Die Erfindung betrifft eine neue Magnesiumlegierung und seine Verwendung sowie ein dazugehöriges Herstellungsverfahren für die Magnesiumlegierung.

Bekannt sind zahlreiche Magnesiumlegierungen unterschiedlichster Zusammensetzung und Verwendbarkeit. Vorliegend wird unter dem Begriff Magnesiumlegierung eine Gruppe von Legierungen verstanden, die neben Magnesium als Hauptbestandteil Zusätze (gewöhnlich bis ca. 10%) an Aluminium, Mangan, Zink, Kupfer, Nickel, Cer-Mischmetall und anderen Seltenerdmetallen, Silber, Zirconium, Silizium usw. enthalten. Magnesiumlegierungen werden eingeteilt in Mg-Knetlegierungen (Basis üblicherweise Mg-Mn, Mg-Al-Zn) und Mg-Gusslegierungen; letztere werden ihrerseits in Sandguss, Kokillenguss und Druckguss oder nach Legierungsbestandteilen untergliedert. Magnesiumlegierungen können nach den meisten bekannten metallurgischen Urform- und Umformverfahren verarbeitet werden.

Die Legierungszusätze bestimmen maßgeblich die Eigenschaften des metallischen Werkstoffs. Bekannt ist beispielsweise, dass Aluminium-Gehalte über ca. 10 Gew.% zum Verspröden der Legierungen führen. Zink und besonders Zirconium erhöhen die Zähigkeit, während Mangan die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Beryllium-Zusätze von einigen ppm verringern merklich die Oxidationsneigung des schmelzflüssigen Metalls, sind jedoch aufgrund ihrer Toxizität unerwünscht. Seltenerdmetalle und Thorium steigern die Warmfestigkeit. Der Schmelzpunkt der Legierungen liegt üblicherweise zwischen 590° und 650°C.

Haupteinsatzgebiete von Magnesiumlegierungen sind Luftfahrt, Maschinenbau aller Art, optische Geräte, Elektrotechnik, Elektronik, Transportmittel, Büromaschinen und Haushaltsmaschinen, und zwar generell in Bereichen, bei denen es auf Festigkeit und Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht ankommt sowie niedrige Fertigungskosten bei großen Serien gefordert werden. Zunehmende Bedeutung erhalten Magnesiumlegierungen im Motorenbau für Kraftfahrzeuge. Eine Spezialanwendung betrifft die Verwendung von biodegradierbaren Magnesiumlegierungen in der Medizintechnik, insbesondere für vaskuläre und orthopädische Implantate.

Eine Limitierung bekannter Magnesiumlegierungen besteht insbesondere in der für bestimmte Verarbeitungsverfahren und Einsatzzwecke unzureichenden Duktilität des Werkstoffs. Ein Ansatzpunkt zur Verbesserung könnte in der Verminderung der Korngröße des metallischen Gefüges liegen (Feinen). Das Feinen umfasst alle metallurgischen Maßnahmen, die zu einer kleinen Korngröße einer Legierung führen. Allgemein setzt dies die Erhöhung der Keimzahl in der Schmelze beim Erstarren oder im Festkörper durch feindisperse Ausscheidungen voraus. Feinen wirkt sich vorteilhaft auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Duktilität der Legierung aus. Im Bereich der Magnesiumlegierungen wurden sehr geringe Korngrößen bisher nur im kleinpräparativem Maßstab erzielt, etwa durch ECAP/ECAE-Verfahren (ECAP: equal channel angular pressing; ECAE: equal channel angular extrusion). Die genannten Verfahren lassen sich jedoch nicht großtechnisch umsetzen; bisher wurden nur kleine Volumina (wenige cm³) hoch-feinkörniger Legierungen vorwiegend mit der technischen Magnesiumlegierung AZ31 erzeugt. Erkenntnisse allgemeingültiger Natur über die für das Feinen notwendigen Legierungskomponenten oder gar deren Anteil in Magnesiumlegierungen liegen bisher nur in unzureichender Form vor.

Es besteht daher ein anhaltender Bedarf an Magnesiumlegierungen, die ein Feinen auch unter Rückgriff herkömmlicher großtechnischer Verfahren erlauben. Weiterhin besteht Bedarf an einer Magnesiumlegierung, deren Korngröße mit Hinsicht auf eine verbesserte Duktilität gegenüber herkömmlichen Legierungen verringert ist. Ferner besteht Bedarf an einem technisch im größeren Maßstab umsetzbaren Darstellungsverfahren für eine feinkörnige Magnesiumlegierung. Schließlich ist es mit Hinsicht auf ökologische Aspekte als auch eine medizintechnische Verwendung der Legierungen notwendig die Legierungskomponenten unter toxikologischen bzw. biokompatiblen Gesichtspunkten auszuwählen; letzteres insbesondere unter Vermeidung des in vielen Magnesiumlegierungen präsenten Aluminiums.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine neue Magnesiumlegierung der Zusammensetzung

• Y: 0,5 - 10
• Zn: 0,5-6
• Ca: 0,05 - 1
• Mn: 0-0,5
• Ag: 0 - 1
• Ce: 0 - 1
• Zr: 0 - 1 oder Si: 0 - 0,4

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass die genannten Legierungselemente mit den genannten Anteilen einerseits beim Erstarren aus der Schmelze durch ihre Anreicherung an der Erstarrungsfront und andererseits bei der Warmumformung durch die Bildung intermetallischer Phasen das Kornwachstum hemmen. Bei grobkörniger Gefügestruktur wird die plastische Verformung dominiert durch Versetzungsbewegungen auf der Basalebene und durch Zwillingsbildung; feinkörnige Magnesiumgefüge erlauben dagegen schon bei Raumtemperatur die Aktivierung von Prismen- und Pyramidalgleitung, was die Duktilität des Werkstoffs wesentlich verbessert. Die während der Erstarrung an der Erstarrungsfront angereicherten Legierungselemente mit hohem Q-Faktor (grain growth restriction factor) verzögern das Kornwachstum und tragen somit bei zu einer geringen Korngröße des Gussgefüges. Die in der erstarrten Magnesiumlegierung vorliegenden sehr kleinen intermetallischen Phasen der weiter unten noch näher erläuterten Zusammensetzung beeinflussen die Rekristallisation bei der Warmumformung des Gussgefüges und tragen ebenfalls wesentlich zur feinen Gefügeausbildung bei. Die Gegenwart der intermetallischen Phasen verbessert dabei nicht nur die Duktilität des Werkstoffs, sondern beeinflusst auch maßgeblich dessen Korrosionseigenschaften. Letzteres hat insbesondere Bedeutung, wenn die Magnesiumlegierung zur Herstellung biodegradierbarer Implantate (bevorzugt Stents) eingesetzt wird. In der Regel wird die Gegenwart feiner intermetallischer Phasen (anstelle grobkörniger Phasen) mit spezieller Stöchiometrie den Korrosionswiderstand weniger reduzieren. Ziel ist es, ein annähernd einphasiges Gefüge herzustellen und grob mehrphasige Gefüge zu vermeiden.

Bevorzugte Magnesiumlegierung ergeben sich durch die nachfolgenden Beschränkungen der Anteile des angegebenen Legierungsbestandteils oder mehrerer dieser Legierungsbestandteile (Angaben in Gew.%):

• Y: 0,5 - 4;
• Zn: 0,5 - 3,0; insbesondere 0,8 - 2,5;
• Ca: 0,05 - 0,3; insbesondere 0,05 - 0,2;
• Mn: 0 - 0,25; insbesondere 0,05 - 0,25;
• Ag: 0,05 - 0,6;
• Ce: 0 - 0,5;
• Zr: 0 - 0,7; insbesondere 0,3 - 0,7 oder Si: 0 - 0,25; insbesondere 0,05 - 0,25.

Die genannten Legierungszusammensetzungen scheinen ersten Vorversuchen und theoretischen Überlegungen zu Folge besonders geeignet hoch-feinkörnige Werkstoffe auf Magnesiumbasis zu liefern (insbesondere mit Korngrößen < 20 µm). Zu beachten ist, dass ein Nebeneinander von Zirconium und Silizium zu vermeiden ist, da sich für die Zwecke des Feinens ungeeignete intermetallische Phasen aus den beiden Elementen bilden.

Eine Legierung im erfindungsgemäßen Sinne bezieht sich auf einen metallischen ein- oder mehrphasigen Werkstoff eines Zwei- oder Mehrstoffsystems, dessen Ausgangskomponenten (Legierungselemente) metallurgisch miteinander in Wechselwirkung treten und dabei zur Bildung neuer Phasen führen (Mischkristalle, intermetallische Verbindungen, Überstrukturen). Die Magnesiumlegierung enthält als Hauptbestandteil Magnesium.

Bevorzugt ist - insbesondere auch im Zusammenspiel mit den vorgenannten bevorzugten Zusammensetzungsvarianten der Magnesiumlegierung -, dass die Magnesiumlegierung ein oder mehrere intermetallische Phasen bestehend aus

1. (i) Mg und einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus der Gruppe: Zn, Ca, Mn, Ag, Ce, Zr, Si und Y; oder
2. (ii) 2 oder mehr Elementen ausgewählt aus der Gruppe: Zn, Ca, Mn, Ag, Ce, Zr, Si und Y

Intermetallische Phasen (Verbindungen) sind im Gefüge von Legierungen vorhandene chemische Verbindungen aus zwei oder mehr metallischen Elementen, deren Struktur sich von jener der sie bildenden Metalle deutlich unterscheidet. Neben kubischen treten auch tetragonale und komplexere Strukturen auf. Im Gitter liegen außer metallischen auch Atom- und Ionenbindungsanteile vor. Neben intermetallischen Phasen mit stöchiometrischer Zusammensetzung entsprechend den vorhandenen Valenzen gibt es solche, bei denen diese exakte Zusammensetzung nur einen Sonderfall in einem breiten Homogenitätsbereich darstellt. Dies folgt aus dem Bestreben der beteiligten Metalle, bei den gegebenen Bindungsverhältnissen ein Gitter mit möglichst hoher Koordinationszahl und Packungsdichte auszubilden. Metallbindung und -eigenschaften sind dabei umso stärker ausgeprägt, je höher die Koordinationszahl ist, z.B. bei der Gruppe der Laves-Phasen. Hume-Rothery-Phasen bilden breite Homogenitätsbereiche, ebenso intermetallische Phasen mit Einlagerungsstrukturen. Bei Anwachsen der homöopolaren bzw. heteropolaren Bindungsanteile kristallisieren die intermetallischen Phasen in Gittern mit niederer Koordinationszahl, wie z.B. die Zintl-Phasen. Die Schmelzpunkte der intermetallischen Phasen liegen deutlich über denen der Metallkomponenten, ihre elektrische Leitfähigkeit ist erheblich niedriger. In metallischen Gefügen als Phasen auftretende intermetallische Verbindungen können in feindisperser Form die Festigkeit steigern oder in gröberer Form zu einer Versprödung der Legierung führen, darüber hinaus können sie die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.

Bevorzugt ist - insbesondere im Zusammenhang mit den vorherig beschriebenen Ausführungsvarianten - ein Volumenanteil der intermetallischen Phasen an der Magnesiumlegierung < 3 Vol.%, insbesondere < 2 Vol.%, besonders bevorzugt < 1 Vol.%. Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorzugsweise:

1. (i) eine Korngröße der intermetallischen Phasen < 3 µm, insbesondere < 1 µm; und /oder
2. (ii) eine Korngröße der Legierung < 20 µm, insbesondere < 10 µm.

Unter dem Begriff "Korngröße" wird vorliegend der Durchschnittswert des Durchmessers der in einem metallographischen Schliffbild vorliegenden Kristallite verstanden.

Magnesiumlegierungen der vorgenannten Ausführungsformen weisen für die Verarbeitung und ihre spätere Zweckbestimmung besonders günstige Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Magnesiumlegierungen auf: ihre Duktilität ist deutlich erhöht. Unter Duktilität (oder auch Zähigkeit, Verformungsvermögen) wird allgemein die Fähigkeit eines metallischen Werkstoffes verstanden, sich unter gegebenen Bedingungen bei hinreichend hohen mechanischen Beanspruchungen bleibend zu verformen, bevor Rissbildung eintritt. Diese Fähigkeit ist für viele Bauteile von großer Bedeutung, da örtlich auftretende mechanische Spannungshöchstwerte nur von einem duktilen Werkstoff rissfrei durch bleibende Verformung unter gleichzeitiger Kaltverfestigung abgebaut werden können. Gerade dieser Aspekt macht den Einsatz der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen als Werkstoff der Wahl für biodegradierbare Implantate, insbesondere Stents besonders vorteilhaft. Bei einem gegebenen Werkstoff ist die Duktilität abhängig von der Temperatur, der Beanspruchungsgeschwindigkeit, der Mehrachsigkeit des wirkenden mechanischen Spannungszustands und der Umgebung. Kennwerte der Duktilität sind z.B. die Bruchdehnung und -einschnürung, die Kerbschlagzähigkeit und die Bruchzähigkeit.

Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung eine Bruchdehnung von A5-Normproben bei Raumtemperatur von > 20 % auf. Die Bruchdehnung (Reißdehnung, Formelzeichen ER oder A₅) ist die Bezeichnung für das prozentuale Verhältnis der Längenänderung &Dgr;L (im Moment des Reißens) unter einer Zugbeanspruchung zur Ausgangslänge L₀.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer feinkörnigen Magnesiumlegierung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

1. (i) Bereitstellen eines Gemenges der Zusammensetzung
   • Y: 0,5 - 10
   • Zn: 0,5-6
   • Ca: 0,05 - 1
   • Mn: 0-0,5
   • Ag: 0-1
   • Ce: 0-1
   • Zr: 0-1 oder Si: 0-0,4
   wobei sich die Angaben auf Gew.% am Gemenge beziehen und Mg sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen den auf 100 Gew.% verbleibenden Restanteil am Gemenge einnehmen;
2. (ii) Urformen einer Magnesiumlegierung aus dem Gemenge durch Gießen; und
3. (iii) Umformen der Magnesiumlegierung durch Pressen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erstmalig möglich, sehr feinkörnige Magnesiumlegierungen im industriellen Maßstab herzustellen. Der Ansatz zeichnet sich schon dadurch aus, dass Rückgriff auf Erfahrungswerte aus an sich bekannten metallurgischen Verfahren genommen werden kann und so die Entwicklung eines industriellen Fertigungsprozesses wesentlich vereinfacht ist. Besonders bevorzugt erfolgt das Urformen im Schritt (ii) durch Stranggießen, da dieses Verfahren zu Werkstoffen hoher Homogenität führt. Ferner ist bevorzugt, wenn das Umformen im Schritt (iii) durch Strangpressen, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 280°C - 420°C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 300°C - 400°C, erfolgt. Hinsichtlich der Gemengezusammensetzung ist gegebenenfalls an die gleichen, schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der Magnesiumlegierung bevorzugten Zusammensetzungen anzupassen.

Gießen im Sinne der Erfindung bezieht sich auf ein Fertigungsverfahren, bei dem Werkstoffe in flüssigem oder breiigem Zustand in eine vorbereitete Hohlform (Gießform) gegossen werden, die das Negativ des abzugießenden Gussstücks bildet. Die Werkstoffe verfestigen sich in der Gießform und bilden diese als Positiv ab. Die Verfestigung erfolgt durch Erstarrung der metallischen Schmelze. Wenn druckloses Gießen zur Formfüllung nicht ausreicht, kann das Füllen unter Druck (Druckguss, Spritzguss) oder durch Nutzen der Fliehkraft (Schleuderguss) gegebenenfalls mit zusätzlicher Evakuierung der Gießform (Vakuumguss) erfolgen. Gießen im engeren Sinne der Erfindung bezieht sich auf Strangguss. Im Gegensatz zum Blockguss wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt. Dafür wird eine bodenlose gekühlte Kokille verwendet, in die das flüssige Metall gegossen wird. Innerhalb der Kokille erstarrt die Strangschale, die dann in Gießrichtung abgezogen wird und den flüssigen Kern umschließt. Nach dem Verlassen der Kokille wird die Strangschale weiter mit Wasser gekühlt, bis der Strang vollständig erstarrt ist.

Umformen (oder Verformen) ist die in der Metallbearbeitung gängige Bezeichnung für die plastische Deformation von metallischem Halbzeug unter dem Einfluss mechanischer Kräfte. Pressen bedeutet vorliegend das Zusammendrücken und Formen von Festkörpern, insbesondere die spanlose Umformung von Werkstoffen durch Druck in zumeist hydraulisch arbeitenden Maschinen. Die Bezeichnung Strangpressen bezieht sich auf ein Pressverfahren, bei dem ein Metallbolzen mit einem Stempel durch eine Matrize gedrückt wird. Dabei wird der Bolzen durch einen Aufnehmer umschlossen. Die äußere Form des Pressstrangs wird dabei durch die Matrize bestimmt. Durch das Einbringen verschieden geformter Dorne können auch Hohlräume erzeugt werden. Durch Strangpressen können Drähte, Rohre und Profile hergestellt werden.

Ein dritter Aspekt der Erfindung richtet sich auf eine nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte Magnesiumlegierung.

Ein vierter Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Magnesiumlegierung oder einer auf andere Weise hergestellten feinkörnigen Magnesiumlegierung mit den obig genannten bevorzugten Gefügeeigenschaften in der Medizintechnik, insbesondere zur Herstellung eines biodegradierbaren Implantats. Letzteres ist vorzugsweise ein Stent.

Ein Gemenge der Zusammensetzung (in Gew.%):

• Y: 3,5
• Zn: 0,85
• Ca: 0,25
• Ag: 0,5
• Mn: 0,15
• Rest: Mg und herstellungsbedingte Verunreinigungen

Magnesiumlegierung der Zusammensetzung (in Gew.:):

• Y: 6,5
• Zn: 1,5
• Ca: 0,25
• Ag: 0,5
• Mn: 0,15
• Zr: 0,5
• Rest: Mg und herstellungsbedingte Verunreinigungen

Eine Magnesiumlegierung der Zusammensetzung (in Gew.:):

• Y: 0,8
• Zn: 2,0
• Ca: 0,25
• Mn: 0,15
• Rest: Mg und herstellungsbedingte Verunreinigungen

Ein Gemenge der Zusammensetzung (in Gew.%):

• Y: 2,0
• Zn: 0,9
• Ca: 0,25
• Mn: 0,15
• Rest: Mg und herstellungsbedingte Verunreinigungen

Ein Gemenge der Zusammensetzung (in Gew.%):

• Y: 2,0
• Zn: 0,9
• Ca: 0,25
• Mn: 0,15
• Zr: 0,5
• Rest: Mg und herstellungsbedingte Verunreinigungen