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Stefan Pogatscher beschäftigt sich als Professor für Nichteisenmetallurgie an der Montanuniversität Leoben mit den atomaren Vorgängen bei der Aushärtung von Hochleistungs-Aluminium. Sein Team hat einen Weg gefunden, einen besseren Kompromiss zwischen erreichbarer Festigkeit und Umformbarkeit zu erzielen.
Das neue Konzept überschreitet die Grenzen der bisherigen am Markt befindlichen Aluminiumlegierung-Familien, denn die bisherige 5xxx-Familie (Aluminium-Magnesium) lässt sich gut formen und ist korrosionsbeständig, aber nicht besonders fest. Die 7xxx-Familie (Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer) ist zwar sehr fest, aber schwer zu formen, schwieriger zu schweißen und korrosionsanfälliger. Die Wahl einer Legierung bedeutete bisher zugleich, eine der Schwächen in Kauf zu nehmen.
Die Kernidee des sogenannten Crossover-Legierung-Konzepts besteht darin, den hohen Magnesiumgehalt einer gut umformbaren 5xxx-Legierung mit der Härtungsfähigkeit einer 7xxx-Legierung zu kombinieren. Dazu muss man den sogenannten Ausscheidungsphasen besondere Beachtung schenken. Denn wenn Metallmischungen (Legierungen) erwärmt und wieder abgekühlt werden, können sich die Atome im Inneren neu anordnen. Ist ein Element bei hoher Temperatur im Hauptmetall gelöst und kühlt ab, wird es "übersättigt". Es trennt sich mikroskopisch vom restlichen Metall und bildet winzige, eigenständige Partikel. Diesen Vorgang nennt man Ausscheidung.
Die Materialwissenschaft kennt verschiedene Ausscheidungsphasen, die sie mit griechischen oder lateinischen Buchstaben benennt. Die Leobener Forschenden hatten es auf die sogenannte T-Phase abgesehen. Diese komplexe intermetallische Härtungsphase steigert die Festigkeit.
"Wir haben nicht einfach eine bessere 5xxx- oder eine bessere 7xxx-Legierung entwickelt. Wir haben gefragt, warum es diese Grenze überhaupt geben muss", erklärte Pogatscher die Herangehensweise ans Problem. Durch die gezielte Kombination von Magnesium, Zink und teilweise Kupfer können nun nach dem neuen Konzept zuerst Werkstoffe entstehen, die sich zunächst gut umformen lassen. Erst durch eine abschließende Wärmebehandlung entwickeln sie hohe Festigkeiten, die durch Aushärtung über die T-Phase an die klassischen 7xxx-Legierungen heranreichen können. Die Aushärtung lasse sich in bestehende industrielle Abläufe integrieren - etwa in den Lackeinbrennprozess im Automobilbau - sei besonders effizient. Zusätzliche energieintensive Prozessschritte sind dadurch nicht erforderlich.
Die Entwicklung der Crossover-Legierungen begann an der Leobener Montanuniversität und war auch ein wesentlicher Schwerpunkt des Christian Doppler Labors für fortgeschrittene Aluminiumlegierungen. In den vergangenen Jahren haben die Forschenden in Leoben gemeinsam mit der AMAG Austria Metall AG, dem größten österreichischen Aluminiumhersteller mit Sitz in Ranshofen (OÖ-Bezirk Braunau), daran gearbeitet, das Konzept von ersten 100 Gramm schweren Laborproben in die industrielle Fertigung zu überführen. "Der wissenschaftliche Nachweis ist wichtig. Der entscheidende Schritt ist aber, wenn aus einer Idee ein Werkstoff wird, der industriell produziert und verarbeitet werden kann", betonte Pogatscher gegenüber der APA.
Aus Sicht der Forschenden an der Montanuni Leoben könnten die Crossover-Legierungen leichtere und zugleich belastbare Bauteile ermöglichen. Das sei neben der Mobilität, der Raumfahrt und Anwendungen in Industrie auch für die Robotik und Verteidigung interessant. Weil dadurch weniger unterschiedliche Werkstoffe in einem Bauteil benötigt werden und die Legierungen zudem gezielt entwickelt werden, um höhere Anteile an Recyclingmaterial verarbeiten zu können, werde auch die Kreislaufwirtschaft gestärkt.
Auch in der Raumfahrt werden die Leobener Werkstoffe interessant. Forschungen hätten gezeigt, dass die T-Phase eine außergewöhnlich hohe Strahlungstoleranz aufweist.
(S E R V I C E - Infos zur Forschungsgruppe: https://www.nichteisenmetallurgie.at/team/stefan-pogatscher/, Details zu neuen Legierungskonzept unter https://www.amag-al4u.com/en/products/crossalloy)
LEOBEN - ÖSTERREICH: FOTO: APA/AMAG
