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Metalle 1 Allgemeines: Termi. metallum (lat.) = Grube Metallkunde • Lehre von Zuständen u. Eigenschaften d. Metalle/Legierungen

-Metallographie: Erforschung d. inneren Aufbaus d. Metalle/Legierungen (v.a. mittels Schliffbildern) -Metallurgie: Gewinnung u. Erzeugung d. Metalle -Werkstoffkundeprüfungen (mechan. Eigenschaften)

• METALL ist KEINE STOFF-, sondern eine ZUSTANDSBEZEICHNUNG! Einteilung d. Metalle nach

spezif. Gewicht (Dich-te)

• Leichtmetalle: unter 4,0 (z.B. Al 2,69 g/cm3, Mg, Ti, Be) • Schwermetalle: über 5,0 (z.B. reines Gold: Au 19,3 g/cm3)

Angreifbarkeit durch Atmosphäre

• Edelmetalle (haben in d. Spannungsreihe ein positives Vorzeichen, d.h. sie nehmen e- auf u. werden durch Luft-O2 nicht oxidiert, z.B. Ag, Au, Pt, Ir, Pd)

• Nichtedelmetalle (haben in d. Spannungsreihe ein negatives Vorzeichen, d.h. sie geben e- ab, z.B. Cu, Zn, Fe, Al, Ni, Co)

Schmelzpunkt • niedrigschmelzende Metalle (Pb, Cd, Sn, Zn, Mg, Al u.a.) • hochschmelzende Metalle (Ag, Au, Cu, Mn, Fe, Ti) • höchstschmelzende Metalle (Nb, Mo, Ta, am höchsten W mit 3380°C)

Herkunft • aus Eruptivgestein: Metallsulfide ! Röstung ! Metalloxide ! Reduktion ! Metall • andere Verfahren: Hydrometallurgie (m.H.v. Laugen), Elektrometallurgie, chem.-physikal. Verfahren

Eigenschaften reiner Metalle (wesentlich beein-flusst durch Atom-art)

Tempverlauf beim

Aufschmelzen

therm. Ausdehnung beim Aufschmelzen

Tempverlauf beim

Erstarren

• kristalliner Aufbau mit räumlich nicht gerichteter Metallbindung, d.h. frei bewegliche e- u. elektrostat. abstoßende Metallkationen (Atomrümpfe) ! vorkommende Gittersysteme: kubisch 3 mögliche kubische Gitter:

• einfach kubisch (sehr weich, z.B. Sn): pro Kubus 1 Atom (in jeder Ecke 1/8 Atom) ! 52% Füllvolumen

• kubisch-raumzentriert (schwer kalt verformbar, z.B. Cr, Fe, Mn, Mo, Ty): pro Kubus 2 Atome ! 68% Füllvolumen

• kubisch-flächenzentriert: pro Kubus 4 Atome ! 78% Füllvolumen

hexagonal • hohe Leitfähigkeit für Elektrizität (tempabh., mit " Temp. ! elektr. Leitfähigkeit #) • hohe Leitfähigkeit für Wärme • Metallglanz, Undurchsichtigkeit aufgrund d. geordneten Struktur, keine Eigenfarbe (außer Cu u. Au) • plast. Verformbarkeit, verbunden mit Steigerung d. Härte u. Festigkeit • Fähigkeit zur Legierungsbildung • Metalloxide bilden mit Wasser Basen • Metalldämpfe sind einatomig, Metallionen sind positiv geladen • bei Raumtemp. fest (AUSNAHME: Hg) • bei Wärmezufuhr u. nachfolgender Abkühlung: Bewegung d. Atomrümpfe

• ungleiches # anziehender bzw. abstoßender Kräfte ! mittlerer Atomabstand # ! gesamtes Gitter dehnt sich aus (= therm. Ausdehnung)

• lt = l0 ( l + α ∆T), wobei α = Wärmeausdehnungskoeffizient Schmelztemp. kinet. Energie d. Atomrümpfe so groß, dass sie Gitter verlassen ! Zerfall d. Kristall-

struktur Schmelzwär-me

• für vollständigen Zerfall d. Gitters benötigte Energie ! Temphaltepunkt / Schmelz-plateau trotz Energiezufuhr beim Aufschmelzen eines Metalls

• starke Volumenexpansion von 5% Kristallisati-onswärme

bei Erstarrung eines Metalls freiwerdende Energie, die zuvor als Schmelzwärme zugeführt wurde ! Haltezeit d. Abkühlungskurve

Kristallisati-onskeime

Bereiche in d. Schmelze, deren Struktur Gittertyp d. Metalls entsprechen ! Wachs-tum zu Kristallen mit unregelmäßigen Grenzflächen (Korngrenzen)

Körner = Kristallite unterschiedl. Größe ! Kornstruktur (= Gefüge eines erstarrten Kristalls), abh. von: • Keimzahl • Kristallisationsgeschwindigkeit

-hoch ! viele kleine Keime ! feines Gefüge ! hart, spröde -gering ! wenig große Keime ! grobes Gefüge ! weich

• Tempgradient (Geschwindigkeit u. Richtung d. Abkühlung) ist dieser zu groß ! Anisotropie d. Wachstumsgeschwindigkeit ! Dendritenbildung

Einkristalle schwer zu züchten, nur bei Aluminiumoxid praktiziert (Impfkeim) • ANHANG: Eigenschaften, die durch Atome beeinflusst werden:

-Wertigkeit -Magnetismus, Supraleitfähigkeit

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-Schmelztemp., chem. Reaktionsgeschwindigkeit Eigenschaften d. Legierung

Def.: einphasig homogene o. mehrphasig heterogene Mischung verschied. metallischer o. nichtmetalli-scher Elemente, wenn mind. in einzelnen Konzbereichen metallischer Eigenschaften • vergleichbar mit denen d. reinen Metalle, aber: • Dentallegierungen zeigen lineare Expansion von Zimmer- bis Schmelztemp. von 1,3 - 2,2 % • i.d.R. härter als Ausgangsmetalle • kein Schmelzpunkt, sondern Schmelzintervall! • man unterscheidet Unmischbarkeit d. Komponenten

jede Komponente kristallisiert in ihrem Gitter ! heterogenes Gemenge, Eutekti-kum

Mischbarkeit d. Komponenten

zulegierte Komponente wird in Gitter d. Wirtskristall eingebaut ! Mischkristallbil-dung • Substitutionsmischkristall = durch zulegierte Atome ersetztes Wirtsgitter

-Vor.: gleicher Gittertyp, etwa gleiche Atomradien (Differenz < 15%) u. Affinität -Formen: ungeordnet (! regellose Verteilung) bzw. ungeordnet (! Überstruktur) -Folge: innere Spannungen ! Festigkeit #

• Einlagerungskristall bei Einlagerung in Gitterlücke -Vor.: Elemente kleiner Atomradien (Atomradiusdifferenz > 15%) -Bsp. H2, N, C

• intermetallische Phasen = Entstehung einer regelmäßigen Atomanordnung mit abweichendem Gittertyp unter best. stöchiometr. Verhältnissen -Folge: starke Änderung d. physikal. Eigenschaften

• Zustandsdiagramme beschreiben Schmelzverhalten u. Kristallisationsform abh. von %tualer Zusam-mensetzung d. Komponenten für binären (2-Stoff-), ternären (3-Stoff-) etc. Systemen (Idealzustand): (experimentelle Erfassung von Temp-Zeit-Abkühlungskurven bei bestimmten Mischungsverhältnissen u. Übertragung auf Temp-Konz-Koordinatensystem) vollständige Löslichkeit im festen Zustand (besteht im flüssigen Zustand immer!!) (Bsp. Au-Ag, Au-Cu, Au-Pt)

! Substitutionsmischkristallbildung für alle Konz. (homogenes Gefüge = gleichmäßige Verteilung d. Phasen) • oberhalb Liquiduslinie Gemenge fllüssig • unterhalb Soliduslinie Gemenge starr • im Schmelzintervall (d.h. zw. Liquidus- u,

Soliduskurve) verändern sich Konz. d. Schmelze ! Mischkristalle ändernder Zu-sammensetzung (entlang d. Soliduslinie) Bsp. bei Konzverhältnis 60% Pt u. 40% Au (Abkühlung B ! E) ! Mischkristalle d. Konz. A ! E = Zonenmischkristalle (interkristalline Seigerung)

• Ausgleich d. Konzunterschiede in Mischkris-tallen durch Diffusion

• trotz vollständiger Löslichkeit kann bei weiterem Tempabfall Löslichkeit verändern ! Mischungslücke, Bsp.: -Au-Pt ! Mischungslücke ab 1260°C bei 61% Goldanteil -Au-Cu ! kamelhöckerartige Mischungslücke (390°C bei Cu>Au u. 430°C bei Cu=Au) inf. Bildung intermetallischer Phasen

• azetrope Gemische = Gemische vollständiger Löslichkeit mit 1 gemein-samen, konstanten Schmelzpunkt/Haltezeit, der unterhalb d. Schmelz-punkte d. Ausgangsstoffe (Bsp. Au-Pt bei 1060°C)

völlige Unlöslichkeit im festen Zustand (Bsp. Ag-Pb, Fe-Pb, Ag-Ni)

! heterogenes Gemenge (beide Phasen nebeneinander) • bestimmte Legierung (3)

zeigt Temphaltpunkt bzw. eutektischer Punkt (= fester Schmelzpunkt, niedrigster Erstarrungs-punkt d. Systems, d.h. unterhalb d. Schmelz-punkte d. reinen Metalle A u. B)

• Eutektikum = Gemisch aus einzelnen A- u. B-Kristallen (ausgezeichnet durch feines Korn)

• Soliduskurve = eutektische Horizontale (d.h. Gerade) • Liquiduslinie mit Min. im eutektischen Punkt • oberhalb Soliduskurve !reine A- bzw. B-Kristallen (sog. Primärkristalle) • unterhalb Soliduskurve ! Eutektikum

beschränkte Löslichkeit im festen Zustand

! beide Komponenten können in ihrem Gitter best. Anzahl von Atomen d. anderen Komponente aufnehmen (heterogenes Gefüge mit tw. Löslichkeit) • Mischkristallbildung nur in Bereichen D-F u. G-H

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(Bsp. Ag-Cu, Cu-Zn, Zn-Sn)

• Mischungslücke von F bis G in Übereinstimmung mit eutektischer Geraden (bei " Temp. ! Verbreiterung d. Mischungslücke inf. " Löslichkeit d. Komponenten, K-O u. L-P)

• Eutektikum = Gemenge von Mischkristallen d. Zusammensetzung F u. G (i.d.R. als α- bzw. β- Mischkristalle bezeichnet)

• Liquiduslinie: v-förmig mit eutektischem Punkt • Soliduslinie: geteilt (Soliduskurve u. Eutektikale)

ternäre Systeme • Zustandsdiagramm für 3 Komponenten

• Darstellung durch Konz-dreieck, auf der Tempachse senkrecht

Gitterbaufehler • lassen sich nicht vermeiden! • unterschiedl. Wärmegradienden während Abkühlungsphase ! Spannungsphänomene (= Gußei-

genspannung) ! ungleichmäßigen Aufbaus d. Gitters ! Veränderung d. physikal. Eigenschaften (Här-te, Verformbarkeit, Leitfähigkeit, Korrosion)

• Einteilung: nulldimensionale Gitterstörungen (punktförmig)

• Leerstellen in Gitterstruktur (umso mehr, je # Energie/Wärme ! in Schmelze Leerstellenüberschuß)

• Zwischengitteratome (C, B, H, N, Co, P, O) • Substitutionsatome (Atomradiusdifferenz < 15%)

eindimensionale Gitterstörungen

• Versetzungen (Burgersvektor): wandern bei Belastung bis Ende d. Kristallgitters ! Stufenbildung, andere Körner werden an Bewegung gehindert ! Kaltverfestigung (z.B. beim Klammernbiegen)

• Verschraubungen zweidimensiona-le Gitterstörun-gen

• Stapelfehler (lokalisierte Veränderung) • Zwillingsbildung (Abknicken d. Wachstumsrichtung) • Phasengrenze

dreidimensionale Gitterstörungen

= Anhäufung von punktförmigen Fehlern wie Leerstellen

Anwenderfehler • Gussfehler (Überhitzung, Verunreinigung mit C o. O2) ! Veränderung d. Korngrenzen u. Körner ! Korrosionsprobleme

• Abkühlungsfehler (Wärmestau ! Behinderung d. Kristallisation u. Diffusion) • Kaltverformung ! Aufhärtung

plastische Ver-formung

= spanlose Bearbeitung (Prägen, Ziehen, Walzen) • man unterscheidet bei der Verformung:

-Elastizitätsbereich (lineare Anfangsbereich mit Rückstellung nach Hookschem Gesetz) -Streckgrenze (bestimmte Spannung ab der Übergang zu plast. Verformung) -plastischer Verformungsbereich

• tw. Ausmerzen d. Störschäden ! Verfestigung d. Gefüges ! Folgen für mechan. Eigenschaften: -Festigkeit u. Härte # -Elastizität # -Korrosionsstabilität " -elektr. Widerstand # Einkristall • Anisotropie d. Gittertextur (Elementarzellen) ! ungleiche Kraftverteilung entlang

Gitterebenen ! Gleitebenen (= bevorzugte Ebenen d. Verformung) • Verformung abh. von:

-Symmetrieeigenschaften d. Kristalls (kubisch 12, hexagonal 3 Gleitsysteme) -Orientierung d. Ebenen zur Spannungsrichtung -Gitterfehler (wandern aus Kristall hinaus bei # Verformung ! für weitere Verfor-mung mehr Energie nötig)

vielkristallines Haufenwerk

• statist. Orientierung d. Gitterrichtungen ! isotropes Verhalten • bei homogener Verformung ! Deformation d. Gefüges nur innerhalb d. Kristallite !

Deformationstextur (in diesem Fall langgestreckte Körper) ! Körper anisotrop • Gleitsysteme im Vielkristall nicht frei beweglich (Verunreinigungen, Gitterfehler,

unregelmäßige Korngrenzen etc.) ! höhere Energie als bei Einkristall zur Verfor-

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mung nötig (je kleiner Korn, desto höher!) u. viele elast. Spannungen ! mechan. Festigkeitssteigerung bei Kaltverformung erheblich höher als bei Einkristall, aber beschränkt (Versprödung)

Wärmebehand-lung von Metal-len

• Nachbehandlung nach Kaltverformung ! Abbau innerer Spannungen u. Erzielen bestimmter mechan. Eigenschaften

• Rekristallisation Def. durch Wärmebehandlung hervorgerufene Neubildung d. Gefügestruktur unter Korn-

größenveränderung ! tw. Wiederherstellung d. mechan. Eigenschaften d. Werkstof-fes vor Verformung

Vor. vorherige Kaltverformung ! v.a. entlang d. Korngrenzen elast. Spannungen (latente Energie) ! von diesen Zentren max. Spannungsanhäufung ausgehende Neubildung d. Kristallgefüges (Kristallisationskeime)

Einflüsse • je größer Verformung (Spannung) ! mehr Keime ! feineres Gefüge Verformung von 0-4% kritischer Bereich, da zu wenig Spannungen ! grobes Korn

• je höher Rekristallisationstemp. ! desto gröber Gefüge • je länger Glühzeit ! desto gröber Gefüge • je schneller Erhitzung ! mehr Keime ! feineres Gefüge

Rekristallisati-onstemp.

• ≥ 40% d. Schmelztemp, Einwirkdauer: 2-3 min • typ. Werte:

-Goldlegierungen 700-750°C -Silber-Palladium-Legierungen 850-900°C

Anwendung • reine Metalle u. Legierungen • Weichglühen: Sonderform d. Rekristallisation mit höherer Temp. ! grobes Korn • Spannungsfreiglühen: Erwärmung unterhalb d. Rekristallisationstemp. ! Beseitigung von Verfor-

mungs-, Gusseigenspannung ohne Neubildung d. Gefüges o. Verschiebung d. Korngrenzen • Diffusionsglühen (= Ausgleichsglühen, Homogenisieren) Def. Abbau von Konzentrationsunterschieden im Mischkristall durch Wärmezufuhr ! inho-

mogenes Gefüge wird homogen Vor. inhomogene Mischkristalle bzw. Zonenmischkristalle, d.h. vorausgehende interkristalline

Seigerung (bei z.B. zu schnellem Abkühlen) Einflüsse • kleiner Diffusionsweg (Kristallitgröße) ! desto schneller Ausgleich

• je höher Temp. ! desto schneller Ausgleich • cave:

-vergütbare/aushärtbare Legierungen (d.h. mit Mischungslücke im Zustandsdiagramm) abschrecken -nicht vergütbare Legierungen langsam abkühlen

Temp. • je nach Legierung ca. 200°C unter Solidustmp. • typ. Werte:

-Goldlegierungen 750-800°C für ca. 30 min -Gold-Platin-Legierungen 800-850°C für 10-13 min -Silber-Palladium-Legierungen 850°C für 45-60 min

Anwendung • Legierungen vollständiger Löslichkeit • Vergüten (= Aushärten) Def. Aushärtung von tw. löslichen Legierungen mit instabilem Gefüge (inf. Abschrecken)

durch Weiterführung d. unterbrochenen Entmischung m.H.v. Wärme bis gewünschten mechan. Eigenschaften erreicht

Vor. „übersättigte“ Mischkristalle (durch Abschrecken ! ungenügende Entmischung d. Kom-ponenten, Gefügezustand d. höheren Temp. „eingefroren“ ! instabiles Gefüge)

Einflüsse • je größer Übersättigung d. Mischkristalle ! umso größer Aushärteeffekt • niedrige Anlaßtemp. u. lange Zeit ! allmählicher u. stetiger # d. Härte • hohe Anlaßtemp. u. lange Zeit ! Härte " („Überhärtung“) • cave: Vergütung als LETZTE WÄRMEBEHANDLUNG!

Phasen Ausgangspunkt A-Mischkristall mit getrennter 2. Phase (AB-Mischkristall) Lösungsglühen instabiler Zustand nach Temp.# unterhalb Soliduslinie u. ober-

halb d. Mischungslücke: hochdisperse, gleichmäßige Verteilung d. 2. Phase in A-Mischkristallen ! Verschwinden d. 2. Phase

Abschrecken „Einfrieren“ d. instabilen Zustandes durch plötzl. Temp." Anlassstufe Wiedererwärmen ! Zusammenlagerung d. 2. Phase = teilkohä-

rente Entmischung (je höher, umso größer Härte) „Überaltern“ = „Überreifen“

bei zu langem „Anlassen“ ! vollständige, inkohärente Entmi-schung (2. Phase als getrennte Phase im A-MK-Gitter)

Anwendung • Legierungen mit Mischungslücke im Zustandsdiagramm, d.h. beschränkter Löslichkeit im festen Zustand

• Möglichkeiten einer zweiten Phase ! Dispersoide: -Oxide, Nitride, Kohlenstoff (aufgrund Atomdurchmesser nicht reversibel, schlecht ver-

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teilbar, im Gegensatz zu:) -intermetall. Phasen -Ordnungsphasen -Mischkristalle einer zweiten Atomart -zweite Atomart

Korrosion Def. corrodere (lat.) = zerfressen, zernagen = Zerstörung metallischer Werkstoffe inf. Bestreben, in ihre chem. Verbindungen überzugehen durch chem. o. elektrochem. Reaktionen ! Substanzverlust

Einflußfaktoren • Material (Zusammensetzung, Gefüge, Verarbeitung, OF-Bearbeitung) • Umfeld (Proteine, Plaque, PH, Temp., Nahrung)

Grundlagen Elektrolyt Flüssigkeit, die elektrischen Strom zu leiten vermag z.B. 2 H2O ⇔ H3O+ + OH-, Speichel

Lösungs-druck

• Syn.: elektrolytischer Lösungsdruck • Eigenschaft eines Metalls • in Spannungsreihe als elektrolytisches Normalpotential zur H2-

Elektrode (mit Wasserstoff umspülte Platinelektrode) gemessen beachte: im Speichel anderer pH u. Elektrolytzusammensetzung ! andere Potentiale, sog. Korrosionspotentiale!!

• elektropositve Metalle: v.a. Edelmetalle, an denen unter be-stimmten Vor. Abscheidung von Metallionen (z.B. Gold)

• eletronegative Metalle: v.a. unedle Metalle, die in Flüssigkeiten niedriger Ionenkonzentration Metallionen abgeben (z.B. Amal-gam)

eletrolyti-sche Fällung

= Verdrängung eines edlen Metalls aus seiner Lösung mittels einer unedeln Elektrode • Prinzip: unedles Metall geht in Lösung, während sich das edle

Metall abscheidet ! sobald Elektrode vom edlen bedeckt ist wird Vorgang gestoppt

Halbelement • Syn.: galvanisches Halbelement • Aufbau: ein Metall in Elektrolyt • Prinzip: Metalle geben positive Metallrümpfe ab bis GG zw.

elektrolytischem Lösungsdruck (energetisch begünstigt durch Hydratationsenergie) mit osmotischem Druck ! Aufbau einer Spannung um Elektrode = elektr. Doppelschicht

galvanisches Element

• Syn.: Daniell-Element • Aufbau: zwei Elektroden aus verschiedenen Metallen leitend

verbundene in ihren Lösungen • Prinzip: Verbindung d. Elektroden ! Potentialausgleich u. somit

Störung d. GG d. einzelnen Halbelemente ! Wanderung d. Me-tallionen mit größerem Lösungsdruck zur „edleren“ (negativ ge-ladenen) Kathode u. dort Abscheidung „unedlere“ Elektrode (Anode) gibt unter Elektronenabgabe weite-re Ionen in Lösung ab (Aufzehrung d. Anode, „anodische An-fressung“, „Korrosion“). beachte: Elektronen wandern von d. Anode (+) zur Kathode (-); Ionenrümpfe wandern ebenso im Elektrolyt von der Anode zur Kathode, die Fließrichtung d. Stroms ist jedoch vom edleren Me-tall zum unedleren Metall und durch das Elektrolyt zurück!

Korrosions-geschwin-digkeit

maßgebend ist Widerstand zw. Elektroden d. galvanischen Ele-mentes (gemäß ohmschen Gesetz: U=R*I): • Kurzschluß (d.h. sehr kleine Widerstände) ! hohe Korrosions-

geschwindigkeit • reine Potentialdifferenz bzw. sehr großer Widerstand R ! keine

Korrosion (man vermutet: auch bei Füllungen ohne direkten metallischen Kontakt (= offenes galvanisches Element), kann über Dentinka-nälchen u. Blutbahn elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden, aber ! nicht messbar ! R zu groß?)

Korrosionstypen Kontakt-element

! Kontaktkorrosion • Aufbau: wie Daniell-Element ! Ausgleich der Potentialdifferenz

zweier Legierungen durch direkten Kontakt • Stärke d. Korrosion abh. vom Widerstand • Bsp.: Amalgamfüllung u. Goldlegierung

Lokalele-ment

• dieselbe Oberfläche weist Stellen unterschiedlichen elektrochemi-schen Potentials gegenüber Elektrolyten auf ! Verbindung d. Elektroden durch Metall selbst (= direkter Kurzschluß) ! starke Korrosion

• Typen:

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-Interkristalline Korrosion: entlang Korngrenzen durch Einlagerung von Fremdsubstanzen (z.B. Karbiden) ! interkristalliner Zusam-menhalt wird zerstört o. Spannungskorrosion bei unterschiedl. elektrochemischen Potentia-len durch mechan. Spannungen) -Belüftungselement (Lochfraß, Spaltkorrosion): findet in neutraler o. schwach alkalischer Lösung unter O2-Verbrauch statt: in Bereichen höherer O2-Konz. können sich unter Elektronenauf-nahme Hydroxylionen (OH-) bilden u. Metallionen bis zu deren Ausfällung weiteroxidieren ! Ausbildung einer Kathode im Bereich mit geringerer O2-Konz., z.B. in Lunkern o. Spalten, findet diese Ausfällung nicht statt ! weitere Ablösung v. Metallio-nen ! Bereich wird zur Anode. d.h. eine höhere O2-Konz. vermittelt Elektronentransport u. somit Ausfällung

Konzent-rations-element

• zwei verbundene Metallelektroden d. gleichen Materials (z.B. obe-re u. untere Fläche einer Füllung) sind mit getrennten Elektrolyten verschiedener Konz. derselben Metallionen in Kontakt ! unterschiedlicher osmotischer Druck ! Potentialdifferenz zw. Elektroden

• Bsp.: Zahnfüllung steht an Oberfläche mit Speichel zum Zahn hin mit Dentinkanälchen in Kontakt; im Bereich d. geringeren osmoti-schen Druckes kann sich so ein unedeler Bereich ausbilden Ströme liegen bei Einzelfüllungen in d. Größenordnung von 3µA ! bisher konnten durch diese Vorgänge keine Korrosionserschei-nungen (Verfärbunben etc.) beobachtet werden

Korrosionsschutz • passiv: -Aufbringen einer inerten Deckschicht (Glas, Farbe) -„Passivierung“: durch Korrosion entstehende deckende Oxidschicht, besonders dicht und beständig z.B. bei Al, Cr u. vor allem Titan

• aktiv: „Opferanode“ u.a. Beschrei-bungsmetho-den eines Le-gierungssys-tems

• Thermoanalyse (Solidus-, Liquiduspunkt) • Mikroskopie (Anätzen d. Oberfläche u. Beurteilung d. Mikrostrukturen) • Röntgenbeugung (materialspezif. Bild für 2 Atomschichten, „Fingerabdruck“ einer Legierung) • Wärmeausdehnung • Leitfähigkeit • spez. Wärme • magnet. Größen u.a.

dentale Verar-beitungtechni-ken

• Edelmetalle: -Gießtechnik (AuPt-, Pd- o. Ag-Basis-Legierungen) -Galvanoforming (Gold) -Pasten-, Folientechnik (Gold, Pd-Legierungen)

• NEM: Gießtechnik

2 reine Metalle in der Zahnmedizin: • nur Gold u. Titan relevant (s. bei entsprechenden Legierungen) • Ag: in reiner Form nicht mundbeständig ! Ag2S-Bildung

3 Legierungen in der Zahnmedizin: • Einteilung: nach Art d. Verblendung

• aufbrennfähig für Keramikverblendung (oft Platinbestandteile) • nicht aufbrennfähig für Kunststoffverblendung

nach Hauptbe-standteilen (Masse-%)

• Edelmetallegierungen Silber-Basis-L. • nicht-aufbrennfähig

Silber-Zinn-L. = „Würzburger Weiß“ Silber-Palladium-L. Silber-Palladium-Indium-L.

Quecksilber-Basis-L. (Amalgam)

kupferarme Amalgame kupferreiche Amalgame = γ2-freie Amalgame

Palladium-Basis-L. • aufbrennfähig Palladium-Silber-L. Palladium-Kupfer-L.

Gold-Basis-L. • aufbrennfähig • nicht-aufbrennfähig

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hochgoldhaltige L. goldreduzierte L.

• Nichtedelmetallegierungen Nickel-Chrom-L. • aufbrennfähig Cobalt-Chrom-L. • (aufbrennfähig) Eisen-Basis-L. • i.a. nicht korrosionsbeständig

Eisen-Kohlenstoff-L. nicht korrosionsbeständig je höher C-Anteil, desto härter

Eisen-Chrom-L. = Edelstähle Anwendung: Drähte in Orthodontie u. Provisorien

Titan-L. • Anwendungsbereiche:

-Füllungstherapie (Gussfüllung, Wurzelstifte, Kernaufbau) -Kronen-, Brückenersatz (Voll-, Teil-, Doppelkrone, kunststoff-, keramikverblendet, Brücken, Stege, Ge-schiebe) -herausnehmbarer/kombinierter Zahnersatz (Modelleinstückgussbasis (auch totale), Attachments, Klam-merdrähte, -bügel) -kieferorthopäd. Drähte -Implantate, Suprakonstruktionen

3.1 Edelmetalllegierungen: • zu Edelmetallen gehören:

-Silber (Ag) -Gold (Au) -Quecksilber (Hg) -Rhenium (Re) -Platinmetalle (Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir) u. Platin (Pt))

• Edelmetallgehalt einer Legierung wird als Feingehalt o. Karatzahl angegeben: Feingehalt (F) bezogen auf 1000 Gewichtsanteilen d. Legierung

z.B. Feingehalt 750 = 750 Teile EM in 1000 Teilen Legierung Karat (ct) bezogen auf 24 Gewichtsanteile d. Legierung

z.B. 18 Karat = 18 Teile EM in 24 Teilen Legierung Umrechnung ct = 24*(F/1000)

3.1.1 Silber-Basis-Legierungen: Silber-Zinn-Legierungen (spröde u. verfärben sich unter Mundbedingungen) u. Silber-Palladium-Indium-Legierungen (nur bedingt mundbeständig) werden wohl nicht mehr verwendet.

Name Bestandteile Eigenschaften Besonderheiten Anwendung Silber-Palladium-L.

• 40 - 70% Ag (Vergießbarkeit, Ge-schmeidigkeit)

• 20 - 30% Pd (mechan. u. Korrosi-onsfestigkeit, Farbbeständigkeit)

• Cu (mechan. Eigenschaften, Aus-härtbarkeit)

• Au (Korrosionsstabilität, gelbe Farbe)

• weiße Farbe • nicht-aufbrennfähig • hohe Korrosionsanfälligkeit

(Ag2S-Bildung) • Schmelzintervall 900° - 1200° • Härte

-weich 1200 HV -ausgehärtet 2500 HV

• Homogenisie-rung erforderlich (dendritische Erstarrung ! starke Korrision)

• anfällig gegen Bearbeitungsfehler

Provisorien

3.1.2 Quecksilber-Basis-Legierungen (Amalgame): • Amalgame = flüssige, knetbare o. feste Legierungen d. Quecksilbers mit anderen Metallen (in d. Zahnme-

dizin v.a. Ag, Zn, Cu) im Verhältnis 1:1 • Historisches: 7. Jhd China: Anwendung eines silbernen Teigs zur Zahnfüllung (Zinn, Silber, Quecksilber) 1601 Johannes Stocker: Rezept für Anfertigung einer Amalgamfüllung 1818 Regnart: D’Arcent’sches Metall (" d. intraoralen Gußtemp. von 100° auf 65°) Anfang 19. Jhd England: Verbreitung d. Amalgams durch Gebr. Craweour Mitte 19. Jhd • USA: 1. Amalgamkrieg:

1856 Ausschluss d. zahnmedizinischen Gruppe d. Amalgam-Verfechter aus Chirurgenverband 1859 Gründung d. „American Dental Association“

um 1900 G. B. Black (1836 - 1915): erste exakte Materialprüfung u. Grundlagen d. Kavitätenpräparation!!!!!! 1899 Adolf Witzel: „Das Füllen d. Zähne mit Amalgam“ 1928 2. Amalgamkrieg: Prof. Stock (Karlsruhe, Serum-Quecksilber ##) 1998 „Tübinger Studie“ („Kaugummi-Studie“)

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• früheres Einsatzgebiet u. heutige Alternativen: -Füllungstherapie (Black-Klasse I u. II) -Stumpfaufbauten (heute: Composite o. GIZ, besser: gegossener Stiftaufbau) -retrograde Wurzelfüllung (heute: GIZ, genormte Keramikkegel)

• Alternativen u. deren Nachteile: -Gold-, Keramikinlays, Teilkronen (aber hohe Kosten u. Zeitaufwand) -zahnfarbene Adhäsivtechnik (aber zirkuläre Schmelzbegrenzung nötig, hohe Kosten u. Zeitaufwand) -Compositefüllungen (aber nur für kleine Kavitäten ausserhalb d. Okklusion, zirkuläre Schmelzbegrenzung nötig, hoher Zeitaufwand)

• Herstellung d. Alloys: -Zerstampfen, Feilen etc. eines Legierungsblocks ! Nadeln, Spitzen, Spiralen etc. (= Feilung) ! Span-nungen im Gitter durch Kaltverformung ! zu schnelle Reaktion mit Quecksilber ! ALTERUNG nötig (= nachfolgende Wärmebehandlung unter reduzierter Atmosphäre zur Vermeidung einer Oxidschicht), Vorteil: höher kondensierbar ! maschinelle Verarbeitung -Verdüsung d. Schmelze ! Kugeln o. sphäroidale Partikel ! keine Alterung nötig, Vorteil: leichtere Verarbeitung per Hand, da geringere Kondensierbarkeit ! Verwendung eines Gemisches aus beiden (s. Vorteile)

• metallurgische Einteilung: Name Bestandteile Eigenschaften Besonderheiten Anwendung

kupferarme Amalgame (= konventi-onelle, γ2-haltige A-malgame)

• Alloy: Ag3Sn-Legierungen (70:30)

• Hg

• insg. Abbindeexpansion mit: -γ1-Phase Expansion -γ2-Phase Kontraktion -Geschwindigkeit abh. vom Hg-Gehalt -Ausmaß ~ Hg-Gehalt, Ag-Gehalt (max. bei 68%) = 0 - 15 µm/cm in 24h

• Härte u. Druckfestigkeit v.a. abh. vom Ag-Gehalt (max. bei 68%) > 1000 HV

• Flow 2 - 2,5% (hoch!) • Korrosion: im heterogenen Gefüge

von γ1-, γ2- u. γ-Restkörper-Phase ist γ2-Phase unedelste Komponen-te ! Korrosion ! Hg-Freisetzung ! weitere Abbindereaktion ! Se-kundärexpansion bis Passivie-rungsschicht deckend

• intermetallische Ver-bindung nach Mi-schen: -Ag2Hg3 = γ1-Phase (TS 127°C, Härte nach Knoop 115, ku-bisch raumzentriert) -HgSn7 = γ2-Phase (TS 58°C, Härte nach Knoop 15, hexagona-les Gitter, Schwach-stelle!))

• nach Aushärtung anhaltende plast. Verformbarkeit (sog. Flow bzw. Creep)

• Politur nach 24h • immer Unterfütterung

(Schutz d. Dentinka-nälchen vor Queck-silber)

nicht mehr, da γ2-Phase

non-γ2-Amalgame

• Alloy: als HCD (= high copper dispersant) o. HCSC (= high copper single composition) -hochsilberhaltige: 70% Ag, 17% Sn, 13% Cu (immer HCD) -niedrigsilberhaltige 60% Ag, 25% Sn, 15% Cu (immer HCSC) -hochkupferhaltige 50% Ag, 25% Sn, 25% Cu (beides)

• Hg

• Abbindeexpansion = 3 µm/cm in 24h

• Flow 0,6% • besser polierbar durch Fehlen d.

γ2-Phase • mechan. Werte u. Verarbeitungs-

eigenschaften stark abh. von Art d. Feilung (ternär, binär + binär, binär + ternär)

• Korrosion: η1-Phase unedelste Komponente ! Korrosion bis Pas-sivierungsschicht ausgebildet, aber keine Hg-Freisetzung u. Sekun-därexpansion !!!

• intermetallische Ver-bindung nach Mi-schen: -Ag2Hg3 = γ1-Phase (TS 127°C, HV 115) -Cu6Sn5 = η1-Phase (mechan. stabiler) - keine γ2-Phase, da Binden d. über-schüssigen Sn durch Cu da Cu in Hg kaum löslich

• Politur nach 24h • immer Unterfütterung

• Ind.: okklu-saltragende Füllungen im SZ-Bereich, wenn andere Füllungsmate-rialien nicht indiziert bzw. nicht in Frage kommen

• KI: -Schwangere -KK (< 6 J) -Nierenfkt. "

• Abbindereaktion d. γ2-haltigen Amalgame: 8 Ag3Sn (γ-Phase) + 33 Hg ! 8 Ag3Hg4 (γ1-Phase) + Sn8Hg (γ2-Phase)

• Abbindereation d. non-γ2-haltigen Amalgame: Weiterverarbeitung d. γ2-Phase durch Cu-Beimischung 3 Ag3Sn (γ-Phase) + 2 Cu3Sn + 12 Hg ! 3 Ag3Hg4 (γ1-Phase) + Cu6Sn5 (η1-Phase)

• Bestandteile einer voramalgamierten Feilung für non-γ2-Amalgame u. deren Bedeutung: -Ag (Härte) ! Einteilung in hochsilberhaltige (> 65%) u. niedersilberhaltige (ca. 50%) Amalgame -Sn (Plastizität) < 29% -Cu (Kantenfestigkeit, Korrosionsstabilität) < 6% -Hg (Löslichkeit) < 3% -Zn (Stabilisierung vor Cu-Oxidation bei Herstellung) < 2%

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3.1.2.1 Gesundheitsschädigung durch Quecksilber • Eigenschaften d. Quecksilbers:

-bei Raumtemp flüssig (Siedepunkt 357°) ! keine Schmelzverfahren -Vork.: ubiquitär, in Nahrungsmitteln v.a. Fisch (200-300 µg/kg), Innereien, Kartoffeln, Getreide Reis, Milchprodukte -bakteriostatische Wirkung ! lange Verweildauer im Mund möglich (Sekundärkaries ") -Modifikationen: metallisch • bei 24°C Sättigung d. Luft mit 18 mg/m3Luft

• Dämpfe farb-, geruchlos, Resorption über Lunge zu 80% anorgan. • Hg in Jonenform (Salz)

• Resorption im GIT zu 10% organ. • hohe Affinität zu SH-Gruppen

• Resorption im GIT zu 95% • Hg-Exposition d. Menschen:

-täglich ca. 13-27 µg -kritische Grenze (WHO) 400 µg/d (d.h. 2-3 kg Fisch) -MAK (= max. Arbeitsplatzkonz.) 100 µg/m3Luft -BAT (= biolog. Arbeitsstofftoleranzwert) 200 µg/l Urin bzw. 50 µg/l Blut -zahnärztliches Personal 10% höhere Belastung als Normalbevölkerung -Amalgambelastung durch Zahnersatz (s.u.)

• Hg-Abgabe aus Amalgamen (0,5 - 2 µg/cm2 Füllungsoberfläche pro d): -initiale Abgabe bei Applikation u. Passivierungskorrosion (Dampf o. Ionen) -Korrosion durch Abrasion u. Belüftungselementbildung -Diffusionserscheinungen (v.a. bei niedrigem Schmelzpunkt u. unter mechan. Druck)

• unerwünschte Wirkungen: -allerg. Reaktionen (Typ IV) + elektrocem. Reaktionen (Geschmackssensationen, Irritation d. Mund-schleimhaut) -nach Legen/Entfernen kurzfristiger # d. Hg-Konz. in Blut u. Urin -Lichen planus d. Mundschleimhaut -Verdachtsfälle lokal • Zahnveränderungen (Verfärbungen v.a. durch Cu)

• entzündliche Veränderungen wie Aphthen, Gingivitis, Stomatitis ulzerosa • Geschmacksstörungen, Sputum #, etc.

system. • chron. Quecksilberintox. • Fieber, Dermatitis, Ekzeme, Migräne etc.

3.1.3 Palladium-Basis-Legierungen. • heute eher unbedeutend (teuer!) • Palladium:

-leichtestes Platinmetall -hoher Schmelzpunkt (1600°C) ! Liquidustemp. " durch Ga-Zusatz -weisse Farbe

Name Bestandteile Eigenschaften Besonderheiten Anwendung Palladium-Silber-Legierung

• 50-60% Pd (Korrosions-, Mundbeständigkeit)

• 30-40% Ag (Fließvermögen, Geschmeidigkeit, Härte #)

• 10% Sn • Ga (Liquidustemp. ") • In, Au, Zn

• weiß

Palladium-Kupfer-Legierung

• 70-80% Pd • 10% Cu (WAK #, Härte #,

Liquidustemp. ") • 5-10% Ga (Fließvermögen #, Bruchdehnung #, Härte #, Liquidustemp. ")

• Sn, In, Au

• mehrphasiges dendrit. Gefüge (Tan-nenbaumstruktur, neigen zur Entmi-schung bei Erstarrung)

• Korrosionsneigung Pd-Cu > Pd-Ag • anfällig gegenüber Verarbeitungsfeh-

lern, oft Poren u. Lunker • Wiedervergießbarkeit eingeschränkt

(unedle Bestandteile) • Schmelzintervall 1150 - 1300°C • WAK

-Pd-Ag 15 - 15,5 µm/m*K -Pd-Cu 14 - 14,5 µm/m*K

• grau-weiß

nicht mehr gebräuchlich

3.1.4 Gold-Basis-Legierungen: • damit mundbeständig mind. 18 Karat Gold (= 75 Gew.%)

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• Gold lückenlos mischbar mit Ag, Cu, Pd, Pt: Pt u. Platinmetalle ! homogenes feinkörniges Gefüge (! Korrosionsbeständigkeit), Schmelzintervall #, Farbverschiebung nach weiß

• zur # d. Festigkeit: Pd, (Pt), Kupfer, Zink, Zinn, Indium • nicht-lückenlos mischbare Komponenten ! aushärtbare Legierungen • Bestandteile u. deren Bedeutung Gold (Au) • Korrosionsschutz, Mundbeständigkeit

• leichte Verarbeitbarkeit • Dichte # (schwer) • Dehnbarkeit • Farbe

Platin (Pt) • Korrosionsschutz, Mundbeständigkeit (Pt > Pd) • Kornverfeinerung (durch hohen Schmelzpunkt) • verschiebt Schmelzintervall zu höheren Werten • Härte # • Entfärbung

Palladium (Pd) • Korrosionsschutz, Mundbeständigkeit • Druckfestigkeit

Kupfer (Cu) • Härte, Festigkeit (Cu - Ag - Verhältnis dient Härteeinstellung durch dispersoide Ausscheidung einer AgCu-Ordnungsphase)

• Farbabstimmung • Schmelzpunkt " • nicht korrosionsbeständig • in Aufbrennlegierungen nur in Spuren

Silber (Ag) • Härte Festigkeit • Farbabstimmung • Vergießbarkeit, Geschmeidigkeit • nicht mundbeständig (Ag2S-Bildung)

Sn, Zn, In, Fe • Härte (z.B. Zn durch Bildung eines Substitutionsmischkristalles) • Schmelzintervall " • Haftoxidbildner (Benetzbarkeit) • Wiedervergießbarkeit "

Ir, Ru, Re, Ta • Kornfeinerung

3.1.4.1 hochgoldhaltige Legierungen: • hochgoldhaltige Verbindungen sind sehr gut mundbeständig • Eigenschaften:

-geringeres Elastizitätsmodul (100 000, i.G.z. NEM 200 000) -hohe Wärmeleitfähigkeit (!) -hohe Dichte -teuer -feinkörnige, polygonale Gefüge -aushärtbar -leicht verarbeitbar -geringe Korrosionsanfälligkeit -goldfarben (v.a. nicht-aufbrennfähigen)

• Typeneinteilung nach Härte (entsprechend Goldanteil): Typ 1 • weich (VH 50 -90)

• Anwendung: geringe Beanspruchung, keine Ind. Typ 2 • mittel (VH 90 - 120)

• Anwendung: mäßige Beanspruchung, keine Ind. Typ 3 • hart (VH 120 - 150)

• Anwendung: hohe Beanspruchung, keine Ind. Typ 4 • extrahart (VH 200 - 300)

• Anwendung: sehr hohe Beanspruchung, Material d. Wahl • Einteilung nach Anwendung: aufbrennfähig • Au, Platinmetalle > 95 Gew.%

• Au ≥ 75 Gew.% • Sn, In, Fe ! Verbesserung d. Keramikhaftung durch Bildung einer zweiten Oxidschicht (Vernet-

zungsverhalten) • geringer Anteil an Ir, Ru, Re, Ta ! Kornfeiner (Schmelzpunkt 2000 - 3000°C) • weitgehend Cu-frei (unerwünschte Oxidverfärbung) • Bsp.: Degudent U, Herador NH, Orplid

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nicht-aufbrennfähig • Au, Platinmetalle > 75 Gew.% • Au ≥ 70 Gew.% • Platinmetalle (Pt, Pd, Ir), Ag, Cu, Zn • Schmelzintervalle: 900 - 1150°C • Bsp.: Degulor M, Maingold SG

3.1.4.2 goldreduzierte Legierungen: • Einführung aus Kostengründen mit Ersatz d. Au durch Ag o. Pd (! Pd-Anteil weißfärbend), aber bei heuti-

gem Goldpreis nicht mehr relevant • Einteilung nach Anwendung: aufbrennfähig • Au, Platinmetalle 75 - 90 Gew.%

• Au 40 - 50 Gew.% • Platinmetalle (v.a. Pd), Sn, Ag, In • Bsp.: Degucast U, Herabond N

nicht-aufbrennfähig • Au, Platinmetalle < 75 Gew.% • Au > 50 Gew.% • Platinmetalle (v.a. Pd), mehr Ag, weiterhin Cu • Bsp.: Stabilor G, Heraloy G

3.1.4.3 Galvanogoldlegierungen: • mittels galvanoplastischer Verfahren (als Elektrolyt sulfit. Goldbad) hergestelltes Metallgerüst mit sehr ho-

hem Au-Anteil (ca. 99%) • Härte anfänglich sehr hoch (HV ca. 150), durch Thermobehandlung (Aufbrennvorgänge) " auf Feingold-

werte (HV 20 - 25) • sehr gut mundbeständig • Ind.: Doppelkronentechnik, Einzelkronen im Frontzahnbereich

3.1.4.4 Goldfolienlegierungen: • Anwendung: Herstellung von Kronengerüsten • Aufbau: mehrschichtig, kaltplastisch aufgewalzte Folien aus:

-2 identischen Gold-Basis-Legierungen mit höherem WAK -dazwischen zentrale hochtemperaturfeste Pd-Schicht

• Verarbeitung: Temperaturbehandlung ! gegenläufiger Bimetalleffekt, d.h. unterschiedl. Ausdehnungs-bestreben ! innere Festigkeitssteigerung bei Formstabilität ! äußere Schichten dienen als Lot ! Umwandlung in Legierung

• sehr gut mundbeständig (keine unedlen Bestandteile)

3.1.4.5 Sintermetalle: • Metallpulver nach Formgebung u. Verdichtung in Sinterprozeß unterhalb d. Liquidustemp. ! Festkörper • Korngrößenverteilung d. Pulvers ! Einstellung d. Packungsdichte ! Minimierung d. Schrumpfung • Herstellung: einstufige o. mehrstufige Sinterverfahren auf feuerfestem Stumpfmaterial • Bestandteile: Gold-Basis-Legierungen mit hohem Goldanteil + Pt, Pd, Ag

3.2 Nicht-Edelmetall-Legierungen (NEM-L.):

3.2.1 Cobalt-Basis-Legierungen: • billiges Alternativmaterial nach Palladium-Verteuerung

Name Bestandteile Eigenschaften Besonderheiten Anwendung Cobalt-Chrom-Legierung

• 65% Co • 27% Cr (Oxidschicht ! Korrosionsbe-

ständigkeit, Keramikhaftung) • 5% Mo (Korrosionsbeständigkeit, Korn-

verfeinerung, Dehnbarkeit) • sonstige Zusätze

-C (Härte, Elastizität, Bildung von im Gefüge feinverteilten Chromkarbiden) -Fe -Si (Verbesserung d. Fließverhaltens) -Mn (Desoxydationsmittel) -Gallium (Schmelzintervall ")

• dendrit. Gefüge mit feiner Karbidverteilung

• Schmelzintervall 1300 - 1400°C

• sehr hohe HV (280 - 400)

• E-Modul 180 – 250 MPa • geringe Dichte • gut mundbeständig

• schwer bearbeit-bar

• Cr u. Mo > 30% für ausreichenden Korrosionsschutz

• Modellgußtechnik

• Klammerdräh-te

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-Indium (Bearbeitbarkeit #) Cobalt-Chrom-Aufbrennle-gierung

• 65% Co • 30% Cr (s.o.) • 4% Mo (s.o.) • sonstige Zusätze: Ti, Si, W (Wolfram),

Nb (Niob)

• s.o. • WAK 14,5 – 15/K • geringe Wärmeleitung • Schmelzpunkt hoch

• Aufbrennke-ramiken

• Maßnahme zu # d. Dehnbarkeit: -Molybdänzusatz in geringen Mengen ! E-Modul #, aber zäher u. schwerer bearbeitbar -Nickelbeimischung anstelle Co Anwendung: Klammerdrähte

3.2.2 Nickel-Basis-Legierungen: Name Bestandteile Eigenschaften Besonderheiten Anwendung

Nickel-Chrom-Legierung

• 65% Ni • 22% Cr • 9% Mo • Zusätze: Mn, Fe, Si

• Legierung neigt zur Ent-mischung

• hohe HV: 200-400 • Schmelzbereich: 980 -

1500°C

Berylliumzusatz ! • ästhet. gut, Vergießbarkeit u.

Vergütbarkeit #, Kontrolle d. Oxidschicht

• aber Korrosionsanfälligkeit #, Berylliosegefahr

• Gerüste für Metallkeramik

3.2.3 Titan Historie • benannt nach Titannen (= Söhne d. Erde)

• 1798 Klapproth in Ungarn: Entdeckung d. Titanoxid u. Namensgebung • erst 19.Jhd Isolierung d. reinen Metalls möglich (aber hoher Aufwand) • 1938 Kroll: Industrialisierung (Aufwand bei Trennung ")

Vork. 0,6% d. Erdoberfläche (= 423 Milliarden Tonnen) Eigenschaften d. Reintitans

• sehr unedel ! dicke widerstandsfähige Oxid-Schicht (Passivierung) ! höchste Korrosionsbeständig-keit (vergleichbar mit hochgoldhaltiger Legierung) u. Gewebeverträglichkeit

• geringe Dichte ! sehr leicht (bei 25°C 4,5 g/cm2) • sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (22 W/m*K, vgl. Gold ca. 10x höher) • WAK 9,5 (deutl. niedriger als bei anderen aufbrennfähigen Legierungen) • günstige mechan. Eigenschaften, insb. durch Zumischen von 0,2% O2:

Reintitan im Vgl. mit seinen Legierungen relativ geringe mechan. Festigkeit, E-Modul vergleichbar mit dem von goldhaltigen Legierungen (d.h. wesentlich schlechter als bei NEM)

E-Modul Zugfestigkeit 0,2%-Dehngrenze Härte O2-gesättigtes

rein Titan 110 GPa 450 MPa 370 MPa HV 110

TiGAl4V 140 Gpa 900 MPa 820 MPa HV 250 • hoher Schmelzpunkt (1760°C) • hohe chem. Reaktionsfähigkeit • reversible Modifikationsänderung bei 882°C (Allotropie)

Herstellung • Ausgangsstoff: v.a. Rulit (TiO2) • Verfahren nach Kroll: Chlorid-Verfahren zur Umsetzung von Erzen mit hohem Ti.Gehalt in Titantetra-

chlorid u. nachfolgende Reduktion d. Titantetrachlorids in Mg ! Roh-Titan-Schwamm (verunreinigt mit C, H, N)

TiO2 + 2Cl2 + C ! TiCl4 + Co2 (Temp.: 800 - 1200°C) TiCl4 + 2Mg ! Ti + 2MgCl2 (Temp.: 850 - 950°C)

• Vakuum-Lichtbogenofen (Wartman): weitere Aufbereitung (insb. Reinigung von O2) d. Roh-Titan-Schwamms

Verarbeitung • technolog. Probleme, da hoher Schmelzpunkt u. hohe chem. Reaktionsfähigkeit • besondere Gussanlagen (Vakuum):

Elektronenstrahlöfen zu teuer Lichtbogenöfen Methode d. Wahl

• spezielle Einbettmassen ! trotzdem noch inhomogene oberflächliche Reaktionsschicht von 50 - 200 µm mit sehr hoher Härte ! muß entfernt werden (! Paßgenauigkeit ")

• sehr schlecht lötbar ! technolog. Methode d. Wahl Laserschweißen Titanbeschich-tung

• Verfahren zur Beschichtung von Metallen bzw. Dentallegierungen mit Titankeramiken im Vakuum • üblicherweise: Titan-Nitrit, sowie Titan-Niob-Keramiken • Veredelung d. Trägermetall durch sehr dichte, völlig spaltfreie Bedeckung • Schichtstärke: < 5µm • Härte: sehr hoch HV < 2000 • Farbe: goldfarbig

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4 Die richtige Wahl: • Kriterien: Ästhetik, Biokompabilität, Verarbeitbarkeit, Preis • Gewichtung d. Kriterien unterliegt stetigem Wandel (auch regionale Unterschiede!):

-hochgoldhaltige Legierungen waren lange Zeit sehr beliebt -mit # Nachfrage nach zahnfarbenem Zahnersatz ! Entwicklung aufbrennfähiger Legierungen -mit # Goldpreis ! umsteigen auf Pd-Basis-Legierungen, bis 1992 sehr großer Markt, heute eher unbedeu-tend, denn -mit # Pd-Preis ! wieder zurück zu Edelmetalllegierungen u. Weiterentwicklung im Bereich d. NEM-Legierungen

4.1 Biokompabilität Def.: Biokompabilität =keine Störung d. von Natur vorgegebenen chem. u. physikal. Reaktionen im Körper (keine lok.

o. system. Toxizität, allergieauslösendes Potential ", keine Mutagenität o. Cancerogenität) Tests Massenverlustbestimmung • Hochgoldhaltige L. sind am korrosionsbeständigsten:

Massenverluste: Nickelbasis > Cobaldbasis > hochgoldhaltige L. • Edelmetalllegierungen verlieren unedele Bestandteile ! Oberflächenveredlung • auch Titan geht in Lösung (Anreicherung in Lunge, Effekt u. toxikolog. Bedeu-

tung unklar) Agar-Diffusions-Zell-Test • Messung d. Reaktion d. Werkstoffe mit Zellen

• Bsp.: Cu ist zelltoxisch (! Ausnutzung d. bakterioziden Wirkung) Epikutantest • Messung d. allerg. Potentials eines Werkstoffes

• Aussagekraft fraglich, da Werkstoffe gelöst vorliegen (als Ionen) • Risiko d. Sensibilisierung ! zur prophylaktischen Testung obsolet

Bspe. Au • nicht essentiell • übliche Tagesdosis: 0,1 µg, HWZ ??, tox. Dosen: sehr hoch • allerg. Reaktionen nur bei Legierungen, nicht bei reinem Au • Intox.: nephrotox. als NW bei Arthritis-Behandlung

Ni • essentiell für Glucosetoleranzfaktor (?) ! Mangelerscheinung: Diabetes (?), essentielle Dosis ?? • übliche Tagesdosis 0,9 mg, HWZ 200 d • allergieauslösend in geringer Menge, Kontaktdermatits als Typ IV Reaktion (Hi als Hapten) • Intox.: Staub cancerogen, nephrotoxisch, Störung d. Immunsystems, tox. Menge ??

Cu • essentiell für diverse Enzyme • essentielle Menge 2 - 3 mg/d, KK 0,5 - 0,7 mg/d • übliche Tagesdosis: hohe Menge • Mangelerscheinungen: Störung d. inneren Atmung u. Neurotransmitterproduktion, v.a. Herzstörungen

5 Glossar Alloy nicht-Edelmetall-Anteil einer Amalgam-legierung Allotropie Vorkommen eines Elements in 2 verschied. festen Zustandsformen (Modifikationen), z.B. Ti Anode positive Elektrode (gr. anodos „Aufgang) Creep „Kriechen“ d. Amalgams unter Belastung (ungeklärt warum! γ2-Phase Ursache) Flow „Fliessen“ d. Amalgams Galvanisieren durch Elektrolyse mit Metall überziehen Kathode negativer Pol einer Elektrode (gr. kata „herab“, hodos „Weg“) Passivierung durch Korrosion entstehende deckende Oxidschicht, besonders dicht u. beständig z.B. bei Al, Cr u.

v.a. Ti Seigerung Trennung d. einzelnen Legierungsbestandteilen während Abkühlung ! uneinheitliches Gefüge