EP1558777A1 - Verwendung eines korrosionsbeständigen, martensitisch aushärtenden stahls - Google Patents

Verwendung eines korrosionsbeständigen, martensitisch aushärtenden stahls

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EP1558777A1
EP1558777A1 EP03809760A EP03809760A EP1558777A1 EP 1558777 A1 EP1558777 A1 EP 1558777A1 EP 03809760 A EP03809760 A EP 03809760A EP 03809760 A EP03809760 A EP 03809760A EP 1558777 A1 EP1558777 A1 EP 1558777A1
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EP
European Patent Office
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tools
rotary tools
steel
machine
nickel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03809760A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Blanke
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Sandvik Intellectual Property AB
Original Assignee
Sandvik Intellectual Property AB
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Publication date
Application filed by Sandvik Intellectual Property AB filed Critical Sandvik Intellectual Property AB
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/004—Very low carbon steels, i.e. having a carbon content of less than 0,01%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium

Definitions

  • the invention relates to a new use of precipitation hardenable, martensitic, stainless steels for the production of rotary tools for applications with high demands on a combination of high hardness and ductility as well as corrosion resistance, such as drilling, milling, grinding and cutting tools.
  • Precipitation-hardening, martensitic, stainless steels are known from WO 93/07303. It describes a composition of a stainless steel that has very high strength and good ductility. This steel is described as being particularly suitable for the production of injection cannulas, dental instruments and medical instruments on the basis of wire and strip material made from the named steel type. Due to the high hardness of the steel, further processing had to be kept to a minimum.
  • WO 01/14601 A1 describes a process for producing parts with a complicated geometry by means of a series of process steps, including precipitation hardening, tempering, quenching and hardening, the result of which is a homogeneous hardness of at least 450 HV. It is mentioned by way of example that a precipitation hardenable, martensitic, stainless steel can be used for the production of medical instruments according to the process specified therein. In this case, the machinability problem was solved with the help of the special manufacturing process, but cannot be applied to tools, especially rotating tools with a complicated geometry.
  • drills, milling, grinding and cutting tools have very small diameters, which can be less than 1 mm. Nevertheless, they have a long length in relation to the diameter in order to allow a certain working depth, which is extended again by the section which is intended for holding the tool in the tool holder or chuck. Because of this extreme length / diameter ratio and the resulting unfavorable moment distribution, such tools are very sensitive to those in the practical use of applied bending loads. Even a slight bend in the drill, which is barely noticeable to the naked eye, can cause the drill to run out of balance and become unbalanced the next time the operator puts it on or uses it. In practice, due to the often very high rotation speeds, this causes the drill bits to break off during operation. This means not only that the drills have a short lifespan and have to be replaced frequently for safety reasons, but also a considerable risk of injury for the operator, patient and bystanders that can be hit by flying tool parts, as well as a considerable cost factor.
  • tools with small dimensions are specifically declared by the manufacturers as disposable products, which represents an additional cost for the user. After the single use of the tools, a second use is no longer permitted and the user has to insert a new tool, which leads to unacceptably high costs.
  • a number of well known and well studied alloy types are currently used to mold and manufacture such tools and instruments. Some of these alloys are martensitic stainless steels, austenitic stainless steels and precipitation hardenable stainless steels. Each of these known alloys has a number of good material properties, such as corrosion resistance, strength, formability and / or ductility, but each alloy also has disadvantages and cannot meet certain product requirements. In practice, there are complex problems and disadvantages of rotary presses currently available on the market. tools known. The table below shows the compositions of some commonly used steels.
  • Table 1 Compositions of various known steels in% by weight; Rest of iron
  • Martensitic, stainless steels e.g. B. the qualities AISI 420
  • Austenitic stainless steels e.g. B. the AISI 300 series
  • Ko ⁇ Osionsistance combined with high strength and for some applications acceptable ductility, but to achieve the high strength, a strong cold reduction is required, and this means that the semi-finished product also a very high Must have strength, which in turn leads to poor formability.
  • rustproof steels there are numerous different qualities with different properties.
  • the object of the present invention was to overcome the aforementioned problems and disadvantages of the prior art.
  • This object is achieved according to the invention by using a precipitation-hardenable, martensitic, rustproof chromium-nickel steel with the following composition (in% by weight):
  • Silicon up to 0.5 tantalum, niobium, vanadium and tungsten each up to 0.2
  • Rotation s tools according to the invention are preferably drilling, milling, grinding and cutting tools with or without geometrically defined cutting edges, particularly preferably machined cutting tools according to DIN 8580.
  • Such a tool generally consists of a shank, a cutting tool head and one Fastening part The tool is moved axially and / or transversely.
  • a surprising effect covered by the invention is that the precipitation-hardenable, martensitic, stainless steel used according to the invention is advantageous in those applications in which the combination of high breaking and bending strength with hardness and corrosion properties plays a decisive role
  • the rotary tools are medical tools and instruments, in particular for dental and surgical use.
  • Another surprising effect covered by the invention relates to the advantageous combination of good biological compatibility of the precipitation-hardenable, martensitic, stainless steel used according to the invention with good corrosion properties, high ductility and excellent high strength of approximately 2,500 to 3,000 N / mm 2. This combination allows this advantageous use of this steel in medical applications in which the material remains in the patient's body for a shorter or longer period of time.
  • a steel composition which is particularly suitable according to the invention contains, for example, 12.0% by weight of chromium, 9.1% by weight of nickel, 4.0% by weight of molybdenum, 2.0% by weight of copper, 0.9% by weight Titanium, 0.35% by weight aluminum, ⁇ 0.012% by weight carbon and ⁇ 0.012% by weight nitrogen.
  • the steel according to the invention tested is a composition according to the material 766685 given in Table 2. Further exemplary embodiments are shown in Table 2.
  • the qualities 1.4112 and 1.4108 were used as comparative steels.
  • the samples examined were solid material bars with a circular cross-section and a diameter of 4.5 mm. All the samples tested were precipitation hardened.
  • the steel according to the invention was hardened at 475 ° C. for 4 hours.
  • Quality 1 4112 and 1.4108 were cured in accordance with the curing procedures prescribed for these steels at 1000 ° C for 40-60 minutes in a vacuum. Then both qualities were cooled in nitrogen to minus 50 ° C.
  • Material 1 4108 was additionally tempered at 160 ° C for 2 hours.
  • the described processes for the production and processing of the reference materials result in the highest possible values for hardness and ductility.
  • Table 3 Test results, tensile test according to DIN EN 10002-1
  • FIG. 2 shows at (A) the fracture surface of the comparison material 1.4108 and at (B) the material according to the invention bent under the same test conditions.
  • the disadvantages resulting from the breaking behavior of the products previously available on the market could now be overcome.
  • the invented Tools manufactured in accordance with this combine hardness, maximum corrosion resistance, good biocompatibility and excellent breaking strength in the manufactured products.
  • the products remain unbreakable even when bent and can be bent several times, such as in plastic surgery, without losing their excellent material properties.
  • the steel grades used according to the invention are easy to machine and easy to mill in the hardened state, which provides advantages in the manufacture of the products.
  • Another advantage of using the steel used according to the invention for the production of rotary tools is the relatively low hardening temperature in the range from 425 to 525 ° C., as a result of which considerable energy costs can be saved during production.
  • tools are approved for repeated use, they must meet particularly high requirements for the corrosion resistance of the steel during sterilization.
  • Tools according to the invention were tested for corrosion resistance in accordance with DIN 1662.
  • the test conditions defined in DIN 1662 were then transferred to the disinfectant solutions listed in Table 4 and the tools were then optically examined for traces of corrosion.
  • Table 4 also shows the evaluations of the optical assessment.
  • the tests were carried out on tools with different surface finishes, ie ground, milled, electropolished and glass bead or sandblasted. Since special regulations for the labeling of tools apply in the medical field in order to prevent errors during use, special attention was paid to laser marking of the tools.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the present invention in the form of a drill.
  • FIG. 2 shows the fracture surface (A) of the comparative material 1.4108 and the material (B) according to the invention bent under the same test conditions.
  • Figure 1 shows an embodiment of the present invention in the form of a drill for surgical use.
  • the ratio of tool length to diameter in this case is approx. 72: 1.
  • a length / diameter ratio of this magnitude places special demands on the bending stiffness of the steel used, which are achieved by the steel according to the invention while avoiding the disadvantages mentioned above.
  • FIG. 2 shows at (A) the fracture surface of the material 1.4108 described above in the bending test and at (B) the material according to the invention bent under the same test conditions.

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Abstract

Zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, vorzugsweise Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen, die stabil, korrosionsbeständig und biokompatibel sind und gleichzeitig hohe Festigkeitswerte, verbunden mit guten Duktilitätseigenschaften aufweisen, schlägt die Erfindung die Verwendung eines ausscheidungshärtbaren, martensitischen, nicht rostenden Chrom-Nickel-Stahls mit folgender Zusammensetzung (in Gewichts%) vor: Chrom 10 bis 14; Nickel 7 bis 11; Molybdän 0,5 bis 6; Kupfer 0,5 bis 4; Aluminium 0,05 bis 0,55; Titan 0,4 bis 1,4; Kohlenstoff + Stickstoff bis zu 0,3; Schwefel weniger als 0,05; Phosphor weniger als 0,05; Mangan bis zu 0,5; Silizium bis zu 0,5; Tantal, Niob, Vanadium und Wolfram jeweils bis zu 0,2; Kobalt gegebenenfalls bis zu 9,0; Bor gegebenenfalls 0,0001 bis 0,1 wobei der Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.

Description

#SANDVI 102-05-WO Sandvik AB
Verwendung eines korrosionsbeständigen, martensltisch aushärtenden Stahls
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine neue Verwendung von ausscheidungshärtbaren, martensitischeπ, rostfrei- en Stählen zur Herstellung von Rotationswerkzeugen für Anwendungen mit hohen Anforderungen an eine Kombination von hoher Härte und Duktilität sowie Korrosionsbeständigkeit, wie Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen.
Hintergrund und technische Problemstellung Ausscheidungshärtbare, martensitische, rostfreie Stähle sind aus der WO 93/07303 bekannt. Darin wird eine Zusammensetzung eines rostfreien Stahls beschrieben, der eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität aufweist. Dieser Stahl wird als besonders geeignet für die Herstellung von Injektionskanülen, zahnärztlichen Instrumenten und medizinischen Instrumenten auf der Grundlage von aus der genannten Stahlsorte hergestelltem Draht- und Bandmaterial beschrieben. Auf- grund der hohen Härte des Stahls musste die weitere Bearbeitung auf ein Minimum beschränkt werden.
In der WO 01/14601 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Teilen mit komplizierter Geometrie durch eine Reihe von Verfahrensschritten, einschließlich Ausscheidungshärtung, Tempern, Ab- schrecken und Härten beschrieben, dessen Ergebnis eine homogene Härte von mindestens 450 HV ist. Es wird beispielhaft erwähnt, dass ein ausscheidungshärtbarer, martensitischer, rostfreier Stahl zur Herstellung von medizinischen Instrumenten nach dem darin spezifizierten Prozess verwendet werden kann. Das Problem der Bearbeitbarkeit wurde in diesem Fall mit Hilfe des speziellen Herstellungsverfahrens gelöst, kann jedoch nicht auf Werkzeuge, speziell rotierende Werkzeuge mit kom- plizierter Geometrie angewendet werden kann.
Für die Verwendung eines Stahls zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, insbesondere von Rotationswerkzeugen für medizinische, speziell dentale und chirurgische Anwendungen, sollten eine Reihe von Randbedingungen erfüllt sein.
Bohrer, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeuge haben je nach Verwendungszweck sehr geringe Durchmesser, die unter 1 mm liegen können. Dennoch besitzen sie eine im Verhältnis zum Durchmesser große Länge, um eine bestimmte Arbeitstiefe zu ermöglichen, die noch einmal verlängert wird um den Abschnitt, der für die Aufnahme des Werkzeuges im Werkzeughalter bzw. Futter vor- gesehen ist. Aufgrund dieses extremen Läπgen/Durchmesser-Verhältnisses und der daraus resultierenden ungünstigen Momentverteilung sind solche Werkzeuge sehr empfindlich gegenüber den im praktischen Gebrauch anliegenden Biegebelastungen. Bereits ein leichtes, mit bloßem Auge kaum feststellbares Verbiegen des Bohrers kann dazu führen, dass er beim nächsten Ansetzen durch den Operateur oder dem nächsten Gebrauch allgemein unrund läuft und unwuchtig ist. Aufgrund der häufig sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten führt dies in der Praxis dazu, dass die Bohrer wäh- rend des Betriebes abbrechen. Dies bedeutet nicht nur, dass die Bohrer eine kurze Lebensdauer haben und aus Sicherheitsgründen häufig ausgetauscht werden müssen, sondern auch eine erhebliche Verletzungsgefahr für Operateur, Patient und umstehende Personen, die von herumfliegenden Werkzeugteilen getroffen werden können, sowie einen erheblichen Kostenfaktor.
Nach dem Medizinprodukte-Gesetz werden speziell Werkzeuge mit kleinen Abmessungen von den Herstellern als Einwegprodukte deklariert, was für den Anwender einen zusätzlichen Kostenaufwand darstellt. Nach dem einmaligen Gebrauch der Werkzeuge ist eine zweite Verwendung nicht mehr zulässig, und der Anwender muss ein neues Werkzeug einsetzten, was zu unvertretbar hohen Kosten führt.
Es besteht daher ein dringender Bedarf nach maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen für den mehrmaligen Gebrauch, insbesondere dentalen, und chirurgischen Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen mit und ohne definierte Schneide, die eine sehr hohe Härte besitzen, korrosionsbeständig und gleichzeitig auch gegenüber bekannten Werkzeugen bzw. Instrumenten bruchsi- eher sind. Neben Härte und Bruchsicherheit ist die gleichzeitige Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung. Gerade dentale und chirurgische Instrumente werden nach jedem Gebrauch sterilisiert und dabei stark korrodierenden Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, organische und andere Lösungsmittel etc.) ausgesetzt. Hinzu kommen die korrosiven Medien beim Gebrauch, wie z. B. Blut und andere Körperflüssigkeiten. Werden solche dentalen und chirurgischen Instrumente durch Korrosion beschädigt bzw. angegriffen, besteht die Gefahr, dass Patienten mit den Korrosionsrückständen kontaminiert werden und gefährlichen postoperativen Komplikationen ausgesetzt werden.
Es besteht daher ein dringender Bedarf nach stabilen, korrosionsbeständigen und biokompatiblen maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, wie Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen, die gleichzeitig hohe Festigkeitswerte, verbunden mit guten Duktilitätseigenschaften bieten.
Derzeit wird eine Reihe gut bekannter und gut untersuchter Legierungstypen zum Formen und Herstellen solcher Werkzeuge und Instrumente verwendet. Einige dieser Legierungen sind martensiti- sehe nicht rostende Stähle, austenitische nicht rostende Stähle und ausscheidungshärtbare nicht rostende Stähle. Jede dieser bekannten Legierungen weist eine Reihe von guten Materialeigenschaften auf, wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Formbarkeit und/oder Duktilität, doch hat jede Legierung auch Nachteile und kann bestimmten Produktanforderungen nicht entsprechen. Aus der Praxis sind komplexe Probleme und Nachteile von derzeit auf dem Markt erhältlichen Rotations- werkzeugen bekannt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Zusammensetzungen einiger häufig verwendeter Stähle.
Tabelle 1 : Zusammensetzungen verschiedener bekannter Stähle in Gew.-%; Rest Eisen
Martensitische, nicht rostende Stähle, z. B. die Qualitäten AISI 420, können eine hohe Festigkeit bieten, doch nicht in Kombination mit Duktilität. Austenitische nicht rostende Stähle, z. B. die Reihe AISI 300, können gute KoπOsionsbeständigkeit in Verbindung mit hoher Festigkeit und für einige Anwendungen annehmbarer Duktilität bieten, doch ist, um die hohe Festigkeit zu erreichen, eine starke Kaltreduktion erforderlich, und dies bedeutet, dass auch das halbfertige Produkt eine sehr hohe Festigkeit haben muss, was wiederum eine schlechte Formbarkeit zur Folge hat. Für die Gruppe der ausscheidungshärtbaren, nicht rostenden Stähle, gibt es zahlreiche unterschiedliche Qualitäten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Sie haben jedoch einige Gemeinsamkeiten, bei- spielsweise werden die meisten von ihnen in einem Einweg- oder üblicher in einem Zweiwegverfah- ren in Vakuum geschmolzen, wobei die zweite Stufe ein Aufschmelzen unter Vakuum ist. Außerdem ist eine große Menge, d. h. > 1 ,5 Gewichts-% von ausscheidungsbildenden Elementen, wie Aluminium, Niob, Tantal und Titan, erforderlich, oftmals auch als Kombination dieser Elemente. Eine große Menge ist günstig für die Festigkeit, vermindert aber die Duktilität und die Formbarkeit. Eine solche Qualität findet sich z. B. in der US-Patentschrift 3 408 871. Diese Qualität bietet eine annehmbare Duktilität im Fertigprodukt in Verbindung mit einer Festigkeit von nur etwa 2.000 N/mm2. Sie kann auch während der Herstellung von halbfertigen Produkten Nachteile haben, z. B. ist dieser Stahl empfindlich für Rissbildung im geglühten Zustand.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand in der Überwindung der vorgenannten Probleme und Nachteile des Standes der Technik. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines ausscheidungshärtbaren, martensitischen, nicht rostenden Chrom-Nickel-Stahls mit folgender Zusammensetzung (in Ge- wichts-%):
Chrom 10 bis 14 Nickel 7 bis 11
Molybdän 0,5 bis 6
Kupfer 0,5 bis 4
Aluminium 0,05 bis 0,55
Titan 0,4 bis 1,4 Kohlenstoff + Stickstoff bis zu 0,3
Schwefel weniger als 0,05
Phosphor weniger als 0,05
Mangan bis zu 0,5
Silizium bis zu 0,5 Tantal, Niob, Vanadium und Wolfram jeweils bis zu 0,2
Kobalt gegebenenfalls bis zu 9,0
Bor gegebenenfalls 0,0001 bis 0,1 wobei der Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht, zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin durch die Bereitstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen gelöst, die aus ausscheidungshärtbarem, martensitischem, nicht rostenden Chrom-Nickel-Stahl mit der vorgenannten Zusammensetzung hergestellt sind.
Erfindungsgemäße Rotation s Werkzeuge sind vorzugsweise Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerk- zeuge mit oder ohne geometrisch definierte Schneiden, besonders bevorzugt maschinell getriebenen spanende Rotationswerkzeuge gemäß DIN 8580 Solch ein Werkzeug besteht in der Regel aus einem Schaft, einem spanabhebenden Werkzeugkopf und einem Befestigungsteil Das Werkzeug wird axial und/oder transversal bewegt. Ein überraschender, von der Erfindung erfasster Effekt ist, dass erfindungsgemäß verwendeter ausscheidungshärtbarer, martensitischer, rostfreier Stahl in solchen Anwendungen von Vorteil ist, in denen die Kombination von hoher Bruch- und Biegefestigkeit mit Härte- und Konrosionseigenschaften eine entscheidende Rolle spielt
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rotationswerkzeuge medizinische Werkzeuge und Instrumente, insbesondere für die dentale und chirurgische Anwendung.
Ein weiterer überraschender, von der Erfindung erfasster Effekt betrifft die vorteilhafte Kombination von guter biologischer Verträglichkeit des erfindungsgemäß verwendeten ausscheidungshärtbaren, martensitischen, nicht rostenden Stahls mit guten Korrosionseigenschaften, hoher Duktilität und ausgezeichnet hoher Festigkeit von etwa 2.500 bis 3.000 N/mm2 Diese Kombination erlaubt die vorteilhafte Nutzung dieses Stahls in medizinischen Anwendungen, in denen das Material für einen kürzeren oder längeren Zeitraum im Körper des Patienten verbleibt.
Eine erfindungsgemäß besonders geeignete Stahlzusammensetzung enthält beispielsweise 12,0 Gew.-% Chrom, 9,1 Gew.-% Nickel, 4,0 Gβw.-% Molybdän, 2,0 Gew.-% Kupfer, 0,9 Gew.-% Titan, 0,35 Gew.-% Aluminium, <0,012 Gew.-% Kohlenstoff und <0,012 Gew.-% Stickstoff.
Beschreibung der erfindungsgemässen Eigenschaften
Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte wurden an ausgehärteten Vollmaterialwerkstücken gleicher Geometrie aus dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl und zwei anderen derzeit für Rotationswerkzeuge eingesetzten Stählen getestet.
Bei dem getesteten erfindungsgemäßen Stahl handelt es sich um eine Zusammensetzung gemäß dem in Tabelle 2 angegebenen Werkstoff 766685. Weitere Ausführungsbeispiele gehen aus Tabelle 2 hervor.
Werk- C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti Cu AI
Stoff
766685 0,008 0,12 0,18 0,009 0,001 12,19 9,16 3,99 1 ,08 1 ,99 0,33
766757 0,01 0,13 0,27 0,011 0,001 11 ,85 9,0 3,95 0,97 1,96 0,33
451234 0,004 0,22 0,25 0,015 0,001 11 ,85 9,14 3,99 0,86 1 ,95 0,36
769228 0,008 0,11 0,21 0,006 0,001 12,05 9,15 3,96 0,90 1,99 0,34
768276 0,009 0,09 0,19 0,01 0,002 12,15 9,02 3,99 0,9 1 ,99 0,30
769014 0,008 0,08 0,25 0,01 0,001 11 ,99 9,12 4,07 0,82 1 ,99 0,37
Tabelle 2: Beispiele für erfindungsgemäße Stahlzusammensetzungen
Als Vergleichsstählθ wurden die Qualitäten 1.4112 und 1.4108 verwendet, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind. Die untersuchten Proben waren Vollmaterialstangen mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von 4,5 mm Alle getesteten Proben waren ausscheidungsgehärtet Die Aushärtung des erfindungsgemäßen Stahls erfolgte bei 475°C für 4 Stunden. Die Aushärtung der Qualitäten 1 4112 und 1.4108 erfolgte nach den für diese Stähle vorge- schriebenen Aushärtungsverfahren bei 1000°C für 40-60 Minuten im Vakuum. Anschließend wurden beide Qualitäten in Stickstoff auf minus 50°C abgekühlt Der Werkstoff 1 4108 wurde noch zusätzlich bei 160°C für 2 Stunden angelassen. Die beschriebenen Verfahren für die Herstellung und Bearbeitung der Referenzmatenalien ergeben die höchstmöglichen Werte für Härte und Duktilität.
Die Aushärtung der jeweiligen Materialien wurde so durchgeführt, dass für alle getesteten Mateπalien eine vergleichbare Materialhärte erzielt wurde. Es wurden jeweils vier Proben eines Materials getestet Die Ergebnisse des nach DIN EN 10002-1 durchgeführten Zugversuchs sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammeπgefasst
Tabelle 3: Versuchsergebnisse, Zugversuch nach DIN EN 10002-1
Eine Untersuchung der Bruchstellen der getesteten Werkstoffe zeigte deutlich, dass der erfindungsgemäße Stahl ein äußerst zähes Bruchverhalten aufwies. Die Bruchflächen hatten die Form eines sogenannten Trichterbruchs. Demgegenüber zeigten die Werkstoffe 1.4112 und 1.4108 sogenannte Spaltbrüche mit einem nahezu 100%-igen Sprödbruchanteil. Das gute Bruchdehnungsverhalten der Proben aus dem erfindungsgemäßen Stahl geht einher mit einer hohen Biegsamkeit, ohne dass das Material bricht. Die Proben können ohne Bruch mehrfach gebogen werden. Demgegenüber zerbrachen die Proben aus den Werkstoffen 1.4112 und 1.4108 beim ersten Verbiegen. Die anhängende Figur 2 zeigt bei (A) die Bruchfläche des Vergleichswerkstoffes 1.4108 und bei (B) den unter gleichen Versuchsbedingungen gebogenen erfindungsgemäßen Werkstoff.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Verwendung der erfindungsgemäß eingesetzten Stahlsorte zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, wie Bohr-, Fräs-, Schleifund Schneidwerkzeugen mit und ohne definierter Schneide insbesondere in dentalen und chirurgischen Anwendungen besondere Vorteile aufgrund des hervorragenden Bruchdehnungsverhaltens der Stahlqualität gegenüber bisher verwendeten Stählen bietet. Bei den bisher verwendeten Stählen standen insbesondere Härte und Korrosionsfestigkeit, sowie je nach Anwendung auch Biokompatibilität im Vordergrund. Hinsichtlich der Bruchfestigkeit wurde bei bisher bekannten Stählen ein Kom- promiss in Kauf genommen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des vorliegenden Stahls zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, wie Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen mit und ohne definierte Schneide konnten nun auch die Nachteile aus dem Bruchverhalten der bisher auf dem Markt erhältlichen Produkte überwunden werden. Die erfin- dungsgemäß hergestellten Werkzeuge vereinen Härte, höchste Korrosionsbeständigkeit, gute Biokompatibilität und hervorragende Bruchfestigkeit in den hergestellten Produkten. Die Produkte bleiben auch beim Verbiegen bruchsicher und können, wie zum Beispiel in der plastischen Chirurgie, mehrfach gebogen werden, ohne ihre hervorragenden Materialeigenschaften einzubüßen. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäß verwendeten Stahlqualitäten gut zerspanbar und in gehärtetem Zustand gut fräsbar, was Vorteile bei der Herstellung der Produkte liefert. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des erfindungsgemäß eingesetzten Stahls zur Herstellung von Rotationswerkzeugen ist die verhältnismäßig niedrige Härtungstemperatur im Bereich von 425 bis 525°C, wodurch sich erhebliche Energiekosten bei der Herstellung einsparen lassen.
Wenn Werkzeuge zum mehrmaligen Gebrauch zugelassen werden, so müssen sie während der Sterilisierung besonders hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit des Stahles erfüllen. Erfindungsgemäße Werkzeuge wurden gemäß DIN 1662 auf ihre Korrosionsbeständigkeit getestet. Die in DIN 1662 definierten Versuchsbedingungen wurden dann auf die in Tabelle 4 aufgeführten Desinfektionslösungen übertragen und Werkzeuge anschließend optisch auf Korrosionsspuren untersucht. Aus Tabelle 4 gehen weiterhin die Bewertungen der optischen Begutachtung hervor. Die Tests wurden an Werkzeugen mit verschiedenem Oberflächenfinish, d.h. geschliffen, gefräst, elek- tropoliert und glasperlen- oder sandgestrahlt, durchgeführt. Da im medizinischen Bereich besondere Vorschriften zur Kennzeichnung der Werkzeuge gelten, um Fehlem bei der Anwendung vorzubeu- gen, wurde besonderes Augenmerk auf die Laserkennzeichnung derselben gelegt. Sowohl die Wärmeeinwirkung als auch die Bereiche, die stärker mechanisch bearbeitet wurden, wie z.B. die Schnittflächen der jeweiligen Rotationswerkzeuge sind besonderen Beanspruchungen während des Gebrauchs in korrosiven Medien und bei der Sterilisation ausgesetzt. Aus der bisherigen Erfahrung mit diesen Bereichen und den oben genannten Legierungen hat sich ergeben, dass dort induzierte Fehlerstellen und Korrosionsansatzpunkte entstehen. Die durchgeführte optische Begutachtung der erfindungsgemäßen Werkzeuge nach oben beschriebenem Korrosionstest ergab keinerlei Hinweise auf Korrosion oder Materialabgang.
Tabelle 4: Korrosionsbeständigkeit erfindungsgemäß hergestellter Werkzeuge
Da die Korrosionsresultate den Schluss zulassen, dass das Material sowohl unter sauren als auch alkalischen Anwendungsbedingungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, ist davon auszugehen, dass es auch für die Anwendung als Rotationswerkzeug in keramischen Materialien, Holz, Plastikmaterialien und Stahl und unter den genannten Umweltbedingungen mit Vorteil einzusetzen ist.
Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Bohrers.
Figur 2 zeigt die Bruchfläche (A) des Vergleichswerkstoffes 1.4108 und den unter gleichen Versuchsbedingungen gebogenen erfindungsgemäßen Werkstoffs (B).
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines Bohrers für die chirurgische Anwendung. Das Verhältnis von Werkzeuglänge zum Durchmesser liegt in diesem Fall bei ca. 72:1. Ein Längen/Durchmesser-Verhältnis in dieser Größenordnung bringt besondere Anforderungen an die Biegesteifigkeit des verwendeten Stahles mit sich, die vom erfindungsgemäßen Stahl unter Vermeidung der oben genannten Nachteile erbracht werden.
Figur 2 zeigt bei (A) die im Biegetest erhaltene Bruchfläche des oben beschriebenen Werkstoffes 1.4108 und bei (B) den unter gleichen Versuchsbedingungen gebogenen erfindungsgemäßen Werk- stoff.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung eines ausscheidungshärtbaren, martensitischen, nicht rostenden Chrom-Nickel- Stahls mit folgender Zusammensetzung (in Gewichts-%): Chrom 10 bis 14
Nickel 7 bis 11
Molybdän 0,5 bis 6
Kupfer 0,5 bis 4
Aluminium 0,05 bis 0,55 Titan 0,4 bis 1,4
Kohlenstoff + Stickstoff bis zu 0,3
Schwefel weniger als 0,05
Phosphor weniger als 0,05
Mangan bis zu 0,5 Silizium bis zu 0,5
Tantal, Niob, Vanadium und Wolfram jeweils bis zu 0,2
Kobalt gegebenenfalls bis zu 9,0
Bor gegebenenfalls 0,0001 bis 0,1 wobei der Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht, zur Herstellung von maschinell getriebenen Rotationswerkzeugen, vorzugsweise Bohr-, Fräs-, Schleif- und Schneidwerkzeugen.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , wobei die Rotationswerkzeuge geometrisch definierte Schneiden aufweisen.
3. Verwendung nach Anspruch 1 , wobei die Rotationswerkzeuge nicht geometrisch definierte Schneiden aufweisen
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rotationswerkzeuge medizini- sehe Werkzeuge und Instrumente sind. Maschinell getriebene Rotationswerkzeuge, hergestellt aus ausscheidungshärtbarem, mar- tensitischem, nicht rostenden Chrom-Nickel-Stahl mit folgender Zusammensetzung (in Ge- wichts-%):
Chrom 10 bis 14
Nickel 7 bis 11
Molybdän 0,5 bis 6
Kupfer 0,5 bis 4
Aluminium 0,05 bis 0,55
Titan 0,4 bis 1,4
Kohlenstoff + Stickstoff bis zu 0,3
Schwefel weniger als 0,05
Phosphor weniger als 0,05
Mangan bis zu 0,5
Silizium bis zu 0,5
Tantal, Niob, Vanadium und Wolfram jeweils bis zu 0,2
Kobalt gegebenenfalls bis zu 9,0
Bor gegebenenfalls 0,0001 bis 0,1 wobei der Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.
Maschinell getriebene Rotationswerkzeuge nach Anspruch 5, wobei die Rotationswerkzeuge geometrisch definierte Schneiden aufweisen.
Maschinell getriebene Rotationswerkzeuge nach Anspruch 5, wobei die Rotationswerkzeuge nicht geometrisch definierte Schneiden aufweisen.
Maschinell getriebene Rotationswerkzeuge nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Rotationswerkzeuge medizinische Werkzeuge und Instrumente sind.
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