Magnesium zählt zu den leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffen, ist gut recycelbar und für zahlreiche industrielle Anwendungen von Bedeutung. Dennoch wird es bislang eher selten eingesetzt. Der Grund dafür liegt vor allem in der eingeschränkten Umformbarkeit des Materials, wodurch konventionelle Fertigungsverfahren, insbesondere bei der Drahtproduktion, schnell an ihre Grenzen stoßen.
Ein internationales Forschungsprojekt setzt genau hier an: Ziel ist es, das Werkstoffverhalten der kalziumhaltigen Magnesiumlegierung ZAX210 entlang der gesamten Prozesskette besser zu verstehen und darauf aufbauend effizientere Verarbeitungsstrategien zu entwickeln. Am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen des AIT Austrian Institute of Technology kommen dafür simulationsbasierte Methoden zum Einsatz, um die Entwicklung von Mikrostruktur und Textur vom Gießen bis zum Drahtziehen zu untersuchen.
Begrenzte Umformbarkeit als zentrale Hürde
Als besonders leichtes Strukturmetall kann Magnesium wesentlich zur Emissionsreduktion und Energieeinsparung in Industrie und Mobilität beitragen. Seine breite industrielle Nutzung wird jedoch durch die begrenzte Umformbarkeit eingeschränkt, die aus dem hexagonalen Kristallgitter resultiert. Gerade bei komplexen Umformprozessen und mehrstufigen Prozessketten wirken sich Faktoren wie Temperatur, Umformgeschwindigkeit, Spannungszustand und Texturentwicklung negativ auf Prozessstabilität und Bauteileigenschaften aus.
In den vergangenen Jahren konnten durch neue Legierungskonzepte deutliche Fortschritte erzielt werden. Insbesondere der Zusatz von Kalzium verbessert das Umformverhalten sowie die Texturentwicklung. Die Mg-Zn-Al-Ca-Legierung ZAX210 weist im Vergleich zu klassischen Magnesiumlegierungen eine deutlich höhere Umformbarkeit auf, was auf eine gezielte Beeinflussung von Mikrostruktur und Rekristallisation zurückzuführen ist. Dennoch fehlt bislang ein umfassendes Verständnis des Werkstoffverhaltens unter realen industriellen Bedingungen.
Innovative Prozesskette für ZAX210
Im Projekt „Materialverhalten entlang der Prozesskette von ZAX210 Draht“ wird erstmals systematisch die Herstellung von Magnesiumdraht aus der Legierung ZAX210 untersucht. Im Fokus 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. Die CRE stellt ein ressourcenschonendes, kontinuierliches Umformverfahren dar, dessen Einfluss auf Mikrostruktur und Textur bislang noch nicht umfassend erforscht ist.
Durch die gezielte Förderung dynamischer Rekristallisation und eine kontrollierte Texturentwicklung soll eine bessere Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Leistungsfähigkeit erreicht werden. Daraus ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten für Magnesiumdrähte, etwa in der Medizintechnik oder in der drahtbasierten additiven Fertigung.
Simulation entlang der Prozesskette: Der Beitrag des LKR
Das LKR bringt seine langjährige Expertise in den Bereichen Umformung sowie Mikrostruktur- und Textursimulation in das Projekt ein. Auf makroskopischer Ebene werden die einzelnen Prozessschritte mithilfe angepasster Umform- und Extrusionsmodelle simuliert, um den Einfluss zentraler Prozessparameter systematisch zu untersuchen.
Parallel dazu analysiert das Team die Entwicklung der Mikrostruktur entlang ausgewählter Fließlinien. Betrachtet werden unter anderem Kornmorphologie, Phasenanteile, Texturveränderungen sowie Rekristallisationsprozesse. Zum Einsatz kommt dabei der Visco-Plastic Self-Consistent-Ansatz, ein leistungsfähiges Modell zur Beschreibung anisotroper Materialmechanismen. Damit lassen sich auch komplexe Phänomene wie dynamische Rekristallisation oder zwillingsinduzierte Rekristallisation realitätsnah abbilden.
Die Kombination aus makroskopischer Prozesssimulation und mikroskopischer Materialmodellierung ermöglicht ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessführung, Mikrostruktur und den damit zusammenhängenden 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“, erklärt Johannes Kronsteiner, Projektleiter und Simulationsexperte am LKR.
Projektpartner und Förderung
Projektpartner ist das Institut für Metallformung (IMF) der TU Bergakademie Freiberg. Es bringt seine umfangreiche Erfahrung in der experimentellen Prozessentwicklung sowie im Bereich Twin-Roll-Casting ein und übernimmt die Gesamtkoordination des Projekts.
Die Finanzierung erfolgt im Rahmen von FWF WEAVE mit einer Haupteinreichung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie einer Kofinanzierung durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG).
Der Fokus des LKR Leichtmetallkompetenzzentrums Ranshofen
Die LKR Leichtmetallkompetenzzentrum GmbH ist eine Tochtergesellschaft des AIT und Teil des AIT Center for Transport Technologies. Als Kompetenzbereich „Light Metals Technologies Ranshofen“ beschäftigt das Zentrum rund 60 Mitarbeitende und zählt zu den führenden Einrichtungen in der Entwicklung nachhaltiger Verarbeitungstechnologien, hochwertiger Leichtmetalllegierungen und funktional integrierter Leichtbaukomponenten.
Im Fokus stehen einerseits die Entwicklung energieeffizienter und ressourcenschonender Herstellungsverfahren, andererseits die Sicherstellung hoher Materialanforderungen für stark beanspruchte Bauteile, beispielsweise im Bereich der Elektromobilität.
Aluminium und Magnesium spielen dabei auch als Recyclingwerkstoffe eine wichtige Rolle und bieten großes Potenzial für eine wirtschaftliche Kreislaufwirtschaft. Entsprechend konzentriert sich die Forschung auf diese beiden Leichtmetalle, um leistungsfähige, sichere und umweltfreundliche Mobilitätslösungen zu ermöglichen.
