Physikalische und mechanische Eigenschaften von Dentallegierungen

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften einer Legierung werden anhand von Spezifikationen der International Standards Organisation (ISO) und der American Dental Association (ADA) gemessen. Die aufgeführten Eigenschaften können wie folgt interpretiert werden.

Schmelzintervall - Dies ist das Temperaturintervall, innerhalb dessen das Metall vom festen zum flüssigen Zustand übergeht. Die untere Temperaturgrenze, auch Solidus genannt, ist die Temperatur, unterhalb welcher die Legierung völlig fest ist. Die obere Temperaturgrenze, auch Liquidus genannt, ist die Temperatur, oberhalb welcher die Legierung völlig flüssig ist. Zwischen diesen beiden Temperaturen enthält die Legierung sowohl feste, als auch flüssige Bestandteile.

Das Schmelzintervall gibt Aufschluss über mehrere wichtige Eigenschaften einer Legierung.

Die Gießtemperatur liegt normalerweise 35 bis 95 °C über dem Liquidus.

Legierungen mit höherem Schmelzintervall benötigen normalerweise eine höhere Vorwärmtemperatur.

Legierungen, deren Liquidus deutlich über 1150 °C liegt, müssen mit Einbettmassen für höhere Temperaturen (Phospat-Einbettmassen) verarbeitet werden.

Legierungen, deren Liquidus deutlich über 1150 °C liegt, sollten mit einem Sauerstoff-/Gas-Gemisch geschmolzen werden. Analog hierzu sind Elektro-Schmelzvorrichtungen bei diesen Legierungen höher einzustellen (Vakuum-Druckguss, Elektro-Tiegelschleuder).
Der Liquidus eines Lotes sollte unter dem Solidus der zu lötenden Legierung liegen.

Legierungen mit hohem Solidus können (müssen jedoch nicht) weniger anfällig für Verformungen während des Keramikbrandes sein.


Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) - Der WAK ist eine Maßeinheit für die durchschnittliche Längenausdehnung einer Legierungsprobe für den angegebenen Temperaturbereich und wird in mm/mm/°C (oder mm/mm/°Kelvin) ausgedrückt. Beispiel: wenn eine Probe bei 25 °C 10.00 mm lang ist und einen WAK von 14,0 x 10-6 K-1 hat für 25 - 500 °C, dann wird die Probe bei 500 °C 10,0665 mm lang sein (14,0x10-6/10,00 mm/475°C).

Der WAK hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung der Legierung ab. Sehr kleine Unterschiede in der Zusammensetzung bewirken normalerweise keine großen Änderungen im WAK. Wenn zwei Hersteller Legierungen anbieten, deren Zusammensetzungen sich nur um ca. 1 % unterscheiden, so haben sie denselben WAK. Diese Legierungen mögen sich in anderen Eigenschaften unterscheiden, wie z.B. die Härte, Festigkeit oder Verarbeitungseigenschaften, doch der WAK wird im wesentlichen gleich sein.

Der Grund dafür, dass sich die von den verschiedenen Herstellern angegebenen WAKs oft deutlich unterscheiden, liegt vor allem darin, dass der WAK nur schwer mit der notwendigen Präzision zu messen ist.

Der WAK ist eine physikalische Eigenschaft einer Legierung, die einen Anhaltspunkt für die Verträglichkeit mit bestimmten Keramiken gibt. Der Wert ist jedoch nicht der definitive und absolute Verträglichkeitsindikator, für den viele Anwender ihn halten.

Dichte (Spezifisches Gewicht) - Die Dichte einer Legierung beschreibt das Verhältnis zwischen ihrem Gewicht und Volumen und wird in g/cm³ angegeben. Bei Legierungen mit hohem spezifischem Gewicht benötigt man für das gleiche zu gießende Volumen eine größere Menge Legierung als bei Legierungen mit geringerer Dichte.

Korngröße - Die meisten festen Stoffe bestehen aus kristallinen Bestandteilen und die meisten metallischen Stoffe sind polykristallin. Dies bedeutet, dass ein Großteil der festen Bestandteile aus vielen winzigen ineinander greifenden Legierungskristallen aufgebaut sind (Mischkristall).

Korngrenzen (die Flächen, an denen die Körner einander berühren) können als Schwachstellen im festen Metall wirken. Nichtmetallische Einschlüsse, die sich an den Korngrenzen ansammeln, können dafür verantwortlich sein, dass die Grenzbereiche schwächer sind als die Körner selbst. Mit abnehmender Korngröße verbessern sich die mechanischen Eigenschaften einer Legierung, da sich im selben Maße das Netzwerk der Schwachstellen reduziert. Tatsächlich verteilen sich die in der Legierung enthaltenen Schwachstellen besser. Eine Legierung mit feiner Kornstruktur hat eine höhere Dehngrenze, maximale Zugfestigkeit, Härte und Bruchdehnung als eine Legierung gleicher Zusammensetzung mit gröberer Kornstruktur.

Aus demselben Grund sind Legierungen mit geringerer Korngröße weniger anfällig für Kontraktionsrisse beim Erstarren als Legierungen mit grober Kornstruktur. Kontraktionsrisse verlaufen entlang der Krongrenzen - indem man die einzelnen Korngrenzen kleiner und damit weniger kritisch für den Zusammenhalt der Legierung macht, haben kleine Risse an den Korngrenzen weniger starke Auswirkungen auf den gesamten Guss.

Härte - Die Härte eines Materials bezeichnet seine Fähigkeit, Abnützungen oder Eindringungen durch härtere Materialien zu widerstehen. Dieses Konzept wird durch eine Härteskala (Mohs'sche Skala), die die meisten Leute aus der Schule kennen, anschaulich dargestellt. Die Mohs'sche Skala sagt aus, dass kein Material härter ist als der Diamant. Bei diesem Test werden zwei verschiedene Materialkörper aneinander gerieben, wobei der härtere Körper Kratzspuren am weicheren hinterlässt. Diamanten verkratzen Rubine, daher sind Diamanten härter als Rubine.

Die Mohs'sche-Skala ist leicht zu verstehen, für Dentallegierungen jedoch nicht gut anwendbar. Die meisten Dentallegierungen liegen zwischen dem 4. und 5. Mohs'schen Härtegrad und daher bringt ein einfacher Kratztest oft keine verwertbaren Ergebnisse. Statt dessen wird in der Zahntechnik der Vickers-Härtetest angewendet. Beim Vickerstest wird ein kleiner Diamant in Form einer Pyramide mit einer genau bestimmten Kraft in die Metalloberfläche gedrückt. Daraufhin wird der im Metall hinterlassene Eindruck vermessen. In weicheren Metallen entstehen größere Eindrücke, in härteren Materialien kleinere.

Obwohl normalerweise härtere Materialien höhere Dehngrenzen haben als weichere Metalle, trifft dies beim Vergleich von Metalllegierungen nicht unbedingt zu. Darüber hinaus nimmt die Bruchdehnung normalerweise mit zunehmender Härte ab, was bewirkt, dass härtere Legierungen normalerweise spröder sind als weiche Legierungen.

Der Härtewert allein gibt keinen Aufschluss über die Fähigkeit einer Legierung, Belastungen standzuhalten.

Bruchdehnung - Die Bruchdehnung einer Legierung stellt ihre Duktilität (Verformbarkeit) dar. Man versteht darunter das Maß der permanenten Verformung, die eine Legierung bis kurz vor dem Bruch aushalten kann. Die Bruchdehnung ist einer von mehreren Werten, die durch eine Zugprobe ermittelt werden.

0,2 % Dehngrenze - Dies ist die Spannung, die erforderlich ist, um einen Prüfkörper um 0,2 % permanent zu verformen. Der Wert wird durch eine Zugprobe ermittelt und zeigt die Fähigkeit einer Legierung, einer Belastung standzuhalten, ohne sich permanent zu verformen.

Um den Begriff Dehngrenze zu verstehen, benötigt man zunächst ein Grundwissen über das Verhalten von Stoffen unter Belastung. Wenn ein gleichförmiger Prüfkörper einer Zugbelastung ausgesetzt wird, geschehen zwei grundlegende Dinge. Indem sich die Spannung im Prüfkörper erhöht, nimmt die Länge proportional, jedoch kaum wahrnehmbar zu. Bis zu einem bestimmten Punkt ist die Verformung umkehrbar bzw. elastisch und der Prüfkörper nimmt seine ursprüngliche Länge wieder an, wenn die Belastung aufhört.

Wenn die Zugbelastung auf einen bestimmten Wert ansteigt, ergibt sich plötzlich eine deutliche Verlängerung. Diese Verlängerung ist nicht mehr proportional zur Zugkraft und nicht mehr umkehrbar. Wenn die Belastung nun aufhört, bleibt der Prüfkörper länger, als er ursprünglich war. Man sagt, der Testkörper habe nachgegeben und die Zugkraft, bei der dies geschieht, ist die Dehngrenze der Legierung.

Maximale Zugfestigkeit - Als maximale Zugfestigkeit bezeichnet man die höchste Belastung, die eine Legierung bis kurz vor dem Bruch aushalten kann.

Stellen Sie sich einen gleichförmigen Prüfkörper vor, der unter Zugbelastung steht. Mit zunehmender Belastung verlängert sich der Testkörper leicht, bis seine Dehngrenze erreicht ist. An diesem Punkt tritt plötzlich eine deutliche Verlängerung auf, mit der die permanente Verformung beginnt. Normalerweise wird die Zugbelastung weiter erhöht (wobei sich der Testkörper weiter verformt), bis zu einem Punkt direkt vor dem Bruch des Testkörpers. Der Wert dieser höchsten Belastung ist die maximale Zugfestigkeit der Legierung.

Elastizitätsmodul - Das Elastizitätsmodul ist ein Wert für die Biegefestigkeit einer Legierung. Ebenso wie ein Glasstab biegefester ist als eine Büroklammer, unterscheiden sich auch Legierungen in ihrer Biegefestigkeit.

Das Elastizitätsmodul ist die proportionale Relation zwischen Belastung und Verformung und stellt das Maß der Verformung bei einer bestimmten Belastung unterhalb der Dehngrenze dar. Sie ist das Maß der elastischen oder umkehrbaren Verformung, die aufgrund der Zugbelastung auftritt.

Die Biegefestigkeit einer Legierung ist unabhängig von ihrer Härte, Dehngrenze, Bruchdehnung und maximalen Zugfestigkeit. Legierungen mit großer Festigkeit oder Härte müssen nicht unbedingt sehr biegefest sein. Die Höhe des Elastizitätsmodul ist vornehmlich abhängig von der Zusammensetzung der Legierung. Palladium ist der Bestandteil, der üblicherweise zu einer Erhöhung des Elastizitätsmodules verwendet wird; Legierungen mit einem hohen Palladiumgehalt verfügen normalerweise über ein höheres E-Modul, während hochgoldhaltige Legierungen eher niedrigere E-Module haben.

Das Elastizitätsmodul ist bei Aufbrennlegierungen von großer Bedeutung und viele Anwender halten es auch in Bezug auf Implantatkonstruktionen für wichtig.

Eine Legierung mit einem geringeren Elastizitätsmodul verformt sich unter der gleichen Belastung mehr als eine Legierung mit hohem Elastizitätsmodul. Obwohl diese Verformung umkehrbar ist und verschwindet, wenn die Belastung aufhört, muss die Verformung unter maximaler Belastung sehr klein bleiben, da sonst die auf die Legierung aufgebrannte, spröde Keramik springt.

In Bezug auf die okklusale Kräfteverteilung bei Implantatkonstruktionen, die aus mehreren Implantaten bestehen, ist die Biegefestigkeit möglicherweise von Bedeutung. Zu diesem Thema existieren zwei Theorien:

Legierungen mit höherer Biegefestigkeit sind geeigneter für Implantatarbeiten, weil die Verformung unter Belastung geringer ist und dadurch weniger punktuelle Kräfte auf die einzelnen Implantate einwirken. Die Belastung wird besser auf alle Implantate verteilt.
Legierungen mit geringerer Biegefestigkeit sind besser geeignet für Implantate, weil ein Teil der okklusalen Kräfte durch die elastische Verformung der Legierung absorbiert wird.
Glücklicherweise muss sich der Zahntechniker mit dieser Frage nicht auseinandersetzen, da die Auswahl der Legierungen, die für Implantatarbeiten geeignet sind, relativ gering ist. Der Techniker muss in der Regel bei der Auswahl verschiedene Kriterien berücksichtigen, wie beispielsweise die Keramikkompatibilität, das Schmelzintervall, die Kosten, die Löt- und Schweißbarkeit und eventuell eine Vorgabe des Implantat-Herstellers bezüglich des Goldgehaltes einer Legierung (viele werden beispielsweise die Verwendung einer Legierung mit einem Goldgehalt von mindestens 50 - 75 % empfehlen). Dadurch hat der Techniker normalerweise nur ein oder zwei Legierungen zur Auswahl, wobei oft beide ein ähnliches Elastizitätsmodul haben.

Wie beim WAK führen kleine Änderungen in der Zusammensetzung normalerweise zu keiner großen Änderung des Elastizitätmodules. Die unterschiedlichen Angaben der Hersteller bei Legierungen mit sehr ähnlicher Zusammensetzung sind höchstwahrscheinlich auf Unterschiede bei den Prüfgeräten zurückzuführen.