Magnesium ist eines der leichtesten metallischen Konstruktionsmaterialien, gut recycelbar und für viele industrielle Anwendungen hochattraktiv. Dennoch fristet der Werkstoff bislang ein Nischendasein – vor allem, weil er sich nur eingeschränkt umformen lässt. Gerade bei der Herstellung von Drähten stoßen herkömmliche Verfahren schnell an ihre Grenzen.
Ein internationales Forschungsprojekt setzt genau hier an: Ziel ist es, das Materialverhalten der kalziumhaltigen Magnesiumlegierung ZAX210 entlang der gesamten Prozesskette besser zu verstehen und damit neue, effizientere Verarbeitungswege zu ermöglichen. Das LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen des AIT Austrian Institute of Technology analysiert dazu mithilfe simulationsbasierter Methoden, wie sich Mikrostruktur und Textur vom Gießen bis zum Drahtziehen entwickeln.
Umformbarkeit als zentrale Herausforderung
Magnesium zählt zu den leichtesten Strukturmetallen und kann einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion von Emissionen sowie zur Steigerung der Energieeffizienz in Mobilität und Industrie leisten. Seine industrielle Nutzung ist jedoch nach wie vor durch die begrenzte Umformbarkeit eingeschränkt, die auf das hexagonale Kristallgitter zurückzuführen ist. Besonders bei komplexen Umformprozessen und mehrstufigen Prozessketten wirken sich das Zusammenspiel von Temperatur, Umformgeschwindigkeit, Spannungszustand und Texturentwicklung nachteilig auf Prozessstabilität und Bauteileigenschaften aus.
In den vergangenen Jahren konnten durch neue Legierungskonzepte deutliche Verbesserungen erzielt werden. Insbesondere der Einsatz von Kalzium als Legierungselement zeigte positive Effekte auf das Umformverhalten und die Texturentwicklung. Die Mg-Zn-Al-Ca-Legierung ZAX210 zeichnet sich dabei durch eine im Vergleich zu konventionellen Magnesiumlegierungen verbesserte Umformbarkeit aus, die auf eine gezielte Beeinflussung von Mikrostruktur und Rekristallisation zurückzuführen ist. Dennoch fehlt bislang ein ganzheitliches Verständnis des Materialverhaltens dieser Legierungen unter realen, industriell relevanten Prozessbedingungen.
Neue Prozesskette für die Legierung ZAX210
Im Projekt „Materialverhalten entlang der Prozesskette von ZAX210 Draht“ wird erstmals systematisch die Herstellung von Magnesiumdrahtprodukten aus der Mg-Zn-Al-Ca-Legierung ZAX210 untersucht. Im Zentrum steht eine neuartige Prozesskette, die Twin-Roll Casting (TRC), Continuous Rotary Extrusion (CRE) und nachgeschaltetes Drahtziehen kombiniert. TRC vereint Gießen und Warmumformen in einem Schritt und ermöglicht die Herstellung eines homogenen Vormaterials mit verbesserter Gefügestruktur. CRE stellt einen ressourceneffizienten, kontinuierlichen Umformprozess dar, dessen Einfluss auf Mikrostruktur und Textur bislang nur unzureichend erforscht ist.
Durch die gezielte Förderung dynamischer Rekristallisation sowie eine kontrollierte Texturentwicklung soll eine verbesserte Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Leistungsfähigkeit erreicht werden. Damit eröffnen sich neue Anwendungsperspektiven für Magnesiumdraht, unter anderem in der Medizintechnik sowie im drahtbasierten Additive Manufacturing.
Beitrag des LKR: Simulation entlang der gesamten Prozesskette
Das LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen bringt seine langjährige Expertise in der Umform-, Mikrostruktur- und Textursimulation in das Projekt ein. Auf makroskopischer Ebene werden die einzelnen Umformschritte entlang der Prozesskette mithilfe angepasster Extrusions- und Umformmodelle simuliert, um den Einfluss zentraler Prozessparameter systematisch zu analysieren.
Ergänzend dazu untersucht das LKR die Mikrostrukturentwicklung – einschließlich Kornmorphologie, Phasenanteilen, Texturänderungen und Rekristallisation – entlang ausgewählter Fließlinien. Zum Einsatz kommt der Visco-Plastic Self-Consistent-Ansatz, ein effizienter Polykristallansatz zur Beschreibung anisotroper Materialmechanismen. Dadurch können zentrale Phänomene wie dynamische Rekristallisation und zwillingsinduzierte Rekristallisation realitätsnah abgebildet werden. Die Kombination aus makroskopischer Prozesssimulation und mikroskopischer Materialmodellierung ermöglicht ein ganzheitliches Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Prozessführung, Mikrostruktur und resultierenden Materialeigenschaften.
„Mit diesem Projekt schaffen wir ein tiefgehendes Verständnis dafür, wie Prozessführung, Mikrostruktur und Textur bei Magnesium zusammenwirken. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um Magnesiumlegierungen wie ZAX210 künftig wirtschaftlich und zuverlässig in anspruchsvollen Anwendungen einsetzen zu können“, betont Simulationsexperte Johannes Kronsteiner, Projektverantwortlicher am LKR.
Konsortium und Förderung
Projektpartner ist das Institut für Metallformung (IMF) der TU Bergakademie Freiberg, das seine ausgewiesene Expertise in der experimentellen Prozessentwicklung sowie im Bereich Twin-Roll Casting einbringt und die Gesamtkoordination des Projekts übernimmt.
Das Projekt wird im Rahmen von FWF WEAVE gefördert, mit einer Haupteinreichung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und Ko-Finanzierung über die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG).
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