Entwicklung von Zirkoniumlegierungen für tribologische Anwendungen und deren mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung

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Für viele Anwendungen werden tribologische Werkstoffe mit exzellentem Verscheiß- und dabei sehr gutem Korrosionsverhalten und niedriger Dichte benötigt. So ist beispielsweise eine Steigerung der Lebensdauer von künstlichen Gelenken von großem Interesse. Zirkoniumlegierungen bieten hier einen interessanten Ansatz, da sich die Oberfläche durch Oxidation bei erhöhter Temperatur an Luft in harte und verschleiß- und korrosionsfeste Zirkonoxidkeramik umwandeln lässt, so dass das Metall für Implantate eingesetzt werden kann. Zudem besitzt es mit ca. 6 g/cm3 eine relativ niedrige Dichte. Die Innovation liegt darin die Legierungselemente so zu wählen, dass zwei Eigenschaften gleichzeitig beeinflusst werden: zum Einen wird die Festigkeit und Härte der Legierung erhöht und gleichzeitig wird während der Oxidation die tetragonale Oxidphase stabil gebildet. Die meisten Zirkoniumlegierungen sind relativ weich, so dass bei hohen punktuellen Belastungen die Gefahr besteht, dass die Oxidschicht abplatzt, weil sich das Grundmaterial stark verformt. Durch ein festeres Grundmaterial werden unter Last die Spannungen zwischen Oxidschicht und Grundwerkstoff minimiert. Eine tetragonale Schicht haftet besser und ist verschleißbeständiger. Außerdem bildet sich auf den bisher handelsüblichen Zirkoniumlegierungen bei der Oxidation an Luft zunächst die tetragonale, diese wandelt sich aber sofort in die monokline Gitterstruktur um. Die tetragonale Phase soll bei den neuen Legierungsmischungen erhalten bleiben.