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EP 0 436 910 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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26.10.1994 Patentblatt 1994/43 |
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Anmeldetag: 21.12.1990 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC)5: C22F 1/18 |
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Verfahren zum Kaltverformen von unlegiertem Titan
Process for cold forming non-alloyed titanium
Procédé pour le profilage à froid de titane non allié
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT CH ES FR GB IT LI NL SE |
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Priorität: |
08.01.1990 DE 4000270
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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17.07.1991 Patentblatt 1991/29 |
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Patentinhaber: STAHLWERK ERGSTE GMBH & CO. KG |
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D-58239 Schwerte (DE) |
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Erfinder: |
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- Kramer, Karl-Heinz, Dr.-Ing.
W-4330 Mülheim-Ruhr (DE)
- Osing, Heinz-Jürgen, Dr.-Ing.
W-5860 Iserlohn (DE)
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Vertreter: König, Reimar, Dr.-Ing. et al |
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Patentanwälte Dr.-Ing. Reimar König
Dipl.-Ing. Klaus Bergen
Postfach 260254 40095 Düsseldorf 40095 Düsseldorf (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
DE-B- 1 079 331
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GB-A- 2 204 061
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- M.J. Donachie, Jr.: "Titanium (Technical Guide)", 1988, Seiten 57-73, American Society
for Metals, Ohio, US, Kapitel 5: "Heat treating"
- U. Zwicker, Titan und Titanlegierungen, Seiten 226-232, Springer-Verlag Berlin, 1974
- H. Feldmann, Einfluss der Verformungen und Temperatur auf mechanische Eigenschaften
von unlegiertem Titan, Dissertation T.H. Aachen vom 10.7.64
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kaltverformen von unlegiertem Titan.
[0002] Titan und Titanlegierungen haben in der jüngsten Vergangenheit in zunehmendem Maße
Eingang in die Technik gefunden. Ursache hierfür sind die hervorragenden technologischen
Eigenschaften der Titanwerkstoffe, insbesondere deren hohe Korrosionsbeständigkeit
und niedriges spezifisches Gewicht, das bei verhältnismäßig hoher Festigkeit der Titanlegierungen
im Vergleich zu Stahl eine Gewichtsersparnis von nahezu 40 % mit sich bringt. Titan
und seine Legierungen haben sich daher insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, im
chemischen Apparatebau, der Energiegewinnung, in der Meerestechnologie und - wegen
der guten Körperverträglichkeit - in der Medizintechnik bewährt.
[0003] Während unlegiertes Titan ein duktiler Werkstoff mit hoher Dehnung und Einschnürung
ist, erhöht sich dessen Festigkeit auf Kosten der Duktilität und Verformbarkeit mit
zunehmendem Gehalt an Legierungselementen ganz erheblich; dies gilt insbesondere für
den eine Mischkristallverfestigung bewirkenden Sauerstoff, weswegen die Praxis bei
unlegiertem Titan vier Qualitäten mit Sauerstoffgehalten von 0,05 bis 0,35% und Festigkeiten
von 240 bis 740 N/mm² unterscheidet. Die Festigkeit ist jedoch in starkem Maße temperaturabhängig
und geht ohne wesentliche Änderung der Duktilität schon bei einer Temperatur von nur
300°C zu etwa 50% verloren.
[0004] Da Titan eine hexagonale Kristallstruktur mit im Vergleich zum kubisch-flächenzentrierten
oder -raumzentrierten Kristallgitter verminderter Anzahl von Gleitebenen besitzt,
ist der Verformungswiderstand so groß, daß sich handelsübliche Alpha + Beta -Titanlegierungen
kaum kaltverformen lassen. Unlegiertes Titan hingegen ist je nach Sauerstoffgehalt
mehr oder minder kaltverformbar. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt und Verformungsgrad
kommt es jedoch zu einer so starken Kaltverfestigung, daß ein Zwischenglühen unerläßlich
ist. So verdoppelt sich beispielsweise die Zugfestigkeit nach einem 40%-igen Kaltverformen,
während die Bruchdehnung auf ein Drittel absinkt. Die Bruchdehnung beträgt dann häufig
nur noch 5 bis 10%. Das ist insofern von großem Nachteil, als sich hohe Oberflächengüten
und Festigkeiten, wenn auch auf Kosten der Duktilität, nur im Wege einer Kaltverformung
erreichen lassen. So ist das unlegierte Titan mit dem niedrigsten Gehalt an interstitiellen
Verunreinigungen von ≦ 0,10% Sauerstoff (Werkstoff-Nr. 3.7025 nach DIN 17850) noch
sehr gut kaltverformbar. Mit zunehmendem Anteil an Fremdatomen im Gitter, insbesondere
Sauerstoff, wird die Kaltverformbarkeit jedoch stark vermindert, weswegen ein stärkeres
Umformen nur noch mit einem mehrfachen Zwischenglühen im Anschluß an einen Umformzyklus
möglich ist.
[0005] Das Zwischenglühen findet üblicherweise entweder oberhalb der Rekristallisationstemperatur
(Weichglühen bei 600 bis 800°C) statt, um durch eine Neubildung des Korns die Kaltverformbarkeit
wieder herzustellen oder durch ein Spannungsarmglühen im Temperaturbereich von 500
bis 600°C, wobei eine mindestens teilweise Rekristallisation nicht ausgeschlossen
ist.
[0006] Bei welcher Temperatur die Rekristallisation beim Zwischenglühen einsetzt hängt von
der Zusammensetzung des Titans, dem Grad der voraufgehenden Kaltverformung und der
Glühdauer ab. Hierzu ergibt sich aus U. Zwicker "Titan und Titanlegierungen", 1974,
Seiten 226 bis 232, daß die Rekristallisation bei einer Glühzeit von einer Stunde
unabhängig vom Verformungsgrad im Temperaturbereich von 600 bis 700°C stattfindet
und oberhalb 400°C beginnt.
[0007] Der Kaltverformung schließt sich ein Schlußglühen an. Dabei spielen Art und Grad
der vorausgegangenen Kaltverformung eine entscheidende Rolle. Es eröffnet sich insoweit
die Möglichkeit, beim Weichglühen über den Verformungsgrad, die Glühtemperatur und
-zeit die Korngröße gezielt einzustellen.
[0008] Das Schluß- bzw. Weichglühen findet gemäß DIN 65 084 üblicherweise - in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Gehalt an interstitiell gelösten Elementen - oberhalb der Rekristallisationstemperatur
im Bereich von 600 bis 800°C mit einer Kaltedauer von 10 bis 120 Minuten statt.
[0009] Falls keine Rekristallisation erforderlich ist, wird gemäß DIN 65 084 alternativ
ein Spannungsarmglühen als Endwärmebehandlung im Temperaturbereich 500 bis 600°C mit
einer Kaltedauer von 30 bis 60 Minuten durchgeführt.
[0010] Titan und Titanlegierungen haben sich in der Medizintechnik bereits bewährt, beispielsweise
als Werkstoff für Endoprothesen, Kieferimplantate, Knochenplatten, Knochenschrauben,
Knochennägel, Herzschrittmachergehäuse und chirurgische Instrumente. Wegen ihrer guten
Festigkeitseigenschaften steht dabei die Standardlegierung Ti A1 6 V 4 im Vordergrund.
Problematisch erscheint jedoch deren Vanadiumgehalt, da elementares Vanadium im menschlichen
Körper toxisch reagiert. Durch ein Lösen des Vanadiums im Mischkristallgitter der
Titanlegierung wird zwar die Gefahr toxischer Reaktionen vermindert, aber völlig auszuschließen
ist sie nicht, insbesondere wenn Reibung und Verschleiß auftreten. Auch nickelhaltige
Legierungen sollten nicht verwendet werden, da beim Einsatz in Einzelfällen die Gefahr
einer Nickelallergie besteht. Die Tendenz geht deshalb in die Richtung vanadiumfreier
Titanlegierungen, beispielsweise der speziell entwickelten Implantatlegierung Ti A1
5 Fe 2,5.
[0011] Aus M.J. Donachie "Titanium, a Technical Guide", ASM 1988, Seiten 57 bis 73 ist es
bekannt, Titan und Titanlegierungen nach dem Kaltverformen einem Schlußglühen zu unterwerfen,
das bei reinem Titan im Temperaturbereich von 480 bis 595°C stattfindet. Dieses Schlußglühen
dient dem Abbau unerwünschter Restspannungen ohne nachteilige Beeinflussung der Festigkeit
und Duktilität.
[0012] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kaltverformen zu
schaffen, das es erlaubt, bei unlegiertem Titan, insbesondere Titan grade 4, eine
Kombination hoher Festigkeit und Duktilität einzustellen und dabei insbesondere die
Biegefähigkeit zu verbessern.
[0013] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß das Zwischenglühen unterhalb der Rekristallisationstemperatur
ohne das Entstehen von Zellstrukturen stattfindet.
[0014] Die Glühtemperatur liegt vorzugsweise unterhalb 500°C, und die Glühzeit beträgt vorzugsweise
30 Minuten bis zu einigen Stunden und steht innerhalb dieses Zeitrahmens im umgekehrten
Verhältnis zur Glühtemperatur.
[0015] Der Verformungsgrad kann 10 bis 90%, vorzugsweise 20 bis 50% betragen; er bestimmt
im Einzelfall auch die Glühtemperatur, da zwischen Verformungsgrad und Glühtemperatur
insofern ein Zusammenhang besteht, als niedrige Verformungsgrade höhere Glühtemperaturen
und höhere Verformungsgrade niedrigere Glühtemperaturen erlauben, da die Rekristallisationstemperatur
umso höher liegt, je geringer der Verformungsgrad ist.
[0016] Entscheidend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß das Zwischenglühen unterhalb
der Rekristallisationstemperatur, vorzugsweise unterhalb der Temperatur für das Spannungsarmglühen
nach DIN 65 084 stattfindet; es führt dennoch bedingt durch eine sehr gleichmäßige
Verringerung der Versetzungsdichte, wie anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen
nachgewiesen werden konnte zu einem Spannungsabbau. Typisch für das erfindungsgemäße
Glühen ist das Fehlen von sogenannten Zellstrukturen, die ein Indiz für eine ausgeprägte
Erholung sind.
[0017] Weitere vorteilhafte Verfahrensparameter finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
[0018] Das Kaltverformen kann durch Ziehen, Rollen, Hämmern, Schmieden oder Walzen, beispielsweise
mit 1 bis 20, vorzugsweise 3 bis 5 Stichen geschehen.
[0019] Den Kaltverformungs- bzw. Zwischenglühzyklen kann sich ein Schlußglühen, beispielsweise
ein ein- bis dreistündiges Anlassen unterhalb der Rekristallisationstemperatur, vorzugsweise
unter 450°C anschließen, um die Festigkeit und Dehnung abschließend einzustellen sowie
die Rißanfälligkeit zu verbessern.
[0020] Eine optimale Kombination von Festigkeit und Duktilität ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren, wenn der Eisengehalt des Titans 0,08% und/oder der Sauerstoffgehalt 0,35%
nicht übersteigt.
[0021] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen dargestellt.
[0022] Bei einem Versuch wurde unlegiertes Titan grade 4 gemäß Werkstoffnummer 3.7065 nach
DIN Entwurf 17 850 mit
0,050% Eisen,
0,32% Sauerstoff,
0,005% Stickstoff,
0,03% Kohlenstoff,
0,0070% Wasserstoff,
Rest Titan und erschmelzungsbedingte
Verunreinigungen
zunächst zu einem Draht mit einem Durchmesser von 21 mm warmgewalzt. Danach wurde
das Vormaterial mit einem viermaligen Zwischenglühen mit einer Dauer von 3 Stunden
bei 475°C auf einen Querschnitt von 17,5 x 5,2 mm kaltverformt und alsdann bei 425°C
zwei Stunden schlußgeglüht.
[0023] Hierzu zeigt das Diagramm der Abb. 1 den Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit
R
m und der Dehnung A₅₀ einerseits sowie dem Verformungsgrad bzw. der Zahl der Verformungsschritte
andererseits. Im einzelnen ergibt sich aus dem Diagramm, wie sich zwischen den jeweils
beiden Begrenzungslinien für die Zugfestigkeit einerseits und die Dehnung andererseits
entsprechend den gestrichelt eingezeichneten Linien während des Zwischenglühens (vertikal
verlaufende Teillinien) die Zugfestigkeit bis zur unteren Begrenzungslinie verringert
und die Dehnung bis zur oberen Begrenzungslinie erhöht, sowie während des folgenden
Verformungsschritts (schräglaufende Teillinien) die Zugfestigkeit sich wieder bis
zur oberen Begrenzungslinie erhöht und die Dehnung sich wieder bis zur unteren Begrenzungslinie
verringert.
[0024] Zwei weitere Ausführungsbeispiele für ein Profil der Abmessung 8,1 x 3,1 mm (Abb.
2) und einen Draht mit 8 mm Durchmesser (Abb. 3) bestätigen diese Aussagen.
[0025] Besonders anschaulich verdeutlicht das Diagramm der Abb. 3 die mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erzielbaren Vorteile. Der erste Kaltverformungszyklus mit 28% Querschnittsabnahme
bis zum ersten Zwischenglühen erhöht die Festigkeit um 180 N/mm². Die nachfolgende
Kaltverformung mit einer jeweiligen Querschnittsreduzierung von etwa 30% und jeweiligen
Zwischenglühungen führt zu einer weiteren Festigkeitssteigerung um 150 N/mm² auf 1000
N/mm², d.h. etwa 40 N/mm² je Verformungszyklus. Bei höheren Verformungsgraden bzw.
häufigeren Verformungs- und Glühzyklen läßt sich die Festigkeit auf Werte über 1000
N/mm² steigern.
[0026] Die Dehnung reduziert sich durch den ersten Kaltverformungszyklus von zunächst 33%
auf 18% und bei weiteren Verformungen auf 12%. Durch das Zwischenglühen erhöht sich
die Dehnung jedoch wieder auf 28 bis 22%.
[0027] Je nach Verwendungszwek läßt sich während des Schulßlühens (letzte vertikale Teillinie)
jede Kombination von Festigkeit und Dehnung zwischen den beiden Begrenzungslinien
ansteuern. Höhere Glühtemperaturen und/oder längere Glühzeiten verringern die Festigkeit
noch weiter und erhöhen die Dehnung dementsprechend.
[0028] Das Diagramm der Abb. 4 zeigt den Einfluß der Temperatur des Schlußglühens auf die
mechanischen Eigenschaften von kaltverformtem Titan, grade 2. Danach sind, je nach
Erfordernis, auch tiefere Glühtemperaturen möglich, um die gewünschte Relation zwischen
Streckgrenze, Festigkeit und Dehnung zu erreichen.
[0029] Die besonderen Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten
Materials äußern sich ganz besonders bei der Biegefähigkeit, Die Daten von Biegeversuchen
nach DIN 50 111 an zwei unterschiedlichen kaltgewalzten Profilen sind in den nachfolgenden
Tabellen I und II zusammengestellt. Danach ergeben sich bei einer Prüfzeit von 1 min
Grenzwerte für die Prüfbedingungen, die bei
(r = Biegedornradius, s = Blechdicke).
[0030] Nach DIN 17 860 liegt der Mindestwert für den Biegedornradius bei
für Blechdicken zwischen 2 und 5 mm. Das erfindungsgemäße Verfahren führt somit
zu einer deutlichen Verbesserung der Biegefähigkeit.
[0031] Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kaltgewalzte unlegierte Titan eignet sich
in Gestalt von Platten, Blech, Band, Draht und Profilen insbesondere für die Medizintechnik,
beispielsweise für Knochenschienen, Knochenschrauben, Knochennägel, Zahnstifte und
Zahnkörperverankerungen, Zahnersatz, Herzschrittmachergehäuse, Herzklappen, Prothesen
sowie für medizinische Instrumente, Hörgeräteteile, Blutzentrifugen und andere medizinische
Geräte.
[0032] Die Verwendung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Titan bietet
sich jedoch wegen seiner hohen Festigkeit, Duktilität, Biegefähigkeit, guten spanenden
Rearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie seines niedrigen spezifischen Gewichts
und Elastizitätsmoduls auch für alle anderen Anwendungsgebiete an, die eine derartig
günstige Kombination von Eigenschaften erfordern.
1. Verfahren zum Kaltverformen vom unlegiertem Titan mit einem Zwischenglühen, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglühen unterhalb der Rekristallisationstemperatur ohne das Entstehen
von Zellstrukturen staffindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur 500°C nicht übersteigt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühzeit 30 Minuten bis 24 Stunden beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungsgrad 10 bis 90% beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungsgrad 20 bis 50% beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur bei einem Verformungsgrad von 7 bis 20% bis 600°C beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur bei einem Verformungsgrad von 20 bis 90% bis 500°C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung bei Temperaturen bis 600°C durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zwischen den einzelnen Zwischenglühungen mit 1 bis 20 Stichen
kaltverformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zwischen den einzelnen Zwischenglühungen mit 3 bis 10 Stichen
kaltverformt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kaltverformen 1 bis 20 Zwischenglühungen durchgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kaltverformen 2 bis 5 Zwischenglühungen durchgeführt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Schlußglühen unterhalb der Rekristallisationstemperatur.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein Schlußglühen unter 450°C.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein unlegiertes Titan mit höchstens 0,35% Sauerstoff und/oder höchstens 0,08%
Eisen kaltverformt und zwischengeglüht wird.
1. Process for cold working unalloyed titanium with intermediate annealing, characterised
in that the intermediate annealing takes place below the recrystallisation temperature
without the formation of cell structures.
2. Process according to claim 1, characterised in that the annealing temperature does
not exceed 500°C.
3. Process according to one of claims 1 and 2, characterised in that the annealing time
amounts to 30 minutes to 24 hours.
4. Process according to one of claims 1 to 3, characterised in that the degree of deformation
amounts to 10 to 90%.
5. Process according to claim 4, characterised in that the degree of deformation amounts
to 20 to 50%.
6. Process according to one of claims 1 to 5, characterised in that the annealing temperature
amounts to up to 600°C with a degree of deformation of 7 to 20%.
7. Process according to one of claims 1 to 5, characterised in that the annealing temperature
amounts to up to 500°C with a degree of deformation of 20 to 90%.
8. Process according to one of claims 1 to 7, characterised in that the cold working
is performed at temperatures up to 600°C.
9. Process according to one of claims 1 to 7, characterised in that the material is cold
worked between the individual intermediate anneals in 1 to 20 passes.
10. Process according to claim 9, characterised in that the material is cold worked between
the individual intermediate anneals in 3 to 10 passes.
11. Process according to one of claims 1 to 10, characterised in that after the cold working
1 to 20 intermediate anneals are performed.
12. Process according to one of claims 1 to 10, characterised in that after the cold working
2 to 5 intermediate anneals are performed.
13. Process according to one of claims 1 to 12, characterised by a final anneal below
the recrystallisation temperature.
14. Process according to claim 13, characterised by a final anneal below 450°C.
15. Process according to one of claims 1 to 14, characterised in that an unalloyed titanium
with at most 0.35% oxygen and/or at most 0.08% iron is cold worked and given an intermediate
anneal.
1. Procédé pour le formage à froid de titane non allié avec un recuit intermédiaire,
caractérisé en ce que le recuit intermédiaire intervient en dessous de la température
de recristallisation sans qu'apparaissent des structures cellulaires.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du recuit ne
dépasse pas 500° C.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la durée du recuit
est comprise entre 30 minutes et 24 heures.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le taux de formage
est compris entre 10 et 90 %.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le taux de formage est compris
entre 20 et 50 %.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température
du recuit vajusqu'à 600° C pour un taux de formage compris entre 7 et 20 %.
7. Procédé selon l'une des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la température
du recuit vajusqu'à 500° C pour un taux de formage compris entre 20 et 90 %.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le formage à froid
est réalisé à des températures allantjusqu'à 600° C.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau est
formé à froid par 1 à 20 passes entre les différents recuits.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau est formé à froid
par 3 à 10 passes entre les différents recuits.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que 1 à 20 recuits
intermédiaires sont réalisés après le formage à froid.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que 2 à 5 recuits
intermédiaires sont réalisés après le formage à froid.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par un recuit final en
dessous de la température de recristallisation.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par un recuit final en dessous de 450°
C.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'un titane non
allié contenant tout au plus 0,35 % d'oxygène et/ou tout au plus 0,08 % de fer est
formé à froid et soumis au recuit intermédiaire.