DE3512731A1

DE3512731A1 - Feste titanlegierung, verfahren zu deren herstellung und verwendung derselben

Info

Publication number: DE3512731A1
Application number: DE19853512731
Authority: DE
Inventors: Bijan Summertown Oxford Toloui; John Vivian Bolnhurst Bedford Wood
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1984-04-06
Filing date: 1985-04-09
Publication date: 1985-10-17
Also published as: US4568398A; CH667467A5; GB8408975D0

Description

European Patent Attorneys Di. Müller-Bor* und Partner · FOB 26 02 47 · D-8000 München 26

Deutsdie Patentanwälte

Dr. W. Müller-Bore f Dr. Paul Deufel

Dipl.-Chem., Dipl.-Wirtsdi.-Ing.

Dr. Alfred Sdtön

Dipl.-Chem.

Werner Hertel

Dipl.-Phys.

Dietrich Lewald

Dipl.-Ing.

Dr.-Ing. Dieter Otto

Dipl.-Ing.

Brit. Chartered Patent Agent B. David P. Wetters

M. A. (Oxon) Ch. Chem. M. R. S. C.

D/R/Sz - N 1583

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION 101 Newington Causeway London SEI 6BÜ, England

Feste Titanlegierung, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung derselben

D-8000 München 2

Isartorplatz 6

POB 26 02 47 D-8000 Mündien 26

Kabel: Telefon Telecopier Infotec 6400 B Telex

Muebopat 089/2214 83-7 GII +III (089) 2296 43 5-24 285

BeSchreibung

Feste Titanlegierung, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung derselben
5

Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen angegebenen Gegenstand. Die erfindungsgemäßen Titanlegierungen zeichnen sich durch eine spezielle Morphologie aus und sind von besonderem, wenn auch nicht ausschließlichem, Interesse auf dem Gebiete der Zahnersatzmaterialien. Darüber hinaus finden sie zum Beispiel auch Anwendung in der Chirurgie, zum Beispiel zur Herstellung von orthopädischen Endoprothesen und chirurgischen Instrumenten, in der Juwelier- und Edelsteinbranche und auf allgemeinen technischen Anwendungsgebieten wie Luft- und Raumfahrt und Kraftfahrzeugtechnik.

In Großbritannien sind zum Beispiel Goldlegierungen noch immer die am weitesten verbreiteten Instandsetzungsmaterialien bei der Herstellung von Zahnformkörpern, zum Beispiel für Zahnkronen und -brücken. In Nordamerika und Australien haben Legierungen aus Nicht-Edelmetallen, zum Beispiel auf der Basis von Ni-Cr- oder Co-Cr-Systemen, Eingang gefunden. Diese Materialien sind jedoch aufgrund der höheren Schmelzpunkte der Legierungen und ihrer erhöhten Reaktivität in aufgeschmolzenem Zustand schwieriger zu handhaben und erfordern kompliziertere und demzufolge teuerere Apparaturen. Außerdem bieten weder Nickel- noch Kobaltlegierungen eine erschöpfende Lösung für das Problem der steigenden GoIdpreise. So wurde zum Beispiel berichtet, daß etwa 20 % der Bevölkerung der USA gegen hochnickelhaltige Legierungen allergisch sind; ferner bestehen Zweifel über die Bioverträglichkeit von hochkobalthaltigen Legierungen; außerdem verhindert auch die Knappheit von Kobalt dessen weit-

35 verbreitete Anwendung.

Zur Zeit werden Zahnersatzformlinge dadurch hergestellt, daß eine Gießform mit einer aufgeschmolzenen Legierung von

Gold nach der "Wachsguß"- oder "Wachsausschmelz"-Technik ausgestattet wird. Die Erfordernisse für eine entwicklungsfähige alternative Gießoperation oder Legierung setzen voraus:

5 - minimale Ausgaben für neue Einrichtungen;

- das Vorhandensein von geeigneten Gießmaterialien sowohl für die Verfahrensdurchführung als auch für die Legierung;

- die Leichtigkeit zur Erzeugung von komplizierten oder feinen Gußabdrücken;

- ein geringes Auftreten von Schrumpfung während des Erstarrens;

- die Erzielung einer bioverträglichen Legierung.

Erfindungsgemäß wird ein derartiges Gießsystem und eine derartige Legierung geschaffen.

Die erfindungsgemäße feste Titanlegierung ist durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Eine metallografische Untersuchung zeigt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen regelmäßige, üblicherweise kleine, gleichachsige oder sogar abgerundete Körner aus einer primären festen Phase aufweisen, die von einem niedrigschmelzenden Material umgeben sind. Typischerweise ist die oder jede primäre Phase praktisch frei von miteinander verbundenen Dendriten und weist statt dessen einzelne degenerierte Dendrit e mit wenig verzweigter Struktur auf , die einer kugelförmigen Konfiguration ähneln, wobei es sich um ein Charakteristikum handelt, das diese Legierungen leicht von üblichen Legierungen, das heißt Standlegierungen, der gleichen Zusammensetzung unterscheidet, die, wie sich zeigt, eine dendritenartige oder zelluläre Struktur aufweisen.

Die angegebenen Gruppen von Metallen beziehen sich auf die Gruppeneinteilung des Periodensystems, das in Cotton & Wilkinson "Advanced Inorganic Chemistry", 2. Auflage, Verlag Wiley Interscience, wiedergegeben ist.

Die erfindungsgemäßen Legierungen können binäre, ternäre, quaternäre oder auch noch höhere Leg ierungs sy steine sein, doch handelt es sich vorteilhafterweise um binäre oder ternäre Legierungen. Von diesen Legierungen werden solche bevorzugt, die einen wesentlichen Unterschied in der Zusammensetzung zwischen durch die Konodenlinie (oder Konodenebene) verknüpf ten Liquidus- und Soliduspunkten die durch Gleichgewichts- oder Ausgleichskühlung definiert sind, aufweisen, das heißt solche Legierungen, die ein Gleichgewicht (wie es durch das Verhälntis von gelöstem Stoff im Feststoff zu demjenigen in der Flüssigkeit definiert ist) oder einen effektiven Verteilungskoeffizienten von weniger als 1, vorzugsweise unter 0,7, zum Beispiel unter 0,5, haben und/oder eine wesentliche Liquidus/Solidus-Lücke (das heißt, einen breiten Temperaturbereich, über welchen eine Feststoff- und Flüssigkeitsaufschlämmung existiert unter Gleichgewichtsund Nichtgleichsgewichtsbedingungen). Die erstgenannte Gegebenheit erleichtert die Auswahl einer Zusammensetzung, die eine angemessene Volumenfraktion an Aufschlämmung ergibt und die letztgenannte Gegebenheit ergibt eine größere Verfahrenstoleranz. Im Hinblick auf Hochschmelzintegrität und Wärmeenergieinvestition erweist es sich ferner als äußerst wünschenswert, Legierungen mit solcher Zusammensetzung auszuwählen, die bei Normaldruck einen Liquidus unter 1400 ⁰C, vorzugsweise unter 1300 ⁰C, insbesondere unter 1200 ⁰C, zum Beispiel von 1100 ⁰C oder darunter aufweisen. Von derartigen Legierungen werden solche bevorzugt, die bei einer Temperatur unter 1300 ⁰C mindestens 10 Vol.-% Flüssigfraktion aufweisen.

Beispiele für derartige Legierungselemente sind Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pd oder Pt wobei Ag, Au, Co, Cu, Ni, Pd oder Pt zur Verwendung als Zahnersatzmaterialien und orthopädische Endoprothesen bevorzugt werden, während Fe, Mn und Ni Nichtdental-Strukturlegierungen mit guten Verarbeitungseigenschaften ergeben, zum Beispiel in der anschließenden Thixogußoperation. Cr und ebenso V, Sn und Al erfüllen die oben angegebenen Liquidus-Kriterien nur als

-δι eine Komponente in ternären oder höheren Legierungssystemen; Si, Ge, Nb, Mg, Zr, Mo und Gd können ebenfalls in ternäre oder höhere Legierungssysterne in Mengen einverleibt werden, die in der Regel 11 Gew.-% nicht überschreiten. Bis zu 6 Gew.-% Nb kann zugesetzt werden und, um dem dadurch bewirkten Temperaturanstieg entgegenzuwirken, bis zu 4 Gew.-% Al (zusätzlich zu den 100 Gew.-% ausmachenden Komponenten Ti, Ti-Co, Ti-Cu oder Ti-Co-Cu).

Für binäre Legierungen, mit Ausnahme der unten angegebenen Zweistoffsysteme Ti-Ag und Ti-Au, zeigt es sich, daß eine sehr befriedigende Verarbeitbarkeit erzielt wird, wenn die Komponente (b) 10 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%, zum Beispiel bis zu 25 Gew.-%, ausmacht. Die genauen Werte der Konzentrationsbereichsgrenzen hängen vom speziellen Binärsystem ab und betragen zum Beispiel: Ti-Co 10 bis 23 Gew.-%, vorzugsweise 12 bis 20 Gew.-%; Ti-Cu 10 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%; Ti-Fe 10 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-%; Ti-Mn 20 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 35 Gew.-%; Ti-Ni 10 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 20 Gew.-%; Ti-Pd und
Ti-Pt 27 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 40 Gew.-%.

Für Ti-Ag betragen die entsprechenden Grenzwerte 15 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 40 Gew.-% und für Ti-Au von 45 bis 50 Gew.-%.

Für ternäre oder höhere Legierungssysteme erweist es sich in der Regel als zweckmäßig, nicht mehr an einer der Komponeten (b) einzusetzen,als für eine binäre Legierung angegeben ist und für einen Maximalgehalt an gelöstem Stoff (Solute) von 50 Gew.-%, vorzugsweise von bis zu 30 Gew.-%, insbesondere von bis zu 25 Gew.-%, zu sorgen.

Besonders bevorzugte Systeme, die als mögliche Zahnersatzmaterialien untersucht wurden, sind zum Beispiel Ti-Ag-, Ti-Co-, Ti-Cu-, Ti-Co-Cu-, Ti-Cu-Ag- und Ti-Co-Cu-Ag-Systerne.

Typische Beispiele sind Ti-Ag mit 20 bis 30 Gew.-% Ag; Ti-Cu mit 10 bis 20 Gew.-% Cu; Ti-Co mit 12 bis 20 Gew.-% Co; Ti-Cu-Ag mit 15 bis 40 Gew.-% und Ti-Co-Cu mit 10 bis 25 Gew.-% gelöstem Stoff. Das letztgenannte ternäre System umfaßt, insbesondere innerhalb des Bereiches von 10 bis 15 Gew.-% gelöstem Stoff, ein weites Gebiet von Legierungen mit einem Solidus, so daß eine erfindungsgemäße Verarbeitung unterhalb 1100 ⁰C möglich ist. Bei Vorliegen von Cu beträgt der optimale Anteil 10 bis 15 Gew.-%. Das Gewichtsverhältnis Co:Cu reicht zweckmäßig von 0,5 bis 2,0 und beträgt zum Beispiel 1,0. Beim analogen quaternären System mit 0,5 bis 5,0 Gew.-% Ag zeigte sich, daß es sehr vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften besitzt.

Geringe Mengen (typischerweise 0,001 bis 0,2 Gew.-%) Pd erweisen sich als sehr günstig zur Korrosionsverhinderung.

Einige Beispiele für derartige erfindungsgemäße Legierungen zusammen mit einigen ihrer Eigenschaften sind in den folgenden Tabellen aufgeführt:

Tabelle I

Binäre Legierungen

Zusammensetzung (Gew.-%)	DTA-Ergebnisse Solidus-Temperatur	Härte (H_v)
	XXXX	XXXXXXX
Cu 23-27	990	280-320
30 Co 18-22	1020	480-510
Ag 45-60	1030	540-680

ω co to fco η-¹ ι-·

cn ο cn ο αϊ O cn

Tabelle II

Zusammensetzung DTA-Ergebnisse Härte (H ) Zusammensetzung

Co Cu Solidus- Eutectoid- primäre eutektisch ^der P^ri™^aren Phase

(Gew.-%) (Gew.-%) Temper. Temperatur Phase oder Ti Co Cu

peritektisch

14	/5	7,	1	1060	690	460-500	480-550	89	8	3
13		10		970	705	530-540	560-570	89	7	4
11	,5	12,	5	960	730	480-550	580-610	88	7	5
10		15		970	720	520-560	500-530	90	5	5

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der festen Titanlegierung umfaßt das Erhitzen der Titanlegierung zur Bildung eines Legierungsgemisches, das teils flüssig und teils fest ist; kräftiges Rühren des gesamten Legierungsgemisches zur Erzeugung von Scherbeanspruchungen im Gemisch und zur Erzielung einer ausgeglicheneren Wärme- und Massenverteilung innerhalb der gesamten Charge als Folge eines gesteigerten Massen- und Wärmeüberganges; und Erstarrenlassen des Legierungsgemisches.

Die feste Titanlegierung kann zum Beispiel in einem elektrischen Widerstandsofen oder RF-Induktionsofen oberhalb des Liquidus erhitzt werden, so daß die gesamte Masse der Legierung in der Schmelze vorliegt, worauf gekühlt wird, bis eine partielle Erstarrung erfolgt, oder, wenn ein loser oder verpreßter elementarer oder vorlegierter Pulverpreßling erhitzt wird, bis sich ein ausreichender Anteil der Legierung oder des Gemisches im flüssigen Zustand befindet, um kräftiges Rühren zu ermöglichen, wobei die letztgenannte Verfahrensweise bevorzugt wird im Hinblick auf Hochschmelzintegrität, Wirtschaftlichkeit des Wärmeenergieverbrauchs und außerdem größere Reinheit der resultierenden festen Legierung. Danach wird die Temperatur des Legierungsgemisches gesteuert, um den erforderlichen Anteil an primärer festen Phase zu bilden. Wie oben erwähnt, erfolgt dies vorteilhafterweise unterhalb 1300 ⁰C, zweckmäßig unterhalb 1200 ⁰C und bei bestimmten LegierungszusammenSetzungen unterhalb 1100 ⁰C.

Mit "primäre feste Phase" ist hier die oder jede Phase gemeint, die unter Bildung degenerierter Dendrite (die durch eine glattere, weniger verzweigte Morphologie, die einer kugelförmigen Konfiguration nahekommt, charakterisiert sind) verfestigt und suspendiert ist in der verbleibenden flüssigen Matrix während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Matrix bei vollständiger Erstarrung die sekundäre feste Phase bildet. Die Durchschnittsgröße der primären festen Phase kann in weiten Grenzen variieren:

So kann sie so klein sein, daß sie nur 1 Mikron beträgt oder sie kann so grobkörnig sein, daß sie 10 000 Mikron ausmacht. In einer typischen Legierungsprobe kann die Größe 10 bis 1 000 Mikron betragen. Wird das Legierungsgemisch aus der Schmelze oder aus der halbfesten Pulveraufschlämmung abgekühlt, so hängt die Größe der primären festen Phase von der Zeitspanne, in der sie sich in halbfestem Zustand befindet, und umgekehrt proportional von sowohl der Abkühl- als auch der Scherrate, ab. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen , Q Verfahrens kann der Anteil an gebildeter primären festen Phase hoch sein und zum Beispiel 30 bis 6 0 Gew.-% oder mehr, beispielsweise bis zu 70 Gew.-%, betragen.

Mit "kräftiges Rühren" ist hier ein Rühren gemeint, das auspreicht, um die Bildung von miteinander verbundenen dendritartigen Netzwerkstrukturen zu verhindern und/oder jedwede bereits in der primären festen Phase gebildete dendritartige Verzweigungen praktisch zu eliminieren oder zu vermindern. Das kräftige Rühren kann mit Hilfe mindestens eines angetrie-

_ benen Rührers, der in das Legierungsgemisch eingesetzt ist, bewirkt werden. Der oder jeder der Rührer können in verschiedenen Konfigurationen ausgestattet sein, zum Beispiel in Form eines Rotationsblattes (wie in der US-PS 3 840 364 beschrieben) oder als schraubenförmiger oder kerbverzahnter

c Stangenrührer (wie in der US-PS 3 920 544 beschrieben), wo-

bei als einzige Voraussetzung gilt, daß sie zur Erzielung von Scherbeanspruchungen in dem Legierungsgemisch befähigt sind. Der oder jeder der Rührer kann zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors mit regelbarer Drehzahl bei einer Winkelgeschwindigkeit von 1000 bis 30 rpm, zum Beispiel von 150 bis 50 rpm, beispielsweise bei etwa 100 rpm, angetrieben werden. Das kräftige Rühren kann während einer Zeitspanne erfolgen, die in der Regel 3 bis 30 Minuten beträgt, wobei es vorteilhaft ist , so kurz wie möglich zu rühren; 5 bis 15 Minuten sind in der Regel eine ausreichende Rührzeit.

Es zeigte sich jedoch, daß der Einsatz eines Innenrührers dazu führt, daß Gasblasen, Oxide und andere Verunreinigungen

in das Schmelzenblöckchen eingeschlossen werden. Außerdem ist das Schmelzenblöckchen aus einem in Gegenwart eines Innenrührers chargenweise durchgeführten Verfahren in der Regel paraboloidartig oder von unregelmäßiger Gestalt und schwierig weiter zu verarbeiten. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird daher die oben angegebene Verfahrensweise dahingehend modifiziert, daß es möglich ist, auf eine Innenrührung zu verzichten. Gemäß dieser Ausführungsform wird einer das Legierungsgemisch enthaltenden Gußform eine Winkelgeschwindigkeit verliehen, die ausreicht, um das gesamte Legierungsgemisch kräftig zu rühren zur Erzeugung von Scherbeanspruchungen innerhalb des Gemisches.

Die Winkelgeschwindigkeit kann kontinuierlich von gleicher Größe und/oder Richtung sein, vorzugsweise wird jedoch die Richtung periodisch variiert zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung und entsprechend wechselnden Scherbeanspruchungen in dem gesamten Legierungsgemisch. Weder die Größe noch die Dauer der Winkelgeschwindigkeit in einer bestimmten Richtung braucht gleich zu sein wie in der entgegengesetzten Richtung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die festen Titanlegierungen nach dem Verfahren hergestellt,

das in der DE-PS (Patentanmeldung , die von der

gleichen Anmelderin am selben Tage unter der internen Registriernummer N 1584 unter Beanspruchung der Priorität der GB-Patentanmeldung 84 08 976 eingereicht wurde) beschrieben s ind.

Bei Anwendung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, sicherzustellen, daß die feste Titanlegierung 75 bis 90 Gew.-% primäre feste Phase aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die in der angegebenen Weise gebildete Legierung durch eine Thixogußoperation verformt, was, wie weiter unten beschrieben, zum Beispiel in einem Formenhohlraum geschehen kann, der gegen ein stationäres Widerlager für die Legierung gestoßen wird.

Erfindungsgemäß wird eine feste Titanlegierung erhalten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt oder vergossen ist.

Die Erfindung liefert ferner eine feste Titanlegierung in Form eines Zahnersatzartikels oder einer orthopädischen Endoprothese oder eines chirurgischen Instrumentes.

Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher veranschaulicht, in denen darstellen:

Fig. 1 den titanreichen Teil des binären Ti-Co-Zustanddiagramms mit dem optimalen, durch Schraffierung gekennzeichneten Bereich zur Herstellung erfindungsgemäßer fester Titanlegierungen;

Fig. 2 die titanreiche Kante des ternären Ti-Co-Cu-Zustanddiagramms mit dem optimalen, liniert wiedergegebenen Bereich zur Herstellung der erfindungsgemäßen festen Titanlegierungen;

Fig. 3 einen schematisch wiedergegebenen Axialquerschnitt der erfindungsgemäß verwendeten, unter Hin- und Herbewegung Scherbeanspruchungen bewirkenden Rheogießvorrichtung; und

Fig. 4 eine schematische, zum Teil im Axialquerschnitt wiedergegebene Ansicht der erfindungsgemäß verwendeten Thixogießvorrichtung.

Der in Fig. 3 dargestellte, unter Hin- und Herbewegung Scherbeanspruchungen bewirkende Rheogießapparat weist einen Gußstahltiegel 1 aus Graphit oder feuerfestem Oxid, Nitrid oder Carbid, zum Beispiel aus Al₃O₃, ZrO₃, SiO₂, SiN. oder TiC, vorzugsweise aus phosphat-gebundenem Siliziumdioxid, mit einem Innendurchmesser von 20 mm auf. Dieser ist axial von unten an einen (nicht gezeigten) Schrittschaltmotor angeschlossen, der durch einen Mikroprozessor gesteuert wird. Dabei handelt es sich besonders um einen Miniwinkel-Schrittmotor, der durch eine Antriebs-Leiterplatte angetrieben wird, die ihrerseits durch einen SpezialComputer gesteuert wird. Sowohl die Geschwindigkeit (konstant oder variabel) als auch die Richtung (im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn) sind Parameter, die mit Hilfe dieser Mikroprozessor-Anordnung genau steuerbar sind unter Erzielung eines Oszillationsbereiches von 0,01 bis 2 0 Hz durch einen Winkelbereich von 1,8° bis 50°. Der Gußstahltiegel ist von einer koaxial gewundenen, relativ beweglichen RF-Heizspule 2 umgeben. Die Vorrichtung ist in einer (nicht gezeigten) evakuierbaren, transparenten Quarzabschirmung eingeschlossen, die Ein- und Ausgänge einer Leitung für Vakuum/trockenes Argon aufweist.

Zum Betrieb der Vorrichtung wird erfindungsgemäß eine in einer Kugelmühle grob zerkleinerte Charge 3 einer vorgeformten festen Titanlegierung, zweckmäßig eine solche der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Zusammensetzung, oder mit üblicher (zum Beispiel durch Standguß gewonnener) Morphologie in den Gußstahltiegel eingebracht. Die Vorrichtung wird auf etwa 10 Torr evakuiert und trockenes Argon wird sodann bis 500 Torr eingeführt. Die RF-Heizschlange wird in Gang gesetzt und sobald die Legierung vollständig geschmolzen ist (in der Regel nach 3 bis 5 Minuten, worauf die Temperatur der Legierung etwa 1400 ⁰C beträgt), wird die Schmelze auf eine niedrigere Temperatur abkühlen gelassen, bei der das Legierungsgemisch die erforderliche primäre Festphasenzusammensetzung hat. Der Schrittschaltmotor wird sodann eingeschaltet, um während etwa 5 bis 20 Minuten eine hin-

und herverlaufende Scherwirkung bei 1 Hz mit einem Winkelbereich von 20° zu erzeugen. Danach wird die Heizschlange abgestellt und die Legierung erstarren gelassen, während das Rühren fortgesetzt wird. Sobald die auf diese Weise gewonnene erfindungsgemäße feste Titanlegierung Raumtemperatur erreicht hat, wird der Gußstahltiegel von der Vorrichtung entnommen und das Schmelzenblöckchen freigebrochen.

Die in Fig. 4 dargestellte Thixogießvorrichtung weist eine horizontal ausgerichtete, axial-beschickte zylindrische Gießform 4 mit einem Formenhohlraum 5 auf, der mit einer axialen Einspritzkammer 6 in Verbindung steht, die innerhalb einer Keramik-Investmenthülle 7 gebildet ist. Die Investmenthülle ist umgeben von einer Kohlenstoff-Trägerhülse 8 für eine RF-Heiζschlange 9, die koaxial um eine Quarzabdeckung 10, die Ein- und Auslässe 11 und 12 für eine Leitung für Vakuum/trockenes Argon aufweist, gewunden ist. Ein Kolben 13 wirkt mit der Einspritzkammer zusammen und wird von einem pneumatischen oder hydraulischen, generell mit 14 bezeichneten Aktivatorsystem angetrieben. Die Stoßfläche 15 des Kolbens ist mit einem Thermoelement 16 und Längungsmesser-Signalumformer 17 ausgestattet.

Beim erfindungsgemäßen Betrieb wird ein etwa 20 g wiegendes Blöckchen der erfindungsgemäßen festen Titanlegierung in die Einspritzkammer eingesetzt. Die Thixogießvorrichtung wird auf etwa 10 Torr evakuiert und trockenes Argon wird sodann bis 500 Torr oder als ein kontinuierlicher Argongasstrom eingeführt. Die RF-Heizschlange wird in Gang gesetzt, wobei die Stoßfläche des Kolbens gegen das Blöckchen gerichtet ist, und sobald entsprechende Bestimmungen die geeignete Temperatur und Weichheit des Blöckchens ergeben haben, wird der Kolben in Betrieb genommen und die Legierung in den Formenhohlraum vorgestoßen. Wahlweise kann das Legierungsblöckchen auch zwischen einem stationären Keramikträger und einem durch den Kolben vorwärts bewegten Keramik-Forxnenhohlraum verpreßt werden. Danach wird die Heizschlange abgeschaltet und die Legierung vollständig erstarren gelassen zur

-17-1 Bildung des Formkörpers.

Die erfindungsgemäß vorgenommene Rheogießoperation kann kontinuierlich durchgeführt werden. 5

- Leersei te -

Claims

Patentan Sprüche

1. Feste Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben gegebenenfalls vorliegenden Verunreinigungen aufweist:

(a) 95 bis 40 Gew.-% Titan und

(b) mindestens ein anderes Metall, bei dem es sich um ein Metall der Gruppe I B des Periodensystems, um ein Metall der Gruppe VIII des Periodensystems, um Silizium, Chrom oder Mangan handelt, wobei die Komponente (b) 5 bis 60 Gew.-% ausmacht und die feste Legierung eine homogene Dispersion von einzelnen Teilchen mindestens einer primären festen Phase innerhalb einer Matrix mindestens einer niedriger schmelzenden sekundären festen Phase aufweist.

2. Titanlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine primäre feste Phase aufweist, die praktisch frei von miteinander verbundenen Dendriten ist.

3. Titanlegierung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine binäre, ternäre oder quaternäre Legierung handelt.

4. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Normaldruck einen Liquidus unterhalb 1400 ⁰C aufweist.

5. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Normaldruck einen Liquidus unterhalb 1300 ⁰C aufweist.

6. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 10 Vol-% flüssigen Anteil bei einer Temperatur unterhalb 1300 ⁰C aufweist.

7. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (b) mindestens eines der Elemente Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pd oder Pt aufweist.

8. Titanlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (b) mindestens eines der Elemente Ag, Au, Co. Cu, Ni, Pd oder Pt aufweist.

9. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (b) 10 bis 40 Gew.-% ausmacht.

10. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Ti-Co-, Ti-Cu-, Ti-Co-Cu-, Ti-Cu-Ag- oder Ti-Co-Cu-Ag-Legierung handelt.

11. Titanlegierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (b) bis zu 25 Gew.-% ausmacht.

12. Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Soliduslinie bzw. -fläche unterhalb 1100 ⁰C aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung einer festen Titanlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Titanlegierung zur Bildung eines Legierungsgemisches, das teils flüssig und teils fest ist, erhitzt, das gesamte Legierungsgemisch zur Erzeugung von Scherbeanspruchungen innerhalb desselben kräftig rührt, und das Legierungsgemisch verfestigt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Titanlegierung nicht über die Liguidustempera-

tur erhitzt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Titanlegierung nicht über 1100 ⁰C erhitzt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine das Legierungsgemisch

enthaltende Gießform einer Winkelgeschwindigkeit aussetzt, die ausreicht, um das gesamte Legierungsgemisch kräftig zu rühren zur Erzeugung von Scherbeanspruchungen innerhalb desselben.
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17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Titanlegierung 40 bis 65 Gew.-% primäre feste Phase aufweist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Titanlegierung 75 bis 90 Gew.-% primäre feste Phase aufweist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die gebildete Legierung anschließend einer Thixogußoperation unterwirft.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Durchführung der Thixogußoperation die Legierung in einen Formenhohlraum vergießt, der gegen ein stationäres Widerlager für die Legierung gestoßen wird.

21. Feste Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie herstellbar oder vergießbar ist nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20.

22. Feste Titanlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 21 in Form eines Zahnersatzmaterials oder einer orthopädischen Endoprothese oder eines chirurgischen Instrumentes.