Oxidations- und Sauerstoffdiffusionsverhalten der Zirconiumlegierung ZrNb7 für tribologische Anwendungen

Die vorliegende Arbeit beschreibt zwei Wärmebehandlungsverfahren um eine Oberfächenmodifikation der Zirconiumlegierung ZrNb7 zu erzielen. Dadurch ist es möglich, die Sauerstoffdiffusionszone unterhalb der Oxidschicht erheblich zu vergrößern. Dabei handelt es sich zum einen um eine dreistufige Wärmebehandlung, bei der nach der ersten Oxidation die Oxidschicht in einem Reduktionsschritt wieder aufgelöst wird. Sauerstoff wird im metallischen Gefüge gelöst und bildet eine dicke Sauerstoffdiffusionszone aus. Im letzten Schritt wird die Oberfläche erneut oxidiert, wobei ein Teil der Sauerstoffdiffusionszone erhalten bleibt. Eine weitere Wärmebehandlungsmethode verringert die Oxidationsgeschwindigkeit von ZrNb7 durch das Absenken des Sauerstoffpartialdrucks derart, dass während der Oxidation genügend Sauerstoff in das Metall diffundieren kann, um eine ausreichend dicke Sauerstoffdiffusionszone auszubilden. Diese Wärmebehandlungsverfahren führen zu einer deutlich besseren Anbindung der keramischen Deckschicht an das metallische Substrat.
Ein wichtiger Unterschied der beiden Oxide ist in der Morphologie zu erkennen. Das weiße Oxid zeigt viele feine Mikrorisse in der gesamten Schicht, die aufgrund der hohen Druck- und Zugspannungen beim Aufwachsen entstehen. Sauerstoffleerstellen im schwarzen Oxid wirken wie elastische Puffer, die die Druck- und Zugspannungen beim Aufwachsen ausgleichen können und damit zu einer dichteren und weniger rissbehafteten Oxidschicht führen. Sowohl beim Kalottenverschleiß, als auch am Kniegelenksprüfstand zeigt das dichte, schwarze Oxid deutlich bessere Verschleißeigenschaften als das rissbehaftete, weiße Oxid. Damit eignet sich die Oxidation bei geringem Sauerstoffpartialdruck besonders, um Oxidschichten für tribologische Anwendungen zu erzeugen.