Warum Titanstäbe eine spezielle Oberflächenmodifikation benötigen
Die Oberflächenmodifikation von Stäben aus reinem Titan und Stäben aus Titanlegierungen umfasst hauptsächlich Nitrierung, anodische Oxidation und atmosphärische Oxidation. Die Oberflächenbehandlung von Stäben ist aufgrund der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Titan selbst anspruchsvoller als bei anderen Titanprodukten: geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Oberflächenhärte, geringer Elastizitätsmodul, Neigung zum Anhaften an Werkzeugen, geringe elektrische Leitfähigkeit und starke Affinität zu Sauerstoff. Diese Eigenschaften erschweren die Anwendung vieler herkömmlicher Oberflächenbehandlungsmethoden und es ist schwierig, mit der Standardpraxis ein vollständig zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen. Daher müssen spezielle Verarbeitungsmethoden und Betriebsabläufe verwendet werden.
Typische Substratqualitäten sind kommerziell reine Gr1- und Gr2-Stäbe gemäß ASTM B348, wobei Alpha+Beta-Qualitäten wie Ti-6Al-4V verwendet werden, wenn eine höhere Festigkeit erforderlich ist, und unlegierte Qualitäten für Implantate gemäß ASTM F67. Titan hat eine Dichte von etwa 4,51 g/cm3, weshalb seine geringe Wärmeleitfähigkeit und sein geringes Gewicht das Verhalten der Oberfläche bei Erwärmung und Behandlung beeinflussen.
Nitrieren und chemische Wärmebehandlungen
Die Nitriergruppe umfasst Plasmanitrieren, Multi-Arc-Ionenplattieren, Ionenimplantation und Lasernitrieren. Diese chemischen Wärmebehandlungstechnologien bilden eine goldgelbe Titannitridschicht auf der Oberfläche des Werkstücks, die gleichzeitig die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erhöht. Die Einschränkung liegt eher auf der Prozessseite als auf der metallurgischen Seite: Die Technologie ist kompliziert und die Ausrüstung teuer, was es schwierig macht, die Behandlung für in Serie hergestellte medizinische und zahnmedizinische Komponenten auf ein praktisches und wiederholbares Niveau zu bringen.
Anodische Oxidation
Die anodische Oxidation von Titanstäben ist vergleichsweise einfach. In einem oxidierenden Medium und unter Einwirkung einer angelegten Spannung bildet die Titananode einen dickeren Oxidfilm, der die Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Witterungsbeständigkeit verbessert. Als Elektrolyt werden im Allgemeinen Schwefelsäure und saure wässrige Lösungen verwendet. Da die Filmdicke der angelegten Spannung folgt, kann der Prozess innerhalb eines definierten Bereichs gesteuert werden und Teile, deren Abmessungen sich nicht ändern dürfen, werden maskiert, sodass der Aufbau des Films die Passungen nicht beeinträchtigt.
Atmosphärische Oxidation
Die atmosphärische Oxidation beruht auf einer Atmosphäre mit hoher{0}}Temperatur: Der Stab bildet auf seiner Oberfläche einen dickeren, kompakten, wasserfreien Oxidfilm. Der Film wirkt sowohl gegen allgemeine Korrosion als auch gegen Spaltkorrosion von Titan, und das Verfahren ist im Vergleich zum Nitrieren relativ einfach, was es für große Chargen von Stäben und Stäben attraktiv macht. Temperatur und Zeit im Ofen bestimmen die Schichtdicke und müssen protokolliert werden, damit das Ergebnis wiederholt werden kann.
Hohe -Kontamination und Gießschwierigkeiten
Bei hohen Temperaturen reagieren Stäbe aus reinem Titan und Stäbe aus Titanlegierungen leicht mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff in der Luft und nehmen außerdem Elemente wie Silizium, Aluminium und Magnesium aus eingebettetem Formmaterial auf. Die Folge ist eine verunreinigte Oberflächenschicht auf dem Gussstück, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials verschlechtert: Die Härte nimmt zu, während Plastizität und Elastizität sinken und die Sprödigkeit zunimmt.
Das Casting fügt eine zweite Schwierigkeit hinzu. Die Dichte von Titan ist gering, daher ist die Trägheit der fließenden Titanflüssigkeit gering und die Metallschmelze weist eine schlechte Fließfähigkeit auf, was zu einer geringen Fließgeschwindigkeit des Gussteils führt. Das Temperaturfenster zwischen Guss und Form ist begrenzt und die Abkühlung erfolgt schnell. Außerdem muss der Guss unter einer Schutzatmosphäre durchgeführt werden, sodass Oberflächen- und Innenfehler wie Porosität schwer zu vermeiden sind und einen großen Einfluss auf die Gussqualität haben. Dies ist einer der Gründe, warum die Oberflächenbehandlung von Titanstäben wichtiger ist als bei vielen anderen Titanproduktformen.
Häufig gestellte Fragen
F: Welche Oberflächenmodifizierungsmethoden werden für Titanstäbe verwendet?
Nitrieren, anodische Oxidation und atmosphärische Oxidation sind die Hauptmethoden, wobei Nitrieren Plasmanitrieren, Multi-Arc-Ionenplattieren, Ionenimplantation und Lasernitrieren umfasst.
F: Was bewirkt eine nitrierte Schicht bei einem Titanstab?
Es bildet eine goldgelbe Titannitridschicht, die die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verbessert, obwohl das Verfahren komplex und die Ausrüstung kostspielig ist.
F: Wie funktioniert die anodische Oxidation?
In einem oxidierenden Medium und unter angelegter Spannung baut die Titananode einen dickeren Oxidfilm auf, der die Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Witterungsbeständigkeit verbessert.
F: Was ist der Elektrolyt für die anodische Oxidation?
Als Elektrolyt für die anodische Titanoxidation werden im Allgemeinen Schwefelsäure und saure wässrige Lösungen verwendet.
F: Wofür ist atmosphärische Oxidation gut?
Durch Erhitzen in einer Hochtemperaturatmosphäre entsteht ein dickerer, kompakter, wasserfreier Oxidfilm, der gegen allgemeine Korrosion und Spaltkorrosion wirksam ist. Die Methode ist relativ einfach.
F: Warum ist eine kontaminierte Oberflächenschicht ein Problem?
Durch die Reaktion mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff sowie die Aufnahme von Silizium, Aluminium und Magnesium aus dem Formmaterial steigt die Härte, während Plastizität und Elastizität sinken und die Sprödigkeit zunimmt.
