64 Prakt. Met. Sonderband 52 (2018)
Legierungsdesign — von ZX50 zu ZX10
Eine Reihe aktueller Studien bewerten den Einfluss des Zn Gehalts auf die Korrosionseigenschaften
von Mg-Zn-Ca Legierungen [16-18]. Allen gemeinsam ist die Aussage, dass zur Vermeidung von edlen,
mikrogalvanisch und damit korrosionsbeschleunigend wirkenden Ausscheidungen ein gut ausbalancier-
ter Gehalt von Zn und Ca notwendig ist. Bakhsheshi-Rad et al. [16,18] weisen im Besonderen darauf
hin, dass sich ein hoher Zn Gehalt über die Bildung erhöhter IM1 Gehalte (CasMgxZn15-x, 4.6 <= x < 12)
negativ auswirkt. Zur Verbesserung des elektrochemischen Verhaltens ist konsequenterweise eine Re-
duktion des Zn-Gehalts erforderlich (Abb. 1).
— 2 —
HCOP+LIQUID
. .
+ 43 !
re
7” HCP + IM1 + MgZn
mes mpeg ne
A 2 3 4 5 6 7
w%(Zn)
Abb. 1: System Mg-Zn-Ca; Isopleth bei 0.3 Gew.-% Ca. Die strichlierten Linien kennzeichnen die
Lage der Legierungsvarianten ZX50 und ZX10.
Eine solch einfache Maßnahme würde jedoch zu einer deutlichen Reduktion der Festigkeit führen, da
der Effekt der Zn-Mischkristallhärtung wesentlich reduziert wäre. Aus den Daten in [10] kann ein Misch-
ristallhärtungseffekt von etwa 20 MPa pro Gewichtsprozent Zn abgeleitet werden. Eine Reduktion des
Zn-Gehaltes von 5% auf 1% würde deshalb zu einer unerwünschten Festigkeitsabnahme von = 80 MPa
führen. Zur Kompensation des Verlustes an Mischkristallhärtung müssen folglich weitere Maßnahmen
ergriffen werden. Nach Wilson und Chapman [19] sowie Barnett et al. [20] liegt der Hall-Petch Koeffizient
für feinkörnige Mg Legierungen bei etwa 160 MPaum'?, Demzufolge würde eine Verringerung der Korn- al
grösse von 4 um (Korngrösse von ZX50 in [21]) auf 1 um eine Erhöhung der Streckgrenze um ca. u
80 MPa zur Folge haben. Diese einfache Rechnung zeigt, dass zur Erzielung der angestrebten Festig- on
keit (Streckgrenze > 250 MPa) eine ausgeprägte Kornfeinung erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, dass
eine besondere thermomechanische Behandlung, gekennzeichnet durch eine Lésungsglithung und
Warmauslagerung plus nachfolgender Warmumformung (z.B. Extrusion) im Temperaturbereich der La-
vesphase (Mg,Zn)Ca, d.h. 325 - 350°C (Abb. 2a), zu Korngréssen von ca. 1.5 um führt (Abb. 2b).
Demzufolge ergeben sich sehr attraktive mechanische Eigenschaften: Streckgrenze = 250 MPa, Zug-
festigkeit = 270 MPa, Bruchdehnung = 20% [22].
Die guten mechanischen Eigenschaften der Legierung XHP ZX10 gehen einher mit einem ausgezeich-
neten Biokorrosionsverhalten. Die Abbildung 3 illustriert das in vitro Verhalten der Legierung ZX10 im
Vergleich zur hoch-Zn haltigen Variante ZX50. Der deutlich geringere Korrosionsangriff erklärt sich aus
der Tatsache, dass die Phase (Mg,Zn)2Ca unedler als die Mg-Matrix ist und sich anodisch auflöst, wäh-
rend sich bei der Legierung ZX50 die Matrix anodisch aufldst, immer wieder neue chemisch edlere IM1-
Phase freigelegt wird und sich an der Oberflache metallisches Zn abscheidet. .
Die Abbildung 4 zeigt das in-vivo-Degradationsverhalten im Vergleich zu ZX50 nach 12 Wochen Im-
plantationszeit (Implantation von Stiften mit 16 mm Durchmesser in den Femur von Ratten). Die schnell
korrodierende Legierung ZX50 hat sich komplett abgebaut, während die Legierung ZX10 den ge-
wünschten langsamen und homogenen Abbau zeigt.
“Fein
’
