Titan Grade 23 ist Ti-6Al-4V ELI, die Extra-Low-Interstitial-Version der Ti-6Al-4V-Legierung. ELI bedeutet, dass die Schmelze auf engere Sauerstoff- und Eisengrenzen gehalten wird als Grade 5, und nach der ASTM B-Serie zusätzlich auf eine engere Stickstoffgrenze. Diese interstitiellen Elemente machen Ti-6Al-4V kerbempfindlich; sie zu senken erkauft Bruchzähigkeit, Schadenstoleranz und Duktilität, die kryogene Temperaturen übersteht, im Tausch gegen etwa 7 Prozent niedrigere Mindest-Zugfestigkeit.
Chemische Zusammensetzung von Titan Grade 23
Grade 23 und Grade 5 sind dasselbe Legierungssystem. Aluminium und Vanadium bewegen sich kaum; was sich ändert, sind die Grenzen für interstitielle Elemente und Eisen. Die folgenden Grenzwerte sind die Schmelzanalyse aus ASTM B348 Tabelle 1, die B265, B381 und B863 wiederholen, mit Grade 5 und F136 daneben.
| Element (Gew.-%) | Grade 23, ASTM B-Serie | Grade 5, ASTM B-Serie | ASTM F136 Implantat |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 5.5 to 6.5 | 5.5 to 6.75 | 5.50 to 6.50 |
| Vanadium | 3.5 to 4.5 | 3.5 to 4.5 | 3.50 to 4.50 |
| Oxygen, max | 0.13 | 0.20 | 0.13 |
| Iron, max | 0.25 | 0.40 | 0.25 |
| Nitrogen, max | 0.03 | 0.05 | 0.05 |
| Carbon, max | 0.08 | 0.08 | 0.08 |
| Hydrogen, max | 0.0125 | 0.015 | 0,012 (einige veröffentlichte Nachdrucke nennen 0,0125) |
| Yttrium, max | not specified | not specified | 0.005 |
| Restelemente, je / gesamt, max. | 0.1 / 0.4 | 0.1 / 0.4 | 0.1 / 0.4 |
| Titan | balance | balance | balance |
Drei Zeilen tragen fast den gesamten technischen Unterschied: Sauerstoff sinkt von 0,20 auf 0,13 Prozent Maximum, Eisen von 0,40 auf 0,25, Stickstoff von 0,05 auf 0,03. Sauerstoff ist ein billiger Festigkeitsbildner, aber er versteift die Alpha-Phase und macht die Legierung kerbempfindlich; jeder entfernte Punkt tauscht Festigkeit gegen Zähigkeit. Eisen konzentriert sich in der Beta-Phase und begünstigt Seigerung, daher senkt ELI auch das Eisen.
Zwei Details werden von den meisten veröffentlichten Grade-23-Datenblättern eingeebnet. Die industrielle B-Serie hält Stickstoff enger als die Implantatnorm, 0,03 gegen 0,05 Prozent; F136 ist also nicht durchgängig strenger als B348. Und F136 ergänzt eine eigene Yttriumgrenze von 0,005 Prozent, wo die B-Serie Yttrium nur über ihre Restelementgrenze von 0,1 Prozent je Element erfasst; Yttrium aus feuerfestem Tiegelmaterial ist ein Reinheitsthema für Implantate.
Mechanische Eigenschaften von Titan Grade 23
Spezifikations-Mindestwerte für geglühtes Material, keine typischen Werte. Die ASTM-F136-Spalte gilt für Stäbe und Schmiedeteile von 4,75 mm bis ausschließlich 44,45 mm Querschnitt. Oberhalb dieser Querschnittsgröße fällt F136 auf 825 MPa (120 ksi) Zugfestigkeit, 760 MPa (110 ksi) Streckgrenze, 8 Prozent Bruchdehnung und eine Brucheinschnürung von 20 oder 15 Prozent je nach Größenklasse; eine F136-Bestellung muss daher die Querschnittsgröße nennen, bevor die Abnahmewerte feststehen.
| Mindestwert, geglüht | Grade 23, B348 bar | Grade 5, B348 bar | Gr 23, B381-Schmiedeteil | ELI, F136 (4,75 bis unter 44,45 mm) |
|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit, min. | 828 MPa (120 ksi) | 895 MPa (130 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | 860 MPa (125 ksi) |
| Streckgrenze, 0,2 % Offset, min. | 759 MPa (110 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | 759 MPa (110 ksi) | 795 MPa (115 ksi) |
| Bruchdehnung in 4D, min. | 10 percent | 10 percent | 10 percent | 10 percent |
| Brucheinschnürung, min. | 15 percent | 25 percent | 25 percent | 25 percent |
ASTM B265 für Blech, Band und Platte trägt für Grade 23 dieselben Mindestwerte von 828 und 759 MPa, und 895 und 828 für Grade 5, mit 10 Prozent Bruchdehnung und ohne Anforderung an die Brucheinschnürung.
Beachten Sie die Zeile zur Brucheinschnürung. B348 akzeptiert für Grade-23-Stäbe im geglühten Zustand 15 Prozent, verlangt für Grade 5 aber 25 Prozent, und B348 selbst fordert 25 Prozent für Grade 23 im Transformed-Beta-Zustand; B381 fordert 25 Prozent für Schmiedeteile Grade F-23. Eine Zeichnung, die Grade 23 nennt und separat 25 Prozent Brucheinschnürung verlangt, fordert mehr, als B348-Stäbe garantieren, und das gehört in die Bestellphase, nicht in die Prüfung. B348 begrenzt diese Eigenschaften zudem auf Längsproben bis 76 mm Dicke und 64,5 cm² Querschnitt.
Bruchzähigkeit, Ermüdung und Tieftemperatur-Duktilität
Dafür existiert ELI, und keine Spezifikationstabelle zeigt es: Weder B348 noch B265, B381 oder F136 machen die Bruchzähigkeit zur Abnahmeanforderung. Behandeln Sie sie als Werkstoffverhalten, nicht als zertifizierte Zahl.
ATI und Carpenter geben beide an, dass ELI eine höhere Schadenstoleranz, bezogen auf Bruchzähigkeit und Ermüdungsrisswachstum, sowie bessere kryogene Eigenschaften aufweist. Carpenter ergänzt, dass die Zähigkeit bei lamellaren und gröberen Alpha-Beta-Gefügen zunimmt; bei identischer Chemie schneidet beta-geglühtes Grade 23 daher besser ab als werkseitig geglühtes Grade 23. ATI weist außerdem darauf hin, dass ELI-Schweißnähte gegenüber Schweißnähten der Standardgüte Vorteile bei Duktilität, Kerbschlagarbeit und Zähigkeit haben.
Veröffentlichte typische Bruchzähigkeit (ebener Dehnungszustand) liegt für Grade 23 bei etwa 75 bis 90 MPa·m^0,5 gegenüber rund 55 bis 75 für Grade 5. Das sind Literaturbereiche, keine Spezifikations-Mindestwerte: Die Zähigkeit variiert mit Gefüge, Form und Orientierung und wird nur zertifiziert, wenn sie als Zusatzanforderung gekauft wird.
Carpenter veröffentlicht für geglühtes Ti-6Al-4V ELI axiale Ermüdungsgrenzen bei einem Spannungsverhältnis von 0,06 bis 0,1 von 400 bis 700 MPa (60 bis 100 ksi) glatt und 140 bis 270 MPa (20 bis 40 ksi) gekerbt bei einem Kerbfaktor von 3. Die Spanne ist breit, weil hochzyklische Ermüdung von Gefüge und Oberflächenzustand bestimmt wird: Oberflächengüte und die Abwesenheit von Alpha-Case entscheiden die Ermüdungslebensdauer ebenso wie der Grade auf dem Zeugnis.
Tiefe Temperatur ist der Punkt, an dem das Interstitial-Argument eindeutig wird. Grade 5 verliert mit fallender Temperatur Duktilität, weil sauerstoffverfestigtes Alpha dem Gleiten widersteht. Grade 23 behält nutzbare Dehnung bis zur Flüssigwasserstoff-Temperatur: Veröffentlichte Forschung an ELI mit Sauerstoff nahe 0,10 Prozent berichtet bei 20 K eine Streckgrenze um 1600 MPa und Bruchdehnung bis 12 Prozent. Spezifikationen für kryogene Behälter und Komponenten nennen daher eher ELI als Grade 5; welcher Grade gilt, bestimmen maßgebende Norm und Bestellung, keine allgemeine Regel.
Physikalische Eigenschaften von Titan Grade 23
Die physikalischen Eigenschaften sind gegenüber Grade 5 praktisch unverändert. Typische veröffentlichte Werte bei Raumtemperatur.
| Property | Value |
|---|---|
| Density | 4,43 g/cm3 (0,160 lb/in3), Bereich 4,42 bis 4,47 |
| Solidus | 1593 bis 1616 C (2900 bis 2940 F) |
| Liquidus | 1636 bis 1674 C (2976 bis 3046 F) |
| Beta transus | 975 C (1790 F), Bereich 963 bis 991 |
| Elastizitätsmodul | 105 to 115 GPa |
| Shear modulus | 41 to 45 GPa |
| Poisson ratio | 0,31 bis 0,34 (üblich zitiert 0,342) |
| Wärmeleitfähigkeit | 6,6 bis 7,0 W/m·K |
| Spezifische Wärmekapazität | 526 bis 570 J/kg·K bei 20 C |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 8,6 x 10^-6 /K (20 bis 100 C), 9,2 (20 bis 315 C) |
| Spezifischer elektrischer Widerstand | 168 bis 175 µΩ·cm |
| Magnetisches Verhalten | keines, relative Permeabilität 1,01 oder niedriger |
Zwei davon treiben Werkstattentscheidungen. Die Wärmeleitfähigkeit nahe 6,7 W/m·K ist rund ein Siebtel von Kohlenstoffstahl; die Zerspanungswärme bleibt also im Werkzeug statt im Span. Der Beta-Transus nahe 975 °C setzt die Glühobergrenze: Wird er überschritten, ist das globulare Gefüge verloren.
Welche UNS-Nummer gilt für Grade 23, R56407 oder R56401?
Beide sind korrekt. Welche auf Ihr Zeugnis gehört, hängt von der bestellten Norm ab, nicht von den Worten Grade 23. Das ist der häufigste Dokumentationsfehler bei ELI-Einkäufen, und mehrere vielzitierte Grade-23-Datenblätter drucken unabhängig davon R56401.
Die Regel ist einfach. Jede industrielle Spezifikation der ASTM B-Serie bezeichnet Grade 23 als UNS R56407. Nur ASTM F136, die chirurgische Implantatspezifikation, trägt R56401, und diese Nummer steht in ihrem Titel.
| Bestellte Norm | Abgedeckte Produktformen | Grade-Bezeichnung in der Norm | UNS number |
|---|---|---|---|
| ASTM B265 | Band, Blech, Platte | Grade 23 | R56407 |
| ASTM B348 | bar, billet | Grade 23 | R56407 |
| ASTM B381 | forgings | Grade F-23 | R56407 |
| ASTM B863 | Draht | Grade 23 | R56407 |
| ASTM F136 | Band, Blech, Platte, Stab, Schmiedestab und Draht für die Herstellung chirurgischer Implantate | Ti-6Al-4V ELI | R56401 |
| ASTM B348 / B265, Grade 5 | Stab, Blech, Platte | Grade 5 | R56400 |
Der veröffentlichte Geltungsbereich von ASTM B348 lautet wörtlich: Grade 23, UNS R56407, Titanlegierung, 6 Prozent Aluminium, 4 Prozent Vanadium mit extra niedrigen interstitiellen Elementen, ELI. B265 und B863 verwenden identische Formulierungen; B381 verwendet Grade F-23, UNS R56407. ASTM F136 trägt den Titel Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications, UNS R56401. Die International Titanium Association und ATI veröffentlichen ELI beide unter R56407.
Warum das kommerziell zählt: Nennt Ihre Zeichnung ASTM B348 Grade 23 und das Zeugnis druckt R56401, passt das Zeugnis nicht zur bestellten Spezifikation, und ein Wareneingangsprüfer kann es zurückweisen. Auch der umgekehrte Fall kommt vor, F136-Implantatmaterial zertifiziert als R56407, und das Qualitätssystem des Geräteherstellers meldet eine Rückverfolgbarkeitslücke. Die Nummern sind nicht austauschbar, weil sich die Abnahmepakete unterscheiden: F136 ergänzt eine Yttriumgrenze, erlaubt mehr Stickstoff und stellt eigene Produktanforderungen.
Regel für Einkäufer: Setzen Sie die Norm an die erste Stelle und lassen Sie die UNS-Nummer folgen. Nennt ein Angebot Grade 23 nach ASTM B348, schreibt aber R56401, die F136-Nummer, klären Sie vor der Schmelzenzuteilung, welche auf das Zeugnis gehört.
Normen und Produktformen
Grade 23 ist über das gesamte Halbzeugspektrum abgedeckt. Die zutreffende Spezifikation ergibt sich aus der Produktform, und die UNS-Nummer folgt ihr.
| Produktform | Primäre ASTM-Spezifikation | Weitere übliche Spezifikationen |
|---|---|---|
| Stangen und Knüppel | ASTM B348 Grade 23 | AMS 4930, AMS 4931, ASTM F136 |
| Blech, Band und Platte | ASTM B265 Grade 23 | AMS 4907, ASTM F136 |
| Schmiedeteile | ASTM B381 Grade F-23 | ASTM F136 |
| Draht | ASTM B863 Grade 23 | AMS 4956, ASTM F136 |
| Weld wire | AWS A5.16 ERTi-23 | – |
| Nahtlose und geschweißte Rohrleitung | ASTM B861, ASTM B862 | – |
| Fittings | ASTM B363 | – |
| Vormaterial für chirurgische Implantate | ASTM F136 | ISO 5832-3 |
Abnahmedetails je Produktform finden Sie in unserem Leitfaden zu ASTM B348 Stäben und Knüppeln und Leitfaden für Bleche und Platten nach ASTM B265. See also Ti-6Al-4V ELI Titanstab.
Grade 23 vs. Grade 5: wann sich der ELI-Aufpreis lohnt
Grade 5 ist der richtige Standard. Er ist breiter verfügbar und trägt 895 MPa Mindest-Zugfestigkeit gegen 828; bei einem statisch belasteten, über die Streckgrenze ausgelegten Teil kostet der ELI-Grade also mehr und liefert weniger Festigkeit pro Kilogramm.
Grade 23 verdient den Aufpreis, wenn die Versagensart ein Riss ist und kein Spannungsniveau: bruchkritische Teile, bei denen ein Fehler toleriert statt vermieden werden muss, ermüdungsbeanspruchte Teile nahe der Dauerfestigkeit, geschweißte Baugruppen, bei denen die Schweißnahtduktilität maßgebend ist, kryogener Einsatz und Implantatmaterial. Die Kosten stecken im Schmelzweg, nicht im Legierungsgehalt: Eine Sauerstoffobergrenze von 0,13 Prozent verlangt ausgewähltes Einsatzmaterial und in üblicher Industriepraxis mehrfaches Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen, was einengt, als was eine Schmelze zertifiziert werden kann.
Die Wahl wird fallweise geklärt in unserem Vergleich Titan Grade 5 vs. Grade 23. For an RFQ that is still comparing Grade 2, Grade 5 and the corrosion grades in bar form, use the Leitfaden zur Güteauswahl für Titanstab.
Anwendungen
Chirurgische Implantate. Ti-6Al-4V ELI nach ASTM F136 und ISO 5832-3 ist die bewährte Standardlegierung für tragende Dauerimplantate: Hüft- und Knieschäfte, Wirbelsäulenstäbe und Pedikelschrauben, Traumaplatten, Knochenschrauben, Dentalkomponenten. Die Biokompatibilität kommt von der passiven Titandioxidschicht, die sich an Luft oder in Körperflüssigkeit sofort neu bildet und die Legierung die Chlorid-Chemie tolerieren lässt. Ermüdung ist der zweite Grund, denn ein Implantat wird über Millionen Zyklen zyklisch belastet. Beiyu liefert Halbzeug in diesem Grade, Stab, Platte, Draht und Schmiedeteile, das Implantathersteller zerspanen und als Medizinprodukte validieren. Wir fertigen keine fertigen Implantate. Details in unserem Leitfaden zu medizinischen Titannormen und den ASTM F136 ELI bar page.
Kryogener Einsatz. Kryogene Behälter, Flüssigwasserstoff- und Flüssigsauerstoff-Hardware sowie Strukturen von Kaltend-Prüfständen, wo erhaltene Duktilität unter minus 196 °C das Auswahlkriterium ist.
Bruchkritische und ermüdungsbeanspruchte Teile. Schadenstolerante Zellen- und Drehflügler-Komponenten, Subsea-Hardware, Druckbehältersektionen und jedes Teil, das nach Schadenstoleranz- statt Safe-Life-Philosophie ausgelegt ist, wo der zulässige Wert vom Risswachstum bestimmt wird, nicht von der Streckgrenze.
So spezifizieren Sie Titan Grade 23 auf einer Bestellung
Die meisten Streitfälle hier sind Dokumentationsstreitfälle. Eine eindeutige Bestellposition enthält:
- Norm und Grade zusammen, zum Beispiel ASTM B348 Grade 23, oder ASTM F136. Niemals Grade 23 allein.
- Die zur Norm passende UNS-Nummer, R56407 für die B-Serie und R56401 für F136, damit das Zeugnis beim Wareneingang prüfbar ist.
- Form, Abmessungen und Toleranzklasse, ergänzt um die Angabe „werkseitig geglüht“ oder „beta-geglüht“, wenn die Zähigkeit maßgebend ist.
- Oberflächenzustand, da die Entfernung der Alpha-Case-Schicht die Ermüdungslebensdauer bestimmt.
- Alles über die Norm hinaus, etwa Brucheinschnürung über dem B348-Minimum, eine Ultraschallklasse oder ein Zähigkeits- oder Ermüdungstest, als Zusatzanforderung bei der Anfrage.
- Geforderte Zertifizierung, einschließlich der ausgewiesenen Chargennummer.
Beiyu Titanium liefert Grade-23-Halbzeug nach ASTM-Spezifikationen. Wenn Dokumentation 3.1 nach EN 10204 und Schmelzen- oder Los-Rückverfolgbarkeit gefordert sind, nennen Sie die gewünschten Ergebnisse und Rückverfolgbarkeitsfelder in der Anfrage. Senden Sie Zeichnung oder Spezifikationszeile, und Beiyu bestätigt Grade, Norm, UNS-Bezeichnung und Dokumentenumfang im Angebot.
Häufig gestellte Fragen
Ist Titan Grade 23 fester als Grade 5?
Nein, nicht bei statischer Festigkeit. Grade 5 hat das höhere Spezifikationsminimum, 895 MPa Zugfestigkeit und 828 MPa Streckgrenze, gegen 828 und 759 für Grade 23 in derselben geglühten Stabform. Grade 23 ist zäher, nicht fester: Er widersteht Rissbildung und Risswachstum besser, behält Duktilität bei kryogener Temperatur und schneidet bei Ermüdung und in Schweißnähten besser ab.
Können aus Stäben nach ASTM B348 Grade 23 Implantate gefertigt werden?
Nicht als Ersatz für ASTM F136. Die Chemie überschneidet sich stark, aber F136 ist das, was Qualitätssysteme und Regulierer der Medizintechnik für Implantatmaterial anerkennen, und sie trägt ihre eigene UNS-Nummer, R56401, plus eine Yttriumgrenze und eigene Produktanforderungen. B348 Grade 23 ist industriell, und ihn für ein Implantat zu bestellen erzeugt eine Rückverfolgbarkeitslücke, die im Geräte-Audit auffällt.
Warum kostet Titan Grade 23 mehr als Grade 5?
Die Kosten stecken in der Schmelze, nicht im Legierungsgehalt. Sauerstoff auf maximal 0,13 Prozent und Eisen auf 0,25 Prozent zu halten erfordert ausgewähltes Einsatzmaterial und mehrfaches Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen und verengt das Fenster, in dem eine Schmelze zertifiziert werden kann; mehr von jeder Schmelze fällt also durch. Der Aufschlag variiert mit Form, Volumen und Zertifizierungspaket.
Enthält Titan Grade 23 Nickel?
Nein. Nickel ist kein Legierungselement in Ti-6Al-4V ELI. Die Zusammensetzung ist Titan mit 5,5 bis 6,5 Prozent Aluminium und 3,5 bis 4,5 Prozent Vanadium, plus kontrollierten interstitiellen Elementen und Eisen. Nickel wird nicht absichtlich zugesetzt, kann aber wie jedes Restelement in Spuren vorhanden sein, kontrolliert über die Restelementgrenze von 0,1 Prozent je Element und 0,4 Prozent gesamt. Ob ein Material für einen nickelsensiblen Patienten geeignet ist, entscheiden Gerätehersteller und Kliniker anhand des Werkszeugnisses, nicht der Grade allein.