EP1696043A1

EP1696043A1 - Verfahren zum Giessen einer Titanlegierung

Info

Publication number: EP1696043A1
Application number: EP05004173A
Authority: EP
Inventors: Sevki Baliktay
Original assignee: Waldemar Link GmbH and Co KG
Current assignee: Waldemar Link GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-08-30
Also published as: MX2007010366A; JP5155668B2; RU2402626C2; CN101128609A; AR052391A1; EP1851350B1; JP2008531288A; AU2006218029B2; ES2328955T3; BRPI0607832A2; CA2597248A1; CA2597248C; EP1851350A1; KR20070105379A; CN100594248C; KR101341298B1; DE502006004443D1; ATE438746T1; ZA200707586B; AU2006218029A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung umfassend Titan-Molybdän mit einem Molybdängehalt von 7,5 bis 25 %. Erfindungsgemäß ist vorgesehen ein Schmelzen der Legierung bei einer Temperatur von über 1770 °C, Feingießen der aufgeschmolzenen Legierung in eine dem herzustellenden Gegenstand entsprechende Gussform, heißisostatisches Pressen, Lösungsglühen und anschließendes Abschrecken. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine rationelle Herstellung von Gegenständen aus β-Titanlegierungen im Feingussverfahren erreicht. Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, die vorteilhaften Eigenschaften von β-Titanlegierungen, insbesondere ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften, mit den Vorteilen einer Herstellung von Gegenständen im Feingussverfahren zu kombinieren. Auch Gegenstände mit komplexen Formen, die durch herkömmliche Schmiedeverfahren nicht oder nicht sinnvoll hergestellt werden konnten, können dank der Erfindung aus einer β-Titanlegierung hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung, genauer gesagt einer Titan-Molybdänlegierung.
Titanlegierungen erfreuen sich wegen ihrer zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften einer immer größeren Beliebtheit. Insbesondere wegen ihrer guten chemischen Beständigkeit, auch unter hoher Temperatur, und ihres geringen Gewichts bei hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden Titanlegierungen in all den Bereichen verwendet, in denen hohe Anforderungen an das Material gestellt werden. Wegen ihrer hervorragenden Biokompatibilität werden Titanlegierungen auch bevorzugt im medizinischen Bereich eingesetzt, insbesondere für Implantate und Prothesen.
Es sind verschiedene Methoden zur Formgebung von Titanlegierungen bekannt. Neben spanabhebender Verarbeitung sind das vor allem Gieß- und Schmiedeverfahren. Im Grunde sind Titanlegierungen Schmiedelegierungen, daher werden meist Schmiedeverfahren verwendet. Denn es hat sich gezeigt, dass Titanlegierungen schwierig zu gießen sind. Meist wird dieser Weg bei komplizierten Formen beschritten, jedoch führt dieser Weg zu Einschränkungen bei der Auswahl geeigneter Legierungen. Insbesondere zeigte sich, dass beim Giessen von β-Titanlegierungen nur unbefriedigende Ergebnisse erzielt werden (US-A-2004/0136859).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gießverfahren für β-Titanlegierungen zu schaffen, das eine Herstellung auch komplexer Formen bei guten Materialeigenschaften erlaubt.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einem Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung umfassend Titan-Molybdän mit einem Molybdängehalt von 7,5 bis 25 % vorgesehen, dass die Legierung bei einer Temperatur von über 1770 °C geschmolzen wird, die aufgeschmolzene Legierung in eine dem herzustellenden Gegenstand entsprechende Gussform feingegossen wird, heißisostatisch gepresst wird, lösungsgeglüht wird und anschließend abgeschreckt wird.
Unter Gegenstand wird vorliegend ein zur Endverwendung geformtes Produkt verstanden. Es kann sich beispielsweise im Gebiet der Luftfahrt um Teile für Triebwerke, Rotorlager, Flügelkästen oder andere Tragstrukturteile oder im Gebiet der Medizin um Endoprothesen, wie Hüftprothesen, oder Implantate, wie Platten und Stifte oder Dentalimplantate handeln. Der Begriff des Gegenstands im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst nicht Barren, die zur Weiterverarbeitung durch Umformverfahren gedacht sind, also insbesondere nicht durch Kokillenguss hergestellte Ingots zur Weiterverarbeitung durch Schmieden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine rationelle Herstellung von Gegenständen aus β-Titanlegierungen im Feingussverfahren erreicht. Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, die vorteilhaften Eigenschaften von β-Titanlegierungen, insbesondere seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, mit den Vorteilen einer Herstellung von Gegenständen im Feingussverfahren zu kombinieren. Auch Gegenstände mit komplexen Formen, die durch herkömmliche Schmiedeverfahren nicht oder nicht sinnvoll hergestellt werden konnten, können dank der Erfindung aus einer β-Titanlegierung hergestellt werden. Damit erschließt die Erfindung dem für seine vorzüglichen mechanischen Eigenschaften sowie Biokompatibilität bekannten β-Titanlegierungen auch das Anwendungsfeld der komplex geformten Gegenstände.
Der Anteil des Molybdäns in der Legierung bzw. deren Molybdänäquivalent liegt im Bereich von 7,5 bis 25 %. Damit ergibt sich, insbesondere bei einem Molybdängehalt von mindestens 10 % eine ausreichende Stabilisierung der β-Phase bis in den Bereich der Raumtemperatur. Vorzugsweise beträgt der Gehalt zwischen 12 und 16 %. Damit kann durch schnelles Abkühlen nach dem Feinguss eine metastabile β-Phase erreicht werden. Die Zugabe weiterer Legierungsbildner ist in der Regel entbehrlich. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass Vanadium oder Aluminium hinzugefügt wird. Der Verzicht darauf hat den bereits angesprochenen Vorteil, dass die von diesen Legierungsbildnern ausgehende Toxizität vermieden werden kann. Entsprechendes gilt für Bismut, das in seiner Biokompatibilität ebenfalls nicht an Titan heranreicht.
Es hat sich gezeigt, dass mit den bisher kaum für den Feinguss zu verwendenden β-Titanlegierungen dank der Erfindung sogar komplexere Formen hergestellt werden können als den bisher für den Feinguss verwendeten α/β-Titanlegierungen, wie zum Beispiel TiA16V4. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein verbessertes Formfüllungsvermögen erreicht. So können dank der Erfindung beim Feinguss insbesondere scharfe Kanten mit höherer Qualität erzeugt werden. Auch die Neigung zur Bildung von Lunkern beim Feinguss ist dank des besseren Formfüllungsvermögens vermindert.
Zweckmäßigerweise wird zum Schmelzen der β-Titanlegierung eine Kaltwandtiegel-Vakuuminduktionsanlage verwendet. Mit einer solchen Anlage können die hohen Temperaturen, die für ein sicheres Schmelzen von Titan-Molybdänlegierungen zum Feingießen erforderlich sind, erreicht werden. So liegt der Schmelzpunkt von TiMo15 bei 1770 °C. Dazu ist noch ein Zuschlag von ca. 60 °C zweckmäßig, um ein sicheres Feingießen zu erreichen. Insgesamt muss so eine Temperatur von 1830 °C für TiMo15 erreicht werden.
Vorzugsweise erfolgt das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur, die maximal so hoch wie eine Beta-Transustemperatur der Titan-Molybdänlegierung und minimal 100 °C unter der Beta-Transustemperatur liegt.
Durch das heißisostatische Pressen wird ungünstigen Effekten augrund einer Anreicherung des Molybdäns in Dendriten unter Verarmung der Restschmelze entgegengewirkt, indem interdendritische Ausscheidungen in Lösung gebracht werden. Günstig ist eine Temperatur unterhalb der β-Transustemperatur, und zwar bis zu 100 °C darunter. Für eine Titanmolybdänlegierung mit 15 % Molybdänanteil haben sich Temperaturen im Bereich von 710 °C bis 760 °C, vorzugsweise von etwa 740 °C, bei einem Argondruck von etwa 1100 bis 1200 bar bewährt.
Für das Lösungsglühen haben sich Temperaturen von mindestens 700 °C bis zu 880 °C bewährt, vorzugsweise im Bereich von 800 °C bis 860 °C. Zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre wird vorzugsweise Argon verwendet. Damit wird eine Verbesserung der Duktilität der Legierung erreicht.
Zweckmäßigerweise erfolgt nach dem Lösungsglühen ein Abschrecken des Gegenstands durch Wasser. Vorzugsweise wird kaltes Wasser verwendet. Unter "kalt" wird hierbei die Temperatur von ungewärmtem Leitungswasser verstanden. Es hat sich gezeigt, dass das Abschrecken einen starken Einfluss auf die schließlich erreichten mechanischen Eigenschaften des Gegenstands ausübt. Es kann alternativ auch ein Abschrecken in Schutzgas erfolgen, beispielsweise durch eine Argonkühlung. Die damit erreichten Ergebnisse bleiben aber hinter den mit kaltem Wasser erreichten zurück.
Es kann zweckmäßig sein, den Gegenstand zum Abschluss noch zu härten. Hiermit kann bei Bedarf der Elastizitätsmodul etwas erhöht werden. Vorzugsweise geschieht dazu das Härten in einem Temperaturbereich von ca. 600 °C bis ca. 700 °C.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1: eine Tabelle mit mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen feingegossenen Titanlegierung;
Fig. 2: eine Abbildung des Mikrogefüges in einem Gusszustand unmittelbar nach dem Giessen;
Fig. 3: eine Abbildung des Mikrogefüges nach dem Hippen;
Fig. 4: eine Abbildung des Mikrogefüges nach dem Lösungsglühen mit anschließender Abschreckung; und
Fig. 5: eine Darstellung von Liquidus- und Solidustemperaturen für eine Titan-Molybdänlegierung.

Nachfolgend wird ein Weg zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Ausgangsmaterial ist eine β-Titanlegierung mit einem Molybdänanteil von 15 % (TiMo15). Diese Legierung kann handelsüblich in Form von kleinen Barren (Ingots) erworben werden.
In einem ersten Schritt erfolgt ein Feinguss der zu gießenden Gegenstände. Zum Schmelzen und Gießen des TiMo15 ist eine Gießanlage vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich um eine Kaltwandtiegel-Vakuuminduktions-Schmelz- und Gießanlage. Mit einer solchen Anlage können die hohen Temperaturen, die für ein sicheres Schmelzen von TiMo15 zum Feingießen erforderlich sind, erreicht werden. Der Schmelzpunkt von TiMo15 liegt bei 1770 °C zuzüglich eines Zuschlags von ca. 60 °C für ein sicheres Feingießen. Insgesamt muss also eine Temperatur von 1830 °C erreicht werden. Das Feingießen der Schmelze erfolgt anschließend mittels an sich bekannter Verfahren, beispielsweise mit Wachskernen und Keramikformen als verlorene Form. Derartige Feingusstechniken sind zum Feingießen von TiA16V4 bekannt.
Wie man an der Abbildung (1000fache Vergrößerung) in Fig. 2 erkennen kann, bilden sich Dendriten und in interdendritischen Zonen zeigen sich erhebliche Ausscheidungen. Dies ist eine Folge der so genannten negativen Seigerung von Titan-Molybdänlegierungen. Dieser Effekt beruht auf dem speziellen Verlauf der Liquidus- und Solidustemperatur bei Titan-Molybdänlegierungen, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist. Wegen des dargestellten Verlaufs der Schmelztemperaturen der flüssigen Phase (T_L) und der festen Phase (T_S) erstarren in der Schmelze zuerst die Bereiche mit hohem Molybdänanteil, wobei sich die in der Abbildung zu erkennenden Dendriten bilden. Als Folge davon verarmt die Restschmelze, d. h. ihr Molybdängehalt sinkt. Die interdendritischen Zonen haben im Gussgefüge einen Molybdängehalt von unter 15 %, wobei der Molybdängehalt auf Werte von ca. 10 % absinken kann. Als Folge der Molybdänverarmung fehlt in den interdendritischen Zonen eine ausreichende Menge an β-Stabilisatoren. Das hat zur Folge, dass sich lokal eine erhöhte a/β-Umwandelungstemperatur einstellt, wodurch die in Fig. 2 zu erkennenden Ausscheidungen entstehen.
Es ist zweckmäßig, eine beim Gießen eventuell entstandene Randzone in Gestalt einer harten, spröden Schicht (sog. α-case) durch Beizen zu entfernen. Üblicherweise weist diese Schicht eine Dicke von ca. 0,03 mm auf.
Um dem ungünstigen Effekt der negativen Seigerung mit den Ausscheidungen in den interdendritischen Zonen entgegenzuwirken, werden die nach dem Feingießen von den Gießformen befreiten Gusskörper erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung unterzogen. Dazu ist ein heißisostatisches Pressen (HIP) vorgesehen, und zwar bei einer Temperatur knapp unterhalb der β-Transustemperatur. Sie kann im Bereich 710 °C bis 760 °C liegen, vorzugsweise beträgt sie etwa 740 °C. Dabei gehen die unerwünschten Ausscheidungen in den interdendritischen Zonen wieder in Lösung. Eine Vorauslagerung vor oder nach dem Hippen ist nicht erforderlich. Allerdings scheiden sich bei der Abkühlung nach dem Hippen wiederum feine sekundäre Phasen aus, und zwar bevorzugt in den ursprünglichen interdendritischen Zonen (siehe Fig. 3, 1000fache Vergrößerung). Das hat eine unerwünschte Versprödung des Materials zur Folge.
Aus diesem Grund weisen die Gegenstände nach dem Hippen eine nur geringe Duktilität auf.
Um die störenden Ausscheidungen zu beseitigen, werden die Gusskörper in einem Kammerofen unter Schutzgasatmosphäre (z. B. Argon) geglüht. Dazu wird ein Temperaturbereich von ca. 700 °C bis 860 °C gewählt, bei einer Dauer von mehreren, meist zwei Stunden. Es besteht hierbei ein gegenläufiger Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Dauer, bei höherer Temperatur genügt eine kürzere Zeit und umgekehrt. Nach dem Lösungsglühen werden die Gusskörper mit kaltem Wasser abgeschreckt. In Fig. 4 (1000fache Vergrößerung) ist das Gefüge nach dem Lösungsglühen dargestellt. Man erkennt primäre β-Körner und innerhalb der Körner sehr feine interdendritisch angeordnete Ausscheidungen (siehe wolkenartige Ansammlung links oben in der Abbildung). Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren feingegossenen Gegenstände weisen in ihrer Kristallstruktur β-Körner mit einer mittleren Größe von mehr als 0,3 mm auf. Diese Größe ist typisch für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Kristallstruktur.
Die nach dem Lösungsglühen erreichten mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle in Fig. 1 wiedergegeben.
Man erkennt, dass der Elastizitätsmodul mit steigender Temperatur beim Lösungsglühen zurückgeht, und zwar auf Werte bis zu 60.000 N/mm². Die Zähigkeitswerte verbessern sich mit abnehmender Festigkeit und Härte. So erreicht man nach zweistündigem Lösungsglühen bei 800 °C einen Elastizitätsmodul von 60.000 N/mm² bei einer Bruchdehnung von ca. 40 % und einer Bruchfestigkeit Rm von ca. 730 N/mm².

Claims

Verfahren zum Gießen von Gegenständen aus einer β-Titanlegierung umfassend Titan-Molybdän mit einem Molybdängehalt von 7,5 bis 25 %,
gekennzeichnet durch
Schmelzen der Legierung bei einer Temperatur von über 1770 °C,
Feingießen der aufgeschmolzenen Legierung in eine dem herzustellenden Gegenstand entsprechende Gussform,
heißisostatisches Pressen,
Lösungsglühen und
anschließendes Abschrecken.
Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
Verwenden einer Kaltwandtiegel-Vakuuminduktionsanlage zum Schmelzen der β-Titanlegierung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
Durchführen des heißisostatischen Pressens bei einer Temperatur, die maximal so hoch wie eine Beta-Transustemperatur der Titan-Molybdänlegierung und minimal 100 °C unter der Beta-Transustemperatur liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
gekennzeichnet durch
Durchführen des Lösungsglühens bei einer Temperatur von ca. 700 °C bis ca. 900 °C.
Verfahren nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch
Durchführen des Lösungsglühens bei einer Temperatur von 800 °C bis 860 °C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein Abschrecken mit vorzugsweise kaltem Wasser nach dem Lösungsglühen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
abschließendes Härten des Gegenstands.
Verfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
Durchführen des Härtens bei einer Temperatur von 600 °C bis 700 °C.