Verfahren zum Kaltverformen von unlegiertem Titan

Beschreibung

[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.

Ansprüche

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.

Claims

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.

Revendications

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.

Zeichnung