EP3544753A1 - Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks aus einem metallischen werkstoff - Google Patents

Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks aus einem metallischen werkstoff

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EP3544753A1
EP3544753A1 EP17808370.5A EP17808370A EP3544753A1 EP 3544753 A1 EP3544753 A1 EP 3544753A1 EP 17808370 A EP17808370 A EP 17808370A EP 3544753 A1 EP3544753 A1 EP 3544753A1
Authority
EP
European Patent Office
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workpiece
ecap
machining
hammering
workpieces
Prior art date
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Application number
EP17808370.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3544753B1 (de
Inventor
Alexander Kopp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meotec GmbH
Original Assignee
Meotec GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Meotec GmbH and Co KG filed Critical Meotec GmbH and Co KG
Publication of EP3544753A1 publication Critical patent/EP3544753A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3544753B1 publication Critical patent/EP3544753B1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/001—Extruding metal; Impact extrusion to improve the material properties, e.g. lateral extrusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J7/00—Hammers; Forging machines with hammers or die jaws acting by impact
    • B21J7/02—Special design or construction
    • B21J7/14—Forging machines working with several hammers
    • B21J7/145—Forging machines working with several hammers the hammers being driven by a rotating annular driving member

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a workpiece made of a metallic material, wherein the workpiece is machined by means of ECAP.
  • the abbreviation SPD stands for "Severe Plastic Deformation.” These are processes in which a metal workpiece is subjected to a very large plastic deformation in order to produce an ultra-fine grained texture (UFG).
  • UFG ultra-fine grained texture
  • the microstructure can achieve an average particle size of less than 1 ⁇ m and often has large orientation angles at the grain boundaries.
  • SPD techniques include ECAP ("Equal Channel Angular Pressing"), Accumulative Roll-Bonding (ARB), High Pressure Torsion (HPT), Repetitive Corrugation and Straightening (RCS), CEC (" Cyclic Extrusion Compression “),” torsion extrusion “,” Severe Torsion Straining “(STS),” Cyclic Closed-Die Forging “(CCDF) and” Super Short Multi-pass Rolling "(SSMR).
  • ECAP Equal Channel Angular Pressing
  • ARB Accumulative Roll-Bonding
  • HPT High Pressure Torsion
  • RCS Repetitive Corrugation and Straightening
  • CEC Cyclic Extrusion Compression "),” torsion extrusion ",” Severe Torsion Straining “(STS),” Cyclic Closed-Die Forging “(CCDF) and” Super Short Multi-pass Rolling "(SSMR).
  • the ECAP is a method in which a workpiece is pressed through at least two channels merging into one another, wherein the channels have an identical cross-section and the transition between the channels at an arbitrary angle, preferably between 80 ° and 140 °, angled ,
  • the plastic deformation of the material of the workpiece during the pressing of the transition between the channels can lead to a significant refinement of the material structure and thereby to improved material properties.
  • a machining of a workpiece by means of ECAP is described, for example, in US Pat. No. 5,513,512 A, US Pat. No. 6,399,215 B1 and EP 2 366 808 A2, in which the machined workpieces at least partially consist of (pure) titanium and / or serve for the production of medical implants.
  • a device should be suitable in which the workpiece has a first, part-circular channel which transitions at an angle into a second, straight channel, wherein the first channel is bounded radially on the inside by a disk-shaped driving element that can be driven in rotation is.
  • the workpiece is to be moved by friction in a continuous process through the first channel and pressed into the second channel.
  • US 2007/0256764 A1 discloses a machining of a workpiece by means of a method designated as ECAE which is comparable to ECAP and in which the workpiece or the ECAE tool is set into vibration during machining.
  • This vibration generation does not lead to a deformation of the workpiece, in particular not to a diameter reduction.
  • In the vibration generation also no forming strokes of forming tools.
  • the object of the invention was to provide a method by which, in particular, mechanical material properties of a workpiece machined by means of ECAP can be further improved.
  • a method for machining a workpiece, which consists of or comprises at least one metallic material, wherein the workpiece is machined by means of ECAP, according to the invention is characterized in that the workpiece is machined after machining by means of ECAP by means of hammering, wherein a permanent) diameter reduction (due to plastic deformation of the material of the workpiece) is achieved.
  • a machining by means of ECAP is basically characterized in that a workpiece is pressed through at least two, but also three or more channels merging into one another, wherein the channels preferably have an identical cross-section and the transition between the channels is angled.
  • the plastic deformation of the material of the workpiece during passage of the transition between the channels can lead to a significant refinement of the material structure and thereby to improved material properties. In particular, this can significantly increase the tensile strength and / or the hardness of the material compared with the initial state (before processing by means of ECAP).
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary processing of a workpiece 1, which is pressed by means of a punch 2 by two angled merging into each other channels of a tool 3 and thereby realizable refinement of the material structure.
  • a particularly pronounced improvement in the material properties can be achieved by a multiple and especially two-fold ECAP. This can also take place in a machining pass, if the tool used for ECAP has at least three channels, two of which each turn into one another correspondingly angled, as shown by way of example in FIG. 2.
  • each deformation has a degree of deformation of 0.05 to 2, preferably from 0.1 to 0.5 and particularly preferably from 0.15 to 0.3 ,
  • a deformation of the workpiece by means of hammering at a temperature of the workpiece of> 100 ° C and / or of ⁇ 350 ° C may be advantageous.
  • Hammering which is also known as kneading or swaging (when machining cross-sectionally round workpieces), is characterized in that two or more tools (3) which are arranged on the circumference of the workpiece (1) directed radially in the direction of a workpiece center Apply forming strokes while the workpiece (1) rotates relative to the tools (3) around the workpiece center, as shown schematically in Fig. 3.
  • a relative movement between the workpiece (1) and the tools (3) along a Longitudinal axis of the workpiece (1) allows a continuous or discontinuous forming machining of workpieces (1) whose dimensions along the longitudinal axis are greater than the corresponding dimensions of the tools (3).
  • the relative movement between the workpiece (1) and the tools (3) along the longitudinal axis (4) of the workpiece (1) can preferably be realized by (only) moving the workpiece (1) longitudinally axially. Alternatively or additionally, however, a corresponding movement of the tools (3) can also be provided.
  • the strokes executed by the tools (3) can in particular be made relatively short (eg between 0.25 mm and 3 mm, in particular between 0.3 and 1.5 mm) and relatively high-frequency (eg 1000 per minute and more). Furthermore, it may be provided that the tools (3) surround the workpiece (1) almost completely, ie with only minimal distances between the tools, on the circumference.
  • Hammering may be provided according to the invention in embodiments in which the workpiece (1) is hot, semi-warm or cold formed.
  • the workpiece (1) is hot, semi-warm or cold formed.
  • hammers a wide variety of external and internal geometries of the workpiece (1) can be formed. This can be realized by the use of thorns and by different relative movements of the tools (3) relative to the workpiece (1).
  • An advantage of hammering is that with each tool stroke only a brief forming takes place at one point (tool engagement). As a result, there are fewer stresses in the component than, for example, in extrusion molding, where the entire cross section of the workpiece is pressed through a bottleneck. The material can be subjected to greater deformation during hammering because of this advantage, without the formation of cracks or excessive embrittlement.
  • a preferred use of a method according to the invention is the production of a resorbable or non-resorbable medical implant, for example a dental implant or dental implant.
  • a medical implant may also be in the form of a screw, a plate, a nail, a wire, a foil or a scaffold, in particular a stent.
  • the achievable by means of a method according to the invention improvement of the mechanical material properties may have a positive effect especially in implants Since the primary purpose of the post-processing of the workpiece by means of hammering in the context of a method according to the invention is an improvement of the mechanical material properties, it can be provided to use a method according to the invention to produce a blank or a semifinished product, ie a workpiece intended for further processing.
  • the purpose of reworking the workpiece by means of hammering in the context of a method according to the invention may be to achieve a diameter reduction for the workpiece.
  • the workpiece length in ECAP by the punch stroke of the ECPA device used only limited length blanks or workpieces, often less than 500 mm, in particular less than 300 mm, can usually be produced.
  • the further processing for example for the production of screws, nails, plates, scaffolds or stents, on corresponding devices, e.g. Lathes, long lathes, laser cutting devices, etc., mostly uneconomical.
  • these devices have automatic conveyors, such as automated spindle bores, through which long rods or tubes are to be continuously fed to the machining process.
  • a method according to the invention therefore makes it possible by means of hammering to produce workpieces, for example blanks or semi-finished products, e.g. Rods, pipes, etc., whose lengths after hammering> 500 mm, preferably> 1000 mm and particularly preferred may be 2000 mm and can be further processed so economically.
  • workpieces for example blanks or semi-finished products, e.g. Rods, pipes, etc., whose lengths after hammering> 500 mm, preferably> 1000 mm and particularly preferred may be 2000 mm and can be further processed so economically.
  • the workpiece or the semifinished product or the blank can then additionally be further machined, for example by machining, to produce a component with a defined final contour, for example a resorbable or non-resorbable medical implant, for example a dental implant or dental implant.
  • a resorbable or non-resorbable medical implant for example a dental implant or dental implant.
  • a medical implant may also be in the form of a screw, a plate, a nail, a wire, a foil or a scaffold, in particular a stent.
  • hammering also fundamentally allows shaping of a machined workpiece, which is characterized by great freedom of form and very good dimensional stability (eg achievable tolerances of ⁇ 0.03 mm). Accordingly, it can also be provided, a method according to the invention for the production to use a component that are generated by the hammering already defined end contours of the component. A further post-processing can be omitted, whereby the cost of producing such a component can be kept low.
  • the hammering is carried out by means of a so-called double rotor (see Fig. 4).
  • double rotor see Fig. 4
  • the tools and the component guided, for example, by rollers rotate either in synchronism or in the opposite direction relative to each other.
  • the self-rotation of the workpiece is largely avoided and it can be realized a very high rate.
  • This procedure can be advantageously provided in particular for a large-scale production (eg production of at least 1000 identical components), while a production of blanks in a small series production (production of less than 1000 identical components) may be advantageous because then the additional costs associated with a For example, machining subsequent processing of the blanks may be less than the cost of several rotary swaging tools by means of which correspondingly different shapes for the components can be realized.
  • a production of blanks can also be advantageously provided in a large-scale production.
  • the metallic material comprises titanium (pure titanium (Ti) or a titanium alloy) and / or magnesium (pure magnesium (Mg) or a magnesium alloy), in particular resorbable magnesium.
  • Ti pure titanium
  • Mg pure magnesium
  • the improvement of the mechanical material properties of the material achievable by the inventive reworking by means of hammering could, at least for pure titanium and titanium alloys, in particular for a preferred titanium alloy, in addition to titanium (at least or exclusively) still zirconium (Zr), preferably a mass fraction of about 10%. up to about 20%, in particular from about 12% to about 14% and specifically of about 13%.
  • titanium and magnesium are particularly advantageously used as material for medical implants, which can preferably be produced by means of a method according to the invention.
  • the method according to the invention may be advantageously suitable for the machining of workpieces made of metallic materials, it being possible with particular preference for light metals (for example magnesium (Mg) or aluminum (Al)) or their alloys to be used.
  • the method according to the invention is also suitable for producing semi-finished products or blanks made of resorbable magnesium or magnesium alloys, from which implants can also be produced, for example by subsequent turning, laser cutting or other methods.
  • the temperature of the workpiece during processing by means of ECAP is at least 200.degree. C., at least 350.degree. C., at least 450.degree. C. or at least or approximately 500.degree.
  • a temperature of between 200 ° C and 350 ° C may be advantageous for a magnesium or magnesium alloy workpiece.
  • a temperature of at least 450 ° C. and in particular of 500 ° C. may be advantageous. If the temperature of such a titanium workpiece during machining by means of ECAP is less than 450 ° C. and in particular less than 500 ° C., pronounced crack formation in the workpiece as a result of machining by means of ECAP can occur.
  • the machining by means of ECAP comprises at least four, six or eight machining passes.
  • a processing passage while a pressing of the workpiece is understood by an angled transition between two channels.
  • the workpiece is pressed by a tool having more than two channels, wherein each two adjacent channels form an angled transition and at least two, preferably all transitions are aligned differently (see Fig .. 2).
  • a defined angle which may be preferably 90 ° or 60 ° or 45 °, was rotated about the longitudinal axis (in particular with the same direction of rotation).
  • the term "rotated" refers to the alignment of the workpiece relative to the used ECAP tool between two machining passages, and it is particularly preferred that the rotations of the workpiece between the machining passages lead to alignments covering a total of at least or exactly 360 ° ,
  • the workpiece is additionally pressure-formed (in particular extruded) before and / or after the machining by means of ECAP.
  • Such additional pressure conversion can be provided, in particular, before the workpiece is reworked by means of hammering.
  • the workpiece is additionally heat-treated.
  • the heat treatment may be provided before or after the processing by means of ECAP and before or after the post-processing by means of hammering and before or after an optionally provided additional pressure forming.
  • the selected temperature for the heat treatment may depend on the chosen material and may for example be between 480 ° C and 780 ° C for titanium or a titanium alloy, while for magnesium or a magnesium alloy, the temperature may be between 120 ° C and 580 ° C. While both the number of such heat treatment steps and the duration may vary, cooling in air or by contact with another medium, for example water, oil or a gas, for example argon, is possible.
  • the material used for the workpieces to be machined in the comparative experiments was an alloy consisting of titanium and zirconium in a proportion by mass of 13% (Ti-13% Zr).
  • the workpieces formed of solid material had a circular cross section with diameters of 10 mm or 16 mm. Two of these workpieces in the initial state (Hereinafter referred to as "starting workpieces") were provided as comparative samples.
  • an ECAP tool For the machining of workpieces by means of ECAP, an ECAP tool was used whose straight and circular cross-section channels have a (over the longitudinal extent constant) cross-sectional diameter of 12 mm, wherein the channels at a (forming) angle of 120 ° into each other , The workpieces were rotated by 90 ° between individual machining passages during machining by means of ECAP.
  • solid material workpieces Due to the cross sectional diameters of the channels of the ECAP tool of 12 mm, those workpieces having a diameter of 16 mm in the initial state were turned down to 12 mm before machining by ECAP (hereinafter referred to as "solid material workpieces") , which had a diameter of 10 mm in the initial state, but in each case with a tube sleeve made of pure titanium and with an outer diameter of 12 mm jacketed (hereinafter referred to as "sleeve workpieces").
  • a first series of eight solid workpieces was machined at a temperature of 500 ° C in four passes through ECAP. After being processed by ECAP, these solid material workpieces had significantly better surface qualities than the correspondingly machined sleeve workpieces. Seven of these ECAP machined solid workpieces were provided for post-processing, either by hammering or by rolling, while one was provided as a comparative sample.
  • solid material workpieces of a second series were also processed at a forming temperature of 500 ° C by means of ECAP; in this case, however, with more processing passes than the first series. It turned out that more than six machining passes would not be expedient, since even at six machining passes, in some cases, small pieces at the ends of the solid material workpieces break off and the improvement in the mechanical properties is only slight. In the case of a solid material workpiece of this second series, machining had to be stopped by means of ECAP due to massive cracking after five processing passes.
  • the post-processed and comparative workpieces were subjected to either one or more hardness tests or a tensile test As part of the hardness test, the Vickers hardness (HV) should be determined.
  • HV Vickers hardness
  • Sleeve workpiece 4 500 ° C - 300 1 .3
  • Solid material workpiece 4 500 ° C - 319 1 .3
  • Solid material workpiece 6 500 ° C - 328 1 .6
  • ECAP book ECAP machining passes; Standard deviation: Stabndarc deviation
  • HV1 location-dependent measurement with a lower load
  • the following table summarizes the results of the tensile tests. The following applies:
  • the elongation characteristics are plastic strains (ie without the elastic strain) and all stresses are engineering stresses (technical stresses).
  • AW initial workpiece
  • HW sleeve workpiece
  • VW solid material workpiece
  • BD elongation at break
  • BE fracture neck
  • the strength and hardness of the starting material could be significantly increased by machining with ECAP, whereby a ductility greater than 10% could be maintained.
  • Further processing of the previously ECAP machined workpieces has shown that rolling does not give good results, since both strength and ductility have been greatly reduced.
  • the reduction in ductility was expected, as this is a known effect in a cold deformation, especially in rolling and is referred to as work hardening or cold embrittlement.
  • the reduction in strength through rolling was unexpected and is likely to be due to overstressing due to locally greatly increased stresses in the deformation of the material causing, for example, internal dislocation and microcracking.
  • hammering further increased the strength (yield strength and tensile strength greater than 1300 MPa) and merely resulted in a tolerable reduction in ductility.
  • a use example of a method according to the invention lies in the production of a semifinished product which is subsequently provided for the production of dental implants on a lathe.
  • a Ti13Zr workpiece was machined in four machining passes at 500 ° C by means of ECAP and subsequent hammering, whereby the hammering reduced the diameter of the cylindrical workpiece from 20 mm to 5 mm.
  • the length of the workpiece increased from 150 mm to 2400 mm.
  • a further example of an application of a method according to the invention is the production of a semifinished product, which is subsequently provided for the production of absorbable pins (pins) of magnesium on a lathe.
  • a workpiece made of ZX00 magnesium + ⁇ 1% zinc + ⁇ 1% calcium
  • the processing according to the invention results in an improvement of the tensile strength from originally 220 MPa to 400 MPa and a change in the elongation at break of 17% (as cast and rolled) to 8%.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff, bei dem das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird,istdadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach der Bearbeitung mittels ECAP mittels Hämmerns nachbearbeitet wird,wobei eine Durchmesserreduktion erzielt wird. Dadurch können Materialeigenschaften des Werkstoffs des Werkstücks und insbesondere die Festigkeit und die Härte erheblich erhöht werden.

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff, wobei das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird.
Es sind Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, die unter der Abkürzung SPD zusammengefasst werden. Die Abkürzung SPD steht für „Severe Plastic Deformation". Hierbei handelt es sich um Verfahren, bei denen ein Werkstück aus Metall einer sehr großen plastischen Verformung unterzogen werden, um ein ultrafeines Gefüge (UFG„ultra fine grained") herzustellen. Das Gefüge kann hierbei eine durchschnittliche Korngröße von kleiner 1 μηη erreichen und weist oft an den Korngrenzen große Ausrichtungswinkel auf. Zu den SPD-Verfahren gehören unter anderem ECAP ("Equal Channel Angular Pressing"), ARB ("Accumulative Roll- Bonding"), HPT ("High Pressure Torsion"), RCS ("Repetitive Corrugation and Straightening"), CEC ("Cyclic Extrusion Compression"), "torsion extrusion", STS ("Severe Torsion Straining"), CCDF ("Cyclic Closed-Die Forging") und SSMR ("Super Short Multi-pass Rolling).
Beim ECAP handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Werkstück durch mindestens zwei ineinander übergehende Kanäle gepresst wird, wobei die Kanäle einen identischen Querschnitt aufweisen und der Übergang zwischen den Kanälen in einem beliebigen Winkel, vorzugsweise zwischen 80° und 140°, abgewinkelt ist. Die plastische Umformung des Werkstoffs des Werkstücks beim Durchpressen des Übergangs zwischen den Kanälen kann zu einer deutlichen Verfeinerung des Werkstoffgefüges und dadurch zu verbesserten Werkstoffeigenschaften führen. Eine Bearbeitung eines Werkstücks mittels ECAP ist beispielsweise in der US 5,513,512 A, der US 6,399,215 B1 und der EP 2 366 808 A2 beschrieben, wobei darin die bearbeiteten Werkstücke zumindest teilweise aus (Rein-)Titan bestehen und/oder zur Herstellung medizinischer Implantate dienen.
Medizinische Implantate bestehen vielfach aus Reintitan, das eine sehr gute Biokompatibilität aufweist. Nachteilig bei solchen Implantaten kann jedoch die relativ geringe mechanische Festigkeit dieses Werkstoffs sein. Diese kann zwar durch die Verwendung von Titanlegierungen erheblich erhöht werden, dies jedoch in der Regel zu Lasten der Biokompatibilität und damit gegebenenfalls der Verweilzeit der daraus bestehenden Implantate in einem menschlichen oder tierischen Körper. Die in den o.g. Druckschriften zur Durchführung von ECAP genutzten Vorrichtungen sind hinsichtlich der Abmessungen und insbesondere hinsichtlich der Länge der zu bearbeitenden Werkstücke eingeschränkt. Dies ist insbesondere in dem begrenzten Hub der Stempel, mittels dessen die Werkstücke durch die Kanäle der jeweiligen Werkzeuge gepresst werden, begründet. Zur Beseitigung dieses Nachteils soll gemäß der US 7,152,448 B2 eine Vorrichtung geeignet sein, bei der das Werkstück einen ersten, teilkreisförmigen Kanal aufweist, der abgewinkelt in einen zweiten, geraden Kanal übergeht, wobei der erste Kanal radial innenseitig durch ein rotierend antreibbares, scheibenförmiges Vortriebselement begrenzt ist. Mittels einer Rotation des Vortriebselements soll das Werkstück in einem kontinuierlichen Prozess reibschlüssig durch den ersten Kanal bewegt und in den zweiten Kanal gepresst werden. Dadurch soll in einem kontinuierlichen Prozess eine Bearbeitung von grundsätzlich beliebig langen Werkstücken mittels ECAP ermöglicht werden.
In der Veröffentlichung von Bruder et al.„Severe Plastic Deformation by Equal Channel Angular Swaging" in Materials Science Forum, Vols. 667-669, Seiten 103 bis 107 (ISSN: 1662-9752) wird ein als ECAS bezeichnetes Verfahren beschrieben, das die Prinzipien von ECAP und Hämmern („rotary swaging") kombinieren soll, bei dem jedoch das für konventionelles Hämmern charakteristische Rotieren des Werkstücks relativ zu den Werkzeugen nicht durchgeführt wird. Weiterhin wird bei dem ECAS- Verfahren das abgewandelte Hämmern stets gleichzeitig mit dem ECAP durchgeführt. Eine Durchmesserreduktion für das Werkstück wird bei dem ECAS-Verfahren nicht erzielt.
In der US 2007/0256764 A1 ist eine Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines als ECAE bezeichneten Verfahrens offenbart, das mit ECAP vergleichbar ist und bei dem während der Bearbeitung das Werkstück oder das ECAE-Werkzeug in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungserzeugung führt nicht zu einer Umformung des Werkstücks, insbesondere auch nicht zu einer Durchmessereduktion. Bei der Schwingungserzeugung erfolgen auch keine Umformhübe von Umformwerkzeugen.
In der Veröffentlichung von Pachla et al.„Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2" in Journal of Materials Processing Technology 221 (2015), S. 255 bis 268, wird ein Verfahren beschrieben, das eine hydrostatische Extrusion mit einer Nachbearbeitung eines Werkstücks mittels Hämmerns kombiniert. Das Hämmern wird dabei durchgeführt, um die Oberflächenqualität des Werkstücks zu verbessern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das insbesondere mechanische Materialeigenschaften eines mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks weiter verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Verwendungen eines erfindungsgemäß hergestellten Werkstücks sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, das aus (mindestens) einem metallischen Werkstoff besteht oder einen solchen umfasst, wobei das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach der Bearbeitung mittels ECAP mittels Hämmerns nachbearbeitet wird, wobei eine (dauerhafte) Durchmesserreduktion (infolge plastischer Verformung des Werkstoffs des Werkstücks) erzielt wird. Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass auf diese Weise mechanische Materialeigenschaften des Werkstoffs eines zuvor bereits mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks und insbesondere dessen Zugfestigkeit und/oder dessen Härte erheblich verbessert beziehungsweise erhöht werden können. Diese Erkenntnis war insbesondere auch deshalb überraschend, weil andere Verfahren zur umformenden Nachbearbeitung, beispielsweise Walzen, eines zuvor mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks diese Verbesserungen nicht immer bewirken, sondern, im Gegenteil, in Abhängigkeit des Umformgrads sogar Verbesserungen der mechanischen Materialeigenschaften, die zuvor durch ECAP realisiert wurden, wieder verringern. Selbst wenn eine Verbesserung eintrifft, wird zumeist nur die Festigkeit erhöht, während die Duktilität gravierend herab gesetzt wird und bei Überlastung spröde oder mit sehr geringer Verformung bricht. Solche Materialien eignen sich nicht als Konstruktionswerkstoffe.
Wie bereits ausgeführt wurde ist eine Bearbeitung mittels ECAP grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück durch mindestens zwei, aber auch drei oder mehrere ineinander übergehende Kanäle gepresst wird, wobei die Kanäle vorzugsweise einen identischen Querschnitt aufweisen und der Übergang zwischen den Kanälen abgewinkelt ist. Die plastische Umformung des Werkstoffs des Werkstücks beim Durchgang des Übergangs zwischen den Kanälen kann zu einer deutlichen Verfeinerung des Werkstoffgefüges und dadurch zu verbesserten Materialeigenschaften führen. Insbesondere kann dadurch die Zugfestigkeit und/oder die Härte des Werkstoffs gegenüber dem Ausgangszustand (vor der Bearbeitung mittels ECAP) deutlich erhöht werden.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Bearbeitung eines Werkstücks 1 , das mittels eines Stempels 2 durch zwei abgewinkelt ineinander übergehende Kanäle eines Werkzeugs 3 gepresst wird und die dabei realisierbare Verfeinerung des Werkstoffgefüges.
Eine besonders ausgeprägte Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch ein mehrfaches und insbesondere zweifaches ECAP erreicht werden. Dies kann auch in einem Bearbeitungsdurchgang erfolgen, wenn das für ECAP genutzte Werkzeug mindestens drei Kanäle aufweist, von denen jeweils zwei entsprechend abgewinkelt ineinander übergehen, wie dies beispielhaft in der Fig. 2 gezeigt ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns in mehreren Durchgängen erfolgt, wobei jede Umformung einen Umformgrad von 0,05 bis 2, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 und besonders bevorzugt von 0,15 bis 0,3 hat.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns bei einer Temperatur (des Werkstücks) von zwischen 10°C bis 600°C, vorzugsweise von zwischen 12°C bis 380°C und besonders bevorzugt von zwischen 14°C bis 250°C stattfindet. Gegebenenfalls kann auch eine Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns bei einer Temperatur des Werkstücks von > 100°C und/oder von < 350°C vorteilhaft sein.
Hämmern, das auch als Kneten oder Rundkneten (bei einer Bearbeitung von im Querschnitt runden Werkstücken) bekannt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Werkzeuge (3), die umfangsseitig des Werkstücks (1 ) angeordnet sind, radial in Richtung eines Werkstückzentrums gerichtete Umformhübe ausüben, während sich das Werkstück (1 ) relativ zu den Werkzeugen (3) um das Werkstückzentrum dreht, wie dies schematisch in der Fig. 3 gezeigt ist. Eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1 ) und den Werkzeugen (3) entlang einer Längsachse des Werkstücks (1 ) ermöglicht dabei eine kontinuierliche oder diskontinuierliche umformende Bearbeitung auch von Werkstücken (1 ), deren Abmessungen entlang der Längsachse größer als die entsprechenden Abmessungen der Werkzeuge (3) sind. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1 ) und den Werkzeugen (3) entlang der Längsachse (4) des Werkstücks (1 ) kann vorzugsweise dadurch realisiert werden, dass (nur) das Werkstück (1 ) längsaxial bewegt wird. Alternativ oder ergänzend kann aber auch eine entsprechende Bewegung der Werkzeuge (3) vorgesehen sein. Die von den Werkzeugen (3) ausgeführten Hübe können insbesondere relativ kurz (z.B. zwischen 0,25 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,3 und 1 ,5 mm) und relativ hochfrequent (z.B. 1000 pro Minute und mehr) ausgeführt werden. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Werkzeuge (3) das Werkstück (1 ) nahezu vollständig, d.h. mit nur minimalen Abständen zwischen den Werkzeugen, umfangsseitig umgeben.
Hämmern kann erfindungsgemäß in Ausführungen vorgesehen sein, in denen das Werkstück (1 ) warm, halbwarm oder kalt umgeformt wird. Mittels Hämmerns können verschiedenste Außen- und Innengeometrien des Werkstücks (1 ) geformt werden. Dies kann durch den Einsatz von Dornen und durch unterschiedliche Relativbewegungen der Werkzeuge (3) relativ zu dem Werkstück (1 ) realisiert werden.
Ein Vorteil des Hämmerns ist, dass mit jedem Werkzeughub nur eine kurzweilige Umformung an einer Stelle (Werkzeugeingriff) stattfindet. Dadurch entstehen im Bauteil insgesamt weniger Spannungen als beispielsweise beim Strangpressen, wo der ganze Querschnitt des Werkstücks durch einen Engpass gepresst wird. Das Material kann aufgrund dieses Vorteils beim Hämmern einer größeren Verformung unterzogen werden, ohne dass eine Ausbildung von Rissen oder eine zu große Versprödung zu erwarten ist.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines resorbierbaren oder nicht resorbierbaren medizinischen Implantats, beispielsweise eines Dentalimplantats oder Zahnimplantats. Ein solches medizinisches Implantat kann alternativ auch in Form einer Schraube, einer Platte, eines Nagels, eines Drahts, einer Folie oder eines Scaffolds, insbesondere eines Stents, ausgebildet sein. Die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbare Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften kann sich insbesondere bei Implantaten positiv auswirken Da der primäre Zweck der Nachbearbeitung des Werkstücks mittels Hämmerns im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften ist, kann vorgesehen sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren einzusetzen, um einen Rohling beziehungsweise eine Halbzeug, d.h. ein für eine Weiterverarbeitung vorgesehenes Werkstück, herzustellen.
Insbesondere kann der Zweck der Nachbearbeitung des Werkstücks mittels Hämmerns im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Erreichen einer Durchmesserreduktion für das Werkstück liegen. Infolge einer Limitierung der Werkstücklänge beim ECAP durch den Stempelhub der verwendeten ECPA- Vorrichtung können in der Regel nur begrenzt lange Rohlinge oder Werkstücke, häufig kleiner 500 mm, insbesondere kleiner 300 mm, hergestellt werden. Hierdurch wird die weitere Bearbeitung, beispielsweise zur Herstellung von Schrauben, Nägeln, Platten, Scaffolds oder Stents, auf entsprechenden Vorrichtungen, z.B. Drehmaschinen, Langdrehmaschinen, Laserschneidvorrichtungen, etc., zumeist unwirtschaftlich. In vielen Fällen haben diese Vorrichtungen automatische Fördereinrichtungen, beispielsweise automatisierte Spindelbohrungen, durch welche lange Stangen oder Rohre kontinuierlich dem Bearbeitungsprozess zugeführt werden sollen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren erlaubt mittels Hämmerns daher das Herstellen von Werkstücken, beispielsweise Rohlinge oder Halbzeuge, z.B. Stangen, Rohre, etc., deren Längen nach dem Hämmern > 500 mm, vorzugsweise > 1000 mm und besonders bevorzugte 2000 mm betragen können und die so wirtschaftlich weiterverarbeitet werden können.
Das Werkstück beziehungsweise das Halbzeug oder der Rohling können dann noch zusätzlich, beispielsweise spanend, nachbearbeitet werden, um ein Bauteil mit einer definierten Endkontur, beispielsweise ein resorbierbares oder nicht resorbierbares medizinisches Implantat, beispielsweise eine Dentalimplantats oder Zahnimplantat herzustellen. Ein solches medizinisches Implantat kann alternativ auch in Form einer Schraube, einer Platte, eines Nagels, eines Drahts, einer Folie oder eines Scaffolds, insbesondere eines Stents, ausgebildet sein.
Andererseits ermöglicht Hämmern auch grundsätzlich eine Formgebung für ein bearbeitetes Werkstück, die sich durch eine große Formfreiheit und sehr gute Maßhaltigkeit (z.B. erreichbare Toleranzen von < 0,03 mm) auszeichnet. Demnach kann auch vorgesehen sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren derart zur Herstellung eines Bauteils zu nutzen, dass durch das Hämmern bereits definierte Endkonturen des Bauteils erzeugt werden. Eine weitere Nachbearbeitung kann dadurch entfallen, wodurch die Kosten für die Herstellung eines solchen Bauteils gering gehalten werden können.
In einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Hämmern mittels eines sogenannten Doppelläufers (vgl. Fig. 4) ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Werkzeuge und das beispielsweise durch Rollen geführte Bauteil entweder im Gleichlauf oder im Gegenlauf relativ zueinander rotieren. Hierdurch wird die Eigenrotation des Werkstücks größtenteils vermieden und es kann eine sehr hohe Schlagzahl realisiert werden.
Diese Vorgehensweise kann insbesondere für eine Großserienproduktion (z.B. Herstellung von mindestens 1000 gleichen Bauteilen) vorteilhaft vorgesehen sein, während eine Herstellung von Rohlingen bei einer Kleinserienproduktion (Herstellung von weniger als 1000 gleichen Bauteilen) vorteilhaft sein kann, weil dann die zusätzlichen Kosten, die für eine beispielsweise spanende Nachbearbeitung der Rohlinge anfallen, geringer sein können als die Kosten mehrerer Rundknet- Werkzeuge, mittels denen entsprechend unterschiedliche Formgebungen für die Bauteile realisiert werden können. Eine Herstellung von Rohlingen kann aber auch bei einer Großserienproduktion vorteilhaft vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der metallische Werkstoff Titan (Reintitan (Ti) oder eine Titanlegierung) und/oder Magnesium (reines Magnesium (Mg) oder eine Magnesiumlegierung), insbesondere resorbierbares Magnesium, umfasst. Die durch die erfindungsgemäße Nachbearbeitung mittels Hämmerns erzielbare Verbesserung der mechanischen Materialeigenschaften des Werkstoffs konnte zumindest bei Reintitan und bei Titanlegierungen, insbesondere bei einer bevorzugten Titanlegierung, die neben Titan (zumindest oder ausschließlich) noch Zirkonium (Zr), vorzugsweise einen Massenanteil von ca. 10% bis ca. 20%, insbesondere von ca. 12% bis ca. 14% und konkret von ca. 13% umfasst, realisiert werden.
Weiterhin eignen sich Titan und Magnesium, insbesondere jedoch Titan wegen ihrer guten Biokompatibilität besonders vorteilhaft als Werkstoff für medizinische Implantate, die vorzugsweise mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich zur Bearbeitung von Werkstücken aus metallischen Werkstoffen vorteilhaft geeignet sein, wobei besonders bevorzugt Leichtmetalle (z.B. Magnesium (Mg) oder Aluminium (AI)) oder deren Legierungen zum Einsatz kommen können. So ist das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch geeignet, Halbzeuge oder Rohlinge aus resorbierbarem Magnesium oder Magnesiumlegierungen herzustellen, aus welchen ebenfalls Implantate, beispielsweise durch ein anschließendes Drehen, Laserschneiden oder andere Verfahren hergestellt werden können.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Werkstücks bei der Bearbeitung mittels ECAP mindestens 200°C, mindestens 350°C, mindestens 450°C oder mindestens oder ca. 500°C beträgt. Bei einem Werkstück aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung kann insbesondere eine Temperatur von zwischen 200°C und 350°C vorteilhaft sein. Bei einem Werkstück aus Reintitan oder einer Titanlegierung kann dagegen eine Temperatur von mindestens 450°C und insbesondere von 500°C vorteilhaft sein. Beträgt die Temperatur eines solchen Werkstücks aus Titan bei der Bearbeitung mittels ECAP weniger als 450°C und insbesondere weniger als 500°C, kann es zu einer ausgeprägten Rissbildung im Werkstück infolge der Bearbeitung mittels ECAP kommen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitung mittels ECAP mindestens vier, sechs oder acht Bearbeitungsdurchgänge umfasst. Als Bearbeitungsdurchgang wird dabei ein Pressen des Werkstücks durch einen abgewinkelten Übergang zwischen zwei Kanälen verstanden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Werkstück durch ein Werkzeug gepresst wird, das mehr als zwei Kanäle aufweist, wobei jeweils zwei benachbarte Kanäle einen abgewinkelten Übergang ausbilden und mindestens zwei, vorzugsweise alle Übergange unterschiedlich ausgerichtet sind (vgl. Fig. 2). Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Werkstück zwischen den Bearbeitungsdurchgängen jeweils um einen definierten Winkel, der vorzugsweise 90° oder 60° oder 45° betragen kann, um die Längsachse gedreht wurde (insbesondere mit gleichbleibender Drehrichtung). Dabei bezieht sich die Angabe„gedreht wurde" auf die Ausrichtung des Werkstücks relativ zu dem verwendeten ECAP-Werkzeug zwischen zwei Bearbeitungsdurchgängen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Drehungen des Werkstücks zwischen den Bearbeitungsgängen zu Ausrichtungen führen, die insgesamt mindestens oder exakt 360° abdecken. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Werkstück vor und/oder nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich druckumgeformt (insbesondere stranggepresst) wird. Dadurch kann eine weitere Verbesserung mechanischer Materialeigenschaften und/oder eine Reduzierung von Abmessungen des Werkstücks realisiert werden. Eine solche zusätzliche Druckumformung kann insbesondere vorgesehen werden, bevor das Werkstück mittels Hämmerns nachbearbeitet wird.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Werkstück zusätzlich wärmebehandelt wird. Dadurch kann ebenfalls eine weitere Verbesserung und/oder eine gezielte Einstellung von Materialeigenschaften des Werkstoffs erreicht werden. Die Wärmebehandlung kann vor oder nach der Bearbeitung mittels ECAP und vor oder nach der Nachbearbeitung mittels Hämmerns und vor oder nach einer gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Druckumformung vorgesehen sein. Die gewählte Temperatur für die Wärmebehandlung kann hierbei vom gewählten Werkstoff abhängen und kann beispielsweise bei Titan oder einer Titanlegierung zwischen 480°C und 780°C liegen, während bei Magnesium oder einer Magnesiumlegierung die Temperatur zwischen 120°C und 580°C liegen kann. Während sowohl die Anzahl solcher Wärmebehandlungsschritte als auch die Dauer variieren kann, ist eine Abkühlung an Luft oder mittels eines Kontakts mit einem anderen Medium, beispielsweise Wasser, Öl oder einem Gas, beispielsweise Argon, möglich.
Die unbestimmten Artikel („ein", „eine", „einer" und „eines"), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren Verbesserungen hinsichtlich bestimmter Materialkennwerte des Werkstoffs eines bearbeiteten Werkstücks werden nachfolgend anhand von Vergleichsversuchen veranschaulicht.
Als Werkstoff für die im Rahmen der Vergleichsversuche zu bearbeitenden Werkstücke wurde eine Legierung bestehend aus Titan sowie Zirkonium in einem Massenanteil von 13% (Ti-13%Zr) verwendet. Im Ausgangszustand wiesen die aus Vollmaterial ausgebildeten Werkstücke einen kreisförmigen Querschnitt mit Durchmessern von 10 mm oder 16 mm auf. Jeweils zwei dieser Werkstücke im Ausgangszustand („nachfolgend als „Ausgangswerkstücke" bezeichnet) wurden als Vergleichsproben vorgesehen.
Für die Bearbeitung der Werkstücke mittels ECAP wurde ein ECAP-Werkzeug eingesetzt, dessen gerade verlaufende und im Querschnitt kreisförmige Kanäle einen (über der Längserstreckung konstanten) Querschnittsdurchmesser von 12 mm aufweisen, wobei die Kanäle in einem (Umform-)Winkel von 120° ineinander übergehen. Die Werkstücke wurden zwischen einzelnen Bearbeitungsdurchgängen bei der Bearbeitung mittels ECAP jeweils um 90° gedreht.
Aufgrund der Querschnittsdurchmesser der Kanäle des ECAP-Werkzeugs von 12 mm wurden diejenigen Werkstücke, die im Ausgangszustand einen Durchmesser von 16 mm aufgewiesen haben, vor der Bearbeitung mittels ECAP bis auf 12 mm abgedreht (nachfolgend als „Vollmaterial-Werkstücke" bezeichnet). Diejenigen Werkstücke, die im Ausgangszustand einen Durchmesser von 10 mm aufgewiesen haben, wurden dagegen jeweils mit einer Rohrhülse aus Reintitan und mit einem Außendurchmesser von 12 mm ummantelt (nachfolgend als „Hülsen-Werkstücke" bezeichnet).
Die meisten der Hülsen-Werkstücke wurden bei einer Temperatur von 500°C in zwei, vier oder sechs Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Nach vier Bearbeitungsdurchgängen kam es zur Bildung von Rissen im Werkstoff einzelner Werkstücke und insbesondere in dem Werkstoff der Rohrhülse. Wurden diese Hülsen- Werkstücke weiteren Bearbeitungsdurchgängen unterzogen, brachen Enden der Hülsen-Werkstücke regelmäßig ab. Versuchsweise wurde ein Hülsen-Werkstück bei einer Temperatur von 450°C in vier Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Dabei kam es jedoch zu noch stärker ausgeprägter Rissbildung.
Eine erste Serie von acht Vollmaterial-Werkstücken wurde bei einer Temperatur von 500°C in vier Bearbeitungsdurchgängen mittels ECAP bearbeitet. Diese Vollmaterial- Werkstücke wiesen nach der Bearbeitung mittel ECAP deutlich bessere Oberflächenqualitäten als die entsprechend bearbeiteten Hülsen-Werkstücke auf. Sieben dieser mittels ECAP bearbeiteten Vollmaterial-Werkstücke wurden für eine Nachbearbeitung, entweder mittels Hämmerns oder mittels Walzens, vorgesehen, während eines als Vergleichsprobe vorgesehen wurde.
Auch bei einem der Vollmaterial-Werkstücke wurde versucht, die Umformtemperatur auf 450°C zu senken. Mit diesem Vollmaterial-Werkstück wurden vier Bearbeitungsdurchgänge durchgeführt. Allerdings kam es auch hier zu einer starken Rissbildung und zum Abbrechen der Enden.
Deshalb wurden Vollmaterial-Werkstücke einer zweiten Serie ebenfalls bei einer Umformtemperatur von 500°C mittels ECAP bearbeitet; in diesem Fall jedoch mit mehr Bearbeitungsdurchgängen als bei der ersten Serie. Dabei zeigte sich, dass mehr als sechs Bearbeitungsdurchgänge nicht zielführend sein würden, da bereits bei sechs Bearbeitungsdurchgängen teilweise kleine Stücke an den Enden der Vollmaterial- Werkstücke abbrechen und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nur noch gering ist. Bei einem Vollmaterial-Werkstück dieser zweiten Serie musste wegen massiver Rissbildung nach fünf Bearbeitungsdurchgängen die Bearbeitung mittels ECAP abgebrochen werden.
Schlussendlich wurden fünf Vollmaterial-Werkstücke der zweiten Serie mittels ECAP bearbeitet und zur weiteren Verwendung vorgesehen. Vier davon wurden für eine Nachbearbeitung, entweder mittels Hämmerns oder mittels Walzens, vorgesehen, während wiederum eines als Vergleichsprobe genutzt werden sollte.
Bei der Nachbearbeitung mittels Hämmerns erfolgte eine Durchmesserreduktion in mehreren Schritten bei Raumtemperatur (ca. 21 °C):
Bei der Nachbearbeitung mittels Walzens erfolgte eine Durchmesserreduktion bei Raumtemperatur (ca. 21 °C) in einem ersten Umformschritt von 12 mm auf 8 mm (θ = 0,81 ) und in einem zweiten Umformschritt von 8 mm auf 6 mm (θ =0,58).
Anschließend wurden die nachbearbeiteten und die als Vergleichsproben vorgesehenen Werkstücke entweder einer oder mehreren Härteprüfungen oder einem Zugtest unterzogen Im Rahmen der Härteprüfung sollte die Vickershärte (HV) ermittelt werden. Dazu wurden die für die Härteprüfung vorgesehenen und dafür eingebetteten und polierten Werkstücke jeweils mit einer Kraft von 10 kp (= HV10) nach EN ISO 6507-1 mittels eines Härteprüfgeräts (DuraScan 80 der EMCO-TEST Prüfmaschinen GmbH) gemessen. Es wurde je Werkstück ein Mittelwert aus mindestens fünf Einzelprüfungen (Eindrücke) gebildet.
Die für die Zugtests vorgesehenen Werkstücke, die lediglich mittels ECAP bearbeitet worden sind, ebenso wie die Ausgangswerkstücke, wurden durch Drehen auf einen Durchmesser von 6 mm reduziert. Für diese wurde weiterhin eine parallele Messlänge von 30 mm (Form B6x30 nach DIN 50125) vorgesehen. Die für die Zugtests vorgesehenen Werkstücke, die nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich gewalzt oder gehämmert worden sind, wiesen aufgrund dieser Nachbearbeitung bereits eine Durchmesserreduzierung auf einen Durchmesser von lediglich 4 mm auf. Für diese wurde eine parallele Messlänge von 20 mm (Form B4x20) vorgesehen. Bei allen Zugtests betrugt die Anfangsdehngeschwindigkeit 3 x 10"4 s"1.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Härteprüfungen zusammengefasst dargestellt:
Art des Werkstücks: ECAP- ECAP- NachbearHV10: Standardabw.:
Bdg. Temp. beitung
Ausgangswerkstück 252 3.6
(10 mm)
Hülsen-Werkstück 2 500°C — 290 2.2
Hülsen-Werkstück 4 500°C — 300 1 .3
Hülsen-Werkstück 6 500°C — 304 1 .3
Hülsen-Werkstück 4 450°C — 309 8.0
Ausgangswerkstück 239 1 .5
(16 mm)
Vollmaterial-Werkstück 4 500°C — 319 1 .3
Vollmaterial-Werkstück 6 500°C — 328 1 .6
Vollmaterial-Werkstück 4 500°C Walzen 302 9.3
Vollmaterial-Werkstück 4 500°C Hämmern 338 10.7
ECAP-Bdg.: ECAP-Bearbeitungsdurchgänge; S tandardabw.: Stabndarc abweichung
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Härte des Werkstoffs mit zunehmender Anzahl von ECAP-Bearbeitungsdurchgängen zunimmt, wobei die Zunahme bei den ersten Bearbeitungsdurchgängen am größten ist. Bei den Vollmaterial-Werkstücken ist die Härtezunahme ausgeprägter als bei den Hülsen-Werkstücken (+33% nach vier Bearbeitungsdurchgängen im Vergleich zu +38% nach sechs Bearbeitungsdurchgängen).
Zu den Werkstücken, die nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich gewalzt oder gehämmert wurden, können folgende zusammenfassende Aussagen getroffen werden: Walzen verringert im vorliegenden Fall die Härte, während Hämmern zu einem weiteren Anstieg der Härte führt. In beiden Fällen ist die Härteverteilung jedoch nicht homogen. Die zusätzlich gewalzten Werkstücke sind in der Mitte des Querschnitts weicher, während die zusätzlich gehämmerten Werkstücke in der Mitte härter als am Rand sind (vgl. nachfolgende Tabelle). An den ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücken wurden solche Inhomogenitäten nicht beobachtet.
Um die Härteverteilung sichtbar zu machen, wurde bei ausgewählten Werkstücken zusätzlich eine ortsabhängige Messung mit einer geringeren Last (HV1 ) durchgeführt. Diese Messungen zeigen eine geringe Inhomogenität bei einem Ausgangswerkstück (16 mm) mit einer etwas erhöhten Härte am Rand, eine weitestgehend homogene Härteverteilung eines ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücks (4 x ECAP bei 500°C), im Vergleich dazu eine Reduktion der Härte im Zentrum eines mittels Walzens nachbearbeiteten Werkstücks und wiederum im Vergleich zu dem ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstück eine Erhöhung der Härte im Zentrum eines mittels Hämmerns nachbearbeiteten Werkstücks.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Zugtests zusammengefasst dargestellt. Dabei gilt: Bei den Dehnungskennwerten handelt es sich um plastische Dehnungen (d.h. ohne die elastische Dehnung) und alle Spannungen sind Ingenieur- Spannungen (technische Spannungen).
AW: Ausgangswerkstück; HW: Hülsen-Werkstück; VW: Vollmaterial-Werkstück;
SG: Streckgrenze; ZF: Zugfestigkeit; GD: Gleichmaßdehnung;
BD: Bruchdehnung; BE: Brucheinschnürung
Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigt, dass die bei den Härteprüfungen erkennbaren Trends auch für die Ergebnisse der Zugtests gelten. Der Werkstoff der Werkstücke wird durch eine Bearbeitung mittels ECAP deutlich fester (z.B. +48% in der Zugfestigkeit nach vier Bearbeitungsdurchgängen). Hämmern erhöht die Festigkeit weiter (+30% Zugfestigkeit im Vergleich zu einer Bearbeitung ausschließlich mittels ECAP), während Walzen diese wieder vermindert. Je fester der Werkstoff der Werkstücke ist, desto geringer ist jedoch die jeweilige Duktilität. Während die Bruchdehnung von ausschließlich mittels ECAP bearbeiteten Werkstücken bei über 10% liegt, sinkt diese durch anschließendes Hämmern auf ca. 5%. Ein nachträgliches Walzen führt zu einer sehr starken Versprödung. Im Gesamtergebnis kann Folgendes festgestellt werden: Die Festigkeit und Härte des Ausgangsmaterials (Ti-13%Zr) konnte durch eine Bearbeitung mittels ECAP deutlich gesteigert werden, wobei eine Duktilität größer als 10% gehalten werden konnte. Bei einer weiteren Bearbeitung der zuvor mittels ECAP bearbeiteten Werkstücke zeigte sich, dass Walzen keine guten Ergebnisse liefert, da sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität stark vermindert wurden. Hierbei war die Verminderung der Duktilität erwartungsgemäß, da dies ein bekannter Effekt bei einer Kaltverformung, insbesondere beim Walzen ist und als Kaltverfestigung oder Kaltversprödung bezeichnet wird. Die Reduktion der Festigkeit durch das Walzen lag außerhalb der Erwartung und wird wohl in einer Überbeanspruchung aufgrund lokal stark erhöhter Spannungen bei der Verformung des Materials, welche beispielsweise innere Zerrüttung und Mikrorissbildung verursachen, begründet sein. Hämmern erhöhte dagegen die Festigkeit weiter (Streckgrenze sowie Zugfestigkeit größer als 1300 MPa) und führte lediglich zu einer tolerierbaren Verringerung der Duktilität.
Ein Verwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines Halbzeugs, das anschließend für das Herstellen von Dentalimplantaten auf einem Langdreher vorgesehen ist. Dazu wurde ein Werkstück aus Ti13Zr in vier Bearbeitungsdurchgängen bei 500°C mittels ECAP und anschließendem Hämmern bearbeitet, wobei durch das Hämmern eine Reduktion des Durchmessers des zylindrischen Werkstücks von 20 mm auf 5 mm erreicht wurde. Die Länge des Werkstücks vergrößerte sich dabei von 150 mm auf 2400 mm. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung stellte sich eine Verbesserung der Zugfestigkeit von ursprünglich 750 MPa auf 1300 MPa und eine Änderung der Bruchdehnung von 25% (as cast and rolled) auf 5% ein.
Ein weiteres Verwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung eines Halbzeugs, das anschließend für das Herstellen von resorbierbaren Stiften (Pins) aus Magnesium auf einem Langdreher vorgesehen ist. Dazu wurde ein Werkstück aus ZX00 (Magnesium + <1 % Zink + < 1 % Calcium) in vier Bearbeitungsdurchgängen bei 250°C mittels ECAP und anschließendem Hämmern bearbeitet, wobei durch das Hämmern eine Reduktion des Durchmessers des zylindrischen Werkstücks von 20 mm auf 4 mm erreicht wurde. Die Länge des Werkstücks vergrößerte sich dabei von 150 mm auf 3750 mm. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung stellt sich eine Verbesserung der Zugfestigkeit von ursprünglich 220 MPa auf 400 MPa und eine Änderung der Bruchdehnung von 17% (as cast and rolled) auf 8% ein.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff, wobei das Werkstück mittels ECAP bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach der Bearbeitung mittels ECAP mittels Hämmern nachbearbeitet wird, wobei eine Durchmesserreduktion erzielt wird.
2. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns in mehreren Schritten erfolgt, wobei jede Umformung einen Umformgrad von 0,05 bis 2, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 und besonders bevorzugt von 0,15 bis 0,3 hat.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Werkstücks mittels Hämmerns bei einer Temperatur von 10°C bis 600°C, bevorzugt von 12°C bis 380°C, besonders bevorzugt von 14°C bis 250°C stattfindet.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Titan und/oder Magnesium umfasst.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Zirkonium, vorzugsweise in einem Massenanteil von ca. 10% bis ca. 20%, insbesondere von ca. 12% bis ca. 14% umfasst.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks bei der Bearbeitung mittels ECAP mindestens 200°C, mindestens 350°C, mindestens 450°C oder mindestens 500°C beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mittels ECAP mindestens vier, sechs oder acht Bearbeitungsdurchgänge umfasst.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor und/oder nach der Bearbeitung mittels ECAP zusätzlich druckumgeformt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zusätzlich wärmebehandelt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Herstellung eines Werkstücks mit einer Länge > 500 mm oder > 1000 mm oder > 2000 mm.
1 1 . Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Rohlings.
12. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung eines medizinischen Implantats.
13. Verwendung gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Herstellung eines Dentalimplantats, insbesondere eines Zahnimplantats.
14. Verwendung gemäß Anspruch 12 oder 13 gekennzeichnet durch die Herstellung eines Implantats in Form einer Schraube, einer Platte, eines Nagels, eines Drahts, eines Pins, einer Folie, eines Scaffolds oder eines Stents.
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