LS6.2 Ausgleich der thermischen Expansion und Kontraktion
Video Einbetten Käppchen
Schauen Sie sich folgende Videos an, um einen ersten Überblick über das Einbetten zu erhalten. Hinweis: Die Videos sind leider keine perfekten Anleitungen, so wurde u.a. keine Ausbettzange verwendet.
Kontraktion einer Legierung unterhalb des Soliduspunktes / im festen Zustand
Wir wissen bereits, dass Legierungen sich bei Wärme ausdehnen. Man sagt dazu auch Wärmeausdehnung oder thermische Expansion. Wenn sich die Legierungen wieder abkühlen, ziehen sie sich zusammen. Man sagt dazu auch Wärmeschrumpfung oder thermische Kontraktion.
Diese thermische Expansion und Kontraktion gilt für alle Stoffe. Jedoch expandieren und kontrahieren unterschiedliche Werkstoffe unterschiedlich stark. Beim Gießen erhitzen wir die Muffel, den feuerfesten Vlies, die Einbettmasse und die Legierung, 4 Werkstoffe mit vier unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und Wärmeschrumpfungen.
Die Legierung schrumpft im flüssigen Zustand (dies nennt man "Kontraktion im flüssigen Zustand", stört uns nicht, solange Schmelze nachfließen kann), dann erstarrt sie (dies nennt man "Erstarrungskontraktion, hier entstehen Lunker, häufig wegen falscher Anstiftung) und wenn die Schmelze nicht mehr flüssig ist, schrumpft sie noch weiter (dies nennt man "Kontraktion im festen Zustand"). Wenn Legierungen vollständig fest ("Kontraktion im festen Zustand" bzw. "Thermische Kontraktion", also unterhalb der Solidustemperatur bis zur Raumtemperatur) weiter abkühlen, erfolgt die thermische Kontraktion (auch Wärmeschrumpfung). Dabei verringert sich das Volumen um ca. 1,6 % bei Goldguss- und 2,2 % bei Modellgusslegierungen (s. Abbildung rechts). Da die Legierung beim Gießen zunächst größer ist als die Legierung später auf Raumtemperatur sein soll, muss die Gussform diese Expansion/Ausdehnung ausgleichen. Die Gussform aus Einbettmasse muss also etwas während der Verarbeitung bzw. Verwendung expandieren, um die thermische Kontraktion der Legierung auszugleichen.
Die benötigte Expansion der Einbettmasse erfolgt in 2 Schritten, die Abbindeexpansion und die thermische Expansion.
Abbindeexpansion der Einbettmasse
Abbindeexpansion ist die Expansion (Ausdehnung) durch das Abbinden (Aushärten/Erstarren) der Einbettmasse. Einbettmasse expandiert während des Abbindevorgangs. Die Abbindeexpansion unterscheidet sich je nach verwendetem Bindemittel. Bindemittel binden Stoffe zusammen, sie verbinden sie.
- Bindemittel
- Gips (nur bei Legierungen mit niedrigeren Temperaturen verwendbar)
- Phosphat
Arbeitsauftrag Lesen Sie jetzt folgende zwei Informationen:
Gipsgebundene Einbettmassen
Gipsgebundene Einbettmassen können nur bis 750°C verwendet werden, da sonst der Gips zersetzt wird. Allerdings haben sie eine glattere Oberfläche als phosphatgebundene Einbettmassen, was die Oberflächenbearbeitung nach dem Gießen verkürzt bzw. vereinfacht.
Die Abbindereaktion entspricht der Rehydratation von Modell-Gips:
[math]\displaystyle{ \text{CaSO}_4 \cdot \frac{1}{2} \text{H}_2\text{O} + \frac{3}{2} \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O} }[/math]
Gips expandiert, wie schon bekannt, bei der Rehydratation und nochmal thermisch beim Erwärmen im Vorwärmofen.
Allerdings kontrahiert Gips ab ca. 120°C wieder durch den Verlust des Kristallwassers (der Gips wird wieder dehydriert und zuerst zu Halbhydrat, ab 180°C zu Anhydrit, Vgl.: Wikipedia Gips und Lohinger/Anorganik Chemie ). Diese Kontraktion muss durch einen erhöhten Anteil an expandierenden, feuerfesten Bestandteilen (Cristobalit) ausgeglichen werden.
Ab ca. 800°C zesetzt sich der Gips (dann Anhydrit) teilweise zu Calciumoxid und Schwefeltrioxid. Danmit funktioniert er nicht mehr als Bindemittel!
[math]\displaystyle{ \text{CaSO}_4 \rightarrow \text{CaO} + \text{SO}_3 }[/math]
Phosphatgebundene Einbettmassen
Die chemische Reaktion beim Abbinden des Bindemittels von phosphatgebundener Einbettmasse lautet:
[math]\displaystyle{ MgO + NH_4H_2PO_4 + 5H_2O \rightarrow MgNH_4PO_4 \cdot 6H_2O }[/math]
Magnesiumoxid und Ammoniumphosphat reagiert unter Hinzufügen von Wasser zu Magnesium-Ammoniumphosphat mit sechs Molekülen Kristallwasser. Das Wasser ist dabei Lösungsmittel und Reaktionspartner gleichzeitig.
Beim Vorwärmen reagiert das Bindemittel erneut! Bei ungefähr 160°C wird ein Teil des Kristallwassers freigesetzt.
[math]\displaystyle{ MgNH_4PO_4 \cdot 6H_2O \rightarrow MgNH_4PO_4 \cdot H_2O + 5H_2O }[/math]
Bei ca. 250°C wird daraus Magnesium-Pyrophosphat. Dabei wird Ammoniak und das restliche Kristallwasser abgespalten. Ammoniak muss durch Absaugung sicher entfernt werden.
[math]\displaystyle{ 2 (MgNH_4PO_4 \cdot H_2O) \rightarrow Mg_2P_2O_7 + 2NH_3 + 3H_2O }[/math]
Erst diese Form des Phosphats ist glühbeständig.
Die Expansion hängt neben der Auswahl des Bindemittels von folgenden Faktoren ab:
- Verhältnis von Wasser zu Anmischflüssigkeit (nur bei phosphatgebundenen Einbettmassen)
- Dicke des Muffelvlieses (Die Einbettmasse soll in alle Richtungen expandieren. Wenn Sie bei zu dünnen Vlies nicht in Richtung Vließ/Muffelring expandieren kann, muss sie in Längsrichtung expandieren)
- Einhalten der vorgegebenen Abbindezeiten
- Verwendung eines Drucktopfes ohne Wasser
Die Anmischflüssigkeit bei phosphatgebundenen Einbettmassen ist eine Lösung von Kieselsol, also ein kollodiales (gelartiges) Siliziumhydroxid. Es geliert und kristallisiert an den Kristallen der feuerfesten Bestandteile Quarz und Cristobalit in der Einbettmassemischung. Es sorgt so für eine etwas höhere Expansion.
Arbeitsauftrag
Plane Versuche mit dem Expansiometer und den Einbettmassen, die die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Abbindeexpansion der Einbettmasse belegen! Genügt die gemessene Expansion zum Ausgleich der thermischen Kontraktion der Legierung?
Die thermische Expansion der Einbettmasse
Die Versuche zur Abbindeexpansion von Einbettmasse haben gezeigt, dass diese Expansion nicht ausreicht, um die thermische Kontraktion des Gussobjektes zwischen Soliduspunkt und Raumtemperatur auszugleichen. Es muss also noch eine weitere Expansion der Einbettmasse stattfinden!
Es handelt sich dabei um die sogenannte thermische Expansion!
Sie ist zurückzuführen auf die Zusammensetzung der Einbettmasse:
- Feuerfeste Bestandteile
- Quarz
- Cristobalit
- Tridymit
| Bestandteil | Umwandlungsvorgang | Temperaturbereich | Volumenänderung |
|---|---|---|---|
| Tridymit | β-Tridymit zu β-Christobalit | 1470 °C | + 4,7 % |
| Quarz | β-Quarz zu β-Christobalit | 1000 - 1450 °C | + 11,7 % |
| Quarz | β-Quarz zu β-Tridymit | 870 °C | + 12,7 % |
| Quarz | α-Quarz zu β-Quarz | 575 °C | + 2,4 % |
| Cristobalit | α-Cristobalit zu β-Cristobalit | 270 °C | + 5,6 % |
| Tridymit | α-Tridymit zu β-Tridymit | 117 °C | + 0,6 % |
Die feuerfesten Bestandteile der Einbettmasse sorgen für eine Expansion der Einbettmasse bei Erwärmung. Tridymit und Cristobalit sind (Hochtemperatur-)Modifikationen von Quarz (SiO2). Sie ändern/wandeln, je nach Temperatur, ihren kristallinen Aufbau und damit auch ihr Volumen. Diese Umwandlung geschieht bei bestimmten Temperaturen recht zügig! Tridymit wird, im Gegensatz zu Critobalit und Quarz, nur in kleinen Mengen verwendet.
Die thermische Umwandlung von Quarz und seinen Modifikationen hängt mit der Anordnung der Atome zusammen. Die Umwandlung von α-Quarz in β-Quarz (Tiefquarz in Hochquarz), ist mit einer Änderung des Bindungswinkels der SiO2-Moleküle von 144° auf 147° verbunden.
Arbeitsauftrag
Die thermische Umwandlung (und damit Expansion) der verschiedenen Quarz-Modifikationen findet bei den in der Grafik dargestellten Temperaturen statt. Bei welchen, zahntechnisch gesehen, relevanten Temperaturen, finden Umwandlungsprozesse der Quarz-Modifikationen Quarz, Tridymit und Cristobalit statt und wie hoch ist die jeweilige Expansion in diesem Temperaturbereich? Was bedeutet das für das Vorwärmen der Einbettmasseformen?
Lies dir nun die Verarbeitungsanleitungen für die Einbettmassen durch und vergleiche die Haltetemperaturen mit den Umwandlungsvorgängen.
Verarbeitungsanleitung phosphatgebundene Einbettmasse: findest du hier
Verarbeitungsanleitung gipsgeundene Einbettmasse: hier
Sicherheitshinweise am Beispiel von BEGO Einbettmassen: hier
Ergänzende Informationen für Interessierte
Zum Thema Einbettmasse gibt es auch einen großen Artikel in der Wikipedia.