Metallische Bauteile fehlerfrei und damit stabiler herstellen

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Metallische Werkstoffe, wie sie in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt werden, müssen leistungsfähig — also fest, zäh und ermüdungsresistent — sein, um den dortigen Sicherheitsstandards zu entsprechen. Wie leistungsfähig ein Material auf Dauer ist, hängt jedoch wesentlich von seinem Reinheitsgrad ab, wissen die Wissenschaftler der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Denn fast jedes Metall birgt Verunreinigungen in sich. Das sind kleine, nichtmetallische Einschlüsse, die während des Schmelzprozesses und in der Weiterverarbeitung entstehen. Sie können metallurgisch nur schwer oder gar nicht entfernt werden. Ist das Bauteil später hohen Belastungen ausgesetzt, können im Inneren Risse entstehen, die schließlich zum vorzeitigen Bruch führen.

Wie metallische Bauteile künftig fehlerfrei und damit stabiler hergestellt werden können, erforschen die Freiberger Wissenschaftler seit fünf Jahren im Sonderforschungsbereich (SFB) 920. Die Wissenschaftler arbeiten hier an neuartigen keramischen Filterwerkstoffen und Filtersystemen zur Reinigung von Metallschmelzen. Diese sollen anorganische nichtmetallische Einschlüsse in Metallschmelzen reduzieren und die Qualität des Werkstoffes verbessern. In einer eigenen Session zum Thema "Multifunctional carbon-bonded filters for metal melt filtration" haben die Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse kürzlich auf der internationalen Konferenz CellMAT 2016 vom 7. bis 9. Dezember in Dresden vorgestellt.

Effizienz der Filtration von 70 auf 90 Prozent steigern

Das Kernstück der Untersuchungen der Forscher ist das Filterdesign. In umfangreichen Testreihen analysieren sie dafür Materialien, Strukturen und Oberflächen. "Wir möchten die Oberfläche von klassischen Filterwerkstoffen mit speziellen Beschichtungen funktionalisieren", erklärt Professor Dr.-Ing. habil. Christos G. Aneziris, Sprecher des Sonderforschungsbereichs. Damit soll Aneziris zufolge die Filtrationseffizienz von 70 auf 90 Prozent steigen und die mechanischen Eigenschaften von Metallprodukten sollen deutlich verbessert werden können. Nicht zuletzt könne so auch ein Beitrag zum Recycling von Werkstoffen geleistet werden.

Lösungsansätze suchen die Forscher vor allem in aktiven Filteroberflächen. Im Rahmen ihrer Untersuchungen beschichten sie Filterstege von Kunststoffschäumen mit unterschiedlichen keramischen Materialien. Die Wissenschaftler erklären: "Nach einem speziellen Trocknungs- und Brennverfahren kommen diese dann zum Einsatz. Berühren nun unerwünschte Partikel aus der Metallschmelze die Filterwand, bleiben sie dort kleben und werden auf diesem Weg abgeschieden. Treffen Teilchen aufeinander, können sich sogenannte Cluster bilden, die ebenfalls am Filter haften bleiben und als Strömungshindernis wirken würden." Welche Filtermaterialen wirklich geeignet sind, werde in den Laboratorien unter ähnlichen Bedingungen wie beim Abguss der Schmelze untersucht.

Reaktive Filterwerkstoffe

Einen weiteren Ansatz sehen die Forscher im Einsatz reaktiver Filtermaterialien, die mit den gelösten Gasen der Stahlschmelze zu nichtmetallischen Einschlüssen reagieren, die sich dann an der Filterwand abscheiden. Damit sollen auch Gasverunreinigungen deutlich reduziert werden können. Besonders innovativ seien dabei der Schichtaufbau und die funktionalisierte Oberfläche der Filter. Für eine erfolgreiche Anwendung untersuchen die Wissenschaftler zudem auch die Wirkungsweise der Filterstrukturen.

Zum Forschungsteam am SFB 920 gehören unter anderem Materialwissenschaftler, Verfahrenstechniker, Physiker, Mathematiker, Metallgießer und Informatiker. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt das Vorhaben bereits in der zweiten Förderperiode mit rund 2,38 Millionen Euro pro Jahr.