DE102007020473B4 - Keramischer Werkstoff, seine Verwendung und Sinterformkörper - Google Patents

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Abstract

Keramischer Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er 24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,26 bis 0,35 Gew.-% Cr2O3, 0,50 bis 0,65 Gew.-% Y2O3, 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO sowie Al2O3 in Ergänzung zu 100 Gew.-% enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff, seine Verwendung und einen Sinterformkörper.
  • Keramische Werkstoffe bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ihre Zusammensetzung kann durch gezielte Zugabe von bestimmten Elementen und/oder deren Verbindungen auf den jeweils vorgesehenen Einsatz abgestimmt werden. Aluminiumoxid und Zirkonoxid beispielsweise sind keramische Werkstoffe, die einzeln oder in Kombination miteinander unter anderem zu Schneidwerkzeugen, Katalysatorträger oder Prothesen verarbeitet werden.
  • In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass sich ein Aluminiumoxidwerkstoff in der folgenden Zusammensetzung im Sinterkörper als Werkstoff insbesondere für die Anwendung im medizintechnischen Bereich, beispielsweise für die Herstellung von Orthesen und Endoprothesen, wie Hüftgelenk- und Kniegelenkimplantate, eignet:
    24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,26 bis 0,35 Gew.-% Cr2O3, 0,50 bis 0,65 Gew.-% Y2O3, 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO sowie Al2O3 in Ergänzung zu 100 Gew.-% (s. Tabelle 1).
  • Der Gehalt an Al2O3 ergänzt sich von 72,65 Gew.-% bis 74,54 Gew.-%. Rohstoffbedingte Verunreinigungen (< 0,05 Gew.-%) sind möglich, aber wegen ihres geringfügigen Anteils nicht gesondert aufgeführt.
  • Aus der Druckschrift DE 198 50 366 A1 ist ein Sinterformköprer bekannt, der einen Matrixwerkstoff aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall und einen weiteren Mischkristall sowie stabilisiertes ZrO2 enthält.
  • Die Druckschrift DE 41 16 008 A1 beschreibt einen aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall gebildeten Matrixwerkstoff eines Sinterformkörpers, in dem 2 bis 40 Vol.-% stabilisierende Oxide enthaltendes Zirkoniumdioxid eingelagert sind.
  • Die Druckschrift EP 1 188 729 A2 beschreibt einen Verbundwerkstoff, der bis zu 99,9 Gew.-% einer Komponente bestehend aus Cr2O3-dotiertem Al2O3, SrAl12-xCrxO19 und Y2O3-stabilisiertem ZrO2 enthält. Der Werkstoff enthält eine Komponente B, die aus einer oder mehreren der Verbindungen TiC, TiN, TI(C,N) ZrC, ZrN, Zr(C,N), HfC, HfN, Hf(C,N), WC, TaC besteht.
  • Der aus der Druckschrift EP 1 845 072 A1 bekannte Werkstoff enthält drei Komponenten: A = körnige Aluminiumoxidpartikel, B = körnige Zirkoniumoxidpartikel und C = säulenartige Kristalle eines Komplex-Metall-Oxids, das ein Erdalkalimetall-Element und Aluminium enthält.
  • Die WO 01/80 783 A2 beschreibt einen Werkstoff, bei dem der Anteil des Stabilisators Y2O3 2,1 mol% beträgt.
  • Aus dem bekannten Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Werkstoffkombination nicht bekannt.
  • Dominierender Gefügebestandteil einer solchen Werkstoffkombination ist das Aluminiumoxid. Daher liegen die eigenschaftsbestimmenden Merkmale (Härte, E-Modul, Wärmeleitfähigkeit) dicht an den Eigenschaften von reinem Aluminiumoxid. Die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat sind in die Aluminiumoxidmatrix eingelagert. Die Rohstoffe werden vorzugsweise in hoher Reinheit eingesetzt. Durch die hohe Reinheit der Rohstoffe bilden sich nur in extrem geringem Umfang Korngrenzenphasen. Das Strontiumaluminat bildet charakteristische plättchenförmige Kristallite (Platelets), die wesentlich zur Festigkeitssteigerung beitragen.
  • Die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat tragen zur Steigerung der Risszähigkeit bei, die um etwa 60% höher liegt als bei reinem Aluminiumoxid. Durch diese Verstärkungskomponenten wird die Festigkeit fast um den Faktor 2 gesteigert, gleichzeitig steigt die Schadenstoleranz, das heißt die Eigenschaft des Bauteils, auch bei einer möglichen Beschädigung noch eine hohe Restfestigkeit zu behalten.
  • Bei hoher mechanischer Belastung eines aus dem Werkstoff hergestellten Sinterkörpers werden überraschenderweise Mechanismen aktiviert, die beispielsweise eine Rissausbreitung hemmen oder stoppen. Der wichtigste Mechanismus ist dabei die spannungsinduzierte Umwandlung des Zirkonoxids von der tetragonalen zur monoklinen Phase. Die mit der Umwandlung einhergehende Volumenvergrößerung des Zirkonoxids bewirkt die Ausbildung lokaler Druckspannungen, die der äußeren Zugbelastung entgegenwirkt und somit das Risswachstum behindert.
  • Durch die eingelagerten Platelets wird überraschenderweise der Risspfad abgelenkt, so dass zusätzliche Energie bei der Rissausbreitung absorbiert wird.
  • Als Besonderheit des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist anzusehen, dass sich die beiden Mechanismen wechselseitig verstärken, so dass die effektive Steigerung der Risszähigkeit sogar größer ist, als es durch simple Addition der Einzelmechanismen zu erwarten wäre.
  • Die Herstellung von Sinterformkörpern aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff erfolgt mittels konventioneller Keramiktechnologie. Die wesentlichen Prozessschritte sind:
    • 1. Pulvermischung gemäß vorgegebener Zusammensetzung in Wasser ansetzen, Verwendung von Verflüssigern zur Vermeidung der Sedimentation
    • 2. Homogenisieren im Dissolver (schnelllaufender Rührer)
    • 3. Mahlen in Rührwerkskugelmühle, dabei Erhöhung der spezifischen Oberfläche der Pulvermischung (= Zerkleinerung)
    • 4. Zugabe von organischen Bindern
    • 5. Sprühtrocknen, dabei entsteht ein rieselfähiges Granulat mit definierten Eigenschaften
    • 6. Befeuchten des Granulats mit Wasser
    • 7. Axial oder isostatisch pressen
    • 8. Spanabhebende Grünbearbeitung, dabei wird unter Berücksichtigung der Sinterschwindung weitgehend die Endkontur abgebildet
    • 9. Vorbrand, dabei Schwindung auf ca. 98% der theoretischen Dichte. Die noch verbleibenden Restporen sind nach außen geschlossen
    • 10. Heißisostatpressen unter hoher Temperatur und hohem Gasdruck, dadurch praktisch vollständige Endverdichtung
    • 11. Sogenannter Weißbrand, dadurch wird das beim Heißisostatpressen erzeugte Ungleichgewicht der Sauerstoffionen in der Keramik ausgeglichen
    • 12. Hartbearbeitung Schleifen und Polieren
    • 13. Tempern
  • Die Eigenschaften des Sinterformkörpers aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff können noch durch Einlagerungen verstärkt werden. So ist es möglich, Whisker und/oder Fasern vor der Ausformung eines Sinterkörpers in den Werkstoff zu mischen oder netzartige Strukturen oder Gewebe in den Werkstoff im Grünzustand einzuarbeiten. Die Whisker, Fasern oder Netze oder Gewebe müssen aus einem Werkstoff sein, der nicht mit dem keramischen Werkstoff in der Weise in Wechselwirkung tritt, dass eine Verschlechterung seiner Eigenschaften eintritt. Außerdem darf sich der Werkstoff während des Sinterns nicht in einer Weise verändern, dass der Werkstoff geschädigt wird.
  • Sinterformkörper, die aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff erhalten werden, vereinen überraschenderweise die jeweils besten Eigenschaften der an sich konkurrierenden keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid und Zirkonoxid für Implantatanwendungen in sich: Härte, Alterungsbeständigkeit, Benetzungsverhalten gegen Wasser, hohe Wärmeleitfähigkeit (bekannt aus Sinterformkörpern aus Aluminiumoxid), hohe Festigkeit und hohe Risszähigkeit (= Schadenstoleranz) (bekannt aus Sinterformkörpern aus Zirkonoxid).

Claims (10)

  1. Keramischer Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er 24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,26 bis 0,35 Gew.-% Cr2O3, 0,50 bis 0,65 Gew.-% Y2O3, 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO sowie Al2O3 in Ergänzung zu 100 Gew.-% enthält.
  2. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 4-Punkt-Biegefestigkeit ≥ 1000 MPa beträgt, dass die Bruchzähigkeit KIc ≥ 5,5 MPam0,5 ist, dass der Weibull-Modul ≥ 7 ist, dass die Härte HV10 ≥ 1740 ist und dass die Dichte ED2000 ≥ 4,360 g/cm3 ist.
  3. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zusätzlich mit Whiskern und/oder Fasern oder netzartigen Strukturen oder Geweben aus geeigneten Werkstoffen durchsetzt ist.
  4. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile Zirkonoxid und Strontiumaluminat in der Aluminiumoxidmatrix eingelagert sind.
  5. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strontiumaluminat in Form von plättchenförmigen Kristalliten, Platelets, vorliegt.
  6. Sinterformkörper, erhältlich aus einem keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 5.
  7. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung von Sinterformkörpern.
  8. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 in der Medizintechnik.
  9. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß Anspruch 8 zur Herstellung von Orthesen und Endoprothesen.
  10. Verwendung des keramischen Werkstoffs gemäß Anspruch 8 zur Herstellung von Hüftgelenk- und Kniegelenkimplantaten.
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