04 - Metallische Werkstoffgruppen für die MT Flashcards
Nomenklatur - 2 Beispiele
CrNi 18 8
X2CrNiMo 18 12
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
Eigenschaften Werkstoffgruppen
Stähle
- Korrosionsbeständigkeit
- Gute Dauerfestigkeit
- Hervorragende Verarbeitbarkeit
- Akzeptabler Preis
- Nickel-Legierungen = Allergen
- Schlechtes Einwachsverhalten in Knochen + gutes Oberflächenverhalten => zementiert implantieren
Eigenschaften Werkstoffgruppen
Co-Basislegierungen
- Hohe Korrosionsbeständigkeit
- Körperverträglichkeit
- Exzellente mechanische Eigenschaften
Eigenschaften Werkstoffgruppen
Ti-Basislegierung
- Hohe Korrosionsbeständigkeit (durch Passivschicht)
- Hervorragende Körperverträglichkeit
- Hohe gewichtsspezifische Festigkeit
- Geringe Stabilität (Vermeidung/Verringerung des Stress-shielding durch geringen E-Modul)
Eingesetzte Metalle
FeCrNiMo, CoCr, CoCrNi, CoCrMo, CoCrMoNi, CoCrMoWNi, cp-Ti, Ti-Leg., NiTi, cp-Pt, Ptlr
Tabelle der Einsatzgebiete
?Vielleicht nicht alle?
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.
Einsatz in der Endoprothetik
?Vielleicht nicht alle?
Pfanne = CoCrMo (Guss)
Kappe = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), TiAlV
Kugel = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), CoCrMo
Schaft = FeCrNiMo, CoCrMo (Guss), CoCrMo, CoNiCrMo, cp-Ti, TiAlV
Stähle im Detail
Gitterstrukturumwandlungen
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
Stähle im Detail
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen (qualiativ)
s. Zusammenfassung
Stähle im Detail
Zementit
Perlit
Ledeburit
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.
Stähle im Detail
3 Haltepunkte bei Aufwärmen bzw. Abkühlen
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)
Stähle im Detail
Unterscheidung Stahl und Gusseisen
Stahl: < 2% C
Gusseisen: > 2% C
Stähle im Detail
Eckdaten in Diagramm einzeichnen
Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen
Siehe Zsm
Stähle im Detail
Gefügeveränderung beim langsamen Abkühlen von Untereutektoiden Stählen (Bsp.: 0,4 % C)
- 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
Stähle im Detail
ZTU-Schaubild für kontinuierliche Abkühlung
Zeichnen, Zeichnen, Zeichnen
Siehe Zsm
Stähle im Detail
Martensit
Tetragonal-Raumzentriertes Gefüge, das durch Abschrecken von Austenit entsteht.
Durch Abschrecken bleibt C zwangsgelöst, Gitter wird verzerrt, sehr hartes Gefühe entsteht
Stähle im Detail
Vergüten
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)
Stähle im Detail
Austenitische CrNi-Stähle (7)
- 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
Stähle im Detail
Kontaktkorrosion
Unterschiedlich edle bzw. hoch-/niedriglegierter Stahl erzeugt Korrosion durch unterschiedliche Potenziale der Kontaktpartner (z.B. unlegierte Stahlschraube + FeCrNiMo-Knochenplatte)
Stähle im Detail
AISI 316L - Bezeichnungen
AISI 316L
= X2CrNiMo 17 12 2, X2CrNiMo 17 13 2, X2CrNiMo 18 14 3, 1.4404 / 1.4435
Stähle im Detail
AISI 316L - Zustand - Eigenschaften
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)
Stähle im Detail
Schaeffler-Diagramm
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 !
Stähle im Detail
Biokompatibilität
Wirksummenregel = Wie gut biokompatibel? (Kleiner W-Wert besser)
W~ %Cr + 3,3 * %Mo + (6-20) * %N
CoCr-Legierungen
Allgemein
- 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)
CoCr-Legierungen
CoCrMo (Gusslegierung) - Anwendung
Gelenkersatz für Hüft-, Knie-, Ellbogen-,
Schulter-, Knöchel- und Fingergelenke, Knochenplatten und Knochenschrauben, künstliche Herzklappen
CoCr-Legierungen
CoCrMo (Schmiedelegierung): - Anwendungen
Gelenkersatz
Mo verhindert Lochfraß
CoCr-Legierungen
CoCrWNi (Schmiedelegierung)
Gelenkersatz, Herzklappen, Drähte, chirurgische Instrumente
CoCr-Legierungen
CoNiCrMo (Schmiedelegierung)
Hüftgelenksschäfte, Mo verhindert Lochfraß
Titan
Kennzahlen
- 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
Titan
- Vorteile
- Nachteile
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)
Titan
Herstellung (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. - Reduktion des Titantetrachlorid mit Magnesium zu Titanschwamm in inerter
Atmosphäre (Krollverfahren).
Titan
Herstellung (2.)
- Herstellung von Abschmelzelektroden durch Pressen des Titanschwamms (evtl.
zusätzlich Legierungselemente) zu Briketts. Alternativ kann Titan im Lichtbogenofen
zu Blöcken eingeschmolzen werden. - 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.
Titan
Bearbeitungsmöglichkeiten für Titan:
- 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)
Titan
! Gefügeeinstellungen:
- 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)
Titan
! Gefügeeinstellungen:
Alpha / Beta Stabilizer
(Legierungen im entsprechenden Bereich s. Zsm.)
Alpha-Stabi: z.B. Ti5Al2.5Sn
- Aluminium
- Sauerstoff
- Stickstoff
Beta Stabi: z.B. Ti13V11Cr3Al
- Molybdän
- Eisen
- Vanadium
- Chrom
- Mangan
Titan
! Gefügeeinstellungen:
Alpha / Beta Stabilizer
Eigenschaften
Alpha:
+ Higher creep strength
+ Improved weldability
Beta:
\+ Higher Density \+ Increasing heat-Treatment Response \+ Higher short-time strength \+ Increasing strain rate sensibility \+ Improved fabricability
Titan
!! Technische Wärmebehandlung von TiAl6V4: (Klausur!) (1.)
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.
Titan
!! Technische Wärmebehandlung von TiAl6V4: (Klausur!) (2.)
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.
Titan
!! Gasaufnahme und mechanische Eigenschaften
- 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)
Titan
Grade-Stufen
Je mehr O (/N) im Titan gelöst ist desto spröder wird er.
Einteilung der Titanreinheit nach Grade-Stufen:
(Grade 1: fast reines Titan)
Titan
Korrosion
- 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
Titan
Korrosion durch Einbau
Endoprothetik
Ohne O2 Korreseion durch Bildung von Ti2+ möglich (z.B in Spalt unter Knochenzement)
Da ohne O keine Passivierungsschicht -> Lochfraß
Titan
Titanlegierungsentwicklung (Kurzfassung)
- V -> zytotoxisch Alternative: TiAl6Nb7
- Al -> osteolytisch, kapselbildend
- Mo -> löst starke Gewebsreaktionen aus
- Sn, Pd -> biokompatibel nicht unbedenklich
Nickel
Pseudoelastizität/Superplastizität
(siehe Grafik Zsm)
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
Nickel
Mechanismus der Superplastizität:
Martensit entsteht durch Verformung des Austenits. Reversibler Prozess: Martensit kann bei Entlastung wieder zu Austenit zurückkehren.
Formgedächtniseffekt: (NiTinol, ~51%Ni 47%Ti)
Temp ↑ - Austenitgefüge entsteht
Anschließendes Abkühlen:
Martensitgefüge entsteht
Auch:
Martensit -> Verformung -> Verformter Martensit
-> Erwärmen -> Austenit -> Abkühlen
-> Martensit in Ursprünglicher Form
