Magnesiumprozesstechnik

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Magnesiumlegierungen mit nanoskaliger keramischer Verstärkung

Magnesiumlegierungen leiden verglichen mit Aluminiumlegierungen unter ihrer beschränkten Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. Die Substitution von Aluminiumlegierungen durch Magnesiumwerkstoffe wird jedoch nur gelingen, wenn vergleichbare mechanische Eigenschaften eingestellt werden können. Eine Verstärkung mit Fasern und/oder Partikeln ist schon vor vielen Jahren in den Fokus der Forschung getreten, konnte jedoch nie in eine industrielle Umsetzung gebracht werden.

In den letzten Jahren sind nanoskalige Partikel so preiswert geworden, dass sie als Verstärkungskomponente für Magnesiumlegierungen infrage kommen, um eine Orowanverfestigung zu erzielen. Es kann erwartet werden, dass Festigkeit und Kriechbeständigkeit in einem Temperaturbereich bis 250°C deutlich verbessert werden können. Die Entwicklung einer Prozessroute und die erhaltenen hochfesten und kriechbeständigen Magnesiumwerkstoffe können die führende Position des Helmholtz-Zentrums Geesthacht im Bereich der Magnesiumforschung auszubauen helfen.

Herausforderungen

Eine der Herausforderungen ist die Entwicklung eines Prozess, bei dem die Partikel in die Schmelze eingerührt werden. Es ist wichtig, dass die Partikel gleichmäßig in der Matrix verteilt werden und es nicht zur Agglomeration der Teilchen kommt. Aus der Erfahrung mit mikroskaligen keramischen Partikeln kann davon ausgegangen werden, dass zusätzliche Energie in das System eingebracht werden muß, um die Partikel gleichmäßig zu verteilen und zu deagglomerieren. Dazu soll die Schmelze mit Ultraschall beaufschlagt werden. Winzige Blasen bilden sich während der Ultraschallbehandlung, die sofort wieder zerplatzen und dabei die Nanopartikel verteilen.

Die zweite wichtige Herausforderung ist es, ideale Kombinationen von keramischen Partikeln und Magnesiumlegierungen zu finden. In Abhängigkeit von der Art der keramischen Teilchen und den Legierungselementen der Matrix kann es zu chemischen Reaktionen an der Grenzfläche kommen. Während eine dünnen Reaktionsschicht vorteilhaft sein kann, darf es nicht zu einer vollständigen Auflösung der Partikel in der Schmelze kommen. Daher müssen die chemischen Gegebenheiten und die ideale Prozessführung in die Forschung eingehen.

Neben den metallografischen Untersuchungen mittels REM/TEM und Röntgenbeugung müssen die mechanischen Eigenschaften bei Raum- und erhöhter Temperatur ermittelt werden. Kriechverhalten, thermische Ausdehnung und Verschleißeigenschaften sollen in weiteren Schritten untersucht werden.

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Magnesiumprozesstechnik

Dr. Hajo Dieringa
Dr. Hajo Dieringa

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DFG-Projekt "Die Rolle der Kontrolle der chemischen Zusammensetzung im Hinblick auf Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Mg-Nd-Zn Legierungen"

Mg-Legierungen sind für gewichtskritische Anwendungen ideal, wo die Gewichtsverringerung mit einer Verringerung des Energieverbrauchs korreliert. Die Eigenschaftsprofile der kommerziellen Magnesiumlegierungen sind jedoch für viele Anwendungen nicht verwendbar. Das Design von Mg-Legierungen durch die Kontrolle sowohl der Legierungszusammensetzung als auch der Verteilung von Sekundärphasen in der Mikrostruktur ist jedoch wichtig, um das volle Potenzial dieser Legierungen ausschöpfen zu können. Es wurde bereits berichtet, dass die Zugabe von Zn zu Mg-RE Legierungen (RE = Seltenerdmetall) zur Veränderung der Mikrostruktur und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften schon bei relativ geringen RE-Gehalten führt. Bislang wurden jedoch nur RE-Elemente mit hoher Löslichkeit in Mg (wie Gd und Y) systematisch untersucht. Ein Schwerpunkt lag dabei vor allem darauf, den Einfluss des RE-Zn Verhältnisses auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften in einem großen Bereich von Verarbeitungsbedingungen zu verstehen. Nd ist ein kostengünstiges RE mit geringer Löslichkeit. Es kann dazu eingesetzt werden, die Festigkeit von Mg-Legierungen durch die Bildung von feinen Partikeln zu verbessern, welche die plastische Verformung in Mg-Nd- und Mg-Nd-RE -Legierungen effektiv behindern. Es ist daher zu erwarten, dass die Zugabe von Zn die mechanischen Eigenschaften durch die Veränderung der Mikrostruktur bei einem relativ niedrigen Nd-Gehalt verbessern wird.
Das Ziel dieser Untersuchung ist es, ein kostengünstiges Mg-Legierungssystem für strukturelle Anwendungen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften durch Modifikation der Legierungszusammensetzung und kontrollierte Wärmebehandlungen zu entwickeln. Die Fähigkeit, die Mikrostruktur und die resultierenden mechanischen Eigenschaften durch die Bildung von Ausschneidungen mit intermetallischen Teilchen an den Korngrenzen zu beeinflussen, würde die Entwicklung von Legierungen mit einer synergistischen Kombination von verbesserter Festigkeit und Duktilität; die jedoch bei geringeren Kosten für den vermehrten Einsatz von Magnesium-Legierungen in kommerziellen Anwendungen ermöglichen.
Im Rahmen des beantragten Projekts wird eine Reihe von Legierungen mit unterschiedlichen Nd-Zn Verhältnissen mittels in situ Synchrotronbeugungsexperimenten und ex situ über Elektronenmikroskopie untersucht, um die mikrostrukturellen Entwicklung während der Erstarrung zu verstehen. Die Informationen über die Art der vorhandenen intermetallischen Phasen, deren Bildungstemperatur und den Volumenanteil dieser Phasen werden zur Überprüfung und Verbesserung der Mg-reichen Seite des zurzeit verfügbaren Mg-Nd-Zn Phasendiagramms benutzt. Die Rolle der Wärmebehandlungen auf die Änderung der intermetallischen Phasen während der Erstarrung und die Bildung neuer Ausscheidungen wird mit Hilfe der Elektronenmikroskopie untersucht. Dies führt zu einem weiteren Schritt, in dem die Mikrostruktur und die sich ergebenden mechanischen Eigenschaften modifiziert werden könnten. Die mechanischen Eigenschaften der Legierungen im Guss- und wärmebehandelten Zustände werden bei Raum- und erhöhter Temperatur untersucht, um die Rolle der Legierungszusammensetzung auf intermetallische Phasen und die thermische Verarbeitungsgeschichte solcher Eigenschaften zu verstehen.

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Wissenschaftler

Dr. Domonkos Tolnai
Dr. Domonkos Tolnai

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Dr. Norbert Hort
Dr. Norbert Hort

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Forel Forschungsprojekt "THIXOM"

BMBF

Magnesiumwerkstoffe besitzen erhebliches Leichtbaupotenzial, das sie unter anderem für die Verwendung in der funktionsintegrativen Fahrzeugbaugruppe Karosserie, und hier speziell für Tragstrukturen, prädestiniert. Dieses Potenzial zur Gewichtsreduktion ist durch die Verwendung partikel- oder faserverstärkter Magnesiumlegierungen sowie deren Kombination mit Kunststoffen in hybriden Strukturen noch erweiterbar. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Verbundvorhaben im Projekt FOREL-THIXOM zielen insbesondere auf die dazu notwendigen Systeme zur Herstellung der entsprechenden Magnesiumlegierungen sowie die Bereitstellung eines großserientauglichen Thixomoulding-Urformverfahrens mit modularen und temperierten Formwerkzeugen. Im Vorhaben wird eine prototypische Fertigungsanlage zur Verarbeitung modifizierter Magnesiumwerkstoffe erstellt. Die Validierung der konstruktiven und prozesstechnischen Innovationen erfolgt anhand einer generischen Karosseriestruktur für die Aufnahme von Anbauteilen. THIXOM auf der Plattform Forel

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Abteilungsleiter

Dr. Norbert Hort
Dr. Norbert Hort

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Kornfeinung von Al-freien Magnesiumlegierungen durch Impfen mit SiC


Eine feinkörnige Mikrostruktur ist für die Verbesserung der Eigenschaften von Magnesium-Guss- und -Knetlegierung von großer Bedeutung. Für Al-freie Magnesiumlegierungen ist die Zirkonzugabe sehr effektiv zur Kornfeinung, aber auch sehr teuer. Die Reduzierung der Zr-Menge und damit der Kosten ist daher ein wichtiges Forschungsziel. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Impfung der Magnesiumschmelze mit SiC eine machbare und kostengünstige Alternative zur Kornfeinung von Mg-Zn und Mg-Mn Legierungen ist. Ziel der Arbeiten ist es daher, den kornfeinenden Einfluss von unterschiedlichen SiC Mengen auf Mg-xZn und Mg-xMn Legierungen zu untersuchen. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Korngröße von Mg-3Zn Legierungen durch die Zugabe von 0,3% SiC um 45% reduziert werden konnte. Die Korngröße bleibt konstant bei weiterer Zugabe von SiC, was auf die Menge der aktivierten Partikel zurückzuführen ist, wenn eine Sättigung des Substrates eintritt. Mikrostrukturuntersuchungen zeigen, dass Mn-(Fe)-Si-(C)-Intermetallics in den Mg-Zn oder Mg-Mn Kristalliten zu finden sind [1]. Diese könnten als Kristallisationskeim wirken, was der Kornfeinung dienen kann. Eine Wechselwirkung zwischen dem SiC und Mangan oder Eisen wird als Ansatz zur Erklärung des kornfeinenden Effektes angenommen.

[1] Jian Gu, Yuanding Huang, Karl Ulrich Kainer, Norbert Hort: Role of SiC in grain refinement of aluminum -free Mg-Zn alloys; Magnesium Technology 2016, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), Edited by: Alok Singh, Kiran Solanki, Michele V. Manuel, and Neale R. Neelameggham (2016) 177-181.

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Doktorand

Jian Gu

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Dr. Norbert Hort
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Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen von Mg-Ca-Y Legierungen


Magnesiumlegierungen haben großes Potential in der Anwendung als Strukturwerkstoffe. Es sind bereits viele Gussteile in der Produktion, aber nur wenige Bauteile aus Knetwerkstoffen, da die Umformbarkeit von Magnesiumlegierungen limitiert ist. Dies liegt an der beschränkten Anzahl von Gleitsystemen im hexagonalen Gitter von Magnesiumlegierungen. Kürzlich wurde berichtet, dass die Zugabe von Calcium und Yttrium die Textur aufweichen kann, was auch zu einer Verbesserung der Duktilität führt. Die Hintergründe der Eigenschaftsänderungen durch Zugabe von Calcium und Yttrium jedoch sind noch nicht systematisch erforscht. In dieser Studie soll die Gefüge-Eigenschaftsbeziehung im System Mg-Ca-Y im Detail untersucht werden.
Der Effekt von Calcium und Yttrium auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen im neu entwickelten System Mg-Ca-Y soll untersucht werden und die Verformungsmechanismen sollen aufgeklärt werden. Die zu erwartenden Ergebnisse sollen der Optimierung der Legierungssystems dienen, welches Potential in der Anwendung bei hohen Temperaturen aber auch als degradables Implantatmaterial hat.
Verschiede Legierungen mit unterschiedlichen Ca:Y Verhältnissen werden untersucht, um das magnesiumreiche Ende des Phasendiagramms näher zu beschreiben. Mechanische Eigenschaften der gegossenen und stranggepressten Legierungen werden ermittelt, um den Einfluss der Mikrostruktur und der Textur auf die Eigenschaften zu untersuchen. In-situ Zugversuche an den stranggepressten Legierungen in Kombination mit ex-situ Texturanalysen sollen Aufschluss über den Zusammenhang von Eigenschaften und Ca:Y Verhältnis geben.

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Doktorand

Sihang You

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Entwicklung von Mg-Gd Legierungen mit Ag oder Ca als abbaubare Implantatmaterialien


Mg-Legierungen sind ein vielversprechender Kandidat für biologisch abbaubare Implantatanwendungen. Diese Studie zielt auf die systematische Entwicklung von Mg-Gd-Basis-Legierungen (Gesamtlegierungselement weniger als 5 Gew.%), die eine gute Kombination von mechanischen und Abbaueigenschaften zeigen. Alle Legierungen wurden durch Kokillenguss hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Cytocompatibilität und antibakteriellen Eigenschaften werden durch unterschiedliche Zugabe von Legierungselementen (Ag, Ca) und Lösungswärmebehandlung (T4) optimiert.

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Doktorand

Yiyi Lu

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Abteilungsleiter

Dr. Norbert Hort
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kürzlich abgelaufene Projekte

EU Projekt "ExoMet"

Um den zukünftigen Anforderungen der EU-Legislative gerecht werden zu können, ist es notwendig, leichte Werkstoffe zu entwickeln, um die Verschmutzung der Atmosphäre zu reduzieren. Dies erreicht man durch Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Leichtmetallen, um ihr Einsatzspektrum zu erweitern. Kornfeinung und die Entwicklung von nanopartikelverstärkten Leichtmetall-Verbundwerkstoffen sind weitere wichtige Schwerpunkte in ExoMet. Deutliche Verbeserung der mechanischen Eigenschaften sind angestrebt, dazu gehören eine Verbesserung der Zugfestigkeit und der Duktilität, sowie der Kriechfestigkeit bei Temperaturen von 300-350°C. Das gilt sowohl für Gussbauteile, wie auch für Knetwerkstoffe, die zu Profilen, Bändern oder Drähten verarbeitet werden.

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Magnesiumprozesstechnik

Dr. Hajo Dieringa
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http://www.hzg.de/public_relations/press_releases/033318/index_0033318.html.de www.exomet-project.eu

DFG-Projekt: "Erarbeitung eines Modells für die Viskosität flüssiger Legierungen mit Vorhersageeigenschaften durch Implementierung konsistenter thermodynamischer Beschreibungen und Validierung durch experimentelle Untersuchungen von Magnesium-Legierungsschmelzen"

Die Viskosität unärer, binärer und mehrkomponentiger Legierungsschmelzen ist von erheblicher Bedeutung für die Theorie metallischer Schmelzen, aber ebenso für das Strömungsverhalten in metallurgischen Prozessen, wie Gießen, Schweißen und Erstarren. Das Ziel dieses Projektes ist die Erarbeitung eines Modells für die Viskosität flüssiger Legierungen sowie die Kombination mit experimentellen Untersuchungen von Magnesium- Legierungsschmelzen.

Die Vorhersageeigenschaften dieses Modells zur Berechnung der Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit der Viskosität in weiten Bereichen mehrkomponentiger Legierungen wird gesteigert durch Implementierung konsistenter Calphad-Beschreibungen der Legierungsthermodynamik. Die Validierung des generellen Modells erfolgt in unterschiedlichen metallischen Schmelzen, wie etwa Lot-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen, um den Nutzen für eine mögliche Integration in Software zur Berechnung thermodynamischer und thermophysikalischer Eigenschaften sowie die Erstarrungsmodellierung insgesamt zu zeigen.

Experimentelle Daten und analytische Modelle in Kombination

Darüber hinaus werden systematisch neue experimentelle Daten für die Viskosität aber auch die Dichte von Magnesium- Legierungsschmelzen erarbeitet und mit dem validierten analytischen Modellen unter Einbeziehung der Legierungsthermodynamik kombiniert. Dadurch wird eine zuverlässige Berechnung der Schmelzviskosität ermöglicht, auch für sich rasch ändernde Werte der Zusammensetzung und Temperatur einer (Rest)-Schmelze. Dies ist für Erstarrungsprozesse und deren Modellierung für Magnesiumlegierungen bedeutsam.

Im Rahmen des Projekts arbeitet die HZG-Abteilung Prozesstechnik eng mit dem Institut für Metallurgie der Technischen Universität Claustal zusammen.

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Abteilungsleiter Magnesiumprozesstechnik

Dr. Norbert Hort
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Abteilungsleiter Thermochemie und Mikrokinetik

Prof. Dr.-Ing. Rainer Schmid-Fetzer

Institut Ifür Metallurgie der TU Claustal

Tel: +49-(0)5323-72 2150

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EU Projekt "Tailored biodegradable magnesium implant materials" (MagnIM)

MagnIM ist ein Marie Curie Initial Training Network mit acht Partnern aus sechs verschiedenen Ländern. Ziel ist die Entwicklung von maßgeschneiderten, biodegradablen Magnesiumimplantatmaterialien. 12 Doktoranden werden in ihrer Arbeit auf die Herausforderungen bei der Entwicklung von aluminiumfreien Magnesiumimplantatmaterialien gefördert. Die Eigenschaften dieser Implantatwerkstoffe sind insbesondere auf die Knochenstruktur von Kindern zugeschnitten.

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Institutssleiterin Metallische Biomaterialien

Prof. Regine Willumeit

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Dr. Norbert Hort
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www.magnim.eu

BMWi-Verbundprojekt Magnesiumformbauteile mit reparabler polymerer Schutzschicht zur Reduzierung von Gewicht und Instandsetzungsaufwendungen bei gleichzeitiger Verbesserung von Passagierkomfort und –sicherheit

Bmwi

Magnesiumlegierungen bieten mit ihren spezifischen Festigkeiten gegenüber Aluminiumlegierungen einen Gewichtsvorteil von 30 %. Eines der wesentlichen Probleme beim Einsatz von Mg in der Luftfahrt ist jedoch dessen Korrosionsanfälligkeit. Um diese Nachteile auszugleichen, sollen Mg-Komponenten mit mechanisch-chemisch unempfindlichen Oberfläche, reparaturfähiger duromeren Kunststoffen kombiniert werden. Bei der Fertigung der Bauteile durch Schmieden soll zudem die Resthitze im Gesenk genutzt werden, um im letzten Verfahrensschritt die Polymerbeschichtung aufzubringen.

Weisensee Warmpressteile GmbH Fraunhofer PYCO

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Abteilungsleiter

Dr. Norbert Hort
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BMWi-Verbundprojekt MagHyM – Entwicklung und Charakterisierung von Mg-Al-Hybridwerkstoffen für Korrosions- und brandresistente Kabinenbauteile für Verkehrsflugzeuge

Bmwi

Ziel dieses Vorhabens ist daher die Entwicklung korrosions- und brandresistenter Mg-Al-Hybrid-Strukturbauteile für Kabinensysteme in der zivilen Luftfahrt. Durch die Weiterentwicklung des Bandguss-Verfahrens (DSC) soll ein Herstellungsprozess entwickelt werden, mit dem durch Aufwalzen eines Aluminium-Blechs neuartige Mg-Al-Hybridhalbzeuge entstehen. Insgesamt kann man davon ausgehen, dass bei derartigen Mg-Al-Hybridwerkstoffen 20-25% an Gewicht eingespart werden kann, verglichen mit gängigen Al-Legierungen.

Kooperation mit LMpv

Die Abteilung Prozesstechnik realisiert MagHyM gemeinsam mit der LMpv Leichtmetall Produktion & Verarbeitung GmbH, einer Produktionsstätte für neue, ultraleichte metallische Werkstoffe mit Sitz in Rheinland-Pfalz. Das BMWi-Projekt ist zeitlich begrenzt und läuft bis zum 31. Dezember 2014.

Mehr zur LMpv GmbH

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Abteilungsleiter

Dr. Norbert Hort
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