DE19908715C1 - Verfahren zum Rekristallisationsglühen von dünnwandigen Rohren - Google Patents

Abstract

Dünnwandige Körper mit unterschiedlichen Wandstärken, wie z. B. medizinische Nägel, werden aus einem Rohr gleichen Querschnitts hergestellt und durch spanabhebende Bearbeitung wird das Profil erzeugt. Die dünnen Bereiche der Wandung werden kaltverfestigt und erfordern ein Glühen, um die Kaltverfestigung zu beseitigen. Durch das bekannte Glühen werden jedoch alle Bereiche in ihren Materialeigenschaften beeinflußt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorzugsweise mit einem Elektronenstrahl in bekannter Weise auf der Oberfläche des Rohres ein Energieübertragungsfeld in axialer Richtung verlaufend erzeugt. Die Parameter für das Energieübertragungsfeld und die Relativgeschwindigkeit werden abhängig von der in-situ gemessenen Temperatur im Energieübertragungsfeld und Vergleich mit der in Vorversuchen ermittelten Solltemperatur geregelt. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet ist vorzugsweise die Herstellung von medizinischen Nägeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekristallisationsglühen von dünnwandigen rohrförmigen Körpern, insbesondere von medizinischen Nägeln, mittels Elektronenstrahl.

Medizinische Nägel werden aus Rohrmaterial durch spanabhebende Verformung hergestellt oder als Strang gezogen, um einen Querschnitt zu erhalten, der einem dünnwandigen Rohr entspricht, bei welchem außen über dem Umfang verteilt, vorzugsweise 4 Stege angeordnet sind. Für die Anwendung als medizinischer Nagel müssen die Stege die ursprünglichen Eigenschaften bezüglich Festigkeit beibehalten. Die dünnen Wände zwischen den Stegen sollen in ihren Materialeigenschaften verändert werden. Sie erfahren während der mechanischen Bearbeitung eine Verfestigung, die aufgehoben werden muss.

Diese unterschiedlichen Materialeigenschaften sind damit begründet, daß die Nägel beim medizinischen Einsatz in axialer Richtung zusammengefaltet werden. Nach dem Einsetzen im Knochen werden die Nägel mittels eines Druckmediums aufgeblasen, um Halt zu erreichen. Zum Entfernen des Nagels aus dem Knochen wird er wieder zusammengefaltet. Dazu ist es erforderlich, dass die dünnen Wände eine hohe Zähigkeit aufweisen, um die notwendige Verformung zuzulassen.

Bei der mechanischen Bearbeitung, d. h. dem Reduzieren der Dicke der Rohrwandung in bestimmten Bereichen tritt eine Kaltverfestigung ein, in dem die Zähigkeit und Umformbarkeit vermindert wird. Es tritt eine metallographische Veränderung ein, indem Gitterbaufehler, wie Texturen oder Stufenversetzungen entstehen. Außerdem können bei der mechanischen Bearbeitung die Wanddicken nur bei hohem Aufwand einheitlich eingestellt werden.

Diese beim Einsatz erforderlichen Materialeigenschaften können nur durch das an sich bekannte Rekristallisationsglühen erreicht werden. Dadurch werden die Kaltverfestigung beseitigt und die Korngröße ist ohne Phasenumwandlung einstellbar.

Es ist bekannt, diese Rekristallisation durch die sog. Haubenglühung durchzuführen oder im Durchlaufglühen. Das bedeutet, dass das gesamte Volumen des Nagels geglüht wird. Damit werden zwar die Mängel in den dünnen Wandungen beseitigt, aber die Veränderung ist nicht nur auf die Wände begrenzt, sondern es werden auch die Materialeigenschaften des Steges beeinflußt, was ein entscheidender Mangel für den Einsatz der Nägel ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem es möglich ist, rohrförmige Teile mit unterschiedlichen Wanddicken, auch Profilrohre, vorzugsweise medizinische Nägel, die aus einem dünnwandigen Rohr bestehen und außen über dem Umfang längs Stege besitzen, ein partielles Rekristallisationsglühen durchzuführen. Dabei sollen die wesentlichen Materialeigenschaften, wie Umformbarkeit und Zähigkeit, nur in definierten Bereichen verändert werden. Diese definierten Bereiche sind im speziellen Anwendungsfall die axial verlaufenden dünnen Wände zwischen den Stegen. Die anderen Bereiche, das sind die Stege, müssen ihre Ausgangsfestigkeit behalten. Zu diesem Rekristallisationsglühen soll ein Energiestrahl, vorzugweise Elektronenstrahl verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach dem Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein an sich in bekannter Weise erzeugtes Energieübertragungsfeld auf der Oberfläche des Rohres bewegt wird, dass sich in Relativbewegungsrichtung axial zum Rohr mindestens eine Bahn bildet. Vorzugsweise werden zwei Teilenergieübertragungsfelder im Abstand voneinander gebildet. Die durch die Energiestrahleinwirkung entstehenden Energieübertragungsfelder, die den Rekristallisationsprozeß in einem definierten Bereich bewirken, werden in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur gesteuert. In Vorversuchen wird die erforderliche Solltemperatur ermittelt und danach werden die Parameter für den Energiestrahl, d. h. den Elektronenstrahl und die Bewegung vorgegeben. Durch eine in-situ-messung der Temperatur der Oberfläche über eine definierte Länge des Teiles, bzw. Rohres in oder unmittelbar nach dem Energieübertragungsfeld wird diese mit dem Sollwert der Temperatur verglichen. Erforderlichenfalls wird der Durchlauf des Energieübertragungsfeldes auf der Oberfläche wiederholt.

Die durch den Elektronenstrahl erzeugten Energieübertragungsfelder, die als axial zum Rohr verlaufende Bahnen bilden, werden in ihrer Breite und Lage auf dem Rohr durch den rechtwinklig zur Achse des Rohres abgelenkten Elektronenstrahl so erzeugt, daß sie vorzugsweise im Abstand voneinander seitlich bis an die Kante reichen, wo die Dicke der Rohrwandung größer wird, oder bei einem am äußeren Umfang angebrachten Steg bis an dessen Kante reichen. Es ist auch je nach dem Material und der Dicke der Rohrwandung oder der Geometrie der Stege möglich, das Energieübertragungsfeld seitlich so auszubilden, dass der dickere Bereich des Rohres, ein Teil des Steges oder die Flanke des Steges mit vom Elektronenstrahl beaufschlagt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Verfahrensparameter nach der versuchsweisen Ermittlung in einem NC-Programm vorgegeben werden.

In das Verfahren gehen die Zusammensetzung des Rohrmaterials, dessen Ausgangszustand, die erforderliche Glühtemperatur für der Rekristallisationsprozeß, die Prozeßdauer für einen Durchlauf, sowie die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit ein. Die Rekristallisationstemperatur liegt in der Regel unter 730°C. Diese kann jedoch bei hoher Aufheizgeschwindigkeit, wie es durch die Einwirkung des Elektronenstrahls möglich ist, über 800°C liegen. Alle diese Bedingungen werden im Vorversuch ermittelt, um für das Verfahren die Parameter einzustellen. Einen entscheidenden Einfluß nimmt die Dicke der Rohrwandung, denn dünne Wände benötigen weniger Energie, um die gleiche Temperatur wie bei dicken Wänden zu erreichen.

Die Energieeinträge sind folglich so zu wählen, daß bei einem erforderlichen Prozeßablauf die Temperatur nicht wesentlich höher wird als die Solltemperatur, damit keine Anschmelzung erfolgt.

Es ist auch möglich, unter der Bedingung, daß die Dicke des Rohres wesentlich kleiner ist als die Dicke des Steges, die beiden Energieübertragungsfelder so eng aneinander zu legen, dass sie in ihrer Breite ein Feld bilden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß es durch die Prozeßsteuerung, durch den Temperatur-Soll-Istwert- Vergleich möglich ist, bestimmte Bereiche eines Rohres in axialer Richtung verlaufend zu behandeln, und durch entsprechende Wahl der Parameter des zur Einwirkung gebrachten Elektronenstrahls eine vollständige Rekristallisation ohne Anschmelzungen zu gewährleisten. Das Verfahren ist apparativ einfach und verfahrenstechnisch vorteilhaft an die Geometrie der zu behandelnden Teile anpaßbar. Es ist für verschiedene Werkstoffe einsetzbar und läßt es zu, jeden gewünschten Verformungsgrad zu erzeugen. Wandstärkenabweichungen durch Fertigungstoleranzen werden ausgeglichen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen medizinischen Nagel in einer Ansicht,

Fig. 2: einen Schnitt durch Fig. 1,

Fig. 3: eine vergrößerte Darstellung als Ausschnitt von Fig. 2.

Ein medizinischer Nagel wird in bekannter Weise durch ein mechanisches Verfahren aus einem Rohr mit einem Durchmesser D hergestellt, indem das Material über dem Umfang derart abgetragen wird, daß Stege 1 stehen bleiben und die dazwischen verbleibenden Wände 2 wesentlich dünner werden.

Für diesen Anwendungsfall muß die Wand 2 zwischen den Stegen 1 zäh und zweimal gut verformbar sein, über die gesamte Länge L des Nagels. Die dazu erforderliche Temperatur zur Rekristallisation ist bekannt und liegt bei ca. 730°C, wenn das Rohr aus Stahl besteht. Die Rekristallisationstemperatur ist bekannterweise von dem Kaltverformungsgrad abhängig.

Das Verfahren läuft erfindungsgemäß wie folgt ab:

Die Temperatur für die Rekristallisation wird entsprechend dem Verformungsgrad und Werkstoff festgelegt. Der dazu erforderliche Energieeintrag auf das erzeugte Energieübertragungsfeld, d. h. die beiden Teilfelder E1 und E2, wird durch die Wahl der Parameter des Elektronenstrahls 3 ermittelt. Damit liegt auch annähernd die erforderliche Oberflächentemperatur als Sollwerttemperatur fest. Der hochfrequent abgelenkte Elektronenstrahl 3 wird nunmehr senkrecht zur Relativbewegungsrichtung so abgelenkt, daß er zwischen den beiden Stegen 1 gleichzeitig Teilfelder E1 und E2 erzeugt, und somit längs der Achse des Rohres verlaufen und in diesen Bereichen die Oberfläche des Materials vollständig rekristallisieren. Unmittelbar hinter dem erzeugten Energiefeld wird in-situ die Temperatur mit bekannten Mitteln, z. B. einem Pyrometer, gemessen und mit den Sollwert verglichen. Gegebenenfalls werden die Abweichungen der Ist- von der Solltemperatur durch Korrektur der Parameter des Elektronenstrahls und/oder der Geschwindigkeit oder auch der geometrischen Lage des Energiefeldes nachgeregelt. Aus diesem Vergleich ist auch die Möglichkeit gegeben, das Verfahren zu wiederholen.

Das Verfahren ist auch mit anderen lokalen Energiequellen, z. B. Laser, WIG, ausführbar.

Weiterhin ist das Verfahren nicht auf medizinische Nägel begrenzt, sondern es können auch andere geometrische Körper in bestimmten Bereichen vom Energiestrahl beaufschlagt werden, um die Materialeigenschaften partiell zu verändern.

Claims (7)

1. Verfahren zum Rekristallisationsglühen von dünnwandigen Rohren mittels Elektronenstrahl, insbesondere von medizinischen Nägeln, in­ dem der Elektronenstrahl auf der Oberfläche des Rohres mindestens ein lokales Energieübertragungsfeld erzeugt, welches durch Temperaturmessung und Sollwertvergleich geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Energieübertragungsfelder in axialer Richtung des Rohres verlaufend erzeugt werden, dass der Energieeintrag des Elektronenstrahls definiert wird und danach die Parameter für das Energieübertragungsfeld und die Relativgeschwindigkeit eingestellt werden, dass während der Einwirkung des Elektronenstrahl die Temperatur an der Oberfläche des Rohres unmittelbar hinter oder im Energieübertragungsfeld gemessen wird, und dass bei Abweichung eines Sollwertes vom Istwert der Temperatur die Parameter für das Energieübertragungsfeld nachgeregelt werden und bei noch nicht Erreichen der erforderlichen Rekristallisation das Verfahren mit anderen Parametern mindestens zum Ausgleich des Differenz wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsfelder im Abstand voneinander im Bereich gleicher Dicke der Rohrwandung erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsfelder im Abstand voneinander in einer Breite erzeugt werden und bis an den Bereich größerer Dicke der Rohrwandung reichen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsfelder den Bereich größerer Dicke der Rohrwandung zu beiden Seiten überdecken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsfelder den Bereich größerer Dicke der Rohrwandung, die als Steg ausgebildet ist, in seiner Flanke und wahlweise auch seiner Oberfläche überdecken.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte und deren Parameter in einem NC-Programm vorgegeben werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das der Abstand der nebeneinander verlaufenden Energieübertragungsfelder so klein gewählt wird, daß diese in ein Feld ineinander übergehen.