Development of appropriate processes and cutting tools for precision machining of Co-Cr-Mo superalloys to increase the safety of medical implants
Final Report Abstract
Es wurde das dehnraten- und temperaturabhängige Fließverhalten des Co-Cr-Mo Werkstoffs untersucht und alle physikalisch wesentliche Werkstoffkennwerte, wie u.a. Fließspannung, E-Modul, Aktivierungsenergie und –volumen ermittelt. Nach Überprüfung der Anwendbarkeit, wurde dazu das Konzept der thermischen Aktivierung genutzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Hartdrehexperiment in dem Programmsystem SFTC Deform TM unter Verwendung der gewonnenen experimentellen Daten zur Fließspannung sowie des Modells der thermischen Aktivierung gut reproduziert werden kann. Auf diesen Ergebnissen basierend können die Zerspanprozesse einfach und schnell so angepasst werden, dass mit Hilfe der Simulation eine Vorauswahl von Prozessen und Schnittbedingungen getroffen werden kann, was den erheblichen Versuchs- und Kostenaufwand deutlich reduzieren kann. Die aufgetretenen Diskrepanzen vor allem bei der Beschreibung der passiven Kraftkomponente sind vermutlich auf die relative Einfachheit des verwendeten Materialmodells, den Werkzeugverschleiß und bekannte Unzulänglichkeiten der 2D-Zerspansimulation zurückzuführen und unabhängig vom verwendeten Materialmodell. Das formulierte TAM-Modell stellt die Basis für die nachfolgende Erweiterung des Materialmodells dar, das die Einflüsse der hexagonalen Gitterstruktur und Verfestigungsmechanismen näher berücksichtigt. Zudem werden hierfür theoretische Modelle herangezogen, die die Mechanismen der dehnungsinduzierten martensitischen Kernbildung sowie die Bildungsmechanismen von Zwillingen beschreiben sollen. Des Weiteren wurden schwerpunktmäßig die dehnungsinduzierten und isothermischen Mechanismen mittels röntgenographischer und REM-EBSD Methoden untersucht, unter welchen sich die hexagonale ε-Phase bildet. Die experimentellen Ergebnisse beider analytischen Untersuchungsmethoden stimmen untereinander und mit den Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen sehr gut überein. Somit stellen diese Erkenntnisse die Basis für die Erweiterung des bestehenden Werkstoffmodells durch die Integration von Bildungsmechanismen und Kinetik der Phasenumwandlung. Dafür sollen die theoretischen Modelle herangezogen werden, die die Mechanismen der dehnungsinduzierten martensitischen Kernbildung berücksichtigen, und unter deren Verwendung die Prognose über den ε- Phasenanteil in Abhängigkeit von der plastischen Dehnung abgegeben werden kann. Darüber hinaus soll die Bildung von Verformungszwillingen mit EBSD-Technik untersucht und in dem Werkstoffmodell berücksichtigt werden. Zur Untersuchungen zum Einfluss der ε-Phase auf das Schädigungsverhalten wurde die gesonderte Probenaufnahme für die Testmaschine RUMUL Testronik sowie die Proben ausgelegt und angefertigt. Das realisierte Messsystem eignet sich sehr gut zur Erkennung der Rissbildung an den Proben hinsichtlich des Anteils an ε-Phase. Um aussagekräftigere Ergebnisse zu erhalten, sind zusätzliche Versuche mit erhöhtem Probenumfang erforderlich. Anschließend wurden die Bewertungen der Werkstückeigenschaften durchgeführt. Die eingesetzte REM-EBSD-Methode hat sich bewährt als sehr gut zur Erkennung der ε-Phase geeignet. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen der Schnittgeschwindigkeit und der Härteverteilung des Werkstücks festgestellt. In Drehversuchen schnitt PcBN im Vergleich mit anderen möglichen Schneidstoffen für die Bearbeitung des Co-Cr-Mo-Werkstoffs bzgl. Standzeit und Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks am besten ab. Daher wurden auf Basis vorheriger Simulation unterschiedliche Schneidgeometrien realisiert und im Drehversuch getestet. Die Untersuchungen zeigen, dass der Vorschub größten Einfluss auf Oberflächenrauheit hat. Mit allen drei Schneidkantenpräparationen konnten bei f z = 0,05 mm/U Werte Ra < 1 µm erreicht werden. Temperaturunterschiede konnten in dem bereits bewusst reduzierten Versuchsraum nicht festgestellt werden bzw. liegen im Bereich der Messunsicherheit. Die bewusste Enthärtung des Werkstückmaterials ab vc > 80 m/min birgt die Gefahr zu starker, sich negativ auswirkender Gefügebeeinflussung. Gute Ergebnisse konnten mit vc = 80 m/min und fz = 0,05 mm/U erzielt werden. Generell eignet sich jede der drei untersuchten Schneidkantenpräparationen für die optimierte Bearbeitung. Präparation SK2 hebt sich jedoch unter gleichen Bedingungen durch geringere Kräfte und Temperaturen leicht ab.
