Hysterese Design durch Nanostruktur-Engineering mit kontinuierlichen Umformprozessen

Sonderforschungbereich/Transregio (SFB/CRR) 270 I Teilprojekt A09

Zielsetzung

Im Sonderforschungsbereich Transregio 270 – „Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion (HoMMage)“ arbeiten Materialwissenschaftler, Chemiker, Physiker und Ingenieuren zusammen für die Forschung der Magnetisierungsmechanismen sowie Entwicklung von neuartigen permanentmagnetischen und magnetokalorischen Materialien. In Anlehnung an das Ziel des gesamten SFB/TRRs wird im Rahmen des Teilprojekts A09 ein neues Herstellungsverfahren für magnetische Materialien durch Umformen entwickelt, mit welchem Materialien mit einstellbar Nanostruktur produziert werden können.

Motivation

Permanentmagnetische Materialien spielen eine immer wichtigere Rolle bei Technologien im Bereich der Energiegewinnung, der Mobilität, sowie in der Automatisierung und der Unterhaltungsindustrie. Die Produktion von Permanentmagneten hat im letzten Jahrzehnt einen starken Aufschwung erfahren. Durch die fortschreitende Automatisierung, sowie dem Wechsel von Verbrennungsmotoren hin zu der Elektromobilität ist der Bedarf an Permanentmagneten stark gestiegen.

Für die permanentmagnetischen Eigenschaften ist die Mikrostruktur des Materials entscheidend. In einem permanentmagnetischen Material soll die Hauptphase (Körner) durch eine andere Phase (Korngrenzphase) umgeschlossen bzw. magnetisch entkoppelt werden. Beide Phasen sollen bestimmte Eigenschaften besitzen, um die Magnetisierungsmechanismen, wie z.B. Domänenwand-Pining oder Nukleation, hervorzurufen. Zusätzlich wirken zahlreichen Parameter, wie z.B. die Ausrichtung und Größe der Körner sowie die Dicken der Korngrenze, auf die magnetischen Eigenschaften.

Aktuelle Ansätze zur Herstellung und Forschung von mikro- oder nanostrukturellen Funktionswerkstoffen basieren auf der Schmelz- oder Pulvermetallurgie sowie der chemischen Synthese. Diese Methoden sind nur für bestimmte Legierungen oder Phasenkombinationen anwendbar, da sie vom Phasendiagramm oder von den chemischen Eigenschaften abhängig sind. Auch die Einstellbarkeit der Mikrostrukturen durch diese Methoden sind begrenzt.

Abbildung 1 Konzepte zur Umformung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe für magnetischen Werkstoffe

Eine vielversprechende Lösung zur Überwindung dieser Grenzen stellt die Umformung sogenannter Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMV) dar. MMV bestehen aus einer Matrix und mindestens einem weiteren Material, welches in die Matrix eingebettet ist. Unsere MMV setzen sich aus Drähten und einem umgebenden Matrixmaterial zusammen. Die Drähte haben die Zusammensetzung der Hauptphase des magnetischen Materials und werden bei den Umformungsvorgängen in die gewünschte Nanostruktur überführt. Sie sind von einem Umhüllungsmaterial in Form von gebündelten Drähten, Matrix oder Beschichtung umgeben, das die zweite Phase bzw. Korngrenzenphase in der gewünschten Nanostruktur darstellt. Die Ausgangsstäbe werden kontinuierlich zu Drähten mit deutlich reduziertem Durchmesser umgeformt. Diese neuen Drähte werden erneut zu Stäben gebündelt und wieder zu Drähten geformt. Dieser Schritt wird wiederholt, bis die Mikrostrukturen der Drähte die gewünschte Dimension erreicht haben, wie in Abbildung 1 dargestellt ist.

Der Ansatz, die Struktur des Querschnitts des MMVs im Nanometerbereich zu gestalten, eröffnet einen neuen Weg, um die Härtungsmechanismen der Nukleation und des Domänenwand-Pinings durch die Skalierbarkeit des Nanostruktur-Designs zu untersuchen. Gleichzeitig können die Mechanismen der plastischen Verformung und Kornverfeinerung von nicht-konventionellen Umformwerkstoffen untersucht werden.

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereiches Transregio SFB/TRR 270 – „Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion (HoMMage)“.