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LS6.2 Ausgleich der thermischen Expansion und Kontraktion: Unterschied zwischen den Versionen

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=Vorwort<ref>HH</ref>=
== Video Einbetten Käppchen ==
Der Gussvorgang besteht aus mehreren Schritten. Zuerst wird die Gusshohlform, auch Gussmuffel genannt, langsam und gleichmäßig auf die gewünschte Vorwärmtemperatur erhitzt. Diese Temperatur hängt hauptsächlich von der Einbettmasse ab, da deren Ausdehnungswerte direkt von der Temperatur beeinflusst werden. Die Vorwärmtemperatur des Gussmetalls spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Hersteller stellen sicher, dass die Vorwärmtemperaturen der Einbettmassen so abgestimmt sind, dass sie mit den üblichen Gusslegierungen kompatibel sind und keine Unterschiede zwischen der Ausdehnungs- und Vorwärmtemperatur auftreten.
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.


Zahntechnische Gussverfahren sind nicht für das Gießen in unterkühlte Formen geeignet. Aufgrund der filigranen und dünnwandigen Natur der dentalen Gussobjekte lassen sich die Schwindungen nicht präzise berechnen, und die Form kann nicht so gestaltet werden, dass Abkühlung und Schrumpfung wie bei industriellen Verfahren kontrolliert werden können.
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Wird die Vorwärmtemperatur zu hoch gewählt, dehnt sich der Gusshohlraum zu stark aus, was dazu führt, dass das fertige Gussobjekt zu groß wird. Zudem verzögert die überschüssige Wärme die Abkühlung und Erstarrung des Gussmetalls, was ein grobkörniges Gefüge zur Folge hat.
<html><iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube-nocookie.com/embed/pBewxp4tndk?si=WclYURRL5Dkkmqtp" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe></html>


Ist die Vorwärmtemperatur hingegen zu niedrig, bleibt das Gussobjekt zu klein, da der Gusshohlraum nicht ausreichend expandiert. Dies kann auch zu einem Fehlguss führen, bei dem das Gussobjekt in den Randbereichen oder in sehr dünnen Teilen nicht vollständig ausgefüllt wird.
== Kontraktion einer Legierung unterhalb des Soliduspunktes / im festen Zustand ==
 
<!--=Wärmeausdehnungskoeffizient=
 
Der '''W'''ärme'''a'''usdehnungs'''k'''oeffizient (WAK) ist ein Materialwert, der angibt, wie stark sich ein Werkstoff bei Temperaturänderung ausdehnt (auseinandergezogen wird) oder staucht (zusammengedrückt wird). Der WAK-Wert wird normalerweise in 10<sup>-6</sup> · K<sup>-1</sup> angegeben.
 
[[File:Kelvin_Grad_Celsius.png|thumb|right|100px| Kelvin und Grad Celsius]]Die '''Einheit Kelvin (K)''' ist wie Grad Celsius eine Temperatureinheit (siehe Abbildung rechts). Grad Celsius hat seinen Nullpunkt bei dem Gefrierpunkt von Wasser (bei 0°C gefriert Wasser). Kelvin hat seinen Nullpunkt bei dem Punkt, an dem es keine thermische Bewegung mehr gibt. 0 K sind -237,15 °C. Ansonsten bleibt alles gleich. Eine Temperaturänderung von 1 K ist genauso groß wie eine Temperaturänderung von 1°C.
 
'''Ein Beispiel''': Ein 1 Meter lange Kupferstange mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16,4 · 10<sup>-6</sup> 1/K wird sich bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin auf 1,0000164 Meter dehnen (1m+1m*16,4 · 10<sup>-6</sup>1/K · 1K).
-->
== Kontraktion einer Legierung unterhalb des Soliduspunktes ==
 
<!--[[Bild:Thermische_kontraktion.png|thumb|right| Erstarrung- und Thermische Kontraktion]]Zwischen Solidustemperatur und Raumtemperatur erfolgt die '''''Thermische Kontraktion'''''. Ca. 1,6 % bei Goldguss- und 2,2% bei Modellgusslegierungen. Sie muss durch eine entsprechende Vergrößerung der Gussform ausgeglichen werden. In der Zahntechnik besteht die Gussform aus Einbettmasse. Diese Einbettmasse expandiert während ihrer Verarbeitung bzw. Verwendung, um die thermische Kontraktion der Legierung auszugleichen.-->


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.
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.
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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.  
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.  


[[Bild:Thermische_kontraktion.png|thumb|right| Erstarrung- und Thermische Kontraktion]]Wenn Legierungen vollständig fest(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.  
[[Bild:Thermische_kontraktion.png|thumb|right| Erstarrung- und Thermische Kontraktion]]
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.
Die benötigte Expansion der Einbettmasse erfolgt in 2 Schritten, die Abbindeexpansion und die thermische Expansion.
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*Bindemittel
*Bindemittel
**Gips (nur bei Vollguss)
**Gips (nur bei Volluss, nicht für Aufbrennlegierungen)
**Phosphat
**Phosphat


! Bitte lese hier auch folgende Links:
 
<div {{Arbeitsblatt}}>
'''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>
\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>
 
<!--
<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathrm{2&space;\&space;(CaSO_4&space;\&space;x&space;\&space;1/2&space;H_2O)&space;\&space;&plus;&space;\&space;3&space;H_2O&space;\longrightarrow&space;2&space;\&space;(CaSO_4&space;\&space;x&space;\&space;2&space;H_2O)}" title="\mathrm{2 \ (CaSO_4 \ x \ 1/2 H_2O) \ + \ 3 H_2O \longrightarrow 2 \ (CaSO_4 \ x \ 2 H_2O)}" /></html>
-->
 
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, [http://de.wikipedia.org/wiki/Gips Vgl.: Wikipedia Gips] und [http://anorganik.chemie.vias.org/calciumsulfat_gips.html 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>
\text{CaSO}_4 \rightarrow \text{CaO} + \text{SO}_3
</math>
<!--
<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathrm{&space;CaSO_4&space;\longrightarrow&space;CaO\&space;&plus;&space;\&space;SO_3}" title="\mathrm{ CaSO_4 \longrightarrow CaO\ + \ SO_3}" /></html>
-->
 
==== Phosphatgebundene Einbettmassen ====
Die chemische Reaktion beim Abbinden des Bindemittels von phosphatgebundener Einbettmasse lautet:
 
<math>
MgO + NH_4H_2PO_4 + 5H_2O \rightarrow MgNH_4PO_4 \cdot 6H_2O
</math>
 
<!--
<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathrm{MgO&space;&plus;&space;NH_4H_2PO_4&space;&plus;&space;\&space;5&space;H_2O&space;\longrightarrow&space;MgNH_4PO_4&space;x&space;\&space;6&space;H_2O}" title="\mathrm{MgO + NH_4H_2PO_4 + \ 5 H_2O \longrightarrow MgNH_4PO_4 x \ 6 H_2O}" /></html>
-->
 
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>MgNH_4PO_4 \cdot 6H_2O \rightarrow MgNH_4PO_4 \cdot H_2O + 5H_2O</math>
 
<!--
<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathrm{MgNH_4PO_4&space;\&space;x&space;\&space;6&space;H_2O&space;\longrightarrow&space;MgNH_4PO_4&space;\&space;x&space;\&space;H_2O&space;&plus;&space;\&space;5&space;H_2O}" title="\mathrm{MgNH_4PO_4 \ x \ 6 H_2O \longrightarrow MgNH_4PO_4 \ x \ H_2O + \ 5 H_2O}" /></html>
-->
 
Bei ca. 250°C wird daraus Magnesium-Pyrophosphat. Dabei wird [http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak Ammoniak] und das restliche Kristallwasser abgespalten. [http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak Ammoniak] muss durch Absaugung sicher entfernt werden.
 
<math>2 (MgNH_4PO_4 \cdot H_2O) \rightarrow Mg_2P_2O_7 + 2NH_3 + 3H_2O</math>
 
<!--
<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathrm{2&space;\&space;(MgNH_4PO_4&space;\&space;x&space;\&space;H_2O)&space;\longrightarrow&space;Mg_2P_2O_7&space;\&space;&plus;&space;\&space;2NH_3&space;&plus;&space;\&space;3&space;H_2O}" title="\mathrm{2 \ (MgNH_4PO_4 \ x \ H_2O) \longrightarrow Mg_2P_2O_7 \ + \ 2NH_3 + \ 3 H_2O}" /></html>
-->
 
Erst diese Form des Phosphats ist glühbeständig.
 
 
 
<!--
* [[Gipsgebundene Einbettmassen]]
* [[Gipsgebundene Einbettmassen]]
* [[Phosphatgebundene Einbettmassen]]
* [[Phosphatgebundene Einbettmassen]]
-->
</div>


Die Expansion hängt neben der Auswahl des Bindemittels von folgenden Faktoren ab:
Die Expansion hängt neben der Auswahl des Bindemittels von folgenden Faktoren ab:
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#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)
#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
#Einhalten der vorgegebenen Abbindezeiten
#Verwendung eines Drucktopfes (?)
#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.
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.
<div {{Arbeitsblatt}}>
'''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?
</div>


=== Die thermische Expansion der Einbettmasse ===
=== Die thermische Expansion der Einbettmasse ===
<!--[[Bild:Einbettmasseexpansion.png|300px|right]]-->
<!--[[Bild:Einbettmasseexpansion.png|300px|right]]-->
[[File:Temperatur_Dehnungsdiagramm Gips Quarz Christobalit und Tridymit.png|400px|right|Temperatur_Dehnungsdiagramm Gips, Quarz, Christobalit und Tridymit]]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!
[[File:Temperatur_Dehnungsdiagramm Gips Quarz Christobalit und Tridymit.png|400px|right|Temperatur_Dehnungsdiagramm Gips, Quarz, Christobalit und Tridymit]] 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 so genannte ''thermische Expansion''!
Es handelt sich dabei um die sogenannte ''thermische Expansion''!


Sie ist zurückzuführen auf die Zusammensetzung der Einbettmasse:
Sie ist zurückzuführen auf die Zusammensetzung der Einbettmasse:
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Die feuerfesten Bestandteile der Einbettmasse sorgen für eine Expansion der Einbettmasse bei Erwärmung. [http://de.wikipedia.org/wiki/Tridymit Tridymit] und [http://de.wikipedia.org/wiki/Cristobalit Cristobalit] sind (Hochtemperatur-)Modifikationen von [http://de.wikipedia.org/wiki/Quarz Quarz] (SiO<sub>2</sub>). 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 feuerfesten Bestandteile der Einbettmasse sorgen für eine Expansion der Einbettmasse bei Erwärmung. [http://de.wikipedia.org/wiki/Tridymit Tridymit] und [http://de.wikipedia.org/wiki/Cristobalit Cristobalit] sind (Hochtemperatur-)Modifikationen von [http://de.wikipedia.org/wiki/Quarz Quarz] (SiO<sub>2</sub>). 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 Anordung der Atome zusammen.
Die thermische Umwandlung von Quarz und seinen Modifikationen hängt mit der Anordnung der Atome zusammen.
Die Umwandlung von <html>&alpha;</html>-Quarz in <html>&beta;</html>-Quarz (Tiefquarz in Hochquarz), ist mit einer Änderung des Bindungswinkels der SiO<sub>2</sub>-Moleküle von 144° auf 147° verbunden.  
Die Umwandlung von <html>&alpha;</html>-Quarz in <html>&beta;</html>-Quarz (Tiefquarz in Hochquarz), ist mit einer Änderung des Bindungswinkels der SiO<sub>2</sub>-Moleküle von 144° auf 147° verbunden.  


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'''Arbeitsauftrag'''
'''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?
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.
Lies dir nun die Verarbeitungsanleitungen und Sicherheitshinweise für die Einbettmassen durch und vergleiche die Haltetemperaturen mit den Umwandlungsvorgängen.


Verarbeitungsanleitung phosphatgebundene Einbettmasse: [http://www.bego.com/fileadmin/_products/pdf/de_19224_2014_ga_de.pdf findest du hier]
Verarbeitungsanleitung phosphatgebundene Einbettmasse: [http://www.bego.com/fileadmin/_products/pdf/de_19224_2014_ga_de.pdf findest du hier]


Verarbeitungsanleitung Gipsgeundene Einbettmasse: [http://www.hinrichs-dental-shop.de/anleitungen/Hinrivest%20G%20d_engl.pdf hier]
Sicherheitshinweise phosphatgebundene Einbettmasse am Beispiel von BEGO Einbettmassen: [https://www.laboshop.com/fileadmin/media/ga/40250_ga_deu.pdf hier]
 
Verarbeitungsanleitung gipsgeundene Einbettmasse: [http://www.hinrichs-dental-shop.de/anleitungen/Hinrivest%20G%20d_engl.pdf hier]
 
Sicherheitsdatenblatt gipsgeundene Einbettmasse am Beispiel von Hinrivest G [https://www.hinrichs-dental-shop.de/sicherheitsdb/100250_Einbettmassen_gipsgebunden.pdf hier]
</div>
</div>


'''Ergänzende Informationen für Interessierte'''
'''Ergänzende Informationen für Interessierte'''


Zum Thema Einbettmasse gibt es auch einen [https://de.wikipedia.org/wiki/Einbettmasse großen Artikel in der Wikipedia].
Zum Thema Einbettmasse gibt es auch einen [https://de.wikipedia.org/wiki/Einbettmasse großen Artikel in der Wikipedia].

Aktuelle Version vom 19. Januar 2025, 13:46 Uhr

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.

Erstarrung- und Thermische Kontraktion

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 Volluss, nicht für Aufbrennlegierungen)
    • 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:

  1. Verhältnis von Wasser zu Anmischflüssigkeit (nur bei phosphatgebundenen Einbettmassen)
  2. 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)
  3. Einhalten der vorgegebenen Abbindezeiten
  4. 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

Temperatur_Dehnungsdiagramm Gips, Quarz, Christobalit und Tridymit

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
Umwandlungsvorgänge der feuerfesten Bestandteile
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 und Sicherheitshinweise für die Einbettmassen durch und vergleiche die Haltetemperaturen mit den Umwandlungsvorgängen.

Verarbeitungsanleitung phosphatgebundene Einbettmasse: findest du hier

Sicherheitshinweise phosphatgebundene Einbettmasse am Beispiel von BEGO Einbettmassen: hier

Verarbeitungsanleitung gipsgeundene Einbettmasse: hier

Sicherheitsdatenblatt gipsgeundene Einbettmasse am Beispiel von Hinrivest G hier


Ergänzende Informationen für Interessierte

Zum Thema Einbettmasse gibt es auch einen großen Artikel in der Wikipedia.