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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine neue
Verwendung von ausscheidungshärtbaren,
martensitischen, rostfreien Stählen
zur Herstellung von Rotationswerkzeugen für Anwendungen mit hohen Anforderungen
an eine Kombination von hoher Härte
und Duktilität
sowie Korrosionsbeständigkeit,
wie Bohr-, Fräs-,
Schleif- und Schneidwerkzeugen.
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Hintergrund und technische
Problemstellung
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Ausscheidungshärtbare, martensitische, rostfreie
Stähle
sind aus der
WO 93/07303 bekannt.
Darin wird eine Zusammensetzung eines rostfreien Stahls beschrieben,
der eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität aufweist.
Dieser Stahl wird als besonders geeignet für die Herstellung von Injektionskanülen, zahnärztlichen
Instrumenten und medizinischen Instrumenten auf der Grundlage von
aus der genannten Stahlsorte hergestelltem Draht- und Bandmaterial
beschrieben. Aufgrund der hohen Härte des Stahls musste die weitere
Bearbeitung auf ein Minimum beschränkt werden.
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In der
WO 01/14601 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung
von Teilen mit komplizierter Geometrie durch eine Reihe von Verfahrensschritten,
einschließlich
Ausscheidungshärtung,
Tempern, Abschrecken und Härten
beschrieben, dessen Ergebnis eine homogene Härte von mindestens 450 HV ist.
Es wird beispielhaft erwähnt,
dass ein ausscheidungshärtbarer,
martensitischer, rostfreier Stahl zur Herstellung von medizinischen Instrumenten
nach dem darin spezifizierten Prozess verwendet werden kann. Das
Problem der Bearbeitbarkeit wurde in diesem Fall mit Hilfe des speziellen
Herstellungsverfahrens gelöst,
kann jedoch nicht auf Werkzeuge, speziell rotierende Werkzeuge mit
komplizierter Geometrie angewendet werden kann.
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Für
die Verwendung eines Stahls zur Herstellung von maschinell getriebenen
Rotationswerkzeugen, insbesondere von Rotationswerkzeugen für medizinische,
speziell dentale und chirurgische Anwendungen, sollten eine Reihe
von Randbedingungen erfüllt
sein.
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Bohrer, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeuge
haben je nach Verwendungszweck sehr geringe Durchmesser, die unter
1 mm liegen können.
Dennoch besitzen sie eine im Verhältnis zum Durchmesser große Länge, um
eine bestimmte Arbeitstiefe zu ermöglichen, die noch einmal verlängert wird
um den Abschnitt, der für die
Aufnahme des Werkzeuges im Werkzeughalter bzw. Futter vorgesehen
ist. Aufgrund dieses extremen Längen/Durchmesser-Verhältnisses
und der daraus resultierenden ungünstigen Momentverteilung sind
solche Werkzeuge sehr empfindlich gegenüber den im praktischen Gebrauch
anliegenden Biegebelastungen. Bereits ein leichtes, mit bloßem Auge
kaum feststellbares Verbiegen des Bohrers kann dazu führen, dass
er beim nächsten
Ansetzen durch den Operateur oder dem nächsten Gebrauch allgemein unrund
läuft und
unwuchtig ist. Aufgrund der häufig
sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten führt dies in der Praxis dazu,
dass die Bohrer während
des Betriebes abbrechen. Dies bedeutet nicht nur, dass die Bohrer
eine kurze Lebensdauer haben und aus Sicherheitsgründen häufig ausgetauscht
werden müssen,
sondern auch eine erhebliche Verletzungsgefahr für Operateur, Patient und umstehende
Personen, die von herumfliegenden Werkzeugteilen getroffen werden
können,
sowie einen erheblichen Kostenfaktor.
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Nach dem Medizinprodukte-Gesetz werden
speziell Werkzeuge mit kleinen Abmessungen von den Herstellern als
Einwegprodukte deklariert, was für
den Anwender einen zusätzlichen
Kostenaufwand darstellt. Nach dem einmaligen Gebrauch der Werkzeuge
ist eine zweite Vennrendung nicht mehr zulässig, und der Anwender muss
ein neues Werkzeug einsetzten, was zu unvertretbar hohen Kosten
führt.
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Es besteht daher ein dringender Bedarf
nach maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen für den mehrmaligen
Gebrauch, insbesondere dentalen und chirurgischen Bohr-, Fräs-, Schleif-
und Schneidwerkzeugen mit und ohne definierte Schneide, die eine
sehr hohe Härte
besitzen, korrosionsbeständig
und gleichzeitig auch gegenüber
bekannten Werkzeugen bzw. Instrumenten bruchsicher sind. Neben Härte und
Bruchsicherheit ist die gleichzeitige Korrosionsbeständigkeit
von entscheidender Bedeutung. Gerade dentale und chirurgische Instrumente
werden nach jedem Gebrauch sterilisiert und dabei stark korrodierenden
Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, orga nische und andere Lösungsmittel
etc.) ausgesetzt. Hinzu kommen die korrosiven Medien beim Gebrauch,
wie z. B. Blut und andere Körperflüssigkeiten.
Werden solche dentalen und chirurgischen Instrumente durch Korrosion
beschädigt
bzw. angegriffen, besteht die Gefahr, dass Patienten mit den Korrosionsrückständen kontaminiert
werden und gefährlichen
postoperativen Komplikationen ausgesetzt werden.
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Es besteht daher ein dringender Bedarf
nach stabilen, korrosionsbeständigen
und biokompatiblen maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, wie
Bohr-, Fräs-,
Schleif- und Schneidwerkzeugen, die gleichzeitig hohe Festigkeitswerte,
verbunden mit guten Duktilitätseigenschaften
bieten.
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Derzeit wird eine Reihe gut bekannter
und gut untersuchter Legierungstypen zum Formen und Herstellen solcher
Werkzeuge und Instrumente verwendet. Einige dieser Legierungen sind
martensitische nicht rostende Stähle,
austenitische nicht rostende Stähle
und ausscheidungshärtbare
nicht rostende Stähle.
Jede dieser bekannten Legierungen weist eine Reihe von guten Materialeigenschaften
auf, wie Korrosionsbeständigkeit,
Festigkeit, Formbarkeit und/oder Duktilität, doch hat jede Legierung
auch Nachteile und kann bestimmten Produktanforderungen nicht entsprechen.
Aus der Praxis sind komplexe Probleme und Nachteile von derzeit
auf dem Markt erhältlichen
Rotationswerkzeugen bekannt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die
Zusammensetzungen einiger häufig
verwendeter Stähle.
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Tabelle
1: Zusammensetzungen verschiedener bekannter Stähle in Gew.-%; Rest Eisen
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Martensitische, nicht rostende Stähle, z.
B. die Qualitäten
AISI 420, können
eine hohe Festigkeit bieten, doch nicht in Kombination mit Duktilität. Austenitische
nicht rostende Stähle,
z. B. die Reihe AISI 300, können
gute Korrosionsbeständigkeit
in Verbindung mit hoher Festigkeit und für einige Anwendungen annehmbarer
Duktilität
bieten, doch ist, um die hohe Festigkeit zu erreichen, eine starke
Kaltreduktion erforderlich, und dies bedeutet, dass auch das halbfertige
Produkt eine sehr hohe Festigkeit haben muss, was wiederum eine schlechte
Formbarkeit zur Folge hat. Für
die Gruppe der ausscheidungshärtbaren,
nicht rostenden Stähle,
gibt es zahlreiche unterschiedliche Qualitäten mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Sie haben jedoch einige Gemeinsamkeiten, beispielsweise werden die
meisten von ihnen in einem Einweg- oder üblicher in einem Zweiwegverfahren
in Vakuum geschmolzen, wobei die zweite Stufe ein Aufschmelzen unter
Vakuum ist. Außerdem ist
eine große
Menge, d. h. > 1,5
Gewichts-% von ausscheidungsbildenden Elementen, wie Aluminium,
Niob, Tantal und Titan, erforderlich, oftmals auch als Kombination
dieser Elemente. Eine große
Menge ist günstig
für die
Festigkeit, vermindert aber die Duktilität und die Formbarkeit. Eine
solche Qualität
findet sich z. B. in der US-Patentschrift 3 408 871. Diese
Qualität
bietet eine annehmbare Duktilität
im Fertigprodukt in Verbindung mit einer Festigkeit von nur etwa
2.000 N/mm2. Sie kann auch während der
Herstellung von halbfertigen Produkten Nachteile haben, z. B. ist
dieser Stahl empfindlich für
Rissbildung im geglühten
Zustand.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
bestand in der Überwindung
der vorgenannten Probleme und Nachteile des Standes der Technik.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Verwendung eines ausscheidungshärtbaren, martensitischen, nicht
rostenden Chrom-Nickel-Stahls mit folgender Zusammensetzung (in
Gewichts-%):
| Chrom | 10 bis 14 |
| Nickel | 7 bis 11 |
| Molybdän | 0,5 bis 6 |
| Kupfer | 0,5 bis 4 |
| Aluminium | 0,05 bis 0,55 |
| Titan | 0,4 bis 1,4 |
| Kohlenstoff + Stickstoff | bis zu 0,3 |
| Schwefel | weniger als 0,05 |
| Phosphor | weniger als 0,05 |
| Mangan | bis zu 0,5 |
| Silizium | bis zu 0,5 |
| Tantal, Niob, Vanadium und Wolfram | jeweils bis zu 0,2 |
| Kobalt | gegebenenfalls bis zu 9,0 |
| Bor | gegebenenfalls 0,0001 bis 0,1 |
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wobei der Rest aus Eisen und üblichen
Verunreinigungen besteht,
zur Herstellung von maschinell getriebenen
Rotationswerkzeugen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
durch die Bereitstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen
gelöst,
die aus ausscheidungshärtbarem,
martensitischem, nicht rostenden Chrom-Nickel-Stahl mit der vorgenannten
Zusammensetzung hergestellt sind.
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Erfindungsgemäße Rotationswerkzeuge sind
vorzugsweise Bohr-, Fräs-,
Schleif- und Schneidwerkzeuge mit oder ohne geometrisch definierte
Schneiden, besonders bevorzugt maschinell getriebenen spanende Rotationswerkzeuge
gemäß DIN 8580.
Solch ein Werkzeug besteht in der Regel aus einem Schaft, einem spanabhebenden
Werkzeugkopf und einem Befestigungsteil. Das Werkzeug wird axial
und/oder transversal bewegt. Ein überraschender, von der Erfindung
erfasster Effekt ist, dass erfindungsgemäß verwendeter ausscheidungshärtbarer,
martensitischer, rostfreier Stahl in solchen Anwendungen von Vorteil
ist, in denen die Kombination von hoher Bruch- und Biegefestigkeit
mit Härte-
und Korrosionseigenschaften eine entscheidende Rolle spielt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Rotationswerkzeuge medizinische Werkzeuge
und Instrumente, insbesondere für
die dentale und chirurgische Anwendung.
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Ein weiterer überraschender, von der Erfindung
erfasster Effekt betrifft die vorteilhafte Kombination von guter
biologischer Verträglichkeit
des erfindungsgemäß verwendeten
ausscheidungshärtbaren,
martensitischen, nicht rostenden Stahls mit guten Korrosionseigenschaften,
hoher Duktilität
und ausgezeichnet hoher Festigkeit von etwa 2.500 bis 3.000 N/mm2. Diese Kombination erlaubt die vorteilhafte
Nutzung dieses Stahls in medizinischen Anwendungen, in denen das
Material für
einen kürzeren
oder längeren
Zeitraum im Körper des
Patienten verbleibt.
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Eine erfindungsgemäß besonders
geeignete Stahlzusammensetzung enthält beispielsweise 12,0 Gew.-%
Chrom, 9,1 Gew.-% Nickel, 4,0 Gew.-% Molybdän, 2,0 Gew.-% Kupfer, 0,9 Gew.-%
Titan, 0,35 Gew.-% Aluminium, < 0,012
Gew.-% Kohlenstoff und < 0,012
Gew.-% Stickstoff.
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Beschreibung der erfindungsgemässen Eigenschaften
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Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte wurden
an ausgehärteten
Vollmaterialwerkstücken
gleicher Geometrie aus dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl und zwei
anderen derzeit für
Rotationswerkzeuge eingesetzten Stählen getestet.
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Bei dem getesteten erfindungsgemäßen Stahl
handelt es sich um eine Zusammensetzung gemäß dem in Tabelle 2 angegebenen
Werkstoff 766685. Weitere Ausführungsbeispiele
gehen aus Tabelle 2 hervor.
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Tabelle
2: Beispiele für
erfindungsgemäße Stahlzusammensetzungen
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Als Vergleichsstähle wurden die Qualitäten 1.4112
und 1.4108 verwendet, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben
sind. Die untersuchten Proben waren Vollmaterialstangen mit kreisförmigem Querschnitt
und einem Durchmesser von 4,5 mm. Alle getesteten Proben waren ausscheidungsgehärtet. Die
Aushärtung
des erfindungsgemäßen Stahls
erfolgte bei 475°C
für 4 Stunden.
Die Aushärtung
der Qualitäten 1.4112
und 1.4108 erfolgte nach den für
diese Stähle
vorgeschriebenen Aushärtungsverfahren
bei 1000°C
für 40-60
Minuten im Vakuum. Anschließend
wurden beide Qualitäten
in Stickstoff auf minus 50°C
abgekühlt.
Der Werkstoff 1.4108 wurde noch zusätzlich bei 160°C für 2 Stunden
angelassen. Die beschriebenen Verfahren für die Herstellung und Bearbeitung
der Referenzmaterialien ergeben die höchstmöglichen Werte für Härte und Duktilität.
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Die Aushärtung der jeweiligen Materialien
wurde so durchgeführt,
dass für
alle getesteten Materialien eine vergleichbare Materialhärte erzielt
wurde. Es wurden jeweils vier Proben eines Materials getestet. Die
Ergebnisse des nach DIN EN 10002-1 durchgeführten Zugversuchs sind in der
nachfolgenden Tabelle 3 zusammengefasst.
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Tabelle
3: Versuchsergebnisse, Zugversuch nach DIN EN 10002-1
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Eine Untersuchung der Bruchstellen
der getesteten Werkstoffe zeigte deutlich, dass der ertindungsgemäße Stahl
ein äußerst zähes Bruchverhalten
aufwies. Die Bruchflächen
hatten die Form eines sogenannten Trichterbruchs. Demgegenüber zeigten
die Werkstoffe 1.4112 und 1.4108 sogenannte Spaltbrüche mit
einem nahezu 100%-igen Sprödbruchanteil.
Das gute Bruchdehnungsverhalten der Proben aus dem erfindungsgemäßen Stahl
geht einher mit einer hohen Biegsamkeit, ohne dass das Material
bricht. Die Proben können
ohne Bruch mehrfach gebogen werden. Demgegenüber zerbrachen die Proben aus
den Werkstoffen 1.4112 und 1.4108 beim ersten Verbiegen. Die anhängende 2 zeigt bei (A) die Bruchfläche des
Vergleichswerkstoffes 1.4108 und bei (B) den unter gleichen Versuchsbedingungen
gebogenen erfindungsgemäßen Werkstoff.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass die
Verwendung der erfindungsgemäß eingesetzten
Stahlsorte zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen,
wie Bohr-, Fräs-,
Schleifund Schneidwerkzeugen mit und ohne definierter Schneide insbesondere
in dentalen und chirurgischen Anwendungen besondere Vorteile aufgrund
des hervorragenden Bruchdehnungsverhaltens der Stahlqualität gegenüber bisher verwendeten
Stählen
bietet. Bei den bisher verwendeten Stählen standen insbesondere Härte und
Korrosionsfestigkeit, sowie je nach Anwendung auch Biokompatibilität im Vordergrund.
Hinsichtlich der Bruchfestigkeit wurde bei bisher bekannten Stählen ein
Kompromiss in Kauf genommen. Durch die erfindungsgemäße Vennrendung
des vorliegenden Stahls zur Herstellung von maschinell getriebenen
Rotationswerkzeugen, wie Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen
mit und ohne definierte Schneide konnten nun auch die Nachteile
aus dem Bruchverhalten der bisher auf dem Markt erhältlichen
Produkte überwunden
werden. Die erfin dungsgemäß hergestellten
Werkzeuge vereinen Härte,
höchste
Korrosionsbeständigkeit,
gute Biokompatibilität
und hervorragende Bruchfestigkeit in den hergestellten Produkten.
Die Produkte bleiben auch beim Verbiegen bruchsicher und können, wie
zum Beispiel in der plastischen Chirurgie, mehrfach gebogen werden,
ohne ihre hervorragenden Materialeigenschaften einzubüßen. Darüber hinaus
sind die erfindungsgemäß verwendeten
Stahlqualitäten
gut zerspanbar und in gehärtetem
Zustand gut fräsbar,
was Vorteile bei der Herstellung der Produkte liefert. Ein weiterer
Vorteil der Verwendung des erfindungsgemäß eingesetzten Stahls zur Herstellung
von Rotationswerkzeugen ist die verhältnismäßig niedrige Härtungstemperatur
im Bereich von 425 bis 525°C,
wodurch sich erhebliche Energiekosten bei der Herstellung einsparen
lassen.
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Wenn Werkzeuge zum mehrmaligen Gebrauch
zugelassen werden, so müssen
sie während
der Sterilisierung besonders hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit
des Stahles erfüllen.
Erfindungsgemäße Werkzeuge
wurden gemäß DIN 1662
auf ihre Korrosionsbeständigkeit
getestet. Die in DIN 1662 definierten Versuchsbedingungen wurden
dann auf die in Tabelle 4 aufgeführten
Desinfektionslösungen übertragen
und Werkzeuge anschließend
optisch auf Korrosionsspuren untersucht. Aus Tabelle 4 gehen weiterhin
die Bewertungen der optischen Begutachtung hervor. Die Tests wurden
an Werkzeugen mit verschiedenem Oberflächenfinish, d.h. geschliffen,
gefräst,
elektropoliert und glasperlen- oder sandgestrahlt, durchgeführt. Da
im medizinischen Bereich besondere Vorschriften zur Kennzeichnung
der Werkzeuge gelten, um Fehlern bei der Anwendung vorzubeugen,
wurde besonderes Augenmerk auf die Laserkennzeichnung derselben
gelegt. Sowohl die Wärmeeinwirkung
als auch die Bereiche, die stärker
mechanisch bearbeitet wurden, wie z.B. die Schnittflächen der
jeweiligen Rotationswerkzeuge sind besonderen Beanspruchungen während des
Gebrauchs in korrosiven Medien und bei der Sterilisation ausgesetzt.
Aus der bisherigen Erfahrung mit diesen Bereichen und den oben genannten
Legierungen hat sich ergeben, dass dort induzierte Fehlerstellen
und Korrosionsansatzpunkte entstehen. Die durchgeführte optische
Begutachtung der erfindungsgemäßen Werkzeuge
nach oben beschriebenem Korrosionstest ergab keinerlei Hinweise
auf Korrosion oder Materialabgang.
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Tabelle
4: Korrosionsbeständigkeit
erfindungsgemäß hergestellter
Werkzeuge
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Da die Korrosionsresultate den Schluss
zulassen, dass das Material sowohl unter sauren als auch alkalischen
Anwendungsbedingungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, ist davon
auszugehen, dass es auch für
die Anwendung als Rotationswerkzeug in keramischen Materialien,
Holz, Plastikmaterialien und Stahl und unter den genannten Umweltbedingungen
mit Vorteil einzusetzen ist.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Form eines Bohrers.
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2 zeigt
die Bruchfläche
(A) des Vergleichswerkstoffes 1.4108 und den unter gleichen Versuchsbedingungen
gebogenen erfindungsgemäßen Werkstoffs
(B).
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in Form eines Bohrers für die chirurgische
Anwendung. Das Verhältnis
von Werkzeuglänge
zum Durchmesser liegt in diesem Fall bei ca. 72:1. Ein Längen/Durchmesser-Verhältnis in
dieser Größenordnung
bringt besondere Anforderungen an die Biegesteifigkeit des verwendeten
Stahles mit sich, die vom erfindungsgemäßen Stahl unter Vermeidung
der oben genannten Nachteile erbracht werden.
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2 zeigt
bei (A) die im Biegetest erhaltene Bruchfläche des oben beschriebenen
Werkstoffes 1.4108 und bei (B) den unter gleichen Versuchsbedingungen
gebogenen erfindungsgemäßen Werkstoff.
