Abschlussbericht zum Technologietransfer-Programm Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie vom Verbundprojekt: OptUm-MagNa – Optimierte Umformbarkeit von Magnesium-Nanokompositen

Abstract

Magnesiumlegierungen weisen eine hervorragende spezifische Festigkeit und Steifigkeit auf, weshalb große Potenziale für den Leichtbau bestehen. Ihr Einsatz ist aufgrund der geringen Umformbarkeit und der Entflammbarkeit stark limitiert. Die Zugabe von Nanopartikeln ermöglicht Kornfeinung, wodurch die Umformbarkeit verbessert wird. Zudem existieren Legierungszusätze, welche eine Verschiebung des Flammpunktes erlauben. Ziel des Verbundprojektes war die Modifikation eines Magnesiumwerkstoffes durch Nanopartikel- und Legierungszugaben, um optimierte Umformeigenschaften einzustellen und der Entflammbarkeit entgegenzuwirken. Dafür wurden der Legierung AM60 in der Schmelze AlN-Nanopartikeln sowie Kalzium zugegeben. Die Legierungen wurden metallographisch sowie mechanisch geprüft und ein Komposit für die umformtechnische Qualifizierung ausgewählt. Bereits die Zugabe von 1 % Kalzium wirkt der selbsterhaltenden Verbrennung entgegen. Weiterhin ließ sich durch die Zugabe der Nanopartikel die Festigkeit erhöhen, wobei die Zugabe von AlN500 auch die Duktilität steigert. Dieses Nanokomposit zeigt beim Strangpressen ein geringfügig kleineres Prozessfenster. Jedoch begünstigt die Zugabe die dynamische Rekristallisation. Der Zusammenhang zur Korngröße ließ sich anhand der Temperatur und Dehnraten mit der Zener-Hollomon-Gleichung bestimmen. Weiterhin konnte mit der Hall-Petch-Gleichung der Zusammenhang zwischen Korngröße und Stauchgrenze quantifiziert werden. Die durch das Schmieden lokal variierenden mechanischen Eigenschaften konnten mit den Dehnungen korreliert werden. Hierbei ist das vorgelagerte Strangpressen zur Herstellung fehlerfreier Schmiedebauteile notwendig. Weiter ließen sich Drähte herstellen, deren Einsatzfähigkeit in drahtbasierter additiver Fertigung nachgewiesen wurde. Auf Grundlage des qualifizierten Nanokomposits ist der Einsatz als Strukturbauteil auch ohne zeit- und energieaufwändige Wärmebehandlungen denkbar, wodurch Gewichtseinsparungen realisierbar werden.