15/09/2010

Materialforscher machen Motorblöcke wesentlich leichter

Materialforscher suchen daher nach Verfahren, wie man Gusseisen dünnwandiger produzieren kann und dennoch hohe Festigkeiten erzielt. Eine wichtige Rolle spielt dabei Graphit, das die Materialeigenschaften von Gusseisen stark beeinflusst. Mit Hilfe der so genannten Nano-Tomographie können Saarbrücker Wissenschaftler jetzt genau vorhersagen, in welcher Form das Graphit vorliegt und wie es das Gusseisen verändert. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich künftig wesentlich leichtere Motorblöcke herstellen.

Für ihre Forschungsarbeit wurden Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Saar-Uni, und Alexandra Velichko gestern mit dem Werner-Köster-Preis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) ausgezeichnet.

Materialforscher interessieren sich sowohl für die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffes als auch für seine innere Struktur. „Mit verschiedenen Methoden können wir heute die oft komplexe Geometrie eines Materials sichtbar machen und diese nicht nur in winzigen Mikro- und Nanodimensionen untersuchen, sondern bis zum einzelnen Atom hin“, erläutert Professor Mücklich. Dafür verwenden die Forscher die Nano-Tomographie, die ähnlich wie die Computer-Tomographie in der medizinischen Untersuchung funktioniert. Im Unterschied dazu wird der Körper aber nicht scheibchenweise durchleuchtet, sondern durch einen sehr präzisen Ionenstrahl systematisch in Nano-Scheibchen zerlegt und mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Die dabei erfassten Bildserien werden anschließend im Computer wieder zum exakten räumlichen Abbild zusammengefügt. „Durch die extrem hohe Auflösung der Nano-Tomographie und der unterschiedlichen Kontrastverfahren können wir nicht nur chemisch analysieren, welche Atome enthalten sind, sondern wir können auch die Gitterstruktur der Kristalle veranschaulichen und zeigen, welche Nanostrukturen daraus geformt wurden“, sagt Frank Mücklich.

Bei der prämierten Forschungsarbeit zur Graphitmorphologie konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, wie sich bei der Herstellung von Gusseisen die chemische Zusammensetzung, die Kristallstruktur und das Wachstum des Graphits verändern lassen. Durch diese detaillierte Analyse konnten die Forscher dann in einem weiteren Schritt genau vorhersagen, wie sich die dreidimensionalen Strukturen auf die Materialeigenschaften von Gusseisen auswirken und wie man diese auf dem klassischen zweidimensionalen Schliff eindeutig erkennen kann. „Diese Erkenntnisse spielen bei vielen Anwendungen eine wichtige Rolle, etwa für Motorblöcke, Kurbelwellen oder auch Castor-Behälter, in denen das Gusseisen eine sehr hohe Festigkeit aufweisen muss. Schon geringe Veränderungen in der Graphitstruktur können dazu führen, dass sich die Bauteile unterschiedlich verhalten“, erläutert Alexandra Velichko. Die Gießereien hätten mit diesen neuen Erkenntnissen jetzt eine objektive Grundlage, um mit ihren Kunden in der metallverarbeitenden Industrie genau zu definieren, wie das Gusseisen beschaffen sein muss, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Die Forschungsarbeit wurde vom Bundesforschungsministerium und verschiedenen Firmen wie Volkswagen und Halberg Guss unterstützt.

Der Werner-Köster-Preis wird jährlich international ausgeschrieben und von der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) zusammen mit dem Carl Hanser Verlag an den besten Aufsatz des Jahres verliehen. Professor Frank Mücklich und die promovierte Wissenschaftlerin Alexandra Velichko erhielten den Preis für ihren Artikel „Quantitative 3D-Charakterisierung von Graphitmorphologie in Gusseisen ─ Zusammenhang zwischen Herstellung, Mikrostruktur und Eigenschaften“, der im International Journal of Materials Research (Zeitschrift für Metallkunde) erschienen ist.

Frank Mücklich ist Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Direktor des Material Engineering Center Saarland (MECS), das als Forschungszentrum des Steinbeis-Verbundes gemeinsame Projekte mit der Industrie koordiniert. Alexandra Velichko studierte in Moskau und Freiberg/Sachsen Materialwissenschaften und Werkstofftechnik und promovierte über das preisgekrönte Thema an der Universität des Saarlandes. Seit einem Jahr leitet sie die Forschung- und Qualitätssicherungsabteilung des mittelständischen Unternehmens JDT in Schwerte, das Ketten für das Transport von Lasten und den Bergbau herstellt.

Quelle: Universität des Saarlandes, muecke@matsci.uni-saarland.de