Brevet FR2454796A1 — publié le 19801121

L'invention est relative à l'amélioration des propriétés mécaniques des porcelaines dentaires par trempe chimique. Les porcelaines dentaires sont constituées pour la majeure partie d'un noyau alumineux recouvert d'un émail vitreux d'une épaisseur assez importante présentant des parties convexes à faible rayon de courbure,ce qui les rend encore plus fragiles. Le principal défaut du verre étant sa faible résistance à la traction (ou à la flexion), et,les fractures partant toujours de la surface,il est possible en mettant celle ci en compression d'augmenter d'autant la résistance à la traction de l'ensemble. Pour ce,il existe plusieurs méthodes bien connues dans le domaine verrier: La trempe thermique consiste à refroidir rapidement la surface de l'article du point de ramollissement à une température inférieure à la température minimale de relaxation des contraintes.Le coeur de l'objet met alors la surface en compression en refroidissant. Cette méthode est difficilement applicable aux porcelaines dentaires qui sont des matériaux composites à parois d'épaisseurs trés inégales et souvent minces. On peut déposer sur la surface un émail à coefficient de dilatation inférieur à celui du coeur; cet émail est mis en compression par le coeur lors du refroidissement.Dans le cas des céramiques dentaires,cette mise en compression pourrait être effectuée par le noyau s'il avait un coefficient de dilatation nettement supérieur à celui de l'émail.Ceci présente deux inconvénients qui sont:la mise en traction du noyau déjà fragile,et les risques d'éclat sur les rayons convexes. La trempe chimique consiste à échanger,à une température suffisamment basse pour éviter la relaxation des contraintes,les ions alcalins de la surface du verre par des ions alcalins de taille supérieure apportés par un sel fondu (par exemple Lithium par Sodium ou Sodium par Potassium).Cet échange qui peut avoir lieu sur quelques centaines de microns d'épaisseur produit des contraintes dont la grandeur est directement liée à la différence de taille des ions échangés. Dans le cas des céramiques dentaires,la méthode dont la mise en oeuvre est trés simple permet une augmentation importante de la résistance à la traction et de la dureté superficielle sans fragilisation du noyau et sans modification de forme ni de teinte. La résistance mécanique des porcelaines dentaires a été augmentée dans une première étape par la cuisson sous vide. Cette technique qui a pour effet de réduire la bullosité du produit permet,outre l'amélioration des qualités esthétiques,une augmentation de 20% de la résistance à la traction. Plus récemment,la fabrication de masse noyau contenant des inclusions d'alumine en quantité croissante (jusqu'à 20% Vol.)a permis une augmentation de 10 % de la résistance à la traction de celui ci. Cette technique d'addition de particules destinées à réduire la longueur de la faille de Griffith moyenne dans le matériau ne peut pas être appliquée à l'émail pour des raisons d'esthétique.Les fractures dans les matériaux vitreux partant en général de la surface,il était important d'améliorer la résistance à la traction de celle ci sans en modifier l'aspect. L'invention a pour but l'amélioration par trempe chimique de la résistance à la traction (donc à la flexion) de la couche superficielle des céramiques dentaires. Appliquée à un émail de composition propre à l'échange ionique qui fait aussi l'objet de la présente invention,la trempe chimique permet d'augmenter dans de grandes proportions la résistance à la traction de celui ci sans altérer ni les formes ni les qualités esthétiques de la prothèse. L'invention a aussi pour but de définir des compositions d'émail compatibles avec l'usage dentaire et contenant suffisamment d'alcalins légers (Na et/ou Li)suceptibles d'être échangés contre des ions de taille supérieure ( Na ou K ). Au même titre que la composition de l'émail,la définition du traitement de trempe (température et temps ) et de la composition du bain de sels fondus fait l'objet de cette invention. La facilité du traitement de la prothèse,sa rapidité et son faible prix de revient sont également des buts recherchés de cette invention. L'amélioration de la résistance à la traction apportée par l'invention permet d'augmenter la fiabilité des couronnes céramiques et des couronnes et bridges céramo-métalliques,des facettes à crampons platine et des dents en porcelaine à crampons. L'invention permet notamment l'extension de l'utilisation des couronnes céramiques au détriment des céramo-métalliques dont l'esthétique est moins bonne et dont la mise en oeuvre est plus longue et plus couteuse. La présente invention qui consiste à mettre en compression la surface d'un émail dentaire par trempe chimique peut être réalisée facilement de la manière suivante: la prothèse fabriquée selon les techniques habituelles sera recouverte d'un émail de composition propre à l'échange ionique,c'est à dire un alumino silicate contenant entre 5 et 20% poids de Na20 ou de Li20 destinés à être échangés et 5 à 20% poids A1203 et/ou 5 à 15% p. Zr02 destinés à faciliter l'échange. Une fois terminée,la prothese sera plongée aprés préchauffage dans un bain de sel fondu pendant le temps nécessaire pour que l'échange conduise à la mise en compression optimale puis,retirée et lavée à l'eau aprés refroidissement à l'air. Le bain de sels qui peut être contenu dans une nacelle en acier inoxydable sera selon les cas du KN03,un mélange K2S04 - KC1 ou un mélange NaN03 - Na2S04 La température du bain sera choisie suffisamment inférieure au point de ramollissement de l'émail de façon à éviter la relaxation des contraintes crées par l'échange. Température et temps de traitement sont fonction de la viscosité du verre;quand la température augmente,la viscosité diminue en entrainant une augmentation de la vitesse d'échange mais aussi une augmentation de la vitesse de relaxation des contraintes. Les températures habituellement utilisées sont comprises entre le Strain Point et le Point de transformation du verre,domaine dans lequel la viscosité est comprise entre 3.1014 et 1013 Poises.Les temps de traitement usuels sont compris entre 5 minutes et 5 heures. L'exemple suivant qui n1 est pas limitatif permettra de mieux comprendre l'intérêt de l'invention. Un émail de composition pondérale: SiO2 66% - Al 0 15% - CaO 1% - Na20 10% - B203 8% 23 23 est fondu dans un creuset de platine à environ 1450 C pendant 3 heures à partir des matières premières suivantes: Silice tSiO2 - Alumine hydratée:Al(0H)3 - Calcite:CaC03 - Carbonate de Soude Na2CO3 - Acide orthoborique H3B03 Le verre dont les caractéristiques dilatométriques sont les suivantes: Coefficient de dilatation 20 -400tC = 6.10 -6 mm/mm C Point de transformation Tg = 5600C Point de ramollisement Pr = 6300C est coulé dans l'eau,séché et broyé à une taille inférieure à 150 microns. L'émail obtenu est humecté et pressé en barreaux sous 200 Kg/mm dans un moule parallélépipédique de dimensions L X 1 X h = 50 x 6 x 8 mm Les barreaux sont étuvés sous vide pendant une nuit à 5000C,cuits sous vide à 9500C pendant une heure puis refroidis dans le four à raison de 500C /heure. Ils sont alors usinés à l'aide d'une réctifieuse diamantée à la forme nécessaire pour les essais de flexion (Parallélépipèdes de taille L x l x h = 40x5x3mm Chaque face est ensuite abrasée au carborandum 800 puis au papier abrasif grit 600 Américain . Les barreaux posés à plat sur de la silice talquée sont alors glaçés sous vide pendant 3 minutes à 9400C,recuits 1 heure à 6000C et refroidis dans le four afin d'éviter les contraintes thermiques. Un bain de nitrate de Potassium fondu contenu dans une nacelle en acier inoxidable est maintenu à 4800C dans un four tubulaire vertical. Les barreaux placés par série de cinq dans une nacelle en fils de platine fins sont d'abord préchauffés audessus du bain pendant 10 minutes,puis trempés dans le sel fondu pendant le temps désiré ( 5-10-15-20 minutes). A l'issue du traitement,ils sont refroidis à l'air puis rincés à l'eau. L'efficacité de l'échange Na - K est mesuré en fluorescence X par l'évolution du rapport K/Si en fonction du temps de traitement. Sur la figure 1 qui représente l'évolution de ce rapport on voit qu'à la température considérée l'échange est pratiquement complet aprés 20 minutes. La résistance à la flexion des barreaux est mesurée sur une machine d'essai INSTRON en flexion 3 points. Les couteaux inférieurs sont distants de 30 mm et la vitesse de la machine est de 0,1 mm/min. La contrainte de traction à la rupture sur la fibre externe est calculée par la formule 6 Kg/mm = 3-P 1 2 b h2 où P = charge de rupture en Kg 1 = distance entre les couteaux (30mu) b = largeur du barreau mm h = hauteur du barreau mm On peut voir sur la fig. 2 qui représente l'évolution de la résistance à la traction en fonction du temps de traitement que celle ci augmente d'abord rapidement,passe par un maximum de 13 Kg/mm pour un temps de 5 minutes puis décroît lentement quand le temps de traitement augmente. Le taux d'échange à 5 min n'étant que de 65% pour la température considérée de 4800C, il est possible à une température inférieure d'augmenter encore la résistance à la traction maximale en augmentant ce taux d'échange. La formule de l'émail dont le renforcement est décrit dans cet exemple a permis la réalisation de couronnes dont les caractéristiques de forme et d'esthétique comparables à celles obtenues avec les émaux classiques n'ont en rien été altérées par la trempe chimique. REVENDICATIONS 1. Procédé de renforcement mécanique des porcelaines dentaires caractérisé par le fait que la surface émaillée de l'objet fini est mise en compression par l'échange à une température comprise entre 2000C et le Point de Transformation de l'émail,des ions alcalins voisins-de sa surface contre des ions alcalins de taille supérieure provenant d'un bain de sel fondu dans lequel est plongé l'objet. 2. Un procédé de renforcement des porcelaines dentaires selon la revendication n01 dans lequel la composition de l'émail est caractérisée par le fait qu'il est un alumino silicate contenant un pourcentage poids sur les oxydes de 5 à 20 % d'Al203 et/ou 5 à 15% de ZrO2 et 5 à 20% d'un oxyde alcalin léger pouvant être Na2O. 3. Un procédé de renforcement selon la revendication n01 dans lequel la composition de l'émail telle qu'elle est définie dans la revendication nO 2 est caractérisée par le fait que l'oxyde alcalin léger y est Li20 4. Un procédé de renforcement selon les revendications n0 1 et 2 caractérisé par le fait que le bain de sel fondu est du KN03 ou un mélange K2SO4 - KCl 5. Un procédé de renforcement selon les revendications nO 1 et 3 caractérisé par le fait que le bain de sel fondu est un mélange NaN03 - Na2 SO4 6. Couronne Jacket renforcée par le procédé tel que décrit dans les revendications nO 1 à 5 7. Couronne ou bridge céramo-métallique renforcé par le procédé tel que décrit dans les revendications n" 1 à 5 8. Facette à crampons platine renforcée par le procédé tel que décrit dans les revendications n" 1 à 5. 9. Dents en porcelaine à crampons renforcées par le procédé tel que décrit dans les revendications nO ] à 5