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Metalle in der Medizintechnik > 04 - Metallische Werkstoffgruppen für die MT > Flashcards

04 - Metallische Werkstoffgruppen für die MT Flashcards

1
Q

Nomenklatur - 2 Beispiele

CrNi 18 8
X2CrNiMo 18 12

A

CrNi 18 8:
Masseanteil in Eisenlegierung, 18% Cr, 8% Ni, Rest Fe

X2CrNiMo 18 12:
X = Kohlenstoffteiler 100, Sonst Masseanteil in Eisenlegierung 0,02% C, 18% Cr, 12% Ni

Bedeutung:
Cr hat stärkere Neigung zur Oxidation als Fe
=> Cr Bildet Passivschicht aus, Stahl rostet nicht hoher Cr-Anteil (ca. 12 %) Nichtrostender Stahl

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2
Q

Eigenschaften Werkstoffgruppen

Stähle

A
  • Korrosionsbeständigkeit
  • Gute Dauerfestigkeit
  • Hervorragende Verarbeitbarkeit
  • Akzeptabler Preis
  • Nickel-Legierungen = Allergen
  • Schlechtes Einwachsverhalten in Knochen + gutes Oberflächenverhalten => zementiert implantieren
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3
Q

Eigenschaften Werkstoffgruppen

Co-Basislegierungen

A
  • Hohe Korrosionsbeständigkeit
  • Körperverträglichkeit
  • Exzellente mechanische Eigenschaften
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4
Q

Eigenschaften Werkstoffgruppen

Ti-Basislegierung

A
  • Hohe Korrosionsbeständigkeit (durch Passivschicht)
  • Hervorragende Körperverträglichkeit
  • Hohe gewichtsspezifische Festigkeit
  • Geringe Stabilität (Vermeidung/Verringerung des Stress-shielding durch geringen E-Modul)
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5
Q

Eingesetzte Metalle

A

FeCrNiMo, CoCr, CoCrNi, CoCrMo, CoCrMoNi, CoCrMoWNi, cp-Ti, Ti-Leg., NiTi, cp-Pt, Ptlr

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6
Q

Tabelle der Einsatzgebiete

?Vielleicht nicht alle?

A

Osteosynthese = FeCrNiMo, CoCr, CoCrNi, CoCrMo, cp-Ti, Ti-Leg.

Endoprothetik = FeCrNiMo, CoCr, CoCrNi, CoCrMo, CoCrMoNi, CoCrMoWNi, cp-Ti, Ti-Leg., NiTi

Dentalimplantate = CoCr, Ti-Leg

Elektroden = Ti-Leg., cp-Pt, Ptlr

Herzklappen = CoCrMo, CoCrWNi

Stents = FeCrNiMo, NiTi

Wirbelsäulenimplantate = Ti-Leg.

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7
Q

Einsatz in der Endoprothetik

?Vielleicht nicht alle?

A

Pfanne = CoCrMo (Guss)

Kappe = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), TiAlV

Kugel = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), CoCrMo

Schaft = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), CoCrMo, CoNiCrMo, cp-Ti, TiAlV

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8
Q

Stähle im Detail

Gitterstrukturumwandlungen

A

o α-Fe (bis 911°C) = Ferrit, KRZ
hat mehr, aber kleinere „Löcher“ im Gitter als γ-Fe
= Diffusionsgeschw. ↑, Löslichkeit ↓

o γ-Fe (bis 1392 °C) = Austenit, KFZ
Wärmedehnung von γ-Fe ist höher als von α-Fe

o δ-Fe (bis 1536 °C) = δ-Ferrit, KRZ

KRZ (α-Fe) = Kohlenstoff (C) passt kaum ins Gitter (bis 0,02%), aber Diffgeschw. Höher

KFZ (γ-Fe) = Kohlenstoff passt gut ins Gitter (bis 2,06%), aber Diffgeschw. Niedriger

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9
Q

Stähle im Detail

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

A

Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen (qualiativ)

s. Zusammenfassung

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10
Q

Stähle im Detail

Zementit
Perlit
Ledeburit

A

Fe3C = Zementit (= Eisenkarbid, Metastabil) = komplizierte Gitterstruktur, spröde. Stabile Phase bei vielen Legierungen, sonst Graphit

Perlit (α-Fe + Fe3C) = alternierende Platten von α-Fe und Fe3C durch eutektoidischen Zerfall.

Ledeburit = Eutektikum aus γ-Fe und Fe3C. Bei tiefer Temperatur zerfällt γ-Fe zu Perlit.

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11
Q

Stähle im Detail

3 Haltepunkte bei Aufwärmen bzw. Abkühlen

A

A1: Perlitreaktion (bei 723 °C): Perlit => γ-Fe bzw.: α-Fe + Fe3C => γ-Fe

(A2: α-Fe => β-Fe, β-Fe nicht mehr ferromagnetisch)

A3: α-Fe => γ-Fe, Kohlenstoffanteil ändert Übergangstermp. Und Art der Umwandlung
(Bei reinem Eisen nur A2 + A3)

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12
Q

Stähle im Detail

Unterscheidung Stahl und Gusseisen

A

Stahl: < 2% C

Gusseisen: > 2% C

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13
Q

Stähle im Detail

Eckdaten in Diagramm einzeichnen

A

Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen

Siehe Zsm

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14
Q

Stähle im Detail

Gefügeveränderung beim langsamen Abkühlen von Untereutektoiden Stählen (Bsp.: 0,4 % C)

A
  • T > A3: nur γ-Mischkristall, gute Löslichkeit für C, gleichmäßige Verteilung von C
  • T = A3: Umwandlung γ (Austenit) => α (Ferrit) α-Keime (mit geringer Löslichkeit für C => wenig C in α) an γ-Korngrenzen
  • T < A3 & T > A1: α-Keime wachsen => erhöhte C-Konzentration um α-Körner
  • T = A1: Umwandlung von γ-Körner in Perlit (lamellenartig) Gefüge: α-Körner + lamellenartiges Perlit (α-Körner + Fe3C)

=> Entstehung von kleinen Körnern durch lamellenartiges Perlit

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15
Q

Stähle im Detail

ZTU-Schaubild für kontinuierliche Abkühlung

A

Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen

Siehe Zsm

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16
Q

Stähle im Detail

Martensit

A

Tetragonal-Raumzentriertes Gefüge, das durch Abschrecken von Austenit entsteht.

Durch Abschrecken bleibt C zwangsgelöst, Gitter wird verzerrt, sehr hartes Gefühe entsteht

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17
Q

Stähle im Detail

Vergüten

A

Vergüten = Härten + Anlassen

Härten = Austenitisieren + Abschrecken (Es entsteht Martensit)

Anlassen = Erwärmen (gehärteter Teile) unterhalb A1 => Abbau von Spannungen (Martensit wandelt sich unter Karbidausscheidung in Ferrit um)

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18
Q

Stähle im Detail

Austenitische CrNi-Stähle (7)

A
  • Nachteile: niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe Wärmedehnung und niedrige Streckgrenze
  • Die Härtung erfolgt wesentlich über feinverteilte Karbide, Nitride und Boride oder Kaltverformung
  • Niedrigere Festigkeitswerte

(- Die austenitischen Stähle haben sich aus den rostfreien 18% Cr – 8% Ni-Stählen entwickelt. Es wurde aber mit der Zeit der Ni-Gehalt erhöht und Cr-Gehalt gesenkt. Dies dient der Vermeidung von Ferrit-Anteilen und der σ-Bildung (FeCr-Phase). )

  • Rostfrei wegen Cr-Anteil (>12%)  Cr bildet Passivschicht
  • Cr stabilisiert die α-Phase  hoher Cr-Anteil  nur α-Phase
  • Ni stabilisiert die γ-Phase (Austenit, KFZ)
    Ni kann Korrosionsverhalten und damit die Standzeit beeinflussen!
  • Bei AISI 316 sehr schlecht
    (Standzeit  wie lange hält Zugfestigkeit von Metall in korrosivem Medium)  Mo verhindert Lochfraß
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19
Q

Stähle im Detail

Kontaktkorrosion

A

Unterschiedlich edle bzw. hoch-/niedriglegierter Stahl erzeugt Korrosion durch unterschiedliche Potenziale der Kontaktpartner (z.B. unlegierte Stahlschraube + FeCrNiMo-Knochenplatte)

20
Q

Stähle im Detail

AISI 316L - Bezeichnungen

A

AISI 316L

= X2CrNiMo 17 12 2, X2CrNiMo 17 13 2, X2CrNiMo 18 14 3, 1.4404 / 1.4435

21
Q

Stähle im Detail

AISI 316L - Zustand - Eigenschaften

A

Gegossen, geschmiedet, geglühte AISI 316L hat deutlich niedrigere Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit und eine höhere Dehngrenze als kaltverformter AISI

AISI 316L

=> Austenitischer Stahl, durch geringen C-Anteil wird die Cr-Karbid (Cr+C) Entstehung verhindert

=> Einfluss der Kaltverformung auf die Dehngrenze und die Zugfestigkeit für CrNiMo-Stahl (Versetzungen entstehen, feineres Gefüge)

22
Q

Stähle im Detail

Schaeffler-Diagramm

A

Abkühlung aus Schmelze (z.B. Schweißen)
Ziel: Austenit stabilisieren => Rostfrei

Schaeffler Diagramm veranschaulicht den Effekt der Legierungselemente bezüglich der stabilisierung des Austenit und Ferrits in Nickel und Chrom - Äquivalenten
Formel siehe Zsm.

Günstigster Fall Cr-Anteil > 12% (rostfrei) + möglichst wenig Nickel (teuer) = austenitisch = AISI 316 !

23
Q

Stähle im Detail

Biokompatibilität

A

Wirksummenregel = Wie gut biokompatibel? (Kleiner W-Wert besser)

W~ %Cr + 3,3 * %Mo + (6-20) * %N

24
Q

CoCr-Legierungen

Allgemein

A
  • Nur durch Cr ist Co im menschlichen Körper einsetzbar (Co sonst giftig)
  • CoCr-Stahl: Beste(?) mechanischen Eigenschaften (geschmiedet/gegossen)
  • CoNiCrMo höhere Ni-Ionenfreisetzung als AISI 316L (FeCrNiMo)
25
Q

CoCr-Legierungen

CoCrMo (Gusslegierung) - Anwendung

A

Gelenkersatz für Hüft-, Knie-, Ellbogen-,

Schulter-, Knöchel- und Fingergelenke, Knochenplatten und Knochenschrauben, künstliche Herzklappen

26
Q

CoCr-Legierungen

CoCrMo (Schmiedelegierung): - Anwendungen

A

Gelenkersatz

Mo verhindert Lochfraß

27
Q

CoCr-Legierungen

CoCrWNi (Schmiedelegierung)

A

Gelenkersatz, Herzklappen, Drähte, chirurgische Instrumente

28
Q

CoCr-Legierungen

CoNiCrMo (Schmiedelegierung)

A

Hüftgelenksschäfte, Mo verhindert Lochfraß

29
Q

Titan

Kennzahlen

A
  • Gitterstruktur: bei RT->HDP, ab. 882°C->KRZ
  • Dichte: 4,5 g/cm3
  • Schmelzpunkt: 1668°C
  • Siedepunkt: 3260°C
  • Verwendung im metallischen Bereich nur ca. 5%, sonst als Farbpigmente
  • Außergewöhnlich geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit
  • 50% der Titanlegierungen: TiAl6V4
  • 70-80% Einsatz in der Luftfahrt
30
Q

Titan

  • Vorteile
  • Nachteile
A

Vorteile:
o Niedrige Dichte (4,5 g/cm3) bei hoher Festigkeit (1100 MPa)
o Hohe Korrosionsbeständigkeit

Nachteile:
o Hoher Preis (Hoher Energieaufwand, mechanische Bearbeitung aufwendig)
o Geringe Oxidationsbeständigkeit (Aufnahme von Gasen, α-case)
o (Einsatztzemp. Max 550°C)

31
Q

Titan

Herstellung (1.)

A
  1. Herstellung von Titantetrachlorid durch Chlorieren von Rutil (TiO2) in Gegenwart von
    Kohle.
    Früher diskontinuierlich durch Pressen von Briketts aus C und TiO2, heute
    kontinuierlich im Wirbelbett.
  2. Reduktion des Titantetrachlorid mit Magnesium zu Titanschwamm in inerter
    Atmosphäre (Krollverfahren).
32
Q

Titan

Herstellung (2.)

A
  1. Herstellung von Abschmelzelektroden durch Pressen des Titanschwamms (evtl.
    zusätzlich Legierungselemente) zu Briketts. Alternativ kann Titan im Lichtbogenofen
    zu Blöcken eingeschmolzen werden.
  2. Mehrfaches Umschmelzen im Vakuum mit Abschmelzelektrode („Cold Curcible,
    Consumable Electrode Vacuum Arc Melting Process􀁬, Vakuumlichtbogenumschmelzen,
    Durchbruch in der Ti-Herstellung in der 50er Jahren). Zweck ist
    Homogenisierung und Erniedrigung des Gasgehaltes.
33
Q

Titan

Bearbeitungsmöglichkeiten für Titan:

A
  • Mechanischen Verfahren (Drehen, Fräsen, Hobeln, Schleifen)
  • Elektrochemische Verfahren (ECM – electrochemical machining)
  • Oberflächenverfahren (Nitrieren, Anodisieren, Lasergaslegieren, PVD, CVD) - Spezialverfahren (SPF – super plastic forming, DB – diffusion bonding)
34
Q

Titan

! Gefügeeinstellungen:

A
  • Bis 882°C->HDP, α-Phase, härterer Zustand (relativ fest und Spröde)
  • Bis 1668 °C->KRZ (dann Schmelze), β-Phase, weicherer Zustand
  • Umwandlung von β zu α kann diffusionskontrolliert oder martensitisch erfolgen
  • (β-transus-Temperatur: niedrigste Temp. Bei der die Legierung aus 100% β im Gleichgewicht besteht)
35
Q

Titan

! Gefügeeinstellungen:

Alpha / Beta Stabilizer

(Legierungen im entsprechenden Bereich s. Zsm.)

A

Alpha-Stabi: z.B. Ti5Al2.5Sn

  • Aluminium
  • Sauerstoff
  • Stickstoff

Beta Stabi: z.B. Ti13V11Cr3Al

  • Molybdän
  • Eisen
  • Vanadium
  • Chrom
  • Mangan
36
Q

Titan

! Gefügeeinstellungen:

Alpha / Beta Stabilizer

Eigenschaften

A

Alpha:

+ Higher creep strength
+ Improved weldability

Beta:

\+ Higher Density
\+ Increasing heat-Treatment Response
\+ Higher short-time strength
\+ Increasing strain rate sensibility
\+ Improved fabricability
37
Q

Titan

!! Technische Wärmebehandlung von TiAl6V4: (Klausur!) (1.)

A

Optimale Wärmebehandlung um 2 Phasengebiet um Grobkornbildung zu vermeiden:

  • 10 min 955°C (innerhalb der α-Phase!) α-Phase verhindert, dass β-Körner größer werden
    (kleinere Körner  besseres Gefüge)
  • abschrecken mit H2O
  • 4h bei 600°C
    -> Ergibt gleichachsiges primäres α in einer Matrix von α‘-Platten (weiß). Lösungsglühen im α + β-Gebiet, um β-Kornwachstum zu vermeiden.
38
Q

Titan

!! Technische Wärmebehandlung von TiAl6V4: (Klausur!) (2.)

A 
Bildung von α-Platten (weiß) bei Abkühlung der Legierung TiAl6V4 aus dem β-Gebiet 
(Al verschiebt α-Phase nach oben 
V verschiebt β-Phase nach unten) 
TiAl6V4: Wichtigste Legierung 
Am günstigsten mit besten Eigenschaften.
39
Q

Titan

!! Gasaufnahme und mechanische Eigenschaften

A
  • Bei Glühung nimmt Ti sehr rasch O und N auf.
  • O und N stabilisieren die α-Phase
    (O und N wirken gleich)
  • α-Phase wird durch interstitiell gelöste O und N Atome noch fester und spröder -> α-Case (α-Oberflächenschicht) entsteht
  • α-Case muss entfernt werden (z.B. durch Ätzen) um Wechselfestigkeit und Duktilität des Bauteils nicht zu verschlechtern

-> Sauerstoff steigert die Härte und Streckgrenze von Titan bei gleichzeitiger Abnahme der Duktilität
(nicht dramatisch)

40
Q

Titan

Grade-Stufen

A

Je mehr O (/N) im Titan gelöst ist desto spröder wird er.
Einteilung der Titanreinheit nach Grade-Stufen:
(Grade 1: fast reines Titan)

41
Q

Titan

Korrosion

A
  • Legierungen mit Nb: sehr gute Passivschicht, kaum Korrosion (beste Legierung, aber sehr teuer)
  • Legierung mit V (Vanadium)
  • Keine gute Passivschicht, korrodieren schneller -> Ionen in Körper -> schlecht
  • Legierungen mit Fe: passivieren schlecht, korrodieren schnell
42
Q

Titan

Korrosion durch Einbau

A

Endoprothetik

Ohne O2 Korreseion durch Bildung von Ti2+ möglich (z.B in Spalt unter Knochenzement)

Da ohne O keine Passivierungsschicht -> Lochfraß

43
Q

Titan

Titanlegierungsentwicklung (Kurzfassung)

A
  • V -> zytotoxisch  Alternative: TiAl6Nb7
  • Al -> osteolytisch, kapselbildend
  • Mo -> löst starke Gewebsreaktionen aus
  • Sn, Pd -> biokompatibel nicht unbedenklich
44
Q

Nickel

Pseudoelastizität/Superplastizität

(siehe Grafik Zsm)

A

Umklappen von Scherbändern führt zu spannungsinduzierter Martensitbildung (instabil, reversibel) keine Versetzungsbewegung, Spannungen für Ms-Bildung < Rp (Dehngrenze)

Zeichnen:
1.	Hooksche Gerade 
2.	Loading-Plateau 
	(Reversible) Dehnung bei konstanter Spannung durch Umklappen zu Martensitgefüge 
3. Plastische Verformung

Bei Entlastung: Unloading-Plateau -> Zurückklappen von Martensitgefüge zu Austenitgefüge

45
Q

Nickel

Mechanismus der Superplastizität:

A

Martensit entsteht durch Verformung des Austenits. Reversibler Prozess: Martensit kann bei Entlastung wieder zu Austenit zurückkehren.

46
Q

Formgedächtniseffekt: (NiTinol, ~51%Ni 47%Ti)

A

Temp ↑ - Austenitgefüge entsteht
Anschließendes Abkühlen:
Martensitgefüge entsteht

Auch:
Martensit -> Verformung -> Verformter Martensit
-> Erwärmen -> Austenit -> Abkühlen
-> Martensit in Ursprünglicher Form

Metalle in der Medizintechnik (7 decks)

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