DE102016122575B4 - Method for machining a workpiece made of a metallic material - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) aus einem metallischen Werkstoff, wobei das Werkstück (1) mittels ECAP bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) nach der Bearbeitung mittels ECAP mittels Hämmern nachbearbeitet wird, um eine Durchmesserreduktion zu erzielen.Method for machining a workpiece (1) from a metallic material, wherein the workpiece (1) is machined by means of ECAP, characterized in that the workpiece (1) is post-processed by means of hammering after machining by means of ECAP, in order to achieve a diameter reduction.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff, wobei das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird.The invention relates to a method for machining a workpiece made of a metallic material, wherein the workpiece is machined by means of ECAP.
Es sind Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, die unter der Abkürzung SPD zusammengefasst werden. Die Abkürzung SPD steht für „Severe Plastic Deformation“. Hierbei handelt es sich um Verfahren, bei denen ein Werkstück aus Metall einer sehr großen plastischen Verformung unterzogen werden, um ein ultrafeines Gefüge (UFG „ultra fine grained“) herzustellen. Das Gefüge kann hierbei eine durchschnittliche Korngröße von kleiner 1 µm erreichen und weist oft an den Korngrenzen große Ausrichtungswinkel auf. Zu den SPD-Verfahren gehören unter anderem ECAP („Equal Channel Angular Pressing“), ARB („Accumulative Roll-Bonding“), HPT („High Pressure Torsion“), RCS („Repetitive Corrugation and Straightening“), CEC („Cyclic Extrusion Compression“), „torsion extrusion“, STS („Severe Torsion Straining“), CCDF („Cyclic Closed-Die Forging“) und SSMR („Super Short Multi-pass Rolling).Methods are known for machining workpieces, which are summarized under the abbreviation SPD. The abbreviation SPD stands for Severe Plastic Deformation. These are processes in which a metal workpiece is subjected to a very large plastic deformation in order to produce an ultrafine texture (UFG). The microstructure can in this case reach an average grain size of less than 1 μm and often has large orientation angles at the grain boundaries. SPD techniques include ECAP ("Equal Channel Angular Pressing"), Accumulative Roll-Bonding (ARB), High Pressure Torsion (HPT), Repetitive Corrugation and Straightening (RCS), CEC (" Cyclic Extrusion Compression ")," torsion extrusion "," Severe Torsion Straining "(STS)," Cyclic Closed-Die Forging "(CCDF) and" Super Short Multi-pass Rolling "(SSMR).
Beim ECAP handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Werkstück durch mindestens zwei ineinander übergehende Kanäle gepresst wird, wobei die Kanäle einen identischen Querschnitt aufweisen und der Übergang zwischen den Kanälen in einem beliebigen Winkel, vorzugsweise zwischen 80° und 140°, abgewinkelt ist. Die plastische Umformung des Werkstoffs des Werkstücks beim Durchpressen des Übergangs zwischen den Kanälen kann zu einer deutlichen Verfeinerung des Werkstoffgefüges und dadurch zu verbesserten Werkstoffeigenschaften führen. Eine Bearbeitung eines Werkstücks mittels ECAP ist beispielsweise in der
Medizinische Implantate bestehen vielfach aus Reintitan, das eine sehr gute Biokompatibilität aufweist. Nachteilig bei solchen Implantaten kann jedoch die relativ geringe mechanische Festigkeit dieses Werkstoffs sein. Diese kann zwar durch die Verwendung von Titanlegierungen erheblich erhöht werden, dies jedoch in der Regel zu Lasten der Biokompatibilität und damit gegebenenfalls der Verweilzeit der daraus bestehenden Implantate in einem menschlichen oder tierischen Körper.Medical implants are often made of pure titanium, which has a very good biocompatibility. A disadvantage of such implants, however, may be the relatively low mechanical strength of this material. Although this can be significantly increased by the use of titanium alloys, but this usually at the expense of biocompatibility and thus possibly the residence time of the implants consisting thereof in a human or animal body.
Die in den o.g. Druckschriften zur Durchführung von ECAP genutzten Vorrichtungen sind hinsichtlich der Abmessungen und insbesondere hinsichtlich der Länge der zu bearbeitenden Werkstücke eingeschränkt. Dies ist insbesondere in dem begrenzten Hub der Stempel, mittels dessen die Werkstücke durch die Kanäle der jeweiligen Werkzeuge gepresst werden, begründet. Zur Beseitigung dieses Nachteils soll gemäß der
In der Veröffentlichung von Bruder, Enrico, et al. „Severe Plastic Deformation by Equal Channel Angular Swaging“ ist ein abgekürzt als ECAS bezeichnetes Verfahren beschrieben, dass die Prinzipien von ECAP und Hämmern kombinieren soll, jedoch ohne das für konventionelles Hämmern charakteristische Rotieren des Werkstücks relativ zu den Werkzeugen. Dabei wird das abgewandelte Hämmern stets gleichzeitig mit dem ECAP durchgeführt.In the publication by Bruder, Enrico, et al. "Severe Plastic Deformation by Equal Channel Angular Swaging" is a process, abbreviated to ECAS, which is intended to combine the principles of ECAP and hammers, but without the conventional hammering of rotating the workpiece relative to the tools. The modified hammering is always carried out simultaneously with the ECAP.
Die
Aus der
Die Veröffentlichung von Pachla, W. et al.: „Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2“ in „Journal of Materials Processing Technology“, 221 (2015), S. 225 bis 268, beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, das eine hydrostatische Extrusion mit einer Nachbearbeitung mittels Hämmerns kombiniert.The publication by Pachla, W. et al .: "Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das mechanische Materialeigenschaften eines mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks weiter verbessert werden können und gleichzeitig die Länge dieses Werkstücks vergrößert werden kann. Starting from this prior art, the invention has the object to provide a method by which mechanical material properties of a machined by ECAP workpiece can be further improved and at the same time the length of this workpiece can be increased.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Verwendungen eines erfindungsgemäß hergestellten Werkstücks sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved by means of a method according to the
Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, das aus (mindestens) einem metallischen Werkstoff besteht oder einen solchen umfasst, wobei das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach der Bearbeitung mittels ECAP mittels Hämmerns nachbearbeitet wird. Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass auf diese Weise mechanische Materialeigenschaften des Werkstoffs eines zuvor bereits mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks und insbesondere dessen Zugfestigkeit und/oder dessen Härte erheblich verbessert beziehungsweise erhöht werden können. Diese Erkenntnis war insbesondere auch deshalb überraschend, weil andere Verfahren zur umformenden Nachbearbeitung, beispielsweise Walzen, eines zuvor mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks diese Verbesserungen nicht immer bewirken, sondern, im Gegenteil, in Abhängigkeit des Umformgrads sogar Verbesserungen der mechanischen Materialeigenschaften, die zuvor durch ECAP realisiert wurden, wieder verringern. Selbst wenn eine Verbesserung eintrifft, wird zumeist nur die Festigkeit erhöht, während die Duktilität gravierend herab gesetzt wird und bei Überlastung spröde oder mit sehr geringer Verformung bricht. Solche Materialien eignen sich nicht als Konstruktionswerkstoffe.A method for machining a workpiece which consists of or comprises at least one metallic material, wherein the workpiece is machined by means of ECAP, is inventively characterized in that the workpiece is post-processed after machining by means of ECAP by means of hammering. Surprisingly, it was found that in this way mechanical material properties of the material of a previously machined by ECAP workpiece and in particular its tensile strength and / or hardness can be significantly improved or increased. This finding was surprising, in particular, because other processes for reshaping post-processing, for example rolling, a previously machined by ECAP workpiece these improvements do not always cause, but on the contrary, depending on the degree of deformation even improvements in the mechanical material properties, previously realized by ECAP were, again reduce. Even if an improvement occurs, usually only the strength is increased, while the ductility is set down seriously and breaks brittle in overload or with very little deformation. Such materials are not suitable as construction materials.
Wie bereits ausgeführt wurde ist eine Bearbeitung mittels ECAP grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück durch mindestens zwei, aber auch drei oder mehrere ineinander übergehende Kanäle gepresst wird, wobei die Kanäle vorzugsweise einen identischen Querschnitt aufweisen und der Übergang zwischen den Kanälen abgewinkelt ist. Die plastische Umformung des Werkstoffs des Werkstücks beim Durchgang des Übergangs zwischen den Kanälen kann zu einer deutlichen Verfeinerung des Werkstoffgefüges und dadurch zu verbesserten Materialeigenschaften führen. Insbesondere kann dadurch die Zugfestigkeit und/oder die Härte des Werkstoffs gegenüber dem Ausgangszustand (vor der Bearbeitung mittels ECAP) deutlich erhöht werden.As already stated, a machining by means of ECAP is basically characterized in that a workpiece is pressed through at least two, but also three or more channels merging into one another, wherein the channels preferably have an identical cross section and the transition between the channels is angled. The plastic deformation of the material of the workpiece during passage of the transition between the channels can lead to a significant refinement of the material structure and thereby to improved material properties. In particular, this can significantly increase the tensile strength and / or the hardness of the material compared with the initial state (before processing by means of ECAP).
Die
Eine besonders ausgeprägte Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch ein mehrfaches und insbesondere zweifaches ECAP erreicht werden. Dies kann auch in einem Bearbeitungsdurchgang erfolgen, wenn das für ECAP genutzte Werkzeug mindestens drei Kanäle aufweist, von denen jeweils zwei entsprechend abgewinkelt ineinander übergehen, wie dies beispielhaft in der
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns in mehreren Durchgängen erfolgt, wobei jede Umformung einen Umformgrad von 0,05 bis 2, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 und besonders bevorzugt von 0,15 bis 0,3 hat.Preferably, it can be provided that the deformation of the workpiece by means of hammering takes place in several passes, wherein each deformation has a degree of deformation of 0.05 to 2, preferably from 0.1 to 0.5 and particularly preferably from 0.15 to 0.3 ,
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns bei einer Temperatur (des Werkstücks) von 10°C bis 600°C, vorzugsweise von 12°C bis 380°C und besonders bevorzugt von 14°C bis 250°C stattfindet.Furthermore, it can be provided that the deformation of the workpiece takes place by means of hammering at a temperature (of the workpiece) of 10 ° C to 600 ° C, preferably 12 ° C to 380 ° C and more preferably 14 ° C to 250 ° C.
Hämmern, das auch als Kneten oder Rundkneten (bei einer Bearbeitung von im Querschnitt runden Werkstücken) bekannt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Werkzeuge (
Hämmern kann erfindungsgemäß in Ausführungen vorgesehen sein, in denen das Werkstück (
Ein Vorteil des Hämmerns ist, dass mit jedem Werkzeughub nur eine kurzweilige Umformung an einer Stelle (Werkzeugeingriff) stattfindet. Dadurch entstehen im Bauteil insgesamt weniger Spannungen als beispielsweise beim Strangpressen, wo der ganze Querschnitt des Werkstücks durch einen Engpass gepresst wird. Das Material kann aufgrund dieses Vorteils beim Hämmern einer größeren Verformung unterzogen werden, ohne dass eine Ausbildung von Rissen oder eine zu große Versprödung zu erwarten ist.An advantage of hammering is that with each tool stroke only a brief forming takes place at one point (tool engagement). As a result, there are fewer stresses in the component than, for example, in extrusion molding, where the entire cross section of the workpiece is pressed through a bottleneck. The material can be subjected to greater deformation during hammering because of this advantage, without the formation of cracks or excessive embrittlement.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines resorbierbaren oder nicht resorbierbaren medizinischen Implantats, beispielsweise eines Dentalimplantats oder Zahnimplantats. Ein solches medizinisches Implantat kann alternativ auch in Form einer Schraube, einer Platte, eines Nagels, eines Drahts, einer Folie oder eines Scaffolds, insbesondere eines Stents, ausgebildet sein. Die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbare Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften kann sich insbesondere bei Implantaten positiv auswirkenA preferred use of a method according to the invention is the production of a resorbable or non-resorbable medical implant, for example a dental implant or dental implant. Alternatively, such a medical implant may also be in the form of a screw, a plate, a nail, a wire, a foil or a scaffold, in particular a stent. The achievable by means of a method according to the invention improvement of the mechanical material properties may have a positive effect especially in implants
Da der primäre Zweck der Nachbearbeitung des Werkstücks mittels Hämmerns im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften ist, kann vorgesehen sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren einzusetzen, um einen Rohling beziehungsweise eine Halbzeug, d.h. ein für eine Weiterverarbeitung vorgesehenes Werkstück, herzustellen.Since the primary purpose of reworking the workpiece by means of hammering in the context of a method according to the invention is an improvement of the mechanical material properties, provision can be made to use a method according to the invention for producing a blank or a semifinished product, i. a workpiece intended for further processing.
Der Zweck der Nachbearbeitung des Werkstücks mittels Hämmerns im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zumindest auch im Erreichen einer Durchmesserreduktion für das Werkstück. Infolge einer Limitierung der Werkstücklänge beim ECAP durch den Stempelhub der verwendeten ECPA-Vorrichtung können in der Regel nur begrenzt lange Rohlinge oder Werkstücke, häufig kleiner 500 mm, insbesondere kleiner 300 mm, hergestellt werden. Hierdurch wird die weitere Bearbeitung, beispielsweise zur Herstellung von Schrauben, Nägeln, Platten, Scaffolds oder Stents, auf entsprechenden Vorrichtungen, z.B. Drehmaschinen, Langdrehmaschinen, Laserschneidvorrichtungen, etc., zumeist unwirtschaftlich. In vielen Fällen haben diese Vorrichtungen automatische Fördereinrichtungen, beispielsweise automatisierte Spindelbohrungen, durch welche lange Stangen oder Rohre kontinuierlich dem Bearbeitungsprozess zugeführt werden sollen.The purpose of reworking the workpiece by means of hammering in the context of a method according to the invention is at least also achieving a diameter reduction for the workpiece. As a result of a limitation of the workpiece length in ECAP by the punch stroke of the ECPA device used usually only limited length blanks or workpieces, often smaller than 500 mm, in particular less than 300 mm, can be produced. Thereby, the further processing, for example for the production of screws, nails, plates, scaffolds or stents, on corresponding devices, e.g. Lathes, long lathes, laser cutting devices, etc., mostly uneconomical. In many cases, these devices have automatic conveyors, such as automated spindle bores, through which long rods or tubes are to be continuously fed to the machining process.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren erlaubt mittels Hämmerns daher das Herstellen von Werkstücken, beispielsweise Rohlinge oder Halbzeuge, z.B. Stangen, Rohre, etc., deren Längen nach dem Hämmern ≥ 500 mm, vorzugsweise ≥ 1000 mm und besonders bevorzugt≥ 2000 mm betragen können und die so wirtschaftlich weiterverarbeitet werden können.A method according to the invention therefore makes it possible by means of hammering to produce workpieces, for example blanks or semi-finished products, e.g. Rods, tubes, etc., whose lengths after hammering can be ≥ 500 mm, preferably ≥ 1000 mm and particularly preferably 2000 2000 mm, and which can thus be further processed economically.
Das Werkstück beziehungsweise das Halbzeug oder der Rohling können dann noch zusätzlich, beispielsweise spanend, nachbearbeitet werden, um ein Bauteil mit einer definierten Endkontur, beispielsweise ein resorbierbares oder nicht resorbierbares medizinisches Implantat, beispielsweise ein Dentalimplantat oder Zahnimplantat herzustellen. Ein solches medizinisches Implantat kann alternativ auch in Form einer Schraube, einer Platte, eines Nagels, eines Drahts, einer Folie oder eines Scaffolds, insbesondere eines Stents, ausgebildet sein.The workpiece or the semifinished product or the blank can then additionally be further machined, for example by machining, to produce a component with a defined final contour, for example a resorbable or non-resorbable medical implant, for example a dental implant or dental implant. Alternatively, such a medical implant may also be in the form of a screw, a plate, a nail, a wire, a foil or a scaffold, in particular a stent.
Andererseits ermöglicht Hämmern auch grundsätzlich eine Formgebung für ein bearbeitetes Werkstück, die sich durch eine große Formfreiheit und sehr gute Maßhaltigkeit (z.B. erreichbare Toleranzen von < 0,03 mm) auszeichnet. Demnach kann auch vorgesehen sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren derart zur Herstellung eines Bauteils zu nutzen, dass durch das Hämmern bereits definierte Endkonturen des Bauteils erzeugt werden. Eine weitere Nachbearbeitung kann dadurch entfallen, wodurch die Kosten für die Herstellung eines solchen Bauteils gering gehalten werden können.On the other hand, hammering also fundamentally allows shaping of a machined workpiece which is characterized by great freedom of form and very good dimensional stability (for example achievable tolerances of <0.03 mm). Accordingly, it can also be provided to use a method according to the invention for producing a component in such a way that already defined final contours of the component are produced by the hammering. A further post-processing can be omitted, whereby the cost of producing such a component can be kept low.
In einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Hämmern mittels eines sogenannten Doppelläufers (vgl.
Diese Vorgehensweise kann insbesondere für eine Großserienproduktion (z.B. Herstellung von mindestens 1000 gleichen Bauteilen) vorteilhaft vorgesehen sein, während eine Herstellung von Rohlingen bei einer Kleinserienproduktion (Herstellung von weniger als 1000 gleichen Bauteilen) vorteilhaft sein kann, weil dann die zusätzlichen Kosten, die für eine beispielsweise spanende Nachbearbeitung der Rohlinge anfallen, geringer sein können als die Kosten mehrerer Rundknet-Werkzeuge, mittels denen entsprechend unterschiedliche Formgebungen für die Bauteile realisiert werden können. Eine Herstellung von Rohlingen kann aber auch bei einer Großserienproduktion vorteilhaft vorgesehen sein.This procedure can be advantageously provided in particular for a large-scale production (eg production of at least 1000 identical components), while a production of blanks in a small series production (production of less than 1000 identical components) may be advantageous because then the additional costs associated with a For example, machining subsequent processing of the blanks may be less than the cost of several rotary swaging tools by means of which correspondingly different shapes for the components can be realized. However, a production of blanks can also be advantageously provided in a large-scale production.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der metallische Werkstoff Titan (Reintitan (Ti) oder eine Titanlegierung) und/oder Magnesium (reines Magnesium (Mg) oder eine Magnesiumlegierung), insbesondere resorbierbares Magnesium, umfasst. Die durch die erfindungsgemäße Nachbearbeitung mittels Hämmerns erzielbare Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften des Werkstoffs konnte zumindest bei Reintitan und bei Titanlegierungen, insbesondere bei einer bevorzugten Titanlegierung, die neben Titan (zumindest oder ausschließlich) noch Zirkonium (Zr), vorzugsweise einen Massenanteil von ca. 10% bis ca. 20%, insbesondere von ca. 12% bis ca. 14% und konkret von ca. 13% umfasst, realisiert werden.In a preferred embodiment of a method according to the invention, it may be provided that the metallic material comprises titanium (pure titanium (Ti) or a titanium alloy) and / or magnesium (pure magnesium (Mg) or a magnesium alloy), in particular resorbable magnesium. The improvement of the mechanical material properties of the material achievable by the inventive reworking by means of hammering could, at least for pure titanium and titanium alloys, in particular for a preferred titanium alloy, in addition to titanium (at least or exclusively) still zirconium (Zr), preferably a mass fraction of about 10%. up to about 20%, in particular from about 12% to about 14% and specifically of about 13%.
Weiterhin eignen sich Titan und Magnesium, insbesondere jedoch Titan, wegen ihrer guten Biokompatibilität besonders vorteilhaft als Werkstoff für medizinische Implantate, die vorzugsweise mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können.Furthermore, titanium and magnesium, but in particular titanium, because of their good biocompatibility particularly advantageous as a material for medical implants, which can be preferably prepared by a method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich zur Bearbeitung von Werkstücken aus metallischen Werkstoffen vorteilhaft geeignet sein, wobei besonders bevorzugt Leichtmetalle (z.B. Magnesium (Mg) oder Aluminium (Al)) oder deren Legierungen zum Einsatz kommen können. So ist das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch geeignet, Halbzeuge oder Rohlinge aus resorbierbarem Magnesium oder Magnesiumlegierungen herzustellen, aus welchen ebenfalls Implantate, beispielsweise durch ein anschließendes Drehen, Laserschneiden oder andere Verfahren hergestellt werden können.In principle, the method according to the invention may be advantageously suitable for the machining of workpieces made of metallic materials, it being possible with particular preference for light metals (for example magnesium (Mg) or aluminum (Al)) or their alloys to be used. For example, the method according to the invention is also suitable for producing semi-finished products or blanks made of resorbable magnesium or magnesium alloys, from which implants can also be produced, for example by subsequent turning, laser cutting or other methods.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Werkstücks bei der Bearbeitung mittels ECAP mindestens 200°C, mindestens 350°C, mindestens 450°C oder mindestens oder ca. 500°C beträgt. Bei einem Werkstück aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung kann insbesondere eine Temperatur von zwischen 200°C und 350°C vorteilhaft sein. Bei einem Werkstück aus Reintitan oder einer Titanlegierung kann dagegen eine Temperatur von mindestens 450°C und insbesondere von 500°C vorteilhaft sein. Beträgt die Temperatur eines solchen Werkstücks aus Titan bei der Bearbeitung mittels ECAP weniger als 450°C und insbesondere weniger als 500°C, kann es zu einer ausgeprägten Rissbildung im Werkstück infolge der Bearbeitung mittels ECAP kommen.Furthermore, it can be provided that the temperature of the workpiece during processing by means of ECAP is at least 200.degree. C., at least 350.degree. C., at least 450.degree. C. or at least or approximately 500.degree. In particular, a temperature of between 200 ° C and 350 ° C may be advantageous for a magnesium or magnesium alloy workpiece. For a workpiece made of pure titanium or a titanium alloy, on the other hand, a temperature of at least 450 ° C. and in particular of 500 ° C. may be advantageous. If the temperature of such a titanium workpiece during machining by means of ECAP is less than 450 ° C. and in particular less than 500 ° C., pronounced crack formation in the workpiece as a result of machining by means of ECAP can occur.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitung mittels ECAP mindestens vier, sechs oder acht Bearbeitungsdurchgänge umfasst. Als Bearbeitungsdurchgang wird dabei ein Pressen des Werkstücks durch einen abgewinkelten Übergang zwischen zwei Kanälen verstanden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Werkstück durch ein Werkzeug gepresst wird, das mehr als zwei Kanäle aufweist, wobei jeweils zwei benachbarte Kanäle einen abgewinkelten Übergang ausbilden und mindestens zwei, vorzugsweise alle Übergange unterschiedlich ausgerichtet sind (vgl.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Werkstück vor und/oder nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich druckumgeformt (insbesondere stranggepresst) wird. Dadurch kann eine weitere Verbesserung mechanischer Materialeigenschaften und/oder eine Reduzierung von Abmessungen des Werkstücks realisiert werden. Eine solche zusätzliche Druckumformung kann insbesondere vorgesehen werden, bevor das Werkstück mittels Hämmerns nachbearbeitet wird.In the context of a method according to the invention, it can further be provided that the workpiece is additionally pressure-formed (in particular extruded) before and / or after the machining by means of ECAP. Thereby, a further improvement of mechanical material properties and / or a reduction of dimensions of the workpiece can be realized. Such additional pressure conversion can be provided, in particular, before the workpiece is reworked by means of hammering.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Werkstück zusätzlich wärmebehandelt wird. Dadurch kann ebenfalls eine weitere Verbesserung und/oder eine gezielte Einstellung von Materialeigenschaften des Werkstoffs erreicht werden. Die Wärmebehandlung kann vor oder nach der Bearbeitung mittels ECAP und vor oder nach der Nachbearbeitung mittels Hämmerns und vor oder nach einer gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Druckumformung vorgesehen sein. Die gewählte Temperatur für die Wärmebehandlung kann hierbei vom gewählten Werkstoff abhängen und kann beispielsweise bei Titan oder einer Titanlegierung zwischen 480°C und 780°C liegen, während bei Magnesium oder einer Magnesiumlegierung die Temperatur zwischen 120°C und 580°C liegen kann. Während sowohl die Anzahl solcher Wärmebehandlungsschritte als auch die Dauer variieren kann, ist eine Abkühlung an Luft oder mittels eines Kontakts mit einem anderen Medium, beispielsweise Wasser, Öl oder einem Gas, beispielsweise Argon, möglich. Further preferably, it can be provided that the workpiece is additionally heat-treated. As a result, it is likewise possible to achieve a further improvement and / or a targeted adjustment of material properties of the material. The heat treatment may be provided before or after the processing by means of ECAP and before or after the post-processing by means of hammering and before or after an optionally provided additional pressure forming. The selected temperature for the heat treatment may depend on the chosen material and may for example be between 480 ° C and 780 ° C for titanium or a titanium alloy, while for magnesium or a magnesium alloy, the temperature may be between 120 ° C and 580 ° C. While both the number of such heat treatment steps and the duration may vary, cooling in air or by contact with another medium, for example water, oil or a gas, for example argon, is possible.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.The indefinite articles ("a", "an", "an" and "an"), in particular in the patent claims and in the description generally describing the claims, are to be understood as such and not as numerical words. Corresponding to this concretized components are thus to be understood that they are present at least once and may be present more than once.
Die anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren Verbesserungen hinsichtlich bestimmter Materialkennwerte des Werkstoffs eines bearbeiteten Werkstücks werden nachfolgend anhand von Vergleichsversuchen veranschaulicht.The improvements which can be achieved by means of a method according to the invention with regard to specific material characteristics of the material of a machined workpiece are illustrated below by means of comparative experiments.
Als Werkstoff für die im Rahmen der Vergleichsversuche zu bearbeitenden Werkstücke wurde eine Legierung bestehend aus Titan sowie Zirkonium in einem Massenanteil von 13% (Ti-13%Zr) verwendet. Im Ausgangszustand wiesen die aus Vollmaterial ausgebildeten Werkstücke einen kreisförmigen Querschnitt mit Durchmessern von 10 mm oder 16 mm auf. Jeweils zwei dieser Werkstücke im Ausgangszustand („nachfolgend als „Ausgangswerkstücke“ bezeichnet) wurden als Vergleichsproben vorgesehen.The material used for the workpieces to be machined in the comparative experiments was an alloy consisting of titanium and zirconium in a proportion by mass of 13% (Ti-13% Zr). In the initial state, the workpieces formed of solid material had a circular cross section with diameters of 10 mm or 16 mm. In each case, two of these workpieces in the initial state (hereinafter referred to as "initial workpieces") were provided as comparative samples.
Für die Bearbeitung der Werkstücke mittels ECAP wurde ein ECAP-Werkzeug eingesetzt, dessen gerade verlaufende und im Querschnitt kreisförmige Kanäle einen (über der Längserstreckung konstanten) Querschnittsdurchmesser von 12 mm aufweisen, wobei die Kanäle in einem (Umform-)Winkel von 120° ineinander übergehen. Die Werkstücke wurden zwischen einzelnen Bearbeitungsdurchgängen bei der Bearbeitung mittels ECAP jeweils um 90° gedreht.For the machining of workpieces by means of ECAP, an ECAP tool was used whose straight and circular cross-section channels have a (over the longitudinal extent constant) cross-sectional diameter of 12 mm, wherein the channels at a (forming) angle of 120 ° into each other , The workpieces were rotated by 90 ° between individual machining passages during machining by means of ECAP.
Aufgrund der Querschnittsdurchmesser der Kanäle des ECAP-Werkzeugs von 12 mm wurden diejenigen Werkstücke, die im Ausgangszustand einen Durchmesser von 16 mm aufgewiesen haben, vor der Bearbeitung mittels ECAP bis auf 12 mm abgedreht (nachfolgend als „Vollmaterial-Werkstücke“ bezeichnet). Diejenigen Werkstücke, die im Ausgangszustand einen Durchmesser von 10 mm aufgewiesen haben, wurden dagegen jeweils mit einer Rohrhülse aus Reintitan und mit einem Außendurchmesser von 12 mm ummantelt (nachfolgend als „Hülsen-Werkstücke“ bezeichnet).Due to the cross sectional diameters of the channels of the ECAP tool of 12 mm, those workpieces having a diameter of 16 mm in the initial state were turned down to 12 mm before being processed by ECAP (hereinafter referred to as "solid material workpieces"). On the other hand, those workpieces having a diameter of 10 mm in the initial state were each covered with a tubular sleeve of pure titanium and with an outer diameter of 12 mm (hereinafter referred to as "sleeve workpieces").
Die meisten der Hülsen-Werkstücke wurden bei einer Temperatur von 500°C in zwei, vier oder sechs Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Nach vier Bearbeitungsdurchgängen kam es zur Bildung von Rissen im Werkstoff einzelner Werkstücke und insbesondere in dem Werkstoff der Rohrhülse. Wurden diese Hülsen-Werkstücke weiteren Bearbeitungsdurchgängen unterzogen, brachen Enden der Hülsen-Werkstücke regelmäßig ab. Versuchsweise wurde ein Hülsen-Werkstück bei einer Temperatur von 450°C in vier Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Dabei kam es jedoch zu noch stärker ausgeprägter Rissbildung.Most of the sleeve workpieces were machined at a temperature of 500 ° C in two, four or six processing passes by ECAP. After four machining passes, cracks occurred in the material of individual workpieces and in particular in the material of the tubular sleeve. When these sleeve workpieces were subjected to further machining passes, ends of the sleeve workpieces broke off regularly. For experimental purposes, a sleeve workpiece was machined at 450 ° C in four processing passes by ECAP. However, it came to even more pronounced cracking.
Eine erste Serie von acht Vollmaterial-Werkstücken wurde bei einer Temperatur von 500°C in vier Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Diese Vollmaterial-Werkstücke wiesen nach der Bearbeitung mittel ECAP deutlich bessere Oberflächenqualitäten als die entsprechend bearbeiteten Hülsen-Werkstücke auf. Sieben dieser mittels ECAP bearbeiteten Vollmaterial-Werkstücke wurden für eine Nachbearbeitung, entweder mittels Hämmerns oder mittels Walzens, vorgesehen, während eines als Vergleichsprobe vorgesehen wurde.A first series of eight solid workpieces was machined at a temperature of 500 ° C in four passes through ECAP. After being processed by means of ECAP, these solid material workpieces had significantly better surface qualities than the correspondingly machined sleeve workpieces. Seven of these ECAP machined solid workpieces were provided for post-processing, either by hammering or by rolling, while one was provided as a comparative sample.
Auch bei einem der Vollmaterial-Werkstücke wurde versucht, die Umformtemperatur auf 450°C zu senken. Mit diesem Vollmaterial-Werkstück wurden vier Bearbeitungsdurchgänge durchgeführt. Allerdings kam es auch hier zu einer starken Rissbildung und zum Abbrechen der Enden.It was also attempted to lower the forming temperature to 450 ° C in one of the solid material workpieces. Four machining passes were made with this solid material workpiece. However, it also came here to a strong cracking and breaking off the ends.
Deshalb wurden Vollmaterial-Werkstücke einer zweiten Serie ebenfalls bei einer Umformtemperatur von 500°C mittels ECAP bearbeitet; in diesem Fall jedoch mit mehr Bearbeitungsdurchgängen als bei der ersten Serie. Dabei zeigte sich, dass mehr als sechs Bearbeitungsdurchgänge nicht zielführend sein würden, da bereits bei sechs Bearbeitungsdurchgängen teilweise kleine Stücke an den Enden der Vollmaterial-Werkstücke abbrechen und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nur noch gering ist. Bei einem Vollmaterial-Werkstück dieser zweiten Serie musste wegen massiver Rissbildung nach fünf Bearbeitungsdurchgängen die Bearbeitung mittels ECAP abgebrochen werden.Therefore, solid material workpieces of a second series were also processed at a forming temperature of 500 ° C by means of ECAP; in this case, however, with more processing passes than the first series. It turned out that more than six machining passes would not be expedient, since even at six machining passes, in part, small pieces break off at the ends of the solid material workpieces and the improvement in mechanical properties is only slight. In the case of a solid material workpiece of this second series, machining had to be stopped by means of ECAP due to massive cracking after five processing passes.
Schlussendlich wurden fünf Vollmaterial-Werkstücke der zweiten Serie mittels ECAP bearbeitet und zur weiteren Verwendung vorgesehen. Vier davon wurden für eine Nachbearbeitung, entweder mittels Hämmerns oder mittels Walzens, vorgesehen, während wiederum eines als Vergleichsprobe genutzt werden sollte.Finally, five solid-material workpieces of the second series were processed by ECAP and intended for further use. Four of them were intended for rework, either by hammering or by rolling, while again one should be used as a reference sample.
Bei der Nachbearbeitung mittels Hämmerns erfolgte eine Durchmesserreduktion in mehreren Schritten bei Raumtemperatur (ca. 21°C):
Bei der Nachbearbeitung mittels Walzens erfolgte eine Durchmesserreduktion bei Raumtemperatur (ca. 21°C) in einem ersten Umformschritt von 12 mm auf 8 mm (φ = 0,81) und in einem zweiten Umformschritt von 8 mm auf 6 mm (φ =0,58).In the post-processing by rolling, a diameter reduction at room temperature (about 21 ° C) was carried out in a first forming step from 12 mm to 8 mm (φ = 0.81) and in a second forming step from 8 mm to 6 mm (φ = 0, 58).
Anschließend wurden die nachbearbeiteten und die als Vergleichsproben vorgesehenen Werkstücke entweder einer oder mehreren Härteprüfungen oder einem Zugtest unterzogenSubsequently, the post-processed and comparative workpieces were subjected to either one or more hardness tests or a tensile test
Im Rahmen der Härteprüfung sollte die Vickershärte (HV) ermittelt werden. Dazu wurden die für die Härteprüfung vorgesehenen und dafür eingebetteten und polierten Werkstücke jeweils mit einer Kraft von 10 kp (= HV10) nach EN ISO 6507-1 mittels eines Härteprüfgeräts (DuraScan 80 der EMCO-TEST Prüfmaschinen GmbH) gemessen. Es wurde je Werkstück ein Mittelwert aus mindestens fünf Einzelprüfungen (Eindrücke) gebildet.As part of the hardness test, the Vickers hardness (HV) should be determined. For this purpose, the workpieces intended for the hardness test and embedded and polished for each were measured with a force of 10 kp (= HV10) according to EN ISO 6507-1 by means of a hardness tester (DuraScan 80 from EMCO-TEST Prüfmaschinen GmbH). An average of at least five individual tests (impressions) was formed per workpiece.
Die für die Zugtests vorgesehenen Werkstücke, die lediglich mittels ECAP bearbeitet worden sind, ebenso wie die Ausgangswerkstücke, wurden durch Drehen auf einen Durchmesser von 6 mm reduziert. Für diese wurde weiterhin eine parallele Messlänge von 30 mm (Form B6x30 nach DIN 50125) vorgesehen. Die für die Zugtests vorgesehenen Werkstücke, die nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich gewalzt oder gehämmert worden sind, wiesen aufgrund dieser Nachbearbeitung bereits eine Durchmesserreduzierung auf einen Durchmesser von lediglich 4 mm auf. Für diese wurde eine parallele Messlänge von 20 mm (Form B4x20) vorgesehen. Bei allen Zugtests betrugt die Anfangsdehngeschwindigkeit 3 × 10-4 s-1.The workpieces intended for the tensile tests, which were only machined by means of ECAP, as well as the starting workpieces, were reduced by turning to a diameter of 6 mm. For these, a parallel measuring length of 30 mm (form B6x30 according to DIN 50125) was furthermore provided. The workpieces intended for the tensile tests, which were additionally rolled or hammered after machining by means of ECAP, already had a diameter reduction to a diameter of only 4 mm as a result of this post-processing. For these a parallel measuring length of 20 mm (form B4x20) was provided. For all tensile tests, the initial strain rate was 3 × 10 -4 s -1 .
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Härteprüfungen zusammengefasst dargestellt:
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Härte des Werkstoffs mit zunehmender Anzahl von ECAP-Bearbeitungsdurchgängen zunimmt, wobei die Zunahme bei den ersten Bearbeitungsdurchgängen am größten ist. Bei den Vollmaterial-Werkstücken ist die Härtezunahme ausgeprägter als bei den Hülsen-Werkstücken (+33% nach vier Bearbeitungsdurchgängen im Vergleich zu +38% nach sechs Bearbeitungsdurchgängen).These results show that the hardness of the material increases as the number of ECAP machining passes increases, with the largest increase in the first machining passes. For the solid material workpieces, the hardness increase is more pronounced than for the sleeve workpieces (+ 33% after four machining runs compared to + 38% after six machining passes).
Zu den Werkstücken, die nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich gewalzt oder gehämmert wurden, können folgende zusammenfassende Aussagen getroffen werden: Walzen verringert im vorliegenden Fall die Härte, während Hämmern zu einem weiteren Anstieg der Härte führt. In beiden Fällen ist die Härteverteilung jedoch nicht homogen. Die zusätzlich gewalzten Werkstücke sind in der Mitte des Querschnitts weicher, während die zusätzlich gehämmerten Werkstücke in der Mitte härter als am Rand sind (vgl. nachfolgende Tabelle). An den ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücken wurden solche Inhomogenitäten nicht beobachtet.
Um die Härteverteilung sichtbar zu machen, wurde bei ausgewählten Werkstücken zusätzlich eine ortsabhängige Messung mit einer geringeren Last (HV1) durchgeführt. Diese Messungen zeigen eine geringe Inhomogenität bei einem Ausgangswerkstück (16 mm) mit einer etwas erhöhten Härte am Rand, eine weitestgehend homogene Härteverteilung eines ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks (4 × ECAP bei 500°C), im Vergleich dazu eine Reduktion der Härte im Zentrum eines mittels Walzens nachbearbeiteten Werkstücks und wiederum im Vergleich zu dem ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstück eine Erhöhung der Härte im Zentrum eines mittels Hämmerns nachbearbeiteten Werkstücks.In order to make the hardness distribution visible, a location-dependent measurement with a lower load (HV1) was additionally performed on selected workpieces. These measurements show a low inhomogeneity with a starting workpiece (16 mm) with a slightly increased hardness at the edge, a largely homogeneous hardness distribution of a workpiece exclusively machined by ECAP (4 × ECAP at 500 ° C.), in comparison with a reduction of the hardness in the center a reworked by rolling workpiece and in turn compared to the exclusively machined by ECAP workpiece an increase in hardness in the center of a post-machined workpiece by hammering.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Zugtests zusammengefasst dargestellt. Dabei gilt: Bei den Dehnungskennwerten handelt es sich um plastische Dehnungen (d.h. ohne die elastische Dehnung) und alle Spannungen sind Ingenieur-Spannungen (technische Spannungen).
Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigt, dass die bei den Härteprüfungen erkennbaren Trends auch für die Ergebnisse der Zugtests gelten. Der Werkstoff der Werkstücke wird durch eine Bearbeitung mittels ECAP deutlich fester (z.B. +48% in der Zugfestigkeit nach vier Bearbeitungsdurchgängen). Hämmern erhöht die Festigkeit weiter (+30% Zugfestigkeit im Vergleich zu einer Bearbeitung ausschließlich mittels ECAP), während Walzen diese wieder vermindert. Je fester der Werkstoff der Werkstücke ist, desto geringer ist jedoch die jeweilige Duktilität. Während die Bruchdehnung von ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücken bei über 10% liegt, sinkt diese durch anschließendes Hämmern auf ca. 5%. Ein nachträgliches Walzen führt zu einer sehr starken Versprödung.A comparison of these results shows that the trends seen in the hardness tests also apply to the results of the tensile tests. The material of the workpieces becomes significantly stronger by machining by means of ECAP (for example + 48% in the tensile strength after four machining passes). Hammering further increases strength (+ 30% tensile strength compared to ECAP alone) while rolling reduces it again. The stronger the material of the workpieces is, however, the lower is the respective ductility. While the elongation at break of exclusively workpieces machined by means of ECAP is more than 10%, this decreases by subsequent hammering to about 5%. Subsequent rolling leads to a very strong embrittlement.
Im Gesamtergebnis kann Folgendes festgestellt werden: Die Festigkeit und Härte des Ausgangsmaterials (Ti-13%Zr) konnte durch eine Bearbeitung mittels ECAP deutlich gesteigert werden, wobei eine Duktilität größer als 10% gehalten werden konnte. Bei einer weiteren Bearbeitung der zuvor mittels ECAP bearbeiteten Werkstücke zeigte sich, dass Walzen keine guten Ergebnisse liefert, da sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität stark vermindert wurden. Hierbei war die Verminderung der Duktilität erwartungsgemäß, da dies ein bekannter Effekt bei einer Kaltverformung, insbesondere beim Walzen ist und als Kaltverfestigung oder Kaltversprödung bezeichnet wird. Die Reduktion der Festigkeit durch das Walzen lag außerhalb der Erwartung und wird wohl in einer Überbeanspruchung aufgrund lokal stark erhöhter Spannungen bei der Verformung des Materials, welche beispielsweise innere Zerrüttung und Mikrorissbildung verursachen, begründet sein. Hämmern erhöhte dagegen die Festigkeit weiter (Streckgrenze sowie Zugfestigkeit größer als 1300 MPa) und führte lediglich zu einer tolerierbaren Verringerung der Duktilität.In the overall result, the following can be stated: The strength and hardness of the starting material (Ti-13% Zr) could be significantly increased by machining by means of ECAP, whereby a ductility greater than 10% could be maintained. Further processing of the previously ECAP machined workpieces has shown that rolling does not give good results, since both strength and ductility have been greatly reduced. Here, the reduction in ductility was expected, as this is a known effect in a cold deformation, especially in rolling and is referred to as work hardening or cold embrittlement. The reduction in strength through rolling was unexpected and is likely to be due to overstressing due to locally greatly increased stresses in the deformation of the material causing, for example, internal dislocation and microcracking. On the other hand, hammering further increased the strength (yield strength and tensile strength greater than 1300 MPa) and merely resulted in a tolerable reduction in ductility.
Ein Verwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines Halbzeugs, das anschließend für das Herstellen von Dentalimplantaten auf einem Langdreher vorgesehen ist. Dazu wurde ein Werkstück aus Ti13Zr in vier Bearbeitungsdurchgängen bei 500°C mittels ECAP und anschließendem Hämmern bearbeitet, wobei durch das Hämmern eine Reduktion des Durchmessers des zylindrischen Werkstücks von 20 mm auf 5 mm erreicht wurde. Die Länge des Werkstücks vergrößerte sich dabei von 150 mm auf 2400 mm. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung stellte sich eine Verbesserung der Zugfestigkeit von ursprünglich 750 MPa auf 1300 MPa und eine Änderung der Bruchdehnung von 25% (as cast and rolled) auf 5% ein.A use example of a method according to the invention lies in the production of a semifinished product which is subsequently provided for the production of dental implants on a lathe. For this purpose, a Ti13Zr workpiece was machined in four machining passes at 500 ° C by means of ECAP and subsequent hammering, whereby the hammering reduced the diameter of the cylindrical workpiece from 20 mm to 5 mm. The length of the workpiece increased from 150 mm to 2400 mm. As a result of the machining according to the invention, an improvement in the tensile strength from originally 750 MPa to 1300 MPa and a change in the elongation at break of 25% (as cast and rolled) to 5% were achieved.
Ein weiteres Verwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines Halbzeugs, das anschließend für das Herstellen von resorbierbaren Stiften (Pins) aus Magnesium auf einem Langdreher vorgesehen ist. Dazu wurde ein Werkstück aus ZX00 (Magnesium + <1% Zink + < 1% Calcium) in vier Bearbeitungsdurchgängen bei 250°C mittels ECAP und anschließendem Hämmern bearbeitet, wobei durch das Hämmern eine Reduktion des Durchmessers des zylindrischen Werkstücks von 20 mm auf 4 mm erreicht wurde. Die Länge des Werkstücks vergrößerte sich dabei von 150 mm auf 3750 mm. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung stellt sich eine Verbesserung der Zugfestigkeit von ursprünglich 220 MPa auf 400 MPa und eine Änderung der Bruchdehnung von 17% (as cast and rolled) auf 8% ein.A further example of an application of a method according to the invention is the production of a semifinished product, which is subsequently provided for the production of absorbable pins (pins) of magnesium on a lathe. For this purpose, a workpiece made of ZX00 (magnesium + <1% zinc + <1% calcium) was processed in four processing cycles at 250 ° C by means of ECAP and subsequent hammering, wherein by hammering a reduction of the diameter of the cylindrical workpiece from 20 mm to 4 mm was achieved. The length of the workpiece increased from 150 mm to 3750 mm. The processing according to the invention results in an improvement of the tensile strength from originally 220 MPa to 400 MPa and a change in the elongation at break of 17% (as cast and rolled) to 8%.
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