ASTM F136 Ti-6Al-4V ELI (Güteklasse 23, UNS R56401) Rundstab: Spezifikationen und Eigenschaften

Übersicht: Was ist ELI-Titan der Güteklasse 23?

Titan der Güteklasse 23, auch Ti-6Al-4V ELI genannt, ist die Version von Titan der Güteklasse 5 mit besonders geringer interstitieller Bildung. Die Buchstaben ELI stehen für „Extra Low Interstitials“, was bedeutet, dass Sauerstoff, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff auf viel niedrigeren Höchstwerten als in Grad 5 gehalten werden. Die Legierung wird von ASTM F136 für chirurgisches Implantatknetmaterial, ASTM B348 für Stangen und Knüppel und ISO 5832-3 für Implantatlegierungen abgedeckt. Seine UNS-Bezeichnung ist R56401 und seine gängigen Formen umfassen Rundstab, Draht, Platte, Blech und Folie. Aufgrund seiner höheren Reinheit bietet Güteklasse 23 eine bessere Bruchzähigkeit und Duktilität als Güteklasse 5 und behält dabei die gleiche nominale Chemie von 6 % Aluminium und 4 % Vanadium bei.

Chemische Zusammensetzung gemäß ASTM F136 und ASTM B348

In der folgenden Tabelle sind die angegebenen Zusammensetzungsgrenzen für Rundstäbe der Güteklasse 23 aufgeführt. Aluminium und Vanadium sind die Legierungselemente; Die Zwischengitterelemente werden streng kontrolliert, da sie sich direkt auf die Zähigkeit und das Ermüdungsverhalten auswirken.

Der niedrige Sauerstoffgehalt ist das charakteristische Merkmal des ELI-Materials. Ein Unterschied von 0,05-0,10 % Sauerstoff kann die Bruchzähigkeit messbar verändern, weshalb medizinische und bruchkritische Luft- und Raumfahrtspezifikationen eine strenge interstitielle Kontrolle erfordern.

Mechanische Eigenschaften von Rundstäben der Güteklasse 23

Die mechanischen Eigenschaften hängen von der Form und dem Zustand des Produkts ab. Für geglühte Rundstäbe nach ASTM B348 Grade 23 beträgt die Mindestzugfestigkeit 895 MPa, die Mindeststreckgrenze 825 MPa und die Mindestdehnung 10 %. Bei geschmiedetem Implantatmaterial gemäß ASTM F136 weist der geglühte Stab typischerweise eine Mindestzugfestigkeit von 860 MPa und eine Mindeststreckgrenze von 795 MPa bei einer Mindestdehnung von 10 % und einer Flächenreduzierung von mindestens 25 % auf. Der Elastizitätsmodul beträgt etwa 114 GPa, etwa halb so viel wie der von Stahl, was für die Steifigkeitsanpassung von Implantaten und für leichte Luft- und Raumfahrtstrukturen von Vorteil ist.

Herstellung und verfügbare Formen

Rundstäbe der Güteklasse 23 werden durch Schmieden oder Walzen von Barren hergestellt, die zwei- oder mehrmals in Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzöfen geschmolzen wurden, um eine chemische Gleichmäßigkeit zu gewährleisten. Stäbe werden im geglühten Zustand geliefert und haben übliche Durchmesser von etwa 3 mm bis 200 mm und Längen von 1 m bis 6 m. Zu den Oberflächenbedingungen gehören gedreht oder geschält, spitzenlos geschliffen, poliert und blank. Für Implantathersteller wird der Stab oft mit einer zertifizierten chemischen Analyse, mechanischen Testergebnissen und Ultraschallprüfung geliefert, mit vollständiger Rückverfolgbarkeit vom Barren bis zum fertigen Stab gemäß EN 10204 3.1.

Anwendungen

Orthopädische Implantate: Hüftschäfte, Knochenplatten, Schrauben, Wirbelsäulenfixierungssysteme

Zahnimplantate und Abutments

Herz-Kreislauf-Geräte: Herzschrittmachergehäuse, Herzklappenkomponenten

Luft- und Raumfahrt: Strukturbeschläge, Befestigungselemente und kryogene Komponenten, bei denen es auf die Zähigkeit ankommt

Hochleistungs--Schiffs- und Chemiehardware, die Ermüdungsbeständigkeit erfordert

Qualitätssicherung und Inspektion

Eine zuverlässige Versorgung mit Bar der Güteklasse 23 hängt von dokumentierten Tests ab. Zu den typischen Inspektionen gehören chemische Analysen durch optische Emission oder Nasschemie, Zugprüfungen gemäß ASTM E8, Ultraschallprüfungen gemäß ASTM E2375 auf innere Festigkeit und Maßprüfung. Käufer sollten ein EN 10204 3.1-Zertifikat anfordern, das Schmelzzahl, Zusammensetzung, mechanische Ergebnisse und Zustand abdeckt. Für Implantatmaterial gelten möglicherweise zusätzliche Anforderungen wie Mikrostrukturbewertung und Reinheitsgrenzen gemäß ASTM F136.

Häufig gestellte Fragen

1. Was bedeutet ELI in Ti-6Al-4V ELI?

ELI bedeutet Extra Low Interstitials. Sauerstoff, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff sind auf niedrigere Höchstwerte als in der Standardklasse 5 begrenzt, was die Bruchzähigkeit, Duktilität und den Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum verbessert.

2. Ist Klasse 23 dasselbe wie UNS R56401?

Ja. UNS R56401 ist die registrierte Nummer für Ti-6Al-4V ELI. Standardmäßig ist Ti-6Al-4V der Güteklasse 5 UNS R56400.

3. Was ist der Unterschied zwischen ASTM F136 und ASTM B348 für Stangen der Güteklasse 23?

ASTM F136 deckt bearbeitetes Titan für chirurgische Implantatanwendungen mit strengeren Reinheits- und Prüfanforderungen ab, während ASTM B348 Stangen, Stangen und Knüppel für allgemeine Zwecke abdeckt. Viele Lieferanten bieten nach beiden Standards zertifiziertes Material an.

4. Kann Rundstab der Güteklasse 23 für nicht-medizinische Anwendungen verwendet werden?

Ja. Die höhere Zähigkeit des ELI-Materials ist bei Armaturen für die Luft- und Raumfahrt, kryogenen Komponenten und Schiffsausrüstung wertvoll, obwohl die strengeren chemischen Grenzwerte Güteklasse 23 teurer machen als Güteklasse 5.

5. Welche Oberflächenbeschaffenheiten sind für Stangen der Güteklasse 23 verfügbar?

Üblich sind gedrehte oder geschälte, spitzenlos geschliffene, polierte und glänzende Oberflächen. Medizinische Stangen werden häufig geschliffen oder poliert geliefert, um Oberflächenfehler zu vermeiden, die die Ermüdungslebensdauer verkürzen könnten.

6. Erfordert Stangen der Güteklasse 23 eine spezielle Bearbeitung?

Ja. Wie alle Titanlegierungen weist es eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf und neigt zur Kaltverfestigung. Daher sind für die Bearbeitung scharfe Werkzeuge mit positiven Spanwinkeln, niedrigen Geschwindigkeiten, konstantem Vorschub und hohem Kühlmitteldruck erforderlich.