblichen Verunreinigungen entsprechend einem Titanschwamm mit einer Brinellhärte von 100 bis 140 kg/mm² besteht und die einer Lösungs­ glühung mit anschließender Abkühlung an Luft oder in Wasser und gegebenenfalls einer anschließenden Alterung unterworfen worden ist (vgl. Anspruch 1, Spalte 7, Zeilen 35 bis 36, Spalte 8, Zeilen 1 bis 7).

Die in Chem. Abstr. Vol. 77 (1972), S. 243, Nr. 65 541 m referierte Veröffentlichung "V. I. Mikhailov, Metalloved. Term. Obrab. Metal., 5, 27 (1972)" beschreibt Titan­ legierungen mit 3,5% Aluminium und 1,9, 3,7, 5,6, 7,3 oder 9,6% Vanadin, Rest Titan.

Die einzelnen Zusammensetzungen werden geschmolzen, gegossen, bei 950-1100°C zu Barren geschmiedet und 2 Stunden bei 750 bis 800°C getempert. An Proben der Barren werden Schweißprozesse durch Aufheizen auf 1450-1500°C und anschließendes Abkühlen mit Luft, Wasser oder Öl imitiert.

Dabei wird durch mechanische Tests festgestellt, daß die Legierung mit einem Gehalt von 1,9% Vanadin nicht empfindlich auf diese Hitzebehandlung reagiert; im Gegensatz zu den Legierungen mit einem höheren Vanadingehalt, der insbesondere im Beispiel mit 9,6% V zu einer drastischen Verringerung der Verformbarkeit führt.

Weitere Untersuchungen betreffen das Vorliegen der verschiedenen kristallinen Phasen von Titan.

Der in der DE-PS 36 15 425 beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Titanlegierung zur Herstellung von Maschinenelementen vorzuschlagen, deren Ober­ flächenschichten zur Verbesserung des Widerstands gegen Verschleiß einschließlich Erosion und Kavitation und/oder zur Steigerung der zulässigen Flächenpressung im Plasma von Glimmentladungen bei Temperaturen oberhalb 700°C behandelt werden, wobei das Behandlungsgas geringe Mengen Stickstoff mit Partialdrücken von 0,1 bis mbar enthält (vgl. Anspruch 1; Spalte 1, Zeilen 13 bis 20).

Gelöst wird die Aufgabe durch Verwendung einer technischen Titanlegierung, geschmiedet, gegossen oder gesintert mit einer Mindestfestigkeit von 640 N/mm², die zu 3 bis 28% aus einem oder mehreren der Elemente Aluminium, Chrom, Eisen, Hafnium, Kobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Niob, Palladium, Silber, Silicium, Tantal, Vanadium, Wolfram, Zinn, Zirkonium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff, seltene Erden und Yttrium, Rest Titan mit herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht (vgl. Anspruch 1; Spalte 1, Zeilen 3 bis 13).

Nach der Kenntnis der überlegenen physikalischen Eigenschaften der Legierung Ti-6 Al-4 V erschienen verschiedene Publikationen zu seiner Verwendung als Ersatzmaterial im lebenden Körper. Es wurde auch versucht, die Legierung in der Zahn­ heilkunde als Ersatzwerkstoff, beispielsweise für Implantate und als Metall-Bett zu verwenden.

Im Flugzeugbau können die erforderlichen Teile, die gewöhnlich großformatig sind, nach anderen Verfahren als dem Gießen hergestellt werden, beispielsweise durch Schmieden. Im Fall von Formkörpern geringer Größe und komplizierter Form, wie Zahnersatzmaterial, sind andere Herstellungsverfahren als Gießen jedoch schwierig. Wenn die Legierung Ti-6 Al-4 V gegossen wird, besitzen die Gußstücke im einfachen gegossenen Zustand nicht die physikalischen Eigenschaften der Ausgangslegierung, sondern sind hart und spröde. Zur Verwendung in der Zahnheilkunde muß deshalb eine bemerkenswert aufwendige Nach­ behandlung nach dem Gießen durchgeführt werden, beispielsweise eine Wärmebehandlung im Hochvakuum. Die Legierung wurde deshalb in der Praxis nicht zur Herstellung von Dental­ gießlingen eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Titanlegierung vorzuschlagen, die in der Zahnheilkunde zur Herstellung von Dentalgußstücken verwendet werden kann, die physikalische Eigenschaften aufweisen, die denen der Legierung Ti-6 Al-4 V gleich und denen von reinem Titan überlegen sind, und die in verschiedenen physikalischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehnung und Härte, die von Dentalgußstücken gefordert werden, hervorragend sind. Diese Aufgabe wird durch den überraschenden Befund gelöst, daß die gewünschten überlegenen physikalischen Eigenschaften auch ohne Tempern (Altern) durch Verwendung einer Titanlegierung mit einem Aluminiumgehalt von 1,5 bis 4,5 Gewichtsprozent und einem Vanadiumgehalt von 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent für die Herstellung von Dentalgußstücken erhalten werden können.

Zur Herstellung der Dentalgußstücke aus Titanlegierung können die üblichen Verfahren zum Gießen von Titan oder Titan­ legierungen verwendet werden. Die Legierung kann beispielsweise im Argon-Lichtbogen oder durch Hochfrequenz geschmolzen werden. Ferner können auch Gießverfahren, wie Schleuderguß und Saugdruckguß, angewendet werden. Als Schmelztiegel können Keramiktiegel aus Magnesiumoxid, Calciumoxid, Zirkoniumoxid oder Yttriumoxid, die allein oder in Kombination verwendet werden können, oder Tiegel aus Kupfer oder anderen Materialien benutzt werden.

Geeignete Werkstoffe für die Formen sind Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Spinel, entweder allein oder in Kombination. Den Stoffen kann ein Bindemittel, beispielsweise ein Phosphat, beigegeben werden.

Die Temperaturbedingungen beim Gießen sind nicht besonders kritisch. Das Gießen kann bei der Temperatur des Werkstoffs der Form durchgeführt werden, bevorzugt bei Umgebungs­ temperatur bis etwa 400°C.

Titanlegierungen mit physikalischen Eigenschaften, die denen aus reinem Titan für Zahnersatzwerkstoffe überlegen sind, werden vorzugsweise mit einem Aluminiumgehalt von 1,5 bis 4,0 und einem Vanadiumgehalt von 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent verwendet. Insbesondere die Verwendung der Legierung "Ti-3 Al-2,5 V" mit einem Aluminiumgehalt von 3,0 Gewichtsprozent und einem Vanadiumgehalt von 2,5 Gewichtsprozent führt zu Dentalgußstücken mit physikalischen Eigenschaften, die denen durch Verwendung der Legierung Ti-6 Al-4 V erhaltenen gleichwertig und denen durch Verwendung reinen Titans überlegen sind.

Wenn die Legierung Ti-6 Al-4 V selbst verwendet wird, gehen die günstigen Eigenschaften der Legierung verloren, und sie wird hart und spröde. Deshalb können solche Dentalgußstücke im einfach gegossenen Zustand nicht eingesetzt werden. Auch Titanlegierungen, die nur Aluminium enthalten, oder Titanlegierungen, die nur Vanadium enthalten, ergeben beim Gießen spröde Gußstücke, die sich nicht zur Verwendung in der Zahnheilkunde eignen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiele

Verschiedene Arten von Titanlegierungen mit Aluminium und Vanadium werden gegossen und die physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Dentalgußstücke ermittelt. Die an den erhaltenen Gußstücken gemessenen physikalischen Eigenschaften werden mit denen von Gußstücken aus reinem Titan verglichen, um festzustellen, ob sie verwendbar sind.

Beim Gießen wird ein Tiegel aus Magnesiumoxid zum Schmelzen der Legierung und Phosphat-Formstoffe, die hauptsächlich aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid bestehen, als Formmaterial verwendet. Das Schmelzen erfolgt in einer Schleudergußvorrichtung mit Argon-Lichtbogen (Titaniumer: Ohara Co., Ltd., Osaka, Japan). Das Gießen selbst erfolgt unter den üblichen Gießbedingungen.

Die Bewertung der Gußstücke erfolgt auf der Basis eines Vergleichs mit reinem Titan. Dentalgußstücke mit einer Zugfestigkeit von mindestens 686 N/mm², einer Dehnung von mindestens 10% und einer Härte von 200 bis 350 werden als bevorzugt eingestuft.

Aus Tabelle II geht hervor, daß beim Verwenden der Legierung Ti-6 Al-4 V ein harter und spröder Gießling erhalten wird, der sich nicht als Dentalgußstück eignet (Versuch 2). Wenn die Titanlegierung nur entweder Aluminium oder Vanadium enthält, sind die Gußstücke ebenfalls spröde und können nicht in der Zahnheilkunde verwendet werden (Versuche 9 und 10). Gießlinge aus einer Titanlegierung mit einem Aluminiumgehalt von 1,0 Gewichtsprozent und einem Vanadiumgehalt von 0,5 Gewichts­ prozent können zwar verwendet werden, sie zeigen jedoch keine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften im Vergleich mit Gußstücken aus reinem Titan. Dagegen ist die Verwendung von Titanlegierungen mit einem Aluminiumgehalt von 1,5 bis 4 Gewichts­ prozent und einem Vanadiumgehalt von 1,0 bis 3,0 Gewichts­ prozent der von reinem Titan im Hinblick auf Zugfestigkeit und Härte überlegen (Versuche 4 bis 7). Insbesondere führt die Verwendung einer Titanlegierung mit einem Aluminiumgehalt von 3,0 Gewichtsprozent und einem Vanadium­ gehalt von 2,5 Gewichtsprozent, d. h. die der Legierung Ti-3 Al-2,5 V zu Eigenschaften, die der Verwendung der Ausgangslegierung Ti-6 Al-4 V (ungegossen) gleichwertig und der von Gießlingen aus reinem Titan überlegen sind. Diese Legierung kann deshalb bevorzugt für die Herstellung von Dentalgußstücken verwendet werden.

Die Titanlegierung der Erfindung, die Aluminium in einer Menge von 1,5 bis 4,0 Gewichtsprozent und Vanadium in einer Menge von 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent enthält, kann somit für die Herstellung von Dentalgußstücken, wie Implantate, metallene Betten, Metallrahmen, Kronen, Brücken und künstliche Knochenteile verwendet werden, die den Gußstücken aus reinem Titan in ihren physikalischen Eigenschaften sowie in der chemischen Korrosions­ festigkeit und Benetzbarkeit überlegen sind. Damit schafft die Erfindung Dentalgußstücke mit kleinen Ausmaßen und komplizierter Form, die überlegene physikalische Eigenschaften aufweisen und nicht nach anderen Verfahren als dem Gußverfahren erhalten werden können.

Claims (2)

1. Verwendung einer Titanlegierung mit einem Aluminiumgehalt von 1,5 bis 4,5 Gewichtsprozent und einem Vanadiumgehalt von 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent für die Herstellung von Dentalgußstücken.

2. Verwendung der Titanlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanlegierung Aluminium in einer Menge von 3,0 Gewichtsprozent und Vanadium in einer Menge von 2,5 Gewichtsprozent enthält.