SFB 653 - Teilprojekt E2 Magnetische Magnesiumlegierungen

Das Ziel des Teilprojekts E2 ist die Entwicklung und Herstellung von magnetischen Magnesiumlegierungen mit sensorischen Eigenschaften. Diese Werkstoffe können als belastungsempfindliche Sensormaterialien genutzt werden, weil sie die Erfassung relevanter Informationen über die Betriebsbedingungen, insbesondere die anliegenden, dynamischen mechanischen Lasten, werkstoffinhärent über die Änderung ihrer magnetischen Eigenschaften ermöglichen. Diese Änderung, die auf dem Effekt der inversen Magnetostriktion (Villari-Effekt) beruht, kann mit Hilfe moderner Methoden zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung und Materialcharakterisierung, etwa der hochauflösenden Wirbelstromtechnik unter Anwendung der Harmonischen-Analyse, im laufenden Betrieb ausgelesen und verarbeitet werden. Mit Hilfe solcher Messdaten der Belastungshistorie kann die zu erwartende Lebensdauer von Bauteilen abgeleitet werden, so dass Wartungsintervalle geplant und nachfolgende Bauteilgenerationen optimiert werden können. Magnesiumlegierungen verfügen aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten bei geringer Dichte über großes Leichtbau-Potenzial. Da Magnesium selbst und gebräuchliche Mg-Legierungen nicht über ferromagnetische Eigenschaften verfügen, wurden im TP E2 neue Legierungen auf Basis von Magnesium und Kobalt entwickelt, deren Gefüge Phasen mit deutlich messbaren ferromagnetischen Eigenschaften enthält. Die magnetischen Eigenschaften der Legierungen unter zyklischer Beanspruchung werden in Kooperation mit dem TP S3 mittels der Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen bestimmt. Die Messwerte der Harmonischen liefern Aussagen über den momentanen Werkstoffzustand und die Gitterverspannungen infolge der auf die Mg-Proben einwirkenden Kräfte. Hierbei zeigen verschiedene Varianten der Legierungen für die Online-Belastungsmessung geeignetes, sensorisches Verhalten (Bild 1). Diese Methode kann eingesetzt werden, um die mechanischen Lasten an bspw. einer Schubstrebe aus stranggepresstem MgCo4Zn1RE zu überwachen (Bild 2). Bild 3 zeigt den aus einer magnetischen Mg-Legierung hergestellten hinteren Radträger des Formula Student-Rennwagens RP09 mit integrierter Wirbelstromsonde, welcher im TP E2 als Bauteil zur Demonstration dieser Technologie gewählt wurde. Darüber hinaus ermöglichen die magnetischen Mg-Legierungen eine werkstoffinhärente Datenspeicherung. In Bild 4 sind vergleichend zwei Hysteresekurven der gießtechnisch hergestellten Legierungen gezeigt. Das Ziel des TP E2 in der dritten Förderperiode ist die werkstoffinhärente Vererbung der Information, an welchen Stellen ein Bauteil aus einer sensorischen Magnesiumlegierung während seiner Nutzungsphase überlastet worden ist. Dazu werden die bleibenden Änderungen der Wirbelstrom-Messwerte nach mechanischer Überbeanspruchung der betroffenen Bauteilbereiche untersucht und Konzepte zur Nutzung dieser Informationen durch die Messung der belastungsabhängigen magnetischen Eigenschaften erarbeitet. Durch die Beeinflussung des Werkstoffs bei der Erstarrung über lokal definierte Abkühlbedingungen lässt sich die Ausbildung der magnetischen Phasen steuern, wodurch gezielt Bauteilbereiche mit an den Einsatzzweck angepassten magnetischen Eigenschaften eingestellt werden können.