Magnesium-Renaissance Forscher machen Magnesium attraktiver

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Aus Magnesium waren schon beim VW-Käfer der Motorblock und das Getriebegehäuse. Auch der kleine Lupo hatte Komponenten daraus. Nach einem Schattendasein könnte das Leichtmetall wieder brillieren.

Obwohl Magnesium leichter ist als Aluminium, fand man es nur sporadisch in der Industrie. Das ist vor allem in Zeiten der Leichtbauforderungen verwunderlich, durch die Treibstoff und Energie eingespart werden sollen. Ein Grund dafür ist, dass die Verarbeitung von Magnesium als komplex und vor allem energieintensiv angesehen wird. Und wenn Magnesium brennt, ist das kein Spaß, denn man kann den Brand nicht mit herkömmlichen Löschmitteln bekämpfen. An der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF) kümmert man sich aber nun darum, dass Magnesium für die Industrie nicht nur ein attraktiver sondern auch ein klimafreundlicher Werkstoff wird, der dem Leichtbau neuen Auftrieb geben könnte.

Weniger Energie und CO₂ bei der Magnesiumverarbeitung

Ein Team verschiedener Fachbereiche der TUBAF hat dazu gemeinsam mit Industriepartnern eine durchgängige Prozesskette für Magnesium-Leichtbauteile geschmiedet, die sich von der Schmelze bis zum funktionsfähigen Prototyp erstreckt, wie man dazu erfährt. Über alle Prozessschritte hinweg konnten demnach der Energiebedarf und die CO₂-Emissionen reduziert werden – unter anderem durch den Einsatz von Wasserstoff in der Schmelz- und Anwärmtechnik, vor allem durch verkürzte Prozesse und durch eine kaltumformbare Magnesiumlegierung. Im Forschungsverbund entstanden so unter anderem leichte Computergehäuse aus Magnesium, Schienenrücksitz-Wände für Hochgeschwindigkeitszüge wie etwa den TGV, Scharnierteile für Transportcontainer sowie ein Luftstromkanal für ein Hovercraft-Rettungsfahrzeug.

Gießwalzen verringert den Aufwand für das Umformen

Beginnend mit der Blechherstellung setzt das Freiberger Team am Institut für Metallformung dafür auf innovative Verfahren, heißt es weiter. Denn per Gießwalzen können schon Magnesiumbleche mit Dicken von rund fünf Millimetern hergestellt werden. So können nachgeschaltete Umformschritte reduziert werden. Das Ergebnis sind Magnesiumbauteile, die bei vergleichbarer Festigkeit rund ein Drittel leichter sind als deren Pendants aus Aluminium. Damit könne das Potenzial von Magnesium als Leichtbau-Werkstoff künftig besser ausgeschöpft werden – etwa für die E-Mobilität, im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Medizintechnik.

Mit drei Bausteinen zur klimafreundlichen Magnesiumverarbeitung

Als ersten Bestandteil des neuen Herstellungsprozesses entwickelte man Möglichkeiten, um fossile Brennstoffe durch bis zu 100 Prozent klimaneutralen Wasserstoff zu ersetzen. Die Umstellung der Schmelz- und Anwärmprozesse auf Wasserstoff und deren energieeffiziente Umstrukturierung sei dabei ein zentraler Schritt, um Magnesium perspektivisch klimaneutral und günstiger herzustellen. Einmal mehr greifen die Forscher dazu auf digitale Zwillinge zurück, damit die Prozesse besser verstanden werden können und vor allem der Betrieb verbessert werden kann. Ein zweiter Hebel setzt bei der deutlich verkürzten Prozessroute an. Für die schnelle Umwandlung der Magnesiumschmelze in ein Vorprodukt setzt das Team eben auf das am Institut für Metallformung integrierte Gießwalzverfahren. Dabei wird die Wärme vom Gießprozess direkt für die Umformung genutzt, sodass Bleche oder Drähte entstehen, die bereits fast die gewünschte Bauteilform und -dimensionen zeigen. Energie- und zeitaufwendige nachgeschaltete Prozessschritte können dadurch reduziert werden. Als dritter Baustein kommt die kalziumhaltige Magnesiumlegierung ZAX210 zum Einsatz. Sie lässt sich bereits bei relativ niedrigen Umformtemperaturen von etwa 200 °C gut verarbeiten. Die Legierung erlaube es, Umformprozesse bei deutlich geringeren Temperaturen durchzuführen, ohne Abstriche bei den Bauteileigenschaften zu machen.

Spezialitäten bei der neuen Verarbeitung von Magnesiumlegierungen

Speziell für die Drahtproduktion mit Magnesium entwickelte das Forscherteam zusätzlich das „GieWaCon“-Verfahren, das das Drahtgießwalzen mit dem Conform-Verfahren kombiniert, das für Kupfer bereits etabliert ist und nun erstmals auf Magnesium übertragen werden konnte, wie man betont. Weil das Verfahren bei Raumtemperatur funktioniert, kann die im Gießprozess vorhandene Wärme genutzt werden, um in wenigen Prozessschritten direkt auch ein Drahtprodukt herzustellen. Die so gefertigten Magnesiumdrähte haben einen Druchmesser von letztlich 1,6 Millimetern – erreicht entweder direkt über das Conform-Verfahren oder durch anschließendes Drahtziehen. Darüber hinaus zeigt das Projekt, dass sich das Prinzip der verkürzten Prozessroute auch auf weitere Umformverfahren übertragen lässt. So wurde die eingesetzte Magnesiumlegierung erfolgreich geschmiedet; die dabei entstandenen Bauteile wurden unmittelbar nach der Umformung nachbearbeitet, etwa durch Entgraten oder Fräsen. Ergänzend entwickelte ein Industriepartner ein Strangpressverfahren, bei dem zunächst Bolzen gegossen und anschließend noch aus der Gießhitze heraus stranggepresst werden. Das entstehende Rohr wird aufgetrennt und aufgebogen, sodass sie zu Blechen verarbeitet werden können – ebenfalls ohne zusätzliche Erwärmungsschritte.

Schweißen und Beschichten ergänzen die Magnesiumforschung

Ergänzend wurden für alle Prototypen geeignete Oberflächenbeschichtungen untersucht, um Korrosionsbeständigkeit und Einsatzfähigkeit der Magnesiumbauteile unter realen Bedingungen sicherzustellen, wie man noch aus Freiberg erfahren darf. Darüber hinaus analysierte und optimierte das Projektteam verschiedene Schweißverfahren, die gezielt an die eingesetzte Magnesiumlegierung angepasst und für die jeweiligen Demonstratoren weiterentwickelt wurden.

Gemeinsam mit den Industriepartnern will das Team die entwickelten Herstellungsrouten nun auch künftig weiter voranbringen und auf weitere Bauteile und Formgebungsverfahren anwenden. Ein CO₂-Rechner, mit dem sich Unternehmen mögliche Prozessketten für die Umformung von Magnesium zusammenstellen und vergleichen können, ist dafür eigens im Projekt entwickelt worden. Das Ganze nennt sich CLEAN-Mag App: Emissionen in Industrieprozessen reduzieren.

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