Drahtbrüche und Festigkeitsumkehr beim Durchlaufglühen von MP35N-Feinstdraht (0,02–0,065 mm)

MP35N ist eine Cobalt-Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung mit guter Beständigkeit gegen Körperflüssigkeiten und Ermüdung und ein gängiger Leiterwerkstoff für Herzschrittmacherelektroden. Je dünner die Elektroden werden, desto feiner wird der Leiterdraht gezogen, bis auf einige zehn Mikrometer. In diesem Bereich treten zwei Probleme auf, die bei dickeren Abmessungen kaum eine Rolle spielen: Brüche beim Ziehen sowie Geradheit und Festigkeit des Drahts nach dem Glühen.

Dieser Beitrag fasst unsere Fertigungsaufzeichnungen zu MP35N-Feinstdraht von 0,02–0,065 mm zusammen, beschreibt die Beobachtungen und deutet sie anhand der Verfestigungsmechanismen der Legierung.

Fertigungsbedingungen

Die Festigkeitswerte sind ungefähre Werte aus der laufenden Fertigung, keine Ergebnisse eines förmlichen Versuchsprogramms; die Bruchdehnung nach dem Glühen wurde nicht festgehalten. Die folgende Auswertung stützt sich auf den Verlauf, nicht auf die Genauigkeit einzelner Werte.

Beobachtung 1: Brüche bei 0,02 mm häufen sich in den letzten Ziehsteinen

Über 0,035 mm sind Brüche beim Ziehen gelegentlich. Bei 0,02 mm werden sie zum Hauptproblem, und sie häufen sich in den letzten Ziehsteinen.

Die unmittelbare Folge sind Spulen, die nie voll werden. Jeder Bruch beendet eine Spule vorzeitig, sodass Spulengewicht und -länge schwanken. Flechten und Wickeln brauchen volle Spulen gleicher Länge; mehr Brüche bedeuten mehr Verbindungsstellen und Spulenwechsel in der Weiterverarbeitung.

Fehlergröße im Verhältnis zum Drahtdurchmesser. Ein Fehler bestimmter Größe nimmt in einem dünneren Draht einen größeren Anteil ein:

Ein Fehler, der bei 0,065 mm vernachlässigbar ist, reicht bei 0,02 mm aus, um einen Bruch auszulösen. Deshalb häufen sich die Brüche in den letzten Ziehsteinen: Je näher der Draht dem Endmaß kommt, desto größer wird jeder Fehler im Verhältnis.

Einfluss des Vormaterials. Bei der Rückverfolgung gerissener Lose wirken drei Faktoren am stärksten:

1. Durchmessertoleranz des Vormaterials. Ungleichmäßiger Durchmesser bedeutet ungleichmäßige Querschnittsabnahme in jedem Ziehstein; Stellen mit zu großer Abnahme reißen zuerst.
2. Oberflächenfehler. Riefen, Überwalzungen und eingedrückter Zunder wandern über die Züge zur Drahtmitte und treten in den letzten Ziehsteinen als Bruchstellen zutage.
3. Erschmelzungsverfahren. MP35N enthält Titan, das harte Nitrid- und Karbideinschlüsse bildet. Diese Teilchen verformen sich nicht mit der Matrix und werden im Feinstdraht zu Bruchausgängen; in fertigen Elektroden sind sie zudem ein häufiger Ausgangspunkt von Ermüdungsrissen. Vakuumerschmolzenes, umgeschmolzenes Material enthält weniger und kleinere Einschlüsse.

ASTM F562 lässt bis zu 1,0 % Titan zu und schreibt kein Erschmelzungsverfahren vor. Verschiedene Schmelzen, die alle F562 erfüllen, können sich daher beim Ziehen auf 0,02 mm deutlich unterschiedlich verhalten.

Beobachtung 2: Festigkeitsumkehr beim Durchlaufglühen

Gezogener MP35N-Feinstdraht hat einen ausgeprägten Drall: Losgelassen rollt er sich zu Schlaufen und lässt sich nicht direkt flechten oder in Schläuche einziehen. Das Glühen baut die Eigenspannungen aus dem Ziehen ab und richtet ihn gerade.

Ergebnisse für Draht von 0,035 mm, bei verschiedenen Temperaturen im Durchlauf geglüht:

Unter 600 °C wird der Draht nicht wirksam gerade. Mit steigender Temperatur fällt die Festigkeit nicht stetig, wie bei den meisten Metallen, sondern fällt zunächst und steigt dann wieder: am niedrigsten bei 590 °C, bei 700 °C bereits über dem Ziehzustand.

Diskussion: zwei gegenläufige Vorgänge

Beim Erwärmen von kaltgezogenem MP35N laufen zwei Vorgänge ab, die die Festigkeit in entgegengesetzte Richtungen ziehen.

Spannungsabbau (Erholung). Die Eigenspannungen aus dem Ziehen bauen sich ab, Versetzungen ordnen sich um. Der Draht wird gerade und verliert etwas Festigkeit. Das geht schnell; Sekunden genügen.

Aushärtung. MP35N erreicht seine höchsten Festigkeiten durch Kaltverfestigung plus Auslagern: Das kaltverfestigte Gefüge wird beim Erwärmen weiter verfestigt. Die übliche Auslagerung erfolgt bei 540–645 °C für 4 Stunden, eine Dauer in Stunden.

Ein Durchlaufglühen dauert Sekunden. Bei niedrigeren Temperaturen hat die Aushärtung keine Zeit, sich zu entwickeln, und der Spannungsabbau überwiegt. Bei höheren Temperaturen beschleunigt sich die Aushärtung so weit, dass sie den Spannungsabbau in denselben wenigen Sekunden einholt und überholt:

• 590 °C: Der Spannungsabbau hat eingesetzt, die Festigkeit sinkt um etwa 12 %, doch es bleiben Eigenspannungen, und der Draht ist noch nicht gerade.
• 650 °C: Die Eigenspannungen sind im Wesentlichen abgebaut, der Draht ist gerade. Die Aushärtung beginnt zu wirken, die Festigkeit erholt sich, bleibt aber unter dem Ziehzustand.
• 700 °C: Die Aushärtung innerhalb weniger Sekunden überwiegt den Verlust durch den Spannungsabbau; die Festigkeit endet etwa 6 % über dem Ziehzustand.

Unter den hier beschriebenen Bedingungen des Durchlaufglühens ist 650 °C daher der Umschlagpunkt: Der Draht ist gerade, und die Festigkeit ist noch nicht hochgetrieben. Heißer, und die Festigkeit kann den Bereich überschreiten, den eine Elektrodenauslegung verlangt; kälter, und der Draht wird nicht gerade. Das Fenster ist schmal, die Ofentemperatur muss stabil gehalten werden.

Diese Temperaturen gelten nur für Durchlaufglühen im Sekundenbereich. Ein Chargenglühen ganzer Bunde hält Stunden; die Aushärtung läuft dann schon bei niedrigeren Temperaturen vollständig ab, und der Temperaturzusammenhang ist ein anderer.

Bezug zu den Feindrahtzuständen nach ASTM F562

ASTM F562 ist die übliche Spezifikation für medizinischen MP35N-Draht. Sie unterscheidet bei Feindraht drei Zustände: geglüht, kaltverfestigt „hard“ und kaltverfestigt „spring“. Unsere Abmessungen 0,02–0,035 mm fallen in ihre feinste Stufe (unter 0,0508 mm), 0,06 und 0,065 mm in die Stufe darüber.

Die Festigkeit ist als Bereich festgelegt; Draht über der Obergrenze ist ebenfalls nicht in Ordnung.

Der bei 650 °C entspannte Draht von 0,035 mm liegt mit etwa 1500 MPa über dem Bereich des geglühten Zustands und deutlich unter dem Minimum für „hard“. Er gehört zu keinem der drei Zustände.

Die 25–30 % Bruchdehnung in der Spalte „geglüht“ gelten für Draht nach einem vollständigen Hochtemperaturglühen, das rekristallisiert und entfestigt. Entspannter, gerichteter Draht behält den größten Teil seiner Kaltverfestigung, und seine Bruchdehnung liegt weit darunter.

Für Zustände außerhalb der Tabelle überlässt F562 die mechanischen Eigenschaften der Vereinbarung zwischen Besteller und Lieferant. Die Bruchdehnung von Feindraht hängt stark von der Messlänge ab; deshalb sollte auch die Messlänge vereinbart werden.

Schlussfolgerungen

1. Beim Ziehen von MP35N auf 0,02 mm häufen sich die Brüche in den letzten Ziehsteinen, vor allem weil Fehler im Verhältnis zum Drahtdurchmesser groß werden. Durchmessertoleranz des Vormaterials, Oberflächenqualität und Erschmelzungsverfahren (Einschlussniveau) entscheiden, ob die Abmessung sicher gefertigt werden kann.
2. Beim Durchlaufglühen im Sekundenbereich fällt die Zugfestigkeit von Draht 0,035 mm mit der Temperatur zunächst und steigt dann wieder: etwa −12 % bei 590 °C, Erholung bei 650 °C, etwa +6 % gegenüber dem Ziehzustand bei 700 °C. Ursache sind die unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Spannungsabbau und Aushärtung.
3. 650 °C ist der Umschlagpunkt zwischen Geradheit und Festigkeit. Der so entspannte Draht liegt außerhalb der Zustände geglüht, „hard“ und „spring“ nach ASTM F562; Festigkeitsbereich, Bruchdehnung und Messlänge sind gesondert zu vereinbaren.
4. Die Daten sind ungefähre Fertigungswerte, die Schlussfolgerungen stützen sich auf den Verlauf. Die Bruchdehnung nach dem Glühen ist nicht enthalten.