EP0812924A1 - Titanium material, process for its production and use - Google Patents
Titanium material, process for its production and useInfo
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- EP0812924A1 EP0812924A1 EP96810621A EP96810621A EP0812924A1 EP 0812924 A1 EP0812924 A1 EP 0812924A1 EP 96810621 A EP96810621 A EP 96810621A EP 96810621 A EP96810621 A EP 96810621A EP 0812924 A1 EP0812924 A1 EP 0812924A1
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- EP
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- titanium
- weight
- titanium material
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
Definitions
- the present invention relates to a biocompatible titanium material with improved fatigue strength, a method for producing the titanium material and its preferred use.
- Titanium and titanium alloys have become indispensable materials in medical technology for more than 20 years.
- the main applications concern joint replacement (eg hip joint endoprostheses, knee and arm prostheses), osteosynthesis products (eg bone plates and screws, intramedullary nails) and dental implants.
- joint replacement eg hip joint endoprostheses, knee and arm prostheses
- osteosynthesis products eg bone plates and screws, intramedullary nails
- dental implants eg bone plates and screws, intramedullary nails
- the particular suitability of titanium as an implant material results from its excellent biocompatibility, which has not been achieved by any other metallic material.
- highly resilient implants are obtained, such as Hip joint endoprostheses that have to withstand enormous, changing loads. In principle, this also applies to osteosynthesis products and dental implants. Titanium alloys with forged design and high fatigue strength are always used for the production of hip joint endoprostheses.
- unalloyed titanium is advantageously used for the production of osteosynthesis products and dental implants (cf. SCHROEDER / SUTTER / BUSER / KREKELER: Orale Implantologie. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 2nd ed. 1994, p. 37ff.).
- the fatigue strengths previously achieved with unalloyed titanium - mostly measured as alternating bending fatigue strength - are ⁇ bw ⁇ 380 MPa, while values of ⁇ bw ⁇ 540 MPa were achieved with titanium alloys.
- the present invention is thus aimed at achieving fatigue strengths in unalloyed titanium which at least come close to the known implant titanium alloys.
- the oxygen content, the work hardening and, in some cases, a subsequent relaxation annealing have been used; However, it is important to perfect hardening mechanisms known per se to the metal scientist and to use them in a combination, as a result of which the mechanical material parameters can be further optimized.
- Titanium has good corrosion resistance; its high resistance in oxidizing media is characteristic.
- the strong affinity for oxygen with the immediate formation of an oxide layer - this inhibits further corrosion - is characteristic.
- the special suitability of titanium and titanium alloys as implant materials has been demonstrated using current density potential curves. Both unalloyed titanium and titanium alloys show no significant differences in corrosion removal in physiological saline at 37 ° C in the relevant application range between -200mV and + 300mV.
- the corrosion resistance of titanium, titanium alloys, zircon, niobium, tantalum and platinum is at a high level, whereby these materials are inert in the fabric.
- the implant steel 316L (FeCrNiMo) and the cobalt-based alloy CoCrNiMo also have a high corrosion resistance, but these materials cause an undesirable tissue reaction in the body due to sequestration.
- the ratios of silver, gold, aluminum, molybdenum and iron are even more unfavorable, the latter having the lowest corrosion resistance.
- the elements cobalt, copper, nickel and vanadium are increasingly toxic as a result. This illustrates that a material with high corrosion resistance does not guarantee biocompatibility at the same time.
- ideal implant materials are titanium, zircon, niobium, tantalum and their alloys.
- titanium is essentially due to the strong affinity for oxygen, which means that the titanium surface immediately covers itself with an oxide film of atomic thickness, which behaves neutrally in the electrolyte - ie in the blood.
- the electrically non-conductive oxide film acts as a strong barrier against further dissolution of the metal. Electrically neutral hydrolysis products do not develop an attempt to react with organic molecules.
- implant steel on the other hand, there are twofold electrical-positive undesirable reaction products charged ions that can form toxic antigens with the proteins of the human body. Nickel is known for its allergic and toxic effects.
- the static and dynamic, mechanical properties are also extremely important.
- the static, mechanical properties normally determined in the tensile test are the tensile strength R m (maximum stress occurring in the stress-strain diagram) and the often more significant proof stress R p (limit stress at which a material no longer behaves exclusively elastically and changes into the plastic state ).
- the technical proof stress is usually specified with 0.2% proof stress R p0.2 .
- a high-strength material should have both a high R m value and a high R p0.2 value so that no plastic deformation occurs under real loads.
- Table 1 below shows the characteristic strength values according to DIN standard 17 869 from Titan Grade 1, Titan Grade 4 and the titanium alloy TiAl6V4: Table 1 Strength values (guide values) Titan Grade 1 Titan Grade 4 Titanium alloy TiAl6V4 Tensile strength R m [MPa] 350 640 930 0.2% proof stress R p0.2 [MPa] 240 480 865 Elongation A 5 [%] 45 25th 13
- the specification values for the strength of titanium materials for implants are in the ASTM standards F 67-89, F 136-92, F 1295-92 and F 1341-92 as well as in ISO standards 5832 / II, 5832-3 and 5832 -11 fixed.
- Table 2 shows the characteristic strength values according to ASTM standard F 67-89 for bars made of annealed, unalloyed titanium of various degrees: Table 2 Titan grades Tensile strength R m min. [MPa] 0.2% proof stress Rp 0.2 min. [MPa] Elongation A 4 min. [%] Constriction Z min. [%] 1 240 170 24th 30th 2nd 345 275 20th 30th 3rd 450 380 18th 30th 4th 550 483 15 25th
- Table 3 shows the characteristic strength values for wire according to ASTM standard F 1341-92 annealed, unalloyed titanium of various grades: Table 3 Titan grades Diameter D [mm] Tensile strength R m min. [MPa] 0.2% proof stress R p0.2 min. [MPa] Elongation A 4 min. [%] Constriction Z min.
- An essential property of a heavily loaded material is the remaining ductility, which e.g. if a component is overloaded, its abrupt failure is excluded.
- part of the ductility is lost through the work hardening process, i.e. With increasing degree of cold deformation, the elongation A or the ductility decreases.
- the metallurgist can use various hardening methods in accordance with Table 4 below to influence the mechanical material parameters: Table 4 Hardening process Operation Mixed crystal hardening Substitution of titanium by other metallic elements soluble in it (e.g. zircon, niobium, tantalum) Hardening by adding interstitially dissolved elements Additive (e.g. oxygen, carbon, nitrogen) Cold forming Rolling, pulling, hammering Grain refinement Recrystallization annealing Precipitation hardening Additive (e.g. iron, copper, silicon) Cold forming and precipitation hardening Additive (e.g. iron, copper, silicon) and cold working
- Additive e.g. iron, copper, silicon
- the titanium alloy TiAl6V4 has been introduced as a standard alloy for decades.
- a forgeable alloy for implants for bone and dental surgery is known from CH-A-539 118.
- This alloy consists of 3-50% by weight X and otherwise essentially Z, where X is one of the elements niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, iron or aluminum or any mixture of these elements, while Z is one the elements are titanium or zirconium or any mixture of these elements.
- the vanadium present in the standard alloy was then either replaced by iron or in a further improvement by niobium, so that the alloys TiAl5Fe2.5 and TiAl6Nb7 were formed.
- the titanium materials known in this respect cannot be regarded as optimal with regard to the totality of all requirements - ie biocompatibility, in particular "osseointegration", mechanical parameters, production expenditure and cold deformability.
- the compromises found so far are unsatisfactory, in particular it has so far not been possible to achieve the highest possible biocompatibility and "osseointegration”, as well as high tensile strength R m and fatigue strength.
- the manufacturing outlay for the materials is relatively high, and improved cold formability, for example for the production of long products such as bars and profiles, is also particularly desirable.
- Wire, rods, profiles, plates, sheet metal and strip of any desired dimensions can be produced from the material.
- the titanium material according to the invention is used primarily for use in medical technology for implants - e.g. Dental implants, root posts, posts, bone plates and screws, intramedullary nails, heart valves and prostheses -, for instruments and for devices. Another important area of application is the watch and jewelry industry, where the excellent material properties in contact with the skin are essential.
- the starting point for the production of the titanium material is a melt with the chemical composition according to Table 5 , which corresponds to the requirements for titanium implant materials according to ASTM F 67-89: Table 5 element Mass content [%] O 0.30 Fe 0.15 C. 0.007 N 0.01 H 0.0031
- Iron is an accompanying element or an impurity and can be contained in the titanium ore up to 20% by weight. It has to be extracted in a treatment process in order to achieve the desired low iron content in the titanium sponge.
- the sponge quality used depends on the goal.
- the iron content of commercially produced titanium can vary from 0.035 to 0.5% by weight, depending on the use of very clean to heavily contaminated titanium sponge.
- a raw material with a relatively high iron content is used in a targeted manner.
- a possibly too low oxygen content is compensated for by adding titanium oxide.
- the oxygen content is increased up to 0.40% by weight, normally up to 0.35% by weight. It has proven to be advantageous here to limit the oxygen content to 0.35% by weight - oxygen contents up to this value improve the strength without reducing the ductility too much.
- Figure 2 shows the influence of the proportions of oxygen, nitrogen and carbon on the mechanical properties - proof stress, tensile strength, elongation and hardness.
- an oxygen content for example of 0.30% by weight
- the yield strength of conventional titanium is R P0.2 ⁇ 500 MPa, a tensile strength R m ⁇ 650 MPa and an elongation A of just over 20%.
- Comparable values for the yield strength R P0.2 and the elongation A can be seen in Figures 3 to 5 .
- the carbon and nitrogen contents shown in Figures 4 and 5 are sometimes outside the maximum values permitted by ASTM standard F 67-89 (for carbon up to 0.10% by weight and for nitrogen between 0.03% by weight and 0.05% by weight depending on the titanium grade).
- the carbon and nitrogen fractions that actually occur in unalloyed titanium are ⁇ 0.01% by weight. At higher proportions, there is a risk of the formation of titanium carbides and nitrides, which can lead to material breaks.
- the carbon and nitrogen fractions are considered to be normal admixtures and not as alloying elements.
- Table 6 gives an overview of the possible heat treatments for titanium and titanium alloys for setting specific material properties with the most important types of annealing - soft annealing, stress relieving, solution annealing and aging and the associated annealing temperatures ⁇ (see also DIN standards 17869 and 65084). Within the entire process sequence for the production of the titanium material according to the invention, heat treatments known per se are carried out in some cases.
- the increase in strength achieved by the cold-forming process is more or less reversed.
- Complete softening down to the initial state is achieved by annealing above the recrystallization threshold (soft state).
- annealing temperatures below the recrystallization threshold only partial softening - called recovery - is brought about. The transition between recovery and recrystallization can be demonstrated most impressively by means of X-ray or electron microscopic examinations.
- annealing in the heat treatment of titanium denotes the reversal of a hardening caused by forming or hardening. As a rule, the annealing is carried out above the recrystallization temperature.
- a prerequisite for recrystallization - this means a complete recrystallization of the material - is a previous cold working.
- the recrystallization starts at the most disturbed places of the crystal lattice.
- No recrystallization occurs below a critical degree of deformation, which depends on the thermal and mechanical pretreatment, depending on the material.
- the lower recrystallization temperature (recrystallization threshold) decreases with increasing degree of deformation.
- the number of bacteria increases so that a more fine-grained structure is created.
- the process serves to reduce residual stresses, e.g. after welding, machining or straightening.
- the process is carried out at low temperatures without changing the structure.
- This annealing is carried out in order to enrich the mixed crystal on the alloy components which are to be precipitated during the subsequent aging.
- the alloy components are dissolved in the supersaturated state during solution annealing.
- a prerequisite for the hardening of an alloy is a decrease in the solubility of alloy components as the temperature drops.
- a prerequisite for solution annealing is rapid cooling or quenching at the end of the annealing in order to keep the alloy components in the supersaturated solution.
- Table 6 does not contain temperature information for solution annealing and aging for titanium grades 1 and 4, since unalloyed titanium of this type cannot be hardened due to the normally low proportion of admixtures. No hardening alloy components are specifically added.
- the elements oxygen, nitrogen, carbon and hydrogen are fully soluble in titanium up to the specified maximum values.
- the iron originating from the titanium ore as an impurity is tolerated, for example, in titanium grade 4 up to 0.5% by weight (cf. ASTM standard F 67-89) and normally occurs in the form of coarse, spherical precipitations, preferably at grain boundaries.
- the hardening exponent n as the degree for the hardening tendency of a material, is shown in Figure 8 (Titan Grade 1 - material 3.7025 and Titan Grade 2 - material 3.7035) depending on the position of the rolling direction. It becomes clear that with hexagonal titanium there is a strong directional dependency of the hardening exponent n with respect to the rolling direction. In the longitudinal direction, the highest values are measured for the mean hardening exponent n with 0.17 or 0.15 and for the transverse direction (90 ° to the rolling direction) the lowest values for the hardening exponent n ⁇ 0.12.
- EP-B-0 436 910 provides a method for cold-forming unalloyed titanium with an intermediate annealing, this taking place below the recrystallization temperature and without the formation of cell structures.
- the tensile strength R m is obtained through cold working steps increased from 30% each with intermediate annealing at temperatures ⁇ ⁇ 500 ° C to values between 900 MPa and 1000 MPa.
- the elongation A drops only moderately between the individual hardening steps, as a result of which the required 10% limit can be maintained.
- Titan Grade 4 behaves differently with an oxygen content of 0.30% by weight, an iron content of 0.15% by weight and a basic strength of ⁇ 700 MPa in the annealed condition. With a degree of deformation of 15%, the tensile strength R m already exceeds the limit of 860 MPa and the elongation A is still ⁇ 13%. It is a very fine-grained material with a grain size of ⁇ 10 ⁇ m (measured according to ASTM standard E 112-88). The grain boundaries provide an additional consolidation contribution because they represent an obstacle to dislocations that build up in front of the grain boundaries and make further deformation more difficult (cf. B ⁇ HM, H .: Introduction in the metallurgy.
- the extremely fine-grained The structure results on the one hand from the relatively high iron content of 0.15% by weight - compared to the qualities usually used in medical technology with ⁇ 0.05% above the highest solubility of iron in titanium lattice at ⁇ 700 ° C - and on the other hand the intensive work hardening.
- a fine grain size of 10 results in optimal consolidation and an increase in the 0.2 proof stress R p0.2 according to the Hall-Petch relationship.
- the fine-grain structure also increases the fatigue strength ⁇ bw . Only with the increased iron content of> 0.08% by weight, preferably from 0.10% by weight to 0.20% by weight, does the full inhibitory effect on grain growth come about Carry. The extreme fine granularity is assumed in the method according to the invention to achieve the desired mechanical properties and is used consistently.
- the separation of supersaturated mixed crystals is known to have a strong influence on the physical and mechanical properties of a material. Since segregation processes are generally associated with a significant increase in the proof stress R p0.2 , the tensile strength R m and the hardness of an alloy, this is referred to as hardening.
- a precondition for a hardenable alloy is a dependency of the dissolving power for an added element on the temperature in the alloy system.
- the maximum solubility for iron in titanium in the temperature range of approx. 700 ° C is 0.05% by weight. As the temperature drops, the solubility decreases sharply and is only 0.006% by weight at 400 ° C. At even lower temperatures, the solubility of titanium for iron should be less than 0.001% by weight. With the solubility limit of ⁇ 0.05% by weight at ⁇ 700 ° C, there is always in unalloyed titanium with higher iron contents TiFe excretions. Their shape is determined by the mass fraction in% by weight, the manufacturing process and the size range of the end product.
- unalloyed titanium is used in the annealed condition. Due to the needs of the chemical industry, Titan Grade 2 is clearly the most frequently used material. For higher demands on the mechanical properties, titanium grade 4 annealed is used. In order to achieve even higher tensile strengths R m > 680 MPa (according to ISO standard 58321 / II), cold forming is necessary. The relevant standards do not refer to precipitation hardening of unalloyed titanium. This is certainly because the titanium grades Grade 1 to Grade 4 apart from oxygen - this is up to 0.4% interstitially dissolved - no metallic alloy element is added. The iron contained in the titanium ore rutile up to 20% by weight as an impurity is elaborately removed.
- the prerequisite In order to be able to use precipitation hardening in the titanium-iron two-component system at all by separating the intermetallic TiFe phase, the prerequisite must be created in the form of thermal treatment as annealing or also as hot deformation in the temperature range of maximum solubility. This is followed by aging at temperatures far below 700 ° C in order to remove as much of the TiFe phase as possible.
- phase which has separated out has the same lattice structure as that Matrix, but differs in composition.
- Coherent particles require a lower formation energy and, depending on the alloy, separate out flat, plate, spherical or needle-shaped.
- the second type of segregation is the partially coherent separation, in which there is coherence at least with an interface with the matrix.
- Partially coherent excretions are usually not the equilibrium phase, but rather metastable intermediate phases. According to the higher interfacial energy, the nucleation work in partially coherent phases is greater than in coherent phases.
- the last stage of the decay of a supersaturated mixed crystal is the elimination of an incoherent phase as a continuous or discontinuous elimination.
- the reason for the occurrence of coherent, partially coherent or incoherent phases lies in the different energy that has to be applied to form the interfaces.
- incoherent phases In contrast to incoherent excretions, the easier nucleation in the intermediate phases leads to a higher nucleation frequency and consequently to a finer distribution of the excretions, which is associated with a greater hardening. Due to their higher nucleation work, incoherent phases are preferably eliminated at lattice defects such as dislocations and grain boundaries. The strong acceleration of segregation processes due to a previous cold working is therefore due to the increase in the number of foreign germs as a result of the increased dislocation density.
- the production of grade 4 titanium rods with a diameter of 5 mm and the chemical composition according to Table 5 proceeds as follows.
- the melt is melted, forged, hot rolled and drawn into wire using conventional techniques.
- the thermal or thermomechanical treatment necessary for optimal curing takes place in the temperature range from 650 ° C to 750 ° C. This is followed by rapid cooling in order to keep as much iron as possible in solution. Annealing between 200 ° C and 500 ° C with steps of 25 ° are carried out.
- the diffraction images within the images 16 to 18 of all three heat treatment states show strikingly pronounced superstructure reflections that occur as a result of finely separated coherent titanium-iron particles.
- the particles were detected by dark field imaging in the light of a superstructure reflex (see Figure 17 ). At the low tempering temperature of 250 ° C, the particles have a rounded shape (see Fig . 19 ) and change to an oval shape at 450 ° C (see Fig . 20 ).
- TiCu2 An examination of the titanium alloy TiCu2 also showed the appearance of a very fine phase as the result of a precipitation annealing.
- the Ti-Si state diagram shows another alloy system with eutectoid segregation. Silicon additives of 0.2% by weight are already used in the high-strength ⁇ -titanium alloys to improve creep resistance and are generally suitable for a biocompatible, hardenable material - also for implants.
- Annealing also has a significant share in the mechanical properties of the titanium material created. Comparative experiments on temper annealing with conventional implant material (iron content 0.05% by weight) and the inventive titanium grade 4 material, cold-formed, rod material, with an iron content of 0.15% by weight yielded the following results, which are shown in Figures 21 to 23 are shown.
- the annealing temperatures from 200 ° C to 500 ° C cover the entire curing range. It can be seen that for both materials the 0.2% proof stress R p0.2 initially increases from ⁇ 750 MPa to values of 800 MPa at annealing temperatures up to ⁇ 250 ° C. Above this temperature, the yield strength R p0.2 of the conventional material drops sharply compared to the material according to the invention (see Figure 21 ).
- Figure 23 shows a comparison of the conditions with regard to the elongation A 50 , which is ⁇ 10% for both materials when not tempered. Tempering temperatures ⁇ 200 ° C can significantly increase the strain values A 50 , especially for the conventional material, to 20%.
- the improvements in the material according to the invention are clearly visible.
- the tensile strength R m in the non-tempered state is 950 MPa, so confidently above the required specification limit of 860 MPa. Tempering reduces the tensile strength R m by ⁇ 100 MPa even at temperatures up to 400 ° C, while the conventional material only has a strength of ⁇ 700 MPa at the same tempering temperature.
- the problem with every grade of work hardened titanium is always the ratio of tensile strength R m to elongation A. If too much cold deformation is used, the desired tensile strength R m can be achieved, but the required one The minimum elongation is not reached. This disadvantage is eliminated by tempering treatment, provided that there is a sufficiently high level of strength, which is reduced by tempering.
- Precipitation hardening has an enormous influence on the fatigue strength ⁇ bw .
- Surgical implants for example, are mainly stressed by fatigue. This is why this parameter is particularly important. This applies equally to hip joint endoprostheses, to osteosynthesis products and to dental implants, which of course are also subject to bending, torsional and shear forces.
- the flexural fatigue strength ⁇ bw is by definition the stress that a material withstands 10 7 load cycles without breaking. It is known to increase the fatigue strength of titanium by adding oxygen.
- the fatigue fatigue strength ⁇ bw of titanium grade 4 work hardened in the range from 357 MPa to 430 MPa. These values concern alternating bending fatigue strengths, which were determined with electropolished sample surfaces. IMI Titanium Ltd. published values are shown in Figure 24 .
- Figure 24 shows that both the tensile strength R m and the fatigue strength ⁇ bw of soft-annealed samples increase with increasing oxygen content, with the curve for the tensile strength R m increasing more.
- the values for notched samples are ⁇ 25% lower than those of the smooth comparison samples.
- Figure 25 shows the influence of the oxygen content and the cold deformation on the tensile strength R m and fatigue strength ⁇ bw .
- the fatigue bending fatigue strength ⁇ bw of the most cold-formed material is 380 MPa and thus coincides with the other values known from the literature.
- solid solution hardening can be used within the manufacturing process for special use of the material.
- Mixed crystal hardening replaces titanium atoms with other metallic atoms that are soluble in titanium.
- Zircon for example, is particularly suitable for this, since it can be completely dissolved in both the ⁇ phase and the ⁇ phase.
- Niobium and tantalum dissolve completely in ⁇ -titanium, but only to a limited extent in the ⁇ -phase, so that in this case ⁇ + ⁇ -titanium alloys are obtained.
- Mixed crystal hardening can advantageously be used to improve tensile strength Raise R m decisively without having to accept an excessive loss of ductility.
- the inventive precipitation hardening can consequently also be applied to a two-, three- or multi-material system, where zirconium, niobium or tantalum or any mixture thereof are added to the base material titanium.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen biokompatiblen Titanwerkstoff mit verbesserter Ermüdungsfestigkeit, ein Verfahren zur Herstellung des Titanwerkstoffs und seine bevorzugte Verwendung.The present invention relates to a biocompatible titanium material with improved fatigue strength, a method for producing the titanium material and its preferred use.
An einen Implantatwerkstoff werden folgende Anforderungen - beginnend mit den obersten Prioritäten - gestellt: bestmögliche Biokompatibilität und Ermüdungsfestigkeit, hohe Dehngrenze bzw. Festigkeit, Mindestdehnung von 10%, gute Kaltverformbarkeit, kein Verzug nach spangebender, mechanischer Bearbeitung, gute Zerspanbarkeit, unproblematische Erschmelzung und kostengünstige Herstellung.The following requirements are placed on an implant material - starting with the top priorities: best possible biocompatibility and fatigue strength, high elastic limit or strength, minimum elongation of 10%, good cold formability, no warping after machining, mechanical machining, good machinability, unproblematic melting and cost-effective production .
Titan und Titanlegierungen sind seit mehr als 20 Jahren in der Medizintechnik zu unentbehrlichen Werkstoffen geworden. Die wesentlichen Anwendungen betreffen den Gelenkersatz (z.B. Hüftgelenk-Endoprothesen, Knie- und Armprothesen), Osteosynthese-Produkte (z.B. Knochenplatten und -schrauben, Marknägel) und Dentalimplantate. Die besondere Eignung von Titan als Implantatwerkstoff ergibt sich aufgrund seiner ausgezeichneten, bisher von keinem anderen metallischen Werkstoff erreichten Biokompatibilität. Mit dem Einsatz von Titanlegierungen erhält man hochbelastbare Implantate, wie Hüftgelenk-Endoprothesen, die einer enormen, wechselnden Belastung standhalten müssen. Prinzipiell gilt dies auch für Osteosynthese-Produkte und Dentalimplantate. Für die Fertigung von Hüftgelenk-Endoprothesen werden grundsätzlich Titanlegierungen in Schmiedeausführung mit hohen Ermüdungsfestigkeiten eingesetzt. Hingegen verwendet man zur Herstellung von Osteosynthese-Produkten und Dentalimplantaten vorteilhaft unlegiertes Titan (vgl. SCHROEDER/SUTTER/BUSER/KREKELER: Orale Implantologie. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 2. Aufl. 1994, S. 37ff.).Titanium and titanium alloys have become indispensable materials in medical technology for more than 20 years. The main applications concern joint replacement (eg hip joint endoprostheses, knee and arm prostheses), osteosynthesis products (eg bone plates and screws, intramedullary nails) and dental implants. The particular suitability of titanium as an implant material results from its excellent biocompatibility, which has not been achieved by any other metallic material. With the use of titanium alloys, highly resilient implants are obtained, such as Hip joint endoprostheses that have to withstand enormous, changing loads. In principle, this also applies to osteosynthesis products and dental implants. Titanium alloys with forged design and high fatigue strength are always used for the production of hip joint endoprostheses. In contrast, unalloyed titanium is advantageously used for the production of osteosynthesis products and dental implants (cf. SCHROEDER / SUTTER / BUSER / KREKELER: Orale Implantologie. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 2nd ed. 1994, p. 37ff.).
Man differenziert unlegiertes Titan in 4 Grades, entsprechend den maximal unterschiedlichen Anteilen an Sauerstoff (vgl. Norm der American Society for Testing and Materials; ASTM 67-89; Spezifikation für unlegiertes Titan für chirurgische Implantate). Sofern im weiteren von Titangrades die Rede ist, gilt stets der Bezug auf die ASTM 67-89. Die Bezeichnung "unlegiert" bringt lediglich zum Ausdruck, dass keine metallischen Beimengungen enthalten sind. Nach ZWICKER, U.: Titan und Titanlegierungen. Springer-Verlag Berlin (u.a.) 1974, S. 220 gilt folgende Näherungsgleichung für den Zusammenhang zwischen der Härte (HB=Brinell-Härtewerte) und dem Gehalt an Beimengungen:
Um die Festigkeit von unlegiertem Titan zusätzlich zu legierungstechnischen Massnahmen weiter zu steigern, wird eine Kaltverformung mit Verformungsgraden bis über 90% aufgewendet. Bei der Einstellung hoher Festigkeiten nimmt aber mit steigendem Kaltverformungsgrad die Duktilität - speziell die im Zugversuch gemessene Dehnung - stark ab und sinkt unter den in der Praxis geforderten Wert von 10%. Mit dem Einsatz spezieller Titan Grades (Grade 4 mit erhöhtem Sauerstoffgehalt) bzw. mit besonderen thermomechanischen Herstellungsverfahren gelang es indessen, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Zugfestigkeit, Dehnung und Biegefähigkeit herzustellen.In order to further increase the strength of unalloyed titanium in addition to alloying measures, cold forming with degrees of deformation up to over 90% is used. When setting high strengths, however, the ductility - especially the elongation measured in the tensile test - decreases sharply with an increasing degree of cold deformation and drops below the value of 10% required in practice. With the use of special titanium grades (
Die bisher bei unlegiertem Titan erzielten Ermüdungsfestigkeiten - grösstenteils als Umlaufbiegewechselfestigkeit gemessen - liegen bei σbw ≈ 380 MPa, während bei Titanlegierungen Werte von σbw ≈ 540 MPa erreicht wurden. Für Dentalimplantate kommt aufgrund der geforderten Biokompatibilität und des besseren Einwachsverhaltens bisher nur unlegiertes Titan in Betracht. Die vorliegende Erfindung ist somit darauf ausgerichtet, bei unlegiertem Titan Ermüdungsfestigkeiten zu erreichen, welche den bekannten Implantat-Titanlegierungen zumindest nahekommen. Zur Verbesserung der Festigkeit bzw. Ermüdungsfestigkeit hat man bisher den Sauerstoffgehalt, die aufgewendete Kaltverfestigung und teilweise eine nachfolgende Entspannungsglühung genutzt; es gilt aber, dem Metallkundler an sich bekannte Härtungsmechanismen zu vervollkommnen und in einer Kombination anzuwenden, wodurch eine weitere Optimierung der mechanischen Werkstoffparameter gelingt.The fatigue strengths previously achieved with unalloyed titanium - mostly measured as alternating bending fatigue strength - are σ bw ≈ 380 MPa, while values of σ bw ≈ 540 MPa were achieved with titanium alloys. For dental implants, only unalloyed titanium is currently considered due to the required biocompatibility and better waxing behavior. The present invention is thus aimed at achieving fatigue strengths in unalloyed titanium which at least come close to the known implant titanium alloys. To improve the strength or fatigue strength, the oxygen content, the work hardening and, in some cases, a subsequent relaxation annealing have been used; However, it is important to perfect hardening mechanisms known per se to the metal scientist and to use them in a combination, as a result of which the mechanical material parameters can be further optimized.
Titan besitzt eine gute Korrosionsbeständigkeit; charakteristisch ist seine hohe Resistenz in oxidierenden Medien. Für Titan ist die starke Affinität zu Sauerstoff mit der sofortigen Bildung einer Oxidschicht - diese hemmt die weitere Korrosion - kennzeichnend. Die besondere Eignung von Titan und Titanlegierungen als Implantatwerkstoffe wurde mittels Stromdichte-Potentialkurven nachgewiesen. Sowohl unlegiertes Titan als auch Titanlegierungen zeigen im relevanten Einsatzbereich zwischen -200mV und +300mV keine signifikanten Unterschiede des Korrosionsabtrags in physiologischer Kochsalzlösung bei 37°C. Erst unter aggressiveren Korrosionsbedingungen in sauerstofffreier, zweimolarer Salzsäure treten in den Stromdichte-Potentialkurven Unterschiede zwischen unlegiertem Titan bzw. der Titanlegierung TiAl6Nb7 und der hocheisenhaltigen Implantatlegierung TiAl5Fe2,5 auf, wobei das Durchbruchspotential bei letzterer bei 4,4V liegt (10V bei unlegiertem Titan).Titanium has good corrosion resistance; its high resistance in oxidizing media is characteristic. For Titan, the strong affinity for oxygen with the immediate formation of an oxide layer - this inhibits further corrosion - is characteristic. The special suitability of titanium and titanium alloys as implant materials has been demonstrated using current density potential curves. Both unalloyed titanium and titanium alloys show no significant differences in corrosion removal in physiological saline at 37 ° C in the relevant application range between -200mV and + 300mV. Differences between unalloyed titanium or the titanium alloy TiAl6Nb7 and the high-iron-containing implant alloy TiAl5Fe2.5 only occur in the current density potential curves under more aggressive corrosion conditions in oxygen-free, two-molar hydrochloric acid, the breakthrough potential for the latter being 4.4 V (10 V for unalloyed titanium).
Es ist erwiesen, dass die Korrosionsrate von unlegiertem Titan mit steigendem Eisengehalt zunimmt. Ein Test in 10%iger Salzsäure - diese Bedingungen treten beim Einsatz eines Implantats im Humankörper niemals auf - ergab einen um den Faktor 3 höheren Korrosionsangriff. In physiologischer Kochsalzlösung hingegen ist nach eigenen Messungen kein signifikanter Unterschied zwischen unlegiertem Titan mit Eisengehalten von 0,05% und 0,15% feststellbar. Die Korrosionsbeständigkeit ist aber nicht allein ausschlaggebend für die Biokompatibilität eines Werkstoffs. Nicht nur eine geringe Korrosionsgeschwindigkeit bei den in vivo untersuchten Materialien ist für eine gute Biokompatibilität massgeblich, sondern auch die materialspezifische, stark divergierende Gewebeverträglichkeit.It has been proven that the corrosion rate of unalloyed titanium increases with increasing iron content. A test in 10% hydrochloric acid - these conditions never occur when an implant is used in the human body - showed a corrosion attack that was three times higher. In physiological saline, on the other hand, there is no significant difference between unalloyed titanium with iron contents of 0.05% and 0.15%. However, corrosion resistance is not the only decisive factor for the biocompatibility of a material. Not only a low rate of corrosion of the materials investigated in vivo is a good biocompatibility decisive, but also the material-specific, strongly divergent tissue compatibility.
Wie aus Bild 1 ersichtlich, liegen bezüglich des Korrosionswiderstands Titan, Titanlegierungen, Zirkon, Niob, Tantal und Platin auf hohem Niveau, wobei sich diese Werkstoffe im Gewebe inert verhalten. Der Implantatstahl 316L (FeCrNiMo) und die Kobaltbasislegierung CoCrNiMo weisen zwar ebenfalls einen hohen Korrosionswiderstand auf, jedoch wird von diesen Materialien im Körper eine unerwünschte Gewebereaktion durch Sequestrierung hervorgerufen. Noch ungünstiger sind die Verhältnisse bei Silber, Gold, Aluminium, Molybdän und Eisen, wobei letzteres den geringsten Korrosionswiderstand besitzt. Die Elemente Kobalt, Kupfer, Nickel und Vanadium sind in dieser Folge zunehmend toxisch. Damit ist veranschaulicht, dass ein Material von hoher Korrosionsbeständigkeit, nicht zugleich Biokompatibilität gewährleistet. In der Konsequenz kommen als ideale Implantatwerkstoffe insbesondere Titan, Zirkon, Niob, Tantal und deren Legierungen in Betracht.As can be seen in Figure 1 , the corrosion resistance of titanium, titanium alloys, zircon, niobium, tantalum and platinum is at a high level, whereby these materials are inert in the fabric. The
Das sehr gute biokompatible Verhalten des Titans hat seine Ursache im wesentlichen in der starken Sauerstoffaffinität, wodurch sich die Titanoberfläche sofort mit einem Oxidfilm atomarer Dicke überzieht, der sich im Elektrolyten - d.h. im Blut - neutral verhält. Der elektrisch nicht leitende Oxidfilm wirkt als starke Barriere gegen die weitere Auflösung des Metalls. Elektrisch neutrale Hydrolyse-Produkte entwickeln kein Reaktionsbestreben mit organischen Molekülen. Beim Implantatstahl hingegen ergeben sich bei der Korrosion als unerwünschte Reaktionsprodukte zweifach elektrisch-positiv geladene Ionen, die mit den Proteinen des Humankörpers eventuell toxische Antigene bilden können. Nickel ist für seine allergische und toxische Wirkung bekannt.The very good biocompatible behavior of titanium is essentially due to the strong affinity for oxygen, which means that the titanium surface immediately covers itself with an oxide film of atomic thickness, which behaves neutrally in the electrolyte - ie in the blood. The electrically non-conductive oxide film acts as a strong barrier against further dissolution of the metal. Electrically neutral hydrolysis products do not develop an attempt to react with organic molecules. In the case of implant steel, on the other hand, there are twofold electrical-positive undesirable reaction products charged ions that can form toxic antigens with the proteins of the human body. Nickel is known for its allergic and toxic effects.
Durch zahlreiche Untersuchungen belegt, besitzt unlegiertes Titan mit seinem Oxidfilm eine ideale Oberfläche zur Bildung einer chemischen Verbindung mit dem menschlichen Knochen. Nur reines bzw. kommerziell reines Titan mit den zulässigen geringfügigen Fremdbestandteilen, wie Eisen, Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff, erlaubt das Anwachsen des Knochens am Implantat und bewirkt dessen "Osseointegration".Evidenced by numerous investigations, unalloyed titanium with its oxide film has an ideal surface for forming a chemical connection with human bones. Only pure or commercially pure titanium with the permissible minor foreign components such as iron, nitrogen, carbon and oxygen allows the bone to grow on the implant and causes its "osseointegration".
Neben einer bestmöglichen Biokompatibilität sind aber auch die statischen und dynamischen, mechanischen Eigenschaften von enormer Wichtigkeit. Die normalerweise im Zugversuch ermittelten statischen, mechanischen Eigenschaften sind die Zugfestigkeit Rm (im Spannungs-Dehnungs-Diagramm auftretende Maximalspannung) und die oftmals massgeblichere Dehngrenze Rp (Grenzspannung, bei der sich ein Werkstoff nicht mehr ausschliesslich elastisch verhält und in den plastischen Zustand übergeht). Die technische Dehngrenze wird üblicherweise mit 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 angegeben. Ein hochfester Werkstoff sollte sowohl einen hohen Rm-Wert als auch einen hohen Rp0,2-Wert aufweisen, damit bei der realen Belastung keine plastische Verformung eintritt.In addition to the best possible biocompatibility, the static and dynamic, mechanical properties are also extremely important. The static, mechanical properties normally determined in the tensile test are the tensile strength R m (maximum stress occurring in the stress-strain diagram) and the often more significant proof stress R p (limit stress at which a material no longer behaves exclusively elastically and changes into the plastic state ). The technical proof stress is usually specified with 0.2% proof stress R p0.2 . A high-strength material should have both a high R m value and a high R p0.2 value so that no plastic deformation occurs under real loads.
In der folgenden Tabelle 1 sind die charakteristischen Festigkeitswerte gemäss der DIN-Norm 17 869 von Titan Grade 1, Titan Grade 4 und der Titanlegierung TiAl6V4 zusammengestellt:
Die spezifikationsgemässen Werte für die Festigkeit von Titanwerkstoffen für Implantate sind in den ASTM-Normen F 67-89, F 136-92, F 1295-92 und F 1341-92 sowie in den ISO-Normen 5832/II, 5832-3 und 5832-11 fixiert.The specification values for the strength of titanium materials for implants are in the ASTM standards F 67-89, F 136-92, F 1295-92 and F 1341-92 as well as in ISO standards 5832 / II, 5832-3 and 5832 -11 fixed.
In der folgenden Tabelle 2 sind die charakteristischen Festigkeitswerte gemäss der ASTM-Norm F 67-89 für Stäbe aus geglühtem, unlegiertem Titan verschiedener Grades zusammengestellt:
In der folgenden Tabelle 3 sind die charakteristischen Festigkeitswerte gemäss der ASTM-Norm F 1341-92 für Draht aus geglühtem, unlegiertem Titan verschiedener Grades zusammengestellt:
Sowohl die ASTM-Normen F 67-89 und F 1341-92 als auch die ISO-Norm 5832/II lassen die Möglichkeit offen, kaltverfestigtes Titan für chirurgische Implantate einzusetzen, wobei nur die letzte Norm bei einer Dehnung A = 10% einen Mindestwert für die Zugfestigkeit mit Rm ≥ 680 MPa vorschreibt. Nach der ASTM-Norm F 67-89 wird für Stäbe mit einer Messlänge L0 = 4 D eine Dehnung A ≥ 10% verlangt, während die ASTM-Norm F 1341-92 für dünne Drähte auch Dehnungswerte unter 10% zulässt. Im übrigen überlassen die ASTM-Normen die Fixierung von Festigkeitswerten der Abstimmung zwischen den Titanproduzenten und den Implantatherstellern.Both the ASTM standards F 67-89 and F 1341-92 as well as the ISO standard 5832 / II leave the possibility open to use work hardened titanium for surgical implants, whereby only the last standard with a strain A = 10% a minimum value for specifies the tensile strength with R m ≥ 680 MPa. According to ASTM standard F 67-89, an elongation A ≥ 10% is required for rods with a measuring length L 0 = 4 D, while ASTM standard F 1341-92 also allows elongation values below 10% for thin wires. For the rest, the ASTM standards leave the fixation of strength values to the coordination between the titanium producers and the implant manufacturers.
Eine wesentliche Eigenschaft bei einem stark belasteten Werkstoff ist die noch vorhandene Restduktilität, die z.B. bei Überbelastung eines Bauteils dessen abruptes Versagen ausschliesst. Bei kaltverfestigten Werkstoffen geht allerdings durch den Prozess der Kaltverfestigung ein Teil der Duktilität verloren, d.h. mit zunehmendem Kaltverformungsgrad nimmt die Dehnung A bzw. die Duktilität ab.An essential property of a heavily loaded material is the remaining ductility, which e.g. if a component is overloaded, its abrupt failure is excluded. With work hardened materials, however, part of the ductility is lost through the work hardening process, i.e. With increasing degree of cold deformation, the elongation A or the ductility decreases.
Zur Beeinflussung der mechanischen Werkstoffparameter stehen dem Metallurgen verschiedene Härtungsverfahren gemäss nachstehender Tabelle 4 zur Verfügung:
Die Titanlegierung TiAl6V4 ist seit Jahrzehnten als Standardlegierung eingeführt.The titanium alloy TiAl6V4 has been introduced as a standard alloy for decades.
Aus der CH-A-539 118 ist eine schmiedbare Legierung für Implantate für die Knochen- und Zahnchirurgie bekannt. Diese Legierung besteht aus 3-50 Gew.-% X und ansonsten im wesentlichen aus Z, wobei X eines der Elemente Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen oder Aluminium oder eine beliebige Mischung aus diesen Elementen sein soll, während Z eines der Elemente Titan oder Zirkon oder eine - beliebige Mischung dieser Elemente ist. Hierbei wurde das in der Standardlegierung vorhandene Vanadium dann entweder durch Eisen oder in einer weiteren Verbesserung durch Niob ersetzt, so dass die Legierungen TiAl5Fe2,5 bzw. TiAl6Nb7 entstanden sind.A forgeable alloy for implants for bone and dental surgery is known from CH-A-539 118. This alloy consists of 3-50% by weight X and otherwise essentially Z, where X is one of the elements niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, iron or aluminum or any mixture of these elements, while Z is one the elements are titanium or zirconium or any mixture of these elements. The vanadium present in the standard alloy was then either replaced by iron or in a further improvement by niobium, so that the alloys TiAl5Fe2.5 and TiAl6Nb7 were formed.
Die insoweit bekannten Titanwerkstoffe können jedoch hinsichtlich der Gesamtheit aller Anforderungen - d.h. Biokompatibilität, insbesondere "Osseointegration", mechanische Parameter, Herstellungsaufwand und Kaltverformbarkeit - nicht als optimal angesehen werden. Die bisher gefundenen Kompromisse sind unbefriedigend, insbesondere gelang es bis dato nicht, eine höchstmögliche Biokompatibilität und "Osseointegration" sowie gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit Rm sowie Ermüdungsfestigkeit zu realisieren. Überdies ist der Herstellungsaufwand der Werkstoffe relativ hoch und besonders wünschenswert ist auch eine verbesserte Kaltverformbarkeit, z.B. zur Herstellung von Langprodukten, wie Stäben und Profilen.However, the titanium materials known in this respect cannot be regarded as optimal with regard to the totality of all requirements - ie biocompatibility, in particular "osseointegration", mechanical parameters, production expenditure and cold deformability. The compromises found so far are unsatisfactory, in particular it has so far not been possible to achieve the highest possible biocompatibility and "osseointegration", as well as high tensile strength R m and fatigue strength. In addition, the manufacturing outlay for the materials is relatively high, and improved cold formability, for example for the production of long products such as bars and profiles, is also particularly desirable.
Angesichts der Unvollkommenheiten bisher bekannter Titanwerkstoffe - vornehmlich zum Einsatz in der Medizintechnik als Implantate - hinsichtlich der Materialeigenschaften, des Herstellungsaufwands und der Weiterverarbeitbarkeit verfolgt die Erfindung das Ziel, einen verbesserten Titanwerkstoff sowie das zugehörige Herstellungsverfahren zu schaffen. Der Entwicklung des Werkstoffs und des Herstellungsverfahrens waren folgende Prämissen zugrunde zu legen:
- Gemäss der Elementarforderung nach bestmöglicher Biokompatibilität kommt für den zu kreierenden Titanwerkstoff allein unlegiertes
Titan der Grades 1bis 4 in Betracht. - Eine höchstmögliche Ermüdungsfestigkeit bzw. Dehngrenze RP0,2 sowie Zugfestigkeit Rm sind zu erreichen.
- Die Mindestdehnung A ≥ 10% muss gewährleistet sein, um die Spezifikation der ASTM-Norm F 67-89 zu erfüllen. Für Implantatwerkstoffe ist es besonders wesentlich, dass keine Zuginstabilität vorliegt. Die Spannung darf nach Überschreiten der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 nur langsam abfallen und nicht abrupt abreissen.
- Eine gute Kaltverfombarkeit ist unabdingbar, z.B. für das Walzen von Profilen.
- Im Werkstoff sollen innere Spannungen weitestgehend abgebaut sein, um eine verzugsfreie, spanende Weiterbearbeitung zu ermöglichen, wobei generell auf eine günstige Zerspanbarkeit zu achten ist.
- Insgesamt sind eine problemlose Erschmelzung und kostengünstige Herstellung des Titanwerkstoffs anzustreben.
- Einhaltung sonstiger relevanter nationaler und internationaler Normen.
- Für spezielle Anwendungsfälle - abgesehen von einem eventuellen Absinken der Biokompatibilität und des Erfordernisses der Neuzulassung des Titanwerkstoffs - soll eine zusätzliche Mischkristallhärtung möglich sein.
- According to the elementary requirement for the best possible biocompatibility, unalloyed titanium of
grades 1 to 4 can be used for the titanium material to be created. - The highest possible fatigue strength or proof stress R P0.2 and tensile strength R m can be achieved.
- The minimum elongation A ≥ 10% must be guaranteed to meet the specification of ASTM standard F 67-89. It is particularly important for implant materials that there is no train instability. After exceeding the 0.2% proof stress R p0.2, the tension may only drop slowly and not abruptly.
- Good cold formability is essential, for example for rolling profiles.
- Internal stresses in the material should be reduced as much as possible in order to enable distortion-free, subsequent machining, whereby general attention must be paid to good machinability.
- Overall, problem-free melting and cost-effective production of the titanium material are desirable.
- Compliance with other relevant national and international standards.
- For special applications - apart from a possible decrease in biocompatibility and the requirement for new approval of the titanium material - an additional mixed crystal hardening should be possible.
Die Wesensmerkmale des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs ergeben sich aus dem Patentanspruch 1, wobei vorteilhafte Ausführungsdetails den Ansprüchen 2 bis 6 entnehmbar sind. Das Prinzipielle des Herstellungsverfahrens findet sich im Anspruch 7, während die Ansprüche 8 bis 18 spezielle Verfahrensmerkmale enthalten. Die bevorzugten Anwendungen des Titanwerkstoffs werden im Anspruch 19 definiert.The essential features of the titanium material according to the invention result from
Dank der Erfindung steht nun ein Titanwerkstoff zur Verfügung, der sich durch folgendes auszeichnet:
- hervorragende Biokompatibilität;
- deutlich gesteigerte Ermüdungsfestigkeit σbw ≈ 500 MPa (Ausgangswert σbw ≈ 380 MPa), wie sie bisher nur von Titanlegierungen erreicht wurde;
- Warm- und Kaltverformbarkeit (z.B. beim Drahtziehen), die signifikant über den Werten von bekannten α+β-Titanlegierungen liegt. Die Kaltverformbarkeit von unlegiertem Titan nimmt mit steigendem Grade ab.
Titan Grade 4 lässt sich aber, verglichen mit der Implantatlegierung TiAl6Nb7, weitaus besser und kostengünstiger kaltverformen, insbesondere wegen der geringeren Verfestigungsneigung von unlegiertem Titan gegenüber den α+β-Titanlegierungen. Dies bedeutet ein höheres Verformungsvermögen bis zur nächsten Zwischenglühung; - Zugfestigkeit Rm von 900-1000 MPa, die der Titanimplantat-Legierung TiAl6Nb7 ebenbürtig ist;
- hohe Verfügbarkeit, da die chemische Zusammensetzung keine strengen Anforderungen an die zulässigen Verunreinigungen (Begleitelemente) stellt;
- Einstellbarkeit der Werkstoffeigenschaften Dehngrenze RP, Zugfestigkeit Rm, Dehnung A und Ermüdungsfestigkeit σbw durch gezielte Anlassglühungen mit äusserst variablen Temperaturbereichen und Glühzeiträumen;
- durch die Kaltverfestigung herbeigeführte gute Zerspanbarkeit. Unlegiertes Titan hat bei der spanenden Bearbeitung an sich die äusserst negative Eigenschaft zu schmieren; dieses Verhalten wird durch die Kaltverfestigung reduziert. Ferner ergibt sich ein kürzerer Span beim Drehen, Fräsen oder Bohren sowie eine Reduzierung des Verschleisses an den Bearbeitungswerkzeugen mit der Folge günstiger Bearbeitungskosten;
- kein Verzug bei der mechanischen Bearbeitung, da spannungsfrei geglüht, was besonders bei Teilen mit engsten Masstoleranzen wünschenswert ist;
- der Titanwerkstoff ist amagnetisch - somit z.B. auch in Kernspintomographen einsetzbar;
- die Erschmelzung von unlegiertem Titan ist weitaus weniger aufwendig, da Seigerungen - diese können bei der Herstellung von Legierungen auftreten - hier ausgeschlossen sind;
- der gesamte Herstellungsprozess des Titanwerkstoffs, vom Schmelzen, über das Schmieden, Warmwalzen, Kaltwalzen, Ziehen bis zu den erforderlichen Zwischenglühungen sowie der Aushärtung, ist im Vergleich zur Implantatlegierung TiAl6Nb7 weniger kostenaufwendig und bringt damit für die Fertigprodukte einen Kostenvorteil.
- excellent biocompatibility;
- significantly increased fatigue strength σ bw ≈ 500 MPa (initial value σ bw ≈ 380 MPa), which was previously only achieved with titanium alloys;
- Hot and cold formability (eg in wire drawing), which is significantly above the values of known α + β titanium alloys. The cold formability of unalloyed titanium decreases with increasing degrees. However, compared to the TiAl6Nb7 implant alloy,
titanium grade 4 can be cold worked much better and more cost-effectively, in particular because of the lower tendency of unalloyed titanium to harden compared to α + β titanium alloys. This means a higher deformability until the next intermediate annealing; - Tensile strength R m of 900-1000 MPa, which is on a par with the titanium implant alloy TiAl6Nb7;
- high availability, since the chemical composition does not place strict requirements on the permissible impurities (accompanying elements);
- Adjustability of material properties yield strength R P , tensile strength R m , elongation A and fatigue strength σ bw through targeted tempering with extremely variable temperature ranges and annealing periods;
- good machinability brought about by work hardening. Unalloyed titanium itself has the extremely negative property of lubricating during machining; this behavior is reduced by work hardening. Furthermore, there is a shorter chip during turning, milling or drilling and a reduction in wear on the processing tools, with the result of favorable processing costs;
- no distortion during mechanical processing, as it is annealed without stress, which is particularly desirable for parts with the closest dimensional tolerances;
- the titanium material is non-magnetic - so it can also be used in magnetic resonance imaging, for example;
- the melting of unalloyed titanium is far less complex since segregations - which can occur during the production of alloys - are excluded here;
- the entire manufacturing process of the titanium material, from melting, forging, hot rolling, cold rolling, drawing to the required intermediate annealing and hardening, is less expensive than the implant alloy TiAl6Nb7 and therefore brings a cost advantage for the finished products.
Aus dem Werkstoff sind Draht, Stäbe, Profile, Platten, Blech und Band jeder gewünschten Abmessung herstellbar. Der erfindungsgemässe Titanwerkstoff kommt vorrangig für den Einsatz in der Medizintechnik für Implantate - z.B. Dentalimplantate, Wurzelstifte, Posts, Knochenplatten und -schrauben, Marknägel, Herzklappen und Prothesen -, für Instrumente sowie für Geräte in Betracht. Ein bedeutsames Einsatzgebiet ist auch die Uhren- und Schmuckindustrie, wo die ausgezeichneten Werkstoffeigenschaften im Kontakt mit der Haut wesentlich sind.Wire, rods, profiles, plates, sheet metal and strip of any desired dimensions can be produced from the material. The titanium material according to the invention is used primarily for use in medical technology for implants - e.g. Dental implants, root posts, posts, bone plates and screws, intramedullary nails, heart valves and prostheses -, for instruments and for devices. Another important area of application is the watch and jewelry industry, where the excellent material properties in contact with the skin are essential.
Mit Bezug auf die beigefügten Bilder erfolgt nachstehend die detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen zur Beschaffenheit und zum Herstellungsverfahren des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs. Die einzelnen Behandlungs- und Umwandlungsvorgänge im Titanwerkstoff werden entsprechend der Abfolge des Herstellungsverfahrens erörtert. Es zeigen:
- Bild 1:
- Korrosionswiderstand und Gewebsreaktionen von Reinmetallen und Legierungen (aus SCHROEDER/SUTTER/BUSER/KREKELER, a.a.O., S. 46);
- Bild 2:
- Einfluss von Sauerstoff und Stickstoff auf die mechanischen Eigenschaften von Titan bei Raumtemperatur (aus ZWICKER, a.a.O., S. 220);
- Bild 3:
- Einfluss von Sauerstoff auf die mechanischen Werte von unlegiertem Titan (aus BOYER/WELSCH/COLLINGS: Materials Properties Handbook. Titanium Alloys, ASM International - The Materials Information Society, 1994);
- Bild 4:
- Einfluss von Kohlenstoff auf die mechanischen Werte von unlegiertem Titan (aus BOYER/WELSCH/COLLINGS: a.a.O.);
- Bild 5:
- Einfluss von Stickstoff auf die mechanischen Werte von unlegiertem Titan (aus BOYER/WELSCH/COLLINGS: a.a.O.);
- Bild 6:
- Einfluss von Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisen in Atom-% bzw. Gew.-% auf die Vickers-Härte von unlegiertem Titan (aus BOYER/WELSCH/COLLINGS: a.a.O.);
- Bild 7:
- Verfestigungsschaubilder von Titan Grade 1 - Werkstoff 3.7025 und von Titan Grade 2 - Werkstoff 3.7035 (aus DIN-Norm 17869);
- Bild 8:
- Verfestigungsverhalten von Titan Grade 1 - Werkstoff 3.7025 und von Titan Grade 2 - Werkstoff 3.7035 nach Lage der Walzrichtung (aus DIN-Norm 17869);
- Bild 9:
- Verfestigungskurven
von Titan Grade 1; - Bild 10:
- Verfestigungskurven
von Titan Grade 2; - Bild 11:
- Verfestigungskurven
von Titan Grade 4; Bild 12a:- Gefügeausbildung von rekristallisierend geglühtem Stabmaterial;
Bild 12b:- Gefügeausbildung vom erfindungsgemäss gefertigtem Titanwerkstoff als Stabmaterial gleicher
Abmessung wie Bild 12a; - Bild 13:
- Zustandsdiagramm Fe-Ti (aus MURRAY,J.L.: Phase Diagramms of Binary Titanium Alloys. ASM International - Metals Park Ohio, 1987);
- Bild 14:
- Elektronenmikroskopische Aufnahme des Verformungsgefüges
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 375°C/1h; - Bild 15:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahme des Verformungsgefüges
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 375°C/1h; - Bild 16:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahmen und Beugungsaufnahme mit Überstrukturreflexen
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 250°C/1 h; - Bild 17:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahme und Dunkelfeldaufnahme im Lichte eines Überstrukturreflexes sowie zugehörige Beugungsaufnahme
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 350°C/1 h; - Bild 18:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahmen und Beugungsaufnahme mit Überstrukturreflexen
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 450°C/1 h; - Bild 19:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahme
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 250°C/1 h, Ausscheidung von rundlichen Teilen, die von Spannungsfeldern umgeben sind; - Bild 20:
- Elektronenmikroskopische Durchstrahlungsaufnahme
von Titan Grade 4, kaltverformt und angelassen bei 450°C/1 h, Ausscheidung von ovalen Teilen mit umgebenden Spannungsfeldern an Korngrenzen; - Bild 21:
- Einfluss der Glühtemperatur auf die Dehngrenze Rp0,2
von Titan Grade 4; - Bild 22:
- Einfluss der Glühtemperatur auf die Zugfestigkeit Rm
von Titan Grade 4; - Bild 23:
- Einfluss der Glühtemperatur auf die Dehnung A50
von Titan Grade 4; - Bild 24:
- Typische statische und dynamische Festigkeitseigenschaften von unlegiertem Titan, Draht, geglüht;
- Bild 25:
- Einfluss des Sauerstoffgehalts und der Kaltverformung auf die Zug- und Ermüdungsfestigkeit von unlegiertem Titan;
- Bild 26:
- Vergleich der Umlaufbiegewechselfestigkeit zwischen konventionellen
Titan Grade 4 und dem erfindungsgemässen Titanwerkstoff und - Bild 27:
- Einfluss der Anlassbehandlung auf die Ermüdungsfestigkeit des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs.
- Image 1:
- Corrosion resistance and tissue reactions of pure metals and alloys (from SCHROEDER / SUTTER / BUSER / KREKELER, loc. Cit., P. 46);
- Picture 2:
- Influence of oxygen and nitrogen on the mechanical properties of titanium at room temperature (from ZWICKER, loc. Cit., P. 220);
- Picture 3:
- Influence of oxygen on the mechanical values of unalloyed titanium (from BOYER / WELSCH / COLLINGS: Materials Properties Handbook. Titanium Alloys, ASM International - The Materials Information Society, 1994);
- Image 4:
- Influence of carbon on the mechanical values of unalloyed titanium (from BOYER / WELSCH / COLLINGS: loc. Cit.);
- Image 5:
- Influence of nitrogen on the mechanical values of unalloyed titanium (from BOYER / WELSCH / COLLINGS: loc. Cit.);
- Image 6:
- Influence of nitrogen, oxygen, carbon and iron in atomic% or% by weight on the Vickers hardness of unalloyed titanium (from BOYER / WELSCH / COLLINGS: loc. Cit.);
- Image 7:
- Solidification diagrams of titanium grade 1 - material 3.7025 and of titanium grade 2 - material 3.7035 (from DIN standard 17869);
- Image 8:
- Hardening behavior of titanium grade 1 - material 3.7025 and of titanium grade 2 - material 3.7035 according to the position of the rolling direction (from DIN standard 17869);
- Image 9:
- Solidification curves of
titanium grade 1; - Image 10:
- Solidification curves of
titanium grade 2; - Image 11:
- Solidification curves of
titanium grade 4; -
Image 12a: - Microstructure formation of recrystallized annealed rod material;
-
Image 12b: - Structure formation of the titanium material produced according to the invention as a rod material of the same dimensions as Figure 12a;
- Image 13:
- State diagram Fe-Ti (from MURRAY, JL: Phase Diagrams of Binary Titanium Alloys. ASM International - Metals Park Ohio, 1987);
- Image 14:
- Electron micrograph of the deformation structure of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 375 ° C / 1h; - Image 15:
- Electron micrograph of the deformation structure of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 375 ° C / 1h; - Image 16:
- Electron microscopic radiographs and diffraction images with superstructure reflections of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 250 ° C / 1 h; - Picture 17:
- Electron microscopic radiograph and dark field image in the light of a superstructure reflex as well as the associated diffraction pattern of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 350 ° C / 1 h; - Image 18:
- Electron microscopic radiographs and diffraction images with superstructure reflections of
titanium grade 4, cold worked and annealed at 450 ° C / 1 h; - Picture 19:
- Electron microscopic radiograph of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 250 ° C / 1 h, excretion of rounded parts, which are surrounded by stress fields; - Image 20:
- Electron microscopic radiograph of
titanium grade 4, cold worked and tempered at 450 ° C / 1 h, separation of oval parts with surrounding stress fields at grain boundaries; - Image 21:
- Influence of the annealing temperature on the proof stress R p0.2 of
titanium grade 4; - Picture 22:
- Influence of the annealing temperature on the tensile strength R m of
titanium grade 4; - Image 23:
- Influence of the annealing temperature on the elongation A 50 of
titanium grade 4; - Image 24:
- Typical static and dynamic strength properties of unalloyed titanium, wire, annealed;
- Image 25:
- Influence of oxygen content and cold deformation on the tensile and fatigue strength of unalloyed titanium;
- Image 26:
- Comparison of the circular bending fatigue strength between
conventional titanium grade 4 and the titanium material according to the invention and - Image 27:
- Influence of the tempering treatment on the fatigue strength of the titanium material according to the invention.
Ausgangsbasis für die Herstellung des Titanwerkstoffs ist eine Schmelze mit der chemischen Zusammensetzung gemäss Tabelle 5, die den Anforderungen für Titan-Implantatwerkstoffe gemäss der ASTM F 67-89 entspricht:
Eisen ist ein Begleitelement bzw. eine Verunreinigung und kann im Titanerz bis zu 20 Gew.-% enthalten sein. Es muss in einem Aufbereitungsverfahren entzogen werden, um den gewünschten niedrigen Eisengehalt im Titanschwamm zu erreichen. Die eingesetzte Schwammqualität ist abhängig von der Zielstellung. Der Eisengehalt von kommerziell hergestelltem Titan kann je nach Einsatz von sehr sauberem bis zu stark verunreinigtem Titanschwamm von 0,035 bis 0,5 Gew.-% schwanken. Gezielt wird ein Vormaterial mit einem relativ hohen Eisengehalt eingesetzt. Ein eventuell zu niedriger Sauerstoffanteil wird durch Zugabe von Titanoxid ausgeglichen.Iron is an accompanying element or an impurity and can be contained in the titanium ore up to 20% by weight. It has to be extracted in a treatment process in order to achieve the desired low iron content in the titanium sponge. The sponge quality used depends on the goal. The iron content of commercially produced titanium can vary from 0.035 to 0.5% by weight, depending on the use of very clean to heavily contaminated titanium sponge. A raw material with a relatively high iron content is used in a targeted manner. A possibly too low oxygen content is compensated for by adding titanium oxide.
Die obigen Anteile an Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind in Titan voll löslich. Nach der Erfahrung kann der Sauerstoffgehalt für unlegiertes Titan auf Werte von 0,40 Gew.-% gesteigert werden. Bei noch höheren Werten sinkt jedoch die Duktilität rapide ab, und die Warmverformbarkeit im Abmessungsbereich eines Schmelzblocks oder eines Knüppels wird aufgrund einer ausgeprägten Rissbildung dermassen verringert, dass keine reproduzierbare Fertigung mehr möglich ist. Der in den einschlägigen Titannormen vorgegebene Maximalwert von 0,40 Gew.-% für Sauerstoff sollte daher nicht überschritten werden. Im übrigen ist der Sauerstoffgehalt je nach Titan-Grade in der ASTM-Norm F 67-89 fixiert. Bei unlegiertem Titan Grade 1 mit guter Duktilität kann man den Sauerstoffgehalt bis auf 0,035 Gew.-% absenken. Für Implantate aus Titan des Grade 4, wo eine höchstmögliche Zugfestigkeit Rm bzw. Ermüdungsfestigkeit σbw verlangt ist, steigert man den Sauerstoffgehalt bis auf 0,40 Gew.-%, im Normalfall bis auf 0,35 Gew.-%. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, hier den Sauerstoffgehalt auf 0,35 Gew.-% zu begrenzen - Sauerstoffgehalte bis zu diesem Wert verbessern die Festigkeit, ohne die Duktilität zu stark zu reduzieren.The above proportions of oxygen, carbon, nitrogen and hydrogen are fully soluble in titanium. Experience has shown that the oxygen content for unalloyed titanium can be increased to 0.40% by weight. At even higher values, however, the ductility drops rapidly, and the hot formability in the dimension range of a melting block or a billet is reduced to such an extent that pronounced crack formation means that reproducible production is no longer possible. The maximum value of 0.40% by weight for oxygen specified in the relevant titanium standards should therefore not be exceeded. Otherwise, the oxygen content is fixed in ASTM standard F 67-89 depending on the titanium grade. With
Härtung durch Zusatz von interstitiell gelöstem Sauerstoff In Bild 2 ist der Einfluss der Anteile an Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff auf die mechanischen Eigenschaften - Dehngrenze, Zugfestigkeit, Dehnung und Härte - dargestellt. Bei einem Sauerstoffgehalt, z.B. von 0,30 Gew.-% ergeben sich bei herkömmlichem Titan eine Dehngrenze RP0,2 ≈ 500MPa, eine Zugfestigkeit Rm ≈ 650 MPa und eine Dehnung A von knapp über 20%. Hardening by adding interstitially dissolved oxygen Figure 2 shows the influence of the proportions of oxygen, nitrogen and carbon on the mechanical properties - proof stress, tensile strength, elongation and hardness. With an oxygen content, for example of 0.30% by weight, the yield strength of conventional titanium is R P0.2 ≈ 500 MPa, a tensile strength R m ≈ 650 MPa and an elongation A of just over 20%.
Vergleichbare Werte für die Dehngrenze RP0,2 und die Dehnung A sind den Bildern 3 bis 5 zu entnehmen. Die in den Bildern 4 und 5 angegebenen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte liegen teilweise ausserhalb der durch die ASTM-Norm F 67-89 zulässigen Maximalwerte (für Kohlenstoff bis 0,10 Gew.-% und für Stickstoff zwischen 0,03 Gew.-% und 0,05 Gew.-% je nach Titan Grade). Die tatsächlich in unlegiertem Titan auftretenden Kohlenstoff- und Stickstoffanteile liegen bei ≈ 0,01 Gew.-%. Bei höheren Anteilen besteht die Gefahr der Bildung von Titankarbiden und -nitriden, die zu Materialbrüchen führen können. Die Kohlenstoff- und Stickstoffanteile gelten als übliche Beimengungen und nicht als Legierungselemente.Comparable values for the yield strength R P0.2 and the elongation A can be seen in Figures 3 to 5 . The carbon and nitrogen contents shown in Figures 4 and 5 are sometimes outside the maximum values permitted by ASTM standard F 67-89 (for carbon up to 0.10% by weight and for nitrogen between 0.03% by weight and 0.05% by weight depending on the titanium grade). The carbon and nitrogen fractions that actually occur in unalloyed titanium are ≈ 0.01% by weight. At higher proportions, there is a risk of the formation of titanium carbides and nitrides, which can lead to material breaks. The carbon and nitrogen fractions are considered to be normal admixtures and not as alloying elements.
Der Einfluss der Beimengungen Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisen auf die Vickers-Harte in Abhängigkeit ihrer Anteile in Atom-% bzw. in Gew._% ist im Bild 6 dargestellt. Die Kurven zeigen deutlich, dass Stickstoff den stärksten Einfluss auf die Härte ausübt, abfallend gefolgt von Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisen. Durch Zusatz von 0,1 Gew.-% Stickstoff bzw. von 0,2 Gew.-% Sauerstoff lässt sich die Härte verdoppeln und bei einem Zusatz von 0,15 Gew.-% Eisen um 30% steigern. Diese Werte gelten für geglühtes Titan bei 700°C/1h in Vakuum. Bei 700°C besteht die höchste Löslichkeit für Eisen im α-Gitter des Titans, wobei es sich dabei nicht um einen ausgehärteten Zustand handelt.The influence of the additions of nitrogen, oxygen, carbon and iron on the Vickers hardness as a function of their proportions in atomic% or in% by weight is shown in Figure 6 . The curves clearly show that nitrogen has the greatest influence on hardness, followed by oxygen, carbon and iron. The hardness can be doubled by adding 0.1% by weight of nitrogen or 0.2% by weight of oxygen and increased by 30% when adding 0.15% by weight of iron. These values apply to annealed titanium at 700 ° C / 1h in vacuum. At 700 ° C, the highest solubility for iron is in the α-lattice of titanium, which is not a hardened state.
Bei der Herstellung und Verarbeitung von Titan muss insbesondere berücksichtigt werden, dass Reintitan bei 882°C eine Phasenumwandlung erfährt. Oberhalb dieser Temperatur ist die kubisch-raumzentrische β-Phase und unterhalb die hexagonale α-Phase beständig. Der sogenannte β-Transus bei 882°C führt zu einer Vielzahl von Gefügeausbildungen, die vom globuraren β- oder α-Gefüge bis zu martensitischen Ausbildungen beim schnellen Abkühlen vom β-Gebiet reichen. Bei den vielfach eingesetzten α+β-Legierungen treten beide Phasen gemeinsam nebeneinander auf. Die unterschiedlichen Phasen haben nicht nur metallographisch voneinander abweichende Erscheinungsbilder, sondern sie weisen auch völlig differenzierte physikalische und mechanische Eigenschaften auf.When manufacturing and processing titanium, particular attention must be paid to the fact that pure titanium undergoes a phase change at 882 ° C. Above this temperature the cubic space-centered β phase is stable and below the hexagonal α phase. The so-called β-transus at 882 ° C leads to a multitude of microstructures that range from globular β or α microstructures to martensitic constructions during rapid cooling from the β region. In the widely used α + β alloys, both phases occur side by side. The different phases not only have metallographically different appearances, but they also have completely different physical and mechanical properties.
Bei der Weiterverarbeitung des Titans vom Schmelzblock über die Schmiedeknüppel bis zum dünnen Draht ist stets darauf zu achten, dass Warmumformtemperaturen, Zwischenglüh-Operationen oder die End-Wärmebehandlung exakt bei den festgelegten Temperaturen durchgeführt werden. Grundsätzlich jedoch findet die Temperaturführung bei unlegiertem α-Titan und den α+β-Legierungen nach der primären Umformung des Schmelzblocks meist unterhalb des β-Transus statt.When processing titanium from the melting block through the forging billets to the thin wire, this is always the case Ensure that hot forming temperatures, intermediate annealing operations or the final heat treatment are carried out exactly at the specified temperatures. Basically, however, the temperature control for unalloyed α-titanium and the α + β alloys usually takes place below the β-transus after the primary forming of the melting block.
Die nachstehende Tabelle 6 vermittelt eine Übersicht der möglichen Wärmebehandlungen von Titan und Titanlegierungen zur Einstellung spezifischer Werkstoffkennwerte mit den wichtigsten Glüharten - Weichglühen, Spannungsarmglühen, Lösungsglühen und Auslagern und dazugehörigen Glühtemperaturen ϑ (vgl. auch die DIN-Normen 17869 und 65084). Innerhalb des gesamten Verfahrensablaufs zur Herstellung des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs werden teilweise an sich bekannte Wärmebehandlungen durchgeführt.
Erfolgt beim kaltverformten Titan eine Glühung bei erhöhten Temperaturen, dann wird die durch die Kaltverformung erzielte Festigkeitserhöhung mehr oder weniger wieder rückgängig gemacht. Eine vollständige Entfestigung bis auf den Ausgangszustand erreicht man durch eine Glühung oberhalb der Rekristallisationsschwelle (weicher Zustand). Bei Glühtemperaturen unterhalb der Rekristallisationsschwelle wird nur eine Teilentfestigung - als Erholung bezeichnet - bewirkt. Der Übergang zwischen Erholung und Rekristallisation ist am eindrücklichsten mittels röntgenographischer oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen nachweisbar.If the cold-formed titanium is annealed at elevated temperatures, the increase in strength achieved by the cold-forming process is more or less reversed. Complete softening down to the initial state is achieved by annealing above the recrystallization threshold (soft state). At annealing temperatures below the recrystallization threshold, only partial softening - called recovery - is brought about. The transition between recovery and recrystallization can be demonstrated most impressively by means of X-ray or electron microscopic examinations.
Der Begriff "Glühen" bezeichnet bei der Wärmebehandlung von Titan das Rückgängigmachen einer durch Umformung oder Aushärtung verursachten Verfestigung. Im Regelfall wird das Glühen oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt.The term "annealing" in the heat treatment of titanium denotes the reversal of a hardening caused by forming or hardening. As a rule, the annealing is carried out above the recrystallization temperature.
Voraussetzung für eine Rekristallisation - dies bezeichnet eine vollständige Umkristallisation des Werkstoffs - ist eine vorherige Kaltverformung. Die Rekristallisation setzt an den am stärksten gestörten Plätzen des Kristallgitters ein. Unterhalb eines kritischen Verformungsgrades, der je nach Werkstoff von der thermischen und mechanischen Vorbehandlung abhängt, tritt keine Rekristallisation ein. Mit steigendem Verformungsgrad sinkt die untere Rekristallisationstemperatur (Rekristallisationsschwelle). Ausserdem erhöht sich die Keimzahl, so dass ein feinkörnigeres Gefüge entsteht.A prerequisite for recrystallization - this means a complete recrystallization of the material - is a previous cold working. The recrystallization starts at the most disturbed places of the crystal lattice. No recrystallization occurs below a critical degree of deformation, which depends on the thermal and mechanical pretreatment, depending on the material. The lower recrystallization temperature (recrystallization threshold) decreases with increasing degree of deformation. In addition, the number of bacteria increases so that a more fine-grained structure is created.
Im Gegensatz zur Rekristallisation findet bei der Erholung keine Neubildung von Körnern statt. Es handelt sich um Platzwechselvorgänge von Atomen und Leerplätzen, was zu einer Verringerung der Versetzungsdichte und zur Polygonisation führt. Die für eine Erholungsglühung angewandten Temperaturen liegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur und führen deshalb nur zu einem partiellen Abbau (40%-60%) der Kaltverfestigung. Zwar nimmt die Dehngrenze Rp und die Zugfestigkeit Rm ab, aber die Bruchdehnung A wird erhöht.In contrast to recrystallization, no new grains form during the recovery. It is a matter of changing places of atoms and empty spaces a reduction in dislocation density and polygonization. The temperatures used for a recovery anneal are below the recrystallization temperature and therefore only lead to a partial degradation (40% -60%) of the strain hardening. The yield strength R p and the tensile strength R m decrease, but the elongation at break A is increased.
Es dient zum Abbau von Eigenspannungen, z.B. nach dem Schweissen, einer spanenden Bearbeitung oder dem Richten. Die Durchführung erfolgt bei niedrigen Temperaturen, ohne Gefügeänderung.It serves to reduce residual stresses, e.g. after welding, machining or straightening. The process is carried out at low temperatures without changing the structure.
Diese Glühung führt man durch, um den Mischkristall an den Legierungskomponenten anzureichern, die bei der sich anschliessenden Auslagerung ausgeschieden werden sollen. Die Legierungskomponenten befinden sich während der Lösungsglühung gelöst im übersättigten Zustand. Voraussetzung für die Aushärtung einer Legierung ist eine mit fallender Temperatur abnehmende Löslichkeit von Legierungsbestandteilen. Voraussetzung bei der Lösungsglühung ist das schnelle Abkühlen oder Abschrecken am Schluss der Glühung, um die Legierungsbestandteile in der übersättigten Lösung zu halten. Die Tabelle 6 enthält bei Titan Grade 1 und 4 keine Temperaturangaben für das Lösungsglühen und Auslagern, da solcherart unlegiertes Titan wegen der normalerweise zu geringen Beimengungsanteile nicht aushärtbar ist. Es werden keine aushärtenden Legierungsbestandteile gezielt zugefügt. Die Elemente Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff sind bis zu den spezifikationsgemäss angegebenen Maximalwerten vollständig im Titan löslich. Das aus dem Titanerz als Verunreinigung stammende Eisen wird z.B. bei Titan Grade 4 bis zu 0,5 Gew.-% (vgl. ASTM-Norm F 67-89) toleriert und tritt normalerweise in Form grober, kugeliger Ausscheidungen bevorzugt an Korngrenzen auf.This annealing is carried out in order to enrich the mixed crystal on the alloy components which are to be precipitated during the subsequent aging. The alloy components are dissolved in the supersaturated state during solution annealing. A prerequisite for the hardening of an alloy is a decrease in the solubility of alloy components as the temperature drops. A prerequisite for solution annealing is rapid cooling or quenching at the end of the annealing in order to keep the alloy components in the supersaturated solution. Table 6 does not contain temperature information for solution annealing and aging for
An die zum Herstellungsverfahren des Titanwerkstoffs gehörende vorherige Warmverformung mit dem wahlweisen Rekristallisationsglühen schliesst sich die Kaltverformung an, die einen wesentlichen Verfahrensbestandteil darstellt. Der insoweit behandelte Titanwerkstoff wird nun einer im plastischen Bereich ablaufenden Kaltverformung unterzogen. Dies führt zu einem Ansteigen der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2, der Zugfestigkeit Rm und der Härte, während die Bruchdehnung A und die Brucheinschnürung Z abfallen. Die Verfestigung hängt von mehreren Faktoren ab. Einfluss darauf haben im wesentlichen der Umformgrad, die Legierungszusammensetzung, die Gefügeausbildung, die Art der Umformung (z.B. Ziehen, Walzen, Hämmern), die Umformgeschwindigkeit und -temperatur. Für den Zusammenhang zwischen der Formänderungsfestigkeit kf [MPa] und der Formänderung ϕ (logarithmischer Wert) gilt folgende empirische Näherungsgleichung:
Die Verfestigungsschaubilder gemäss Bild 7 (Titan Grade 1 - Werkstoff 3.7025 und Titan Grade 2 - Werkstoff 3.7035) veranschaulichen, dass sowohl die Dehngrenze Rp0,2 als auch die Zugfestigkeit Rm mit den angegebenen Verformungsgraden stetig ansteigen. Die Dehnung A5 fällt zunächst bei Verformungsgraden zwischen 30% und 40% steil ab und nähert sich dann Werten von 14% bis 16%.The hardening diagrams according to Figure 7 (Titan Grade 1 - material 3.7025 and Titan Grade 2 - material 3.7035) illustrate that both the yield strength R p0.2 and the Tensile strength R m steadily increase with the specified degrees of deformation. The elongation A 5 initially drops steeply at degrees of deformation between 30% and 40% and then approaches values of 14% to 16%.
Der Verfestigungsexponent n, als Grad für die Verfestigungsneigung eines Werkstoffs ist in Bild 8 (Titan Grade 1 - Werkstoff 3.7025 und Titan Grade 2 - Werkstoff 3.7035) in Abhängigkeit zur Lage der Walzrichtung dargestellt. Es wird deutlich, dass beim hexagonalen Titan eine starke Richtungsabhängikeit des Verfestigungsexponenten n bezüglich der Walzrichtung besteht. In Längrichtung werden für den mittleren Verfestigungsexponenten n mit 0,17 bzw. 0,15 die höchsten Werte und für die Querrichtung (90° zur Walzrichtung) die niedrigsten Verfestigungsexponenten n ≈ 0,12 gemessen.The hardening exponent n, as the degree for the hardening tendency of a material, is shown in Figure 8 (Titan Grade 1 - material 3.7025 and Titan Grade 2 - material 3.7035) depending on the position of the rolling direction. It becomes clear that with hexagonal titanium there is a strong directional dependency of the hardening exponent n with respect to the rolling direction. In the longitudinal direction, the highest values are measured for the mean hardening exponent n with 0.17 or 0.15 and for the transverse direction (90 ° to the rolling direction) the lowest values for the hardening exponent n ≈ 0.12.
Die Anwendung der Kaltverformung ermöglicht es, die Zugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2 zu erhöhen. Bei sehr hohen Kaltverfestigungen fällt jedoch die Dehnung A auf Werte < 10% ab. Aus Sicherheitsgründen ist jedoch eine Restduktilität < 10% nicht akzeptabel. Somit gestaltet es sich als schwierig, Titan Grade 1 und Titan Grade 4 derart kaltzuverfestigen, dass Zugfestigkeitswerte Rm = 860 MPa in Kombination mit einer Mindestdehnung A ≥ 10% erreicht werden. Die EP-B-0 436 910 stellt ein Verfahren zum Kaltverformen von unlegiertem Titan mit einem Zwischenglühen zur Verfügung, wobei dies unterhalb der Rekristallisationstemperatur und ohne das Entstehen von Zellstrukturen geschieht. Bei diesem Verfahren wird die Zugfestigkeit Rm durch Kaltverformungsschritte von jeweils 30% mit Zwischenglühungen bei Temperaturen ϑ < 500°C auf Werte zwischen 900 MPa und 1000 MPa erhöht. Die Dehnung A fällt zwischen den einzelnen Verfestigungsschritten nur moderat ab, wodurch die geforderte 10%-Grenze eingehalten werden kann.The use of cold working enables the tensile strength R m and yield strength R p0.2 to be increased. At very high strain hardening, however, the elongation A drops to values <10%. For safety reasons, however, a residual ductility of <10% is not acceptable. It is therefore difficult to cold-
Die Ergebnisse eigener Untersuchungen zur Bestimmung des Verfestigungsverhaltens von Titan Grade 1 sind in Bild 9, von Titan Grade 2 in Bild 10 und von Titan Grade 4 in Bild 11 dokumentiert. Danach überschreitet Titan Grade 1 selbst bei hohen Verformungsgraden von 70% nicht den gewünschten Wert der Zugfestigkeit Rm von 860 MPa, aber bei Verformungsgraden > 40% fällt die Dehnung A unter die 10%-Grenze. Titan Grade 2 verhält sich ähnlich. Bei einer 50%-igen Kaltverformung ist die gewünschte Zugfestigkeit Rm = 860 MPa auch hier noch nicht erreicht und bei Verformungsgraden > 40% fällt die Dehnung A ebenfalls unter die 10%-Grenze.The results of our own investigations to determine the hardening behavior of
Anders verhält sich Titan Grade 4 mit einem Sauerstoffanteil von 0,30 Gew.-%, einem Eisengehalt von 0,15 Gew.-% und einer Grundfestigkeit von ≈ 700 MPa im geglühten Zustand. Bei einem Verformungsgrad von 15% übersteigt die Zugfestigkeit Rm bereits die Grenze von 860 MPa und die Dehnung A beträgt noch ≈ 13%. Es handelt sich um ein sehr feinkörniges Material mit einer Korngrösse von ≈ 10 µm (gemessen nach der ASTM-Norm E 112-88). Die Korngrenzen liefern einen zusätzlichen Verfestigungsbeitrag, da sie ein Hindernis für Versetzungen darstellen, die sich vor den Korngrenzen aufstauen und die weitere Verformung erschweren (vgl. BÖHM, H.: Einführung in die Metallkunde. Bibliographisches Institut, Mannheim/Zürich, 1968).
Die stärkste Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Korngrösse besteht bei Beginn einer plastischen Verformung, da hier der Korngrenzeneinfluss am markantesten ist, während er mit zunehmender Verformung - also mit ansteigender Versetzungsdichte - abnimmt. Die Hall-Petch-Beziehung (aus BÖHM: a.a.O., S. 103):
stellt eine Beziehung zwischen der Dehngrenze σs und dem Korndurchmesser d her. Es wird ersichtlich, dass sich die Dehngrenze σs mit abnehmender Korngrösse erhöht. Dies ist eine fundamentale Voraussetzung für das erfindungsgemässe Verfahren. Die Korngrösse hat nicht nur einen positiven Einfluss auf das Verfestigungsverhalten - d.h. auf das Ansteigen der Dehngrenze Rp0,2, sondern auch auf die Ermüdungsfestigkeit σbw.The greatest dependence of the mechanical properties on the grain size is at the beginning of a plastic deformation, since here the influence of the grain boundary is most striking, while it decreases with increasing deformation - i.e. with increasing dislocation density. The Hall-Petch relationship (from BÖHM: loc. Cit., P. 103):
establishes a relationship between the proof stress σ s and the grain diameter d. It can be seen that the yield strength σ s increases with decreasing grain size. This is a fundamental requirement for the method according to the invention. The grain size not only has a positive influence on the hardening behavior - ie on the increase in the yield strength R p0.2 , but also on the fatigue strength σ bw .
Unlegiertes Titan - es liegt bei Raumtemperatur als α-Modifikation vor -, weist nach einer Warm- oder Kaltumformung mit anschliessender Rekristallisation ein meist globulares, einphasiges α-Gefüge auf, das je nach Verformungsverfahren eine ausgeprägte Längserstreckung besitzt. Die eigenen Gefügeaufnahmen gemäss den Bildern 12a und 12b bestätigen die globulare Gefügeausbildung, wobei in Bild 12b der erfindungsgemässe Titanwerkstoff ein äusserst feinkörniges, gestrecktes Gefüge mit einer Korngrösse von 10-11 zeigt (Korngrösse nach ASTM-Norm E 112-88). Das extrem feinkörnige Gefüge resultiert einerseits aus dem relativ hohen Eisengehalt von 0,15 Gew.-% - dieser liegt gegenüber den in der Medizintechnik zumeist eingesetzten Qualitäten mit < 0,05% oberhalb der bei ≈ 700°C höchsten Löslichkeit von Eisen im Titangitter - und andererseits aus der intensiven Kaltverfestigung.Unalloyed titanium - it is an α modification at room temperature - has a mostly globular, single-phase α structure after hot or cold forming with subsequent recrystallization, which, depending on the deformation process, has a pronounced longitudinal extension. The own micrographs according to Figures 12a and 12b confirm the globular structure, whereby in Figure 12b the titanium material according to the invention shows an extremely fine-grained, elongated structure with a grain size of 10-11 (grain size according to ASTM standard E 112-88). The extremely fine-grained The structure results on the one hand from the relatively high iron content of 0.15% by weight - compared to the qualities usually used in medical technology with <0.05% above the highest solubility of iron in titanium lattice at ≈ 700 ° C - and on the other hand the intensive work hardening.
Eisen scheidet sich normalerweise an Korngrenzen, insbesondere an Korngrenzwickeln, aus und behindert das Kornwachstum vehement (vgl.HÜLSE/KRAMER/BREME/SCHMIDT: Influence of small additions of Fe, Cr, Ni on the recrystallization behaviour of commercially pure titanium. 6th World Conference on Titanium, Cannes, 1988, S. 1975ff.). Es wurde gefunden, dass Eisen-Zusätze das Kornwachstum bei angewandten Glühtemperaturen 750°C ≤ ϑ ≥ 870°C stark behindern. Während bei einem extrem niedrigen Eisengehalt von 0,009 Gew.-% eine maximale Korngrösse von ca. 70 µm (entspricht 4,5 nach ASTM-Norm E 112-88) erreicht wird, beträgt die Korngrösse bei einem Eisengehalt von 0,14 Gew.-% nur maximal 20 µm (entspricht 8 nach ASTM-Norm E 112-88). Es gilt als erwiesen, dass sich die TiFe-Phase vorzugsweise an Korngrenzen ausscheidet und damit das Wachstum bei der Rekristallisation behindert wird.Iron normally separates at grain boundaries, especially at grain boundary coils, and vehemently hinders grain growth (see HÜLSE / KRAMER / BREME / SCHMIDT: Influence of small additions of Fe, Cr, Ni on the recrystallization behavior of commercially pure titanium.6th World Conference on Titanium, Cannes, 1988, p. 1975ff.). It has been found that iron additives severely hinder grain growth at 750 ° C ≤ ϑ ≥ 870 ° C annealing temperatures. While an extremely low iron content of 0.009% by weight achieves a maximum grain size of approx. 70 µm (corresponds to 4.5 according to ASTM standard E 112-88), the grain size with an iron content of 0.14% by weight % only a maximum of 20 µm (corresponds to 8 according to ASTM standard E 112-88). It is proven that the TiFe phase preferentially precipitates at grain boundaries and thus hinders growth during recrystallization.
Eine feine Korngrösse von 10 (nach ASTM-Norm E 112-88) erbringt eine optimale Verfestigung und Steigerung der 0,2-Dehngrenze Rp0,2 nach der Hall-Petch-Beziehung. Ausserdem wird durch das feinkörnige Gefüge die Ermüdungsfestigkeit σbw erhöht. Erst bei dem erhöhten Eisengehalt von > 0,08 Gew.-%, vorzugsweise von 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-%, kommt die volle hemmende Wirkung auf das Kornwachstum zum Tragen. Die extreme Feinkörnigkeit wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften vorausgesetzt und konsequent genutzt.A fine grain size of 10 (according to ASTM standard E 112-88) results in optimal consolidation and an increase in the 0.2 proof stress R p0.2 according to the Hall-Petch relationship. The fine-grain structure also increases the fatigue strength σ bw . Only with the increased iron content of> 0.08% by weight, preferably from 0.10% by weight to 0.20% by weight, does the full inhibitory effect on grain growth come about Carry. The extreme fine granularity is assumed in the method according to the invention to achieve the desired mechanical properties and is used consistently.
Das Verfahren mit den notwendigerweise vorausgegangenen Schritten schliesst mit der Anlassbehandlung ab, bei welcher die ausscheidungshärtenden Elemente ausgeschieden werden. Diese feinsten Partikel sind jedoch im lichtelektronenmikroskopischen Bild nicht darstellbar.The procedure with the necessarily preceding steps concludes with the tempering treatment in which the precipitation hardening elements are excreted. However, these finest particles cannot be represented in the photoelectron microscopic image.
Die Entmischung übersättigter Mischkristalle hat bekanntermassen einen starken Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs. Da Entmischungsvorgänge im allgemeinen mit einer deutlichen Erhöhung der Dehngrenze Rp0,2, der Zugfestigkeit Rm und der Härte einer Legierung verbunden sind, wird von Aushärtung gesprochen. Vorbedingung für eine aushärtbare Legierung ist eine im Legierungssystem vorhandene Abhängigkeit des Lösungsvermögens für ein zugesetztes Element von der Temperatur.The separation of supersaturated mixed crystals is known to have a strong influence on the physical and mechanical properties of a material. Since segregation processes are generally associated with a significant increase in the proof stress R p0.2 , the tensile strength R m and the hardness of an alloy, this is referred to as hardening. A precondition for a hardenable alloy is a dependency of the dissolving power for an added element on the temperature in the alloy system.
Wie dem Zustandsdiagrammen des Zweistoffsystems Titan-Eisen entnehmbar (vgl. Bild 13), liegt die maximale Löslichkeit für Eisen im Titan im Temperaturbereich von ca. 700 °C bei 0,05 Gew.-%. Mit fallender Temperatur nimmt die Löslichkeit stark ab und beträgt bei 400°C nur mehr 0,006 Gew.-%. Bei noch niedrigeren Temperaturen dürfte die Löslichkeit des Titans für Eisen unter 0,001 Gew.-% liegen. Mit der Löslichkeitsgrenze von ≈ 0,05 Gew.-% bei ≈ 700°C befinden sich im unlegierten Titan mit höheren Eisengehalten immer TiFe-Ausscheidungen. Ihre Form bestimmt sich nach dem Massenanteil in Gew.-%, dem Herstellungsverfahren und dem Abmessungsbereich des Endprodukts.As can be seen in the state diagram of the two-component system titanium-iron (see Fig . 13 ), the maximum solubility for iron in titanium in the temperature range of approx. 700 ° C is 0.05% by weight. As the temperature drops, the solubility decreases sharply and is only 0.006% by weight at 400 ° C. At even lower temperatures, the solubility of titanium for iron should be less than 0.001% by weight. With the solubility limit of ≈ 0.05% by weight at ≈ 700 ° C, there is always in unalloyed titanium with higher iron contents TiFe excretions. Their shape is determined by the mass fraction in% by weight, the manufacturing process and the size range of the end product.
Zumeist setzt man unlegiertes Titan im geglühten Zustand ein. Titan Grade 2 ist durch den Bedarf der chemischen Industrie der eindeutig am häufigsten eingesetzte Werkstoff. Bei höheren Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften wird Titan Grade 4 geglüht verwendet. Um noch höhere Zugfestigkeiten Rm > 680 MPa (nach ISO-Norm 58321/II) zu erreichen, ist eine Kaltverformung notwendig. Auf eine Ausscheidungshärtung von unlegiertem Titan wird in den einschlägigen Normen nicht hingewiesen. Dies hat sicher seinen Grund darin, dass den Titanqualitäten Grade 1 bis Grade 4 ausser Sauerstoff - dieser ist bis zu 0,4% interstitiell gelöst - kein metallisches Legierungselement zugesetzt wird. Das im Titanerz Rutil bis zu 20 Gew.-% als Verunreinigung enthaltene Eisen wird aufwendig entfernt.Mostly, unalloyed titanium is used in the annealed condition. Due to the needs of the chemical industry,
Um im Zweistoffsystem Titan-Eisen eine Ausscheidungshärtung durch die Ausscheidung der intermetallischen TiFe-Phase überhaupt nutzen zu können, muss dafür die Voraussetzung in Form einer thermischen Behandlung als Glühung oder auch als Warmverformung im Temperaturbereich der maximalen Löslichkeit geschaffen werden. Danach findet eine Auslagerung bei Temperaturen weit unterhalb von 700°C statt, um einen möglichst hohen Massenanteil der TiFe-Phase auszuscheiden.In order to be able to use precipitation hardening in the titanium-iron two-component system at all by separating the intermetallic TiFe phase, the prerequisite must be created in the form of thermal treatment as annealing or also as hot deformation in the temperature range of maximum solubility. This is followed by aging at temperatures far below 700 ° C in order to remove as much of the TiFe phase as possible.
Beim Anlassen übersättigter Mischkristalle treten in der ersten Zerfallstufe kohärente Ausscheidungen auf, d.h. die ausgeschiedene Phase hat die gleiche Gitterstruktur wie die Matrix, unterscheidet sich aber in der Zusammensetzung. Kohärente Teilchen benötigen eine niedrigere Bildungsenergie und scheiden sich je nach Legierung flächenhaft, platten-, kugel- oder nadelförmig aus. Der zweite Entmischungstyp ist die teilkohärente Ausscheidung, bei der Kohärenz zumindest mit einer Grenzfläche mit der Matrix besteht. Bei teilkohärenten Ausscheidungen handelt es sich zumeist nicht um die Gleichgewichtsphase, sondern um metastabile Zwischenphasen. Gemäss der höheren Grenzflächenenergie ist die Keimbildungsarbeit bei teilweise kohärenten Phasen grösser als bei kohärenten Phasen. Die letzte Stufe des Zerfalls eines übersättigten Mischkristalls ist die Ausscheidung einer inkohärenten Phase als kontinuierliche oder diskontinuierliche Ausscheidung. Der Grund für das Auftreten kohärenter, teilkohärenter oder inkohärenter Phasen liegt in der verschiedenen Energie, die zur Bildung der Grenzflächen aufgebracht werden muss.When tempering supersaturated mixed crystals, coherent precipitates occur in the first decay stage, ie the phase which has separated out has the same lattice structure as that Matrix, but differs in composition. Coherent particles require a lower formation energy and, depending on the alloy, separate out flat, plate, spherical or needle-shaped. The second type of segregation is the partially coherent separation, in which there is coherence at least with an interface with the matrix. Partially coherent excretions are usually not the equilibrium phase, but rather metastable intermediate phases. According to the higher interfacial energy, the nucleation work in partially coherent phases is greater than in coherent phases. The last stage of the decay of a supersaturated mixed crystal is the elimination of an incoherent phase as a continuous or discontinuous elimination. The reason for the occurrence of coherent, partially coherent or incoherent phases lies in the different energy that has to be applied to form the interfaces.
Die leichtere Keimbildung in den Zwischenphasen führt im Gegensatz zu inkohärenten Ausscheidungen zu einer höheren Keimbildungshäufigkeit und folglich zu einer feineren Verteilung der Ausscheidungen, womit eine stärkere Aushärtung verbunden ist. Die Ausscheidung inkohärenter Phasen erfolgt aufgrund ihrer höheren Keimbildungsarbeit bevorzugt an Gitterfehlern, wie Versetzungen, und Korngrenzen. Die starke Beschleunigung von Entmischungsvorgängen durch eine vorangehende Kaltverformung beruht deshalb auf der Erhöhung der Zahl der Fremdkeime als Folge der erhöhten Versetzungsdichte. Diese detaillierteren Ausführungen zu den verschiedenen Arten von Entmischungsvorgängen sollen zu den Vorgängen des erfindungsgemässen Verfahrens hinführen.In contrast to incoherent excretions, the easier nucleation in the intermediate phases leads to a higher nucleation frequency and consequently to a finer distribution of the excretions, which is associated with a greater hardening. Due to their higher nucleation work, incoherent phases are preferably eliminated at lattice defects such as dislocations and grain boundaries. The strong acceleration of segregation processes due to a previous cold working is therefore due to the increase in the number of foreign germs as a result of the increased dislocation density. These more detailed explanations of the different types of segregation processes are intended to lead to the processes of the method according to the invention.
Beispielsweise die Herstellung von Titanstäben Grade 4 mit 5 mm Durchmesser und der chemischen Zusammensetzung gemäss der Tabelle 5 läuft folgendermassen ab. Die Schmelze wird nach konventionellen Techniken geschmolzen, geschmiedet, warmgewalzt und zu Draht gezogen. Die für eine optimale Aushärtung notwendige thermische bzw. thermomechanische Behandlung geschieht im Temperaturbereich von 650°C-750°C. Anschliessend erfolgt eine schnelle Abkühlung, um möglichst viel Eisen in Lösung zu halten. Anlassglühungen zwischen 200°C und 500°C mit Abstufungen von jeweils 25° werden durchgeführt.For example, the production of
In lichtmikroskopischen Aufnahmen lassen sich keine Ausscheidungen von Titan-Eisen-Teilchen feststellen. Mit elektronenmikroskopischen Durchstrahlungsaufnahmen im Hell- und Dunkelfeld und mit Beugungsaufnahmen sind die ausgeschiedenen Phasen nachweisbar. Bild 14 zeigt eine typische elektronenmikroskopische Aufnahme des Verformungsgefüges von bei 375°C/1h angelassenem Material. In Bild 15 ist ein erholtes Verformungsgefüge mit ersten Rekristallisationskeimen und einigen groben Titan-Eisen-Ausscheidungen in kugel- oder plattenförmiger Gestalt erkennbar, bei denen es sich wahrscheinlich um die kubisch-raumzentrierte TiFe-Phase handelt.No excretions of titanium-iron particles can be found in light microscopic images. The separated phases can be detected with electron microscopic radiographs in light and dark fields and with diffraction images. Figure 14 shows a typical electron micrograph of the deformation structure of material tempered at 375 ° C / 1h. Figure 15 shows a recovered deformation structure with the first recrystallization nuclei and some coarse titanium-iron precipitates in a spherical or plate shape, which is probably the body-centered cubic TiFe phase.
Um den Temperaturbereich, in dem sich Entmischungsvorgänge abspielen, zu ermitteln, hat man kaltverfestigte Proben bei 250°C, 350°C und 450°C jeweils eine Stunde angelassen und im Querschnitt untersucht. Die Ergebnisse sind in den Bildern 16 bis 18 dokumentiert. Es ist ein uneinheitliches Gefüge aus Gebieten mit hoher Versetzungsdichte (starke Kaltverformung) und mit sehr feinkörnig rekristallisierten Bereichen ersichtlich. Der Ausgangszustand vor dem Anlassen bestand demnach aus einem teilrekristallisierten Gefüge und die nachfolgende Glühung bei 450°C/1 h hat offensichtlich eine weitere Rekristallisation bewirkt.In order to determine the temperature range in which segregation processes take place, cold-hardened samples were left at 250 ° C, 350 ° C and 450 ° C for one hour each and examined in cross-section. The results are documented in Figures 16 to 18 . It is a non-uniform structure from areas with high dislocation density (strong cold deformation) and with very fine-grained recrystallized areas. The initial state before tempering therefore consisted of a partially recrystallized structure and the subsequent annealing at 450 ° C / 1 h obviously caused further recrystallization.
Die Beugungsaufnahmen innerhalb der Bilder 16 bis 18 aller drei Wärmebehandlungszustände zeigen markant ausgeprägte Überstrukturreflexe, die als Folge feinstausgeschiedener kohärenter Titan-Eisen-Teilchen auftreten. Die Teilchen wurden durch die Dunkelfeldaufnahme im Lichte eines Überstrukturreflexes (s. Bild 17) nachgewiesen. Bei der niedrigen Anlasstemperatur von 250°C besitzen die Teilchen eine rundliche Form (s. Bild 19) und gehen bei 450°C in eine ovale Form über (s. Bild 20) über.The diffraction images within the
Der Orientierungszusammenhang zwischen der hexagonalen α-Phase des Titans und der feinst ausgeschiedenen intermetallischen Titan-Eisen-Phase ist noch nicht eindeutig geklärt.The orientation relationship between the hexagonal α-phase of titanium and the finely separated intermetallic titanium-iron phase has not yet been clearly clarified.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren auftretenden Feinstausscheidungen, die eine aufgrund der vorliegenden Beugungsaufnahmen nachgewiesene Orientierungsbeziehung zum hexagonalen Matrixgitter des α-Titans haben, benötigen offensichtlich eine hohe Keimbildungsarbeit, da sie sich beim kaltverformten Titan bevorzugt an Gitterfehlern - z.B. Versetzungen - und Korngrenzen ausscheiden. Diese Orte höherer Energie sind vermutlich auch notwendig, um diese Art von Feinstausscheidungen überhaupt zu erzeugen. Das beschriebene Ausscheidungsverhalten kann daher an geglühtem, nicht kaltverformtem Titan in gleicher Weise nicht erwartet werden.The very fine precipitates occurring in the process according to the invention, which have an orientation relationship to the hexagonal matrix lattice of α-titanium which is proven on the basis of the diffraction recordings, obviously require a high level of nucleation work, since in cold-formed titanium they preferentially distinguish themselves from lattice defects - for example dislocations - and grain boundaries. These places of higher energy are probably also necessary in order to produce this kind of fine excretions at all. The described excretion behavior can therefore be not cold-formed titanium are not expected in the same way.
Eine Untersuchung an der Titanlegierung TiCu2 erbrachte als Resultat einer Ausscheidungsglühung ebenfalls das Auftreten einer feinst ausgeschiedenen Phase. Ein weiteres Legierungssystem mit einer eutektoiden Entmischung weist das Zustandsschaubild Ti-Si auf. Silizium-Zusätze von 0,2 Gew.-% werden bereits in den hochfesten α-Titanlegierungen zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit angewandt und sind grundsätzlich für einen biokompatiblen, aushärtbaren Werkstoff - auch für Implantate - geeignet.An examination of the titanium alloy TiCu2 also showed the appearance of a very fine phase as the result of a precipitation annealing. The Ti-Si state diagram shows another alloy system with eutectoid segregation. Silicon additives of 0.2% by weight are already used in the high-strength α-titanium alloys to improve creep resistance and are generally suitable for a biocompatible, hardenable material - also for implants.
Die Anlassglühung hat ebenfalls einen massgeblichen Anteil an den mechanischen Eigenschaften des geschaffenen Titanwerkstoffs. Vergleichende Versuche zu Anlassglühungen mit konventionellem Implantatwerkstoff (Eisengehalt 0,05 Gew.-%) und dem erfindungsgemässen Werkstoff Titan Grade 4, kaltverformt, Stabmaterial, mit einem Eisengehalt von 0,15 Gew.-% erbrachten folgende Ergebnisse, die in den Bildern 21 bis 23 dargestellt sind. Die Glühtemperaturen von 200°C bis 500°C decken den gesamten Aushärtungsbereich ab. Es ist ersichtlich, dass für beide Werkstoffe die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 bei Glühtemperaturen bis ≈ 250°C zunächst von ≈ 750 MPa bis auf Werte von 800 MPa ansteigt. Oberhalb dieser Temperatur fällt die Dehngrenze Rp0,2 des herkömmlichen Werkstoffs gegenüber dem erfindungsgemässen Werkstoff stark ab (s. Bild 21).Annealing also has a significant share in the mechanical properties of the titanium material created. Comparative experiments on temper annealing with conventional implant material (iron content 0.05% by weight) and the
Ein ähnlicher Qualitätsunterschied besteht auch hinsichtlich der Zugfestigkeiten Rm (s. Bild 22) mit einer Differenz von ≈ 140 MPa. Während die Zugfestigkeit Rm des erfindungsgemässen Werkstoffs im nicht angelassenen Zustand bei 950 MPa liegt und den gewünschten Spezifikationswert von 860 MPa erst bei einer Anlasstemperatur von ≈ 400°C unterschreitet, wird dieser Wert vom konventionellen Werkstoff auch im nicht angelassenen Zustand bei weitem nicht erreicht.There is a similar difference in quality with regard to the tensile strengths R m (see Figure 22 ) with a difference of ≈ 140 MPa. While the tensile strength R m of the material according to the invention in the non-tempered state is 950 MPa and only falls below the desired specification value of 860 MPa at a tempering temperature of ≈ 400 ° C, this value is far from being achieved by the conventional material even in the non-tempered state.
Das Bild 23 veranschaulicht vergleichend die Verhältnisse hinsichtlich der Dehnung A50, die im nicht angelassenen Zustand bei beiden Werkstoffen bei ≈ 10% liegt. Durch Anlasstemperaturen ≥ 200°C können die Dehnungswerte A50, insbesondere für den konventionellen Werkstoff, beträchtlich bis auf 20% angehoben werden. Figure 23 shows a comparison of the conditions with regard to the elongation A 50 , which is ≈ 10% for both materials when not tempered. Tempering temperatures ≥ 200 ° C can significantly increase the strain values A 50 , especially for the conventional material, to 20%.
Die Verbesserungen beim erfindungsgemässen Werkstoff sind klar ersichtlich. Die Zugfestigkeit Rm liegt im nicht angelassenen Zustand bei 950 MPa, also souverän über der verlangten Spezifikationsgrenze von 860 MPa. Durch eine Anlassglühung wird die Zugfestigkeit Rm selbst bei Temperaturen bis 400°C um ≈ 100 MPa vermindert, während der konventionelle Werkstoff bei der gleichen Anlasstemperatur nur noch eine Festigkeit von ≈ 700 MPa aufweist. Die Problematik bei jedem Grade von kaltverfestigtem Titan ist stets das Verhältnis von Zugfestigkeit Rm zur Dehnung A. Wird eine zu hohe Kaltverformung aufgewandt, kann man die gewünschte Zugfestigkeit Rm erreichen, aber die geforderte Mindestdehnung wird unterschritten. Durch eine Anlassbehandlung wird dieser Nachteil beseitigt, vorausgesetzt, es liegt ein genügend hohes Festigkeitsniveau vor, welches durch das Anlassen vermindert wird.The improvements in the material according to the invention are clearly visible. The tensile strength R m in the non-tempered state is 950 MPa, so confidently above the required specification limit of 860 MPa. Tempering reduces the tensile strength R m by ≈ 100 MPa even at temperatures up to 400 ° C, while the conventional material only has a strength of ≈ 700 MPa at the same tempering temperature. The problem with every grade of work hardened titanium is always the ratio of tensile strength R m to elongation A. If too much cold deformation is used, the desired tensile strength R m can be achieved, but the required one The minimum elongation is not reached. This disadvantage is eliminated by tempering treatment, provided that there is a sufficiently high level of strength, which is reduced by tempering.
Von enormem Einfluss ist die Ausscheidungshärtung auf die Ermüdungsfestigkeit σbw. Chirurgische Implantate z.B. werden hauptsächlich durch Ermüdung beansprucht. Daher kommt diesem Parameter eine besondere Bedeutung zu. Dies gilt gleichermassen für Hüftgelenk-Endoprothesen, für Osteosynthese-Produkte und für Dentalimplantate, welche natürlich auch Biege-, Torsions- und Scherkräften unterworfen sind.Precipitation hardening has an enormous influence on the fatigue strength σ bw . Surgical implants, for example, are mainly stressed by fatigue. This is why this parameter is particularly important. This applies equally to hip joint endoprostheses, to osteosynthesis products and to dental implants, which of course are also subject to bending, torsional and shear forces.
Als Dauerbiegewechselfestigkeit σbw wird definitionsgemäss die Spannung bezeichnet, die ein Werkstoff mit 107 Lastwechseln ohne Bruch erträgt. Es ist bekannt, durch Sauerstoffzusatz die Ermüdungsfestigkeit von Titan zu erhöhen. Im Schrifttum findet man Werte für die Dauerbiegewechselfestigkeit σbw von Titan Grade 4, kaltverfestigt im Bereich von 357 MPa bis 430 MPa. Diese Werte betreffen Umlaufbiegewechselfestigkeiten, die mit elektropolierten Probenoberflächen ermittelt wurden. Die von der IMI Titanium Ltd. publizierten Werte sind im Bild 24 dargestellt. Aus dem Bild 24 geht hervor, dass sowohl die Zugfestigkeit Rm als auch die Ermüdungsfestigkeit σbw von weichgeglühten Proben mit steigendem Sauerstoffgehalt zunehmen, wobei die Kurve für die Zugfestigkeit Rm stärker ansteigt. Die Werte für gekerbte Proben liegen um ≈ 25% tiefer als die der glatten Vergleichsproben.The flexural fatigue strength σ bw is by definition the stress that a material withstands 10 7 load cycles without breaking. It is known to increase the fatigue strength of titanium by adding oxygen. In literature there are values for the fatigue fatigue strength σ bw of
In Bild 25 ist der Einfluss des Sauerstoffgehalts und der Kaltverformung auf die Zugfestigkeit Rm und Ermüdungsfestigkeit σbw dargestellt. In beiden Fällen ist eine Erhöhung der mechanischen Kennwerte durch die Zunahme des Sauerstoffgehalts und durch die Kaltverformung zu verzeichnen. Die Dauerbiegewechselfestigkeit σbw des am stärksten kaltverformten Materials liegt bei 380 MPa und deckt sich damit mit den übrigen aus der Literatur bekannten Werten. Figure 25 shows the influence of the oxygen content and the cold deformation on the tensile strength R m and fatigue strength σ bw . In both cases, an increase in the mechanical parameters can be observed due to the increase in the oxygen content and the cold deformation. The fatigue bending fatigue strength σ bw of the most cold-formed material is 380 MPa and thus coincides with the other values known from the literature.
Die Umlaufbiegewechselfestigkeit σbw des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs Grade 4 wurde ermittelt und ist im Bild 26 vergleichsweise mit dem konventionellen Werkstoff, für den σbw = 380 MPa gemessen wurde, eingetragen. Wie ersichtlich, besitzt der erfindungsgemässe Titanwerkstoff eine Ermüdungsfestigkeit von ≈ 500 MPa, was eine Steigerung um ≈ 30% bedeutet.The circular bending fatigue strength σ bw of the
Die durch die Aushärtungsbehandlung erzielte Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit ist völlig unerwartet aufgetreten, da die Zugfestigkeit Rm und die Dehngrenze Rp0,2, insbesondere für den konventionellen Titanwerkstoff bei Glühtemperaturen von 375°C stark abfallen (vgl. Bilder 21 und 22). Verständlicherweise ist die Dehnung A bei der relativ hohen Anlasstemperatur entsprechend angestiegen.The improvement in fatigue strength achieved by the hardening treatment has occurred completely unexpectedly, since the tensile strength R m and the yield strength R p0.2 drop sharply , especially for the conventional titanium material at annealing temperatures of 375 ° C (see Figures 21 and 22 ). Understandably, the elongation A increased accordingly at the relatively high tempering temperature.
Beim Aushärten von kaltverfestigtem Material laufen metallkundlich zwei unterschiedliche, in ihren Auswirkungen gegenläufige Prozesse ab. Der eine Prozess ist die Entfestigung durch Erholungsvorgänge, die zu einer Verringerung der Versetzungsdichte und damit zu einer Polygonisation führen, was mit einem Festigkeitsabfall verbunden ist. Der zweite Prozess betrifft die härtesteigernde Wirkung der Ausscheidung von kohärenten bzw. teilkohärenten Teilchen der TiFe-Phase, wie durch elektronenmikroskopische Aufnahmen belegt. Die ausgeschiedenen Phasen bilden sich daher bevorzugt an energetisch höherwertigen Stellen, wie Versetzungen und Korngrenzen und blockieren ihre Bewegungsfähigkeit mit dem Ergebnis einer gesteigerten Ermüdungsfestigkeit.When hardening work-hardened material, two different processes, the effects of which are opposite, take place. One process is softening through recovery processes that lead to a reduction in dislocation density and thus to polygonization, which is associated with a drop in strength. The second process concerns the hardness-increasing effect of the precipitation of coherent or partially coherent particles of the TiFe phase, as evidenced by electron micrographs. The separated phases therefore preferentially form at higher energy points, such as dislocations and grain boundaries, and block their mobility with the result of increased fatigue strength.
Die weiteren Untersuchungsresultate zum Einfluss der Anlasstemperatur und der Anlassdauer auf die Ermüdungsfestigkeit sind im Bild 27 dargestellt. Danach ergibt sich bei einer Anlassdauer von einer Stunde offenbar ein Maximum für die Dauerbiegewechselfestigkeit σbw im Temperaturbereich zwischen 350°C und 450°C. Erstaunlicherweise erhöht sich die Ermüdungsfestigkeit bei Anwendung einer niedrigeren Anlasstemperatur von 325°C ab einer längeren Anlasszeit von 10 Stunden noch weiter.The further test results on the influence of the tempering temperature and the tempering duration on the fatigue strength are shown in Figure 27 . After a tempering period of one hour, there is apparently a maximum for the fatigue strength σ bw in the temperature range between 350 ° C and 450 ° C. Surprisingly, the fatigue strength increases with a lower tempering temperature of 325 ° C after a longer tempering time of 10 hours.
Als Option kann man innerhalb des Herstellungsverfahrens für spezielle Verwendung des Werkstoffs die Mischkristallhärtung anwenden. Bei einer Mischkristallhärtung werden Titanatome durch andere metallische Atome, die im Titan löslich sind, ersetzt. Besonders geeignet ist hierfür z.B. Zirkon, da es sowohl in der β-Phase als auch in der α-Phase vollständig lösbar ist. Niob und Tantal lösen sich im β-Titan vollständig, in der α-Phase aber nur begrenzt, so dass man in diesem Fall α+β-Titanlegierungen erhält. Durch eine Mischkristallhärtung kann man vorteilhaft die Zugfestigkeit Rm entscheidend anheben, ohne einen übermässigen Duktilitätsverlust in Kauf nehmen zu müssen. Die erfinderische Ausscheidungshärtung lässt sich folglich auch auf ein Zwei-, Drei- oder Mehrstoffsystem anwenden, wo dem Grundwerkstoff Titan noch Zirkon, Niob oder Tantal oder eine beliebige Mischung daraus zulegiert werden.As an option, solid solution hardening can be used within the manufacturing process for special use of the material. Mixed crystal hardening replaces titanium atoms with other metallic atoms that are soluble in titanium. Zircon, for example, is particularly suitable for this, since it can be completely dissolved in both the β phase and the α phase. Niobium and tantalum dissolve completely in β-titanium, but only to a limited extent in the α-phase, so that in this case α + β-titanium alloys are obtained. Mixed crystal hardening can advantageously be used to improve tensile strength Raise R m decisively without having to accept an excessive loss of ductility. The inventive precipitation hardening can consequently also be applied to a two-, three- or multi-material system, where zirconium, niobium or tantalum or any mixture thereof are added to the base material titanium.
Die Herstellung des erfindungsgemässen Titanwerkstoffs und die dabei erreichten Parameter werden nachstehend anhand eines konkreten Zahlenbeispiels beschrieben, wobei der Verfahrensablauf in der Folge der unten aufgelisteten Arbeitsschritte geschieht:
1.) Herstellung der Titanschmelze
Ausgang war eine Titanschmelze folgender chemischen Zusammensetzung, die den Anforderungen für Titan-Implantatwerkstoffe gemäss der ASTM F 67-89 entspricht:
Der Schmelzblock wurde im Vakuum-Lichtbogenofen zweifach erschmolzen.
2.) Warmverformen
Zur Herstellung des Rohmaterials wurde der Block in mehreren Hitzen bei 1000°C auf Knüppel mit 100 mm Durchmesser abgeschmiedet bzw. gewalzt und anschliessend auf einer Drahtstrasse auf Abmessungen zwischen 5,5 mm und 20 mm Durchmesser bei fallenden Temperaturen zwischen 880°C und 700°C warmgewalzt.
3.) Kaltverformen
Die vorliegenden Drahtstäbe wurden einer Kaltverformung durch Ziehen mit eingeschobenen Zwischenglühungen im Bereich bzw. dicht unterhalb der Rekristallisationsgrenze unterzogen, wobei man nachstehende mechanische Werte erreichte (s. Tabelle 7):
Nach dem Ziehen wurde der Draht gerichtet, auf Stablängen = 3000 mm abgeteilt und auf Präzisionstoleranz h7 geschliffen.
4.) Anlassbehandlung
Das Anlassen erfolgte bei 375°C/1h Luft/Luft. Hiernach wurden bei 5 mm-Stäben nachstehende mechanische Werte erreicht (s. Tabelle 8):
Die durch das Verfahren erzielten Qualitätsverbesserungen des Titanwerkstoffs sind manifest. Verglichen mit den Messwerten im kaltverfestigten Zustand ist die 0,2%-Dehngrenze RP0,2 um ≈ 40 MPa angestiegen, während die Zugfestigkeit Rm nur um ≈ 20 MPa abfiel. Die Dehnung A50 verbesserte sich um 3% auf über 13% und liegt damit sicher über dem geforderten Spezifikationswert von 10%.
Der gewonnene Titanwerkstoff Grade 4 (Grade definiert nach ASTM-Norm F 67-89) lässt sich dadurch charakterisieren, dass dieser
- a) warmverformt und
- b) kaltverfestigt und
- c) ausscheidungsgehärtet ist und
- d) enthält:
- da) 0,15% Eisen als ausscheidungshärtendes Element und
- db) 0,30% interstitiell gelösten Sauerstoff und
- e) ein feinkörniges Gefüge der Korngrösse feiner
als 5,vorzugsweise feiner als 8, aufweist (Gefüge gemäss Bild 12b; Korngrösse definiert nach ASTM-Norm E 112-88).
1.) Production of the titanium melt
The starting point was a titanium melt with the following chemical composition, which meets the requirements for titanium implant materials in accordance with ASTM F 67-89:
The melting block was melted twice in a vacuum arc furnace.
2.) Hot forming
To produce the raw material, the block was forged or rolled in several heat at 1000 ° C on billets with a diameter of 100 mm and then Hot-rolled on a wire mill to dimensions between 5.5 mm and 20 mm in diameter with falling temperatures between 880 ° C and 700 ° C.
3.) Cold forming
The present wire rods were subjected to cold forming by drawing with inserted intermediate annealing in the area or just below the recrystallization limit, the following mechanical values being achieved (see Table 7 ):
After drawing, the wire was straightened, divided to rod lengths = 3000 mm and ground to precision tolerance h7.
4.) Starting treatment
The tempering was carried out at 375 ° C / 1h air / air. The following mechanical values were then achieved for 5 mm rods (see Table 8 ):
The quality improvements of the titanium material achieved through the process are manifest. Compared to the measurements in the work-hardened state, the 0.2% proof stress R P0.2 rose by ≈ 40 MPa, while the tensile strength R m only decreased by ≈ 20 MPa. The elongation A 50 improved by 3% to over 13% and is thus surely above the required specification value of 10%.
The
- a) thermoformed and
- b) work hardened and
- (c) is age hardened and
- d) contains:
- da) 0.15% iron as a precipitation hardening element and
- db) 0.30% interstitially dissolved oxygen and
- e) has a fine-grain structure with a grain size finer than 5, preferably finer than 8 (structure according to Figure 12b ; grain size defined according to ASTM standard E 112-88).
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