Stellen Sie sich ein Material vor, das so leicht wie eine Feder und dennoch so stark wie Stahl ist – ein solcher Durchbruch würde ganze Industrien verändern. Magnesiumlegierungen bieten dieses bemerkenswerte Potenzial, stehen aber vor einer entscheidenden Herausforderung: Wenn ihre Festigkeit zunimmt, nimmt ihre Zähigkeit ab, was ihre Fähigkeit, traditionelle Metalle zu ersetzen, einschränkt. Gibt es eine Möglichkeit, Magnesiumlegierungen sowohl stark als auch zäh zu machen? Die Antwort liegt in der Kugelstrahltechnologie.

In einer Ära, in der Energieeffizienz und ökologische Nachhaltigkeit im Vordergrund stehen, ist Leichtbau unerlässlich geworden. Magnesiumlegierungen zeichnen sich unter den Metallen durch ihr außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus, was sie ideal macht, um Gewicht zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. In Automobilanwendungen können Magnesiumkomponenten das Fahrzeuggewicht reduzieren, die Kraftstoffeffizienz verbessern und Emissionen senken. In der Luft- und Raumfahrt verbessern leichtere Flugzeugstrukturen die Flugleistung und senken die Betriebskosten.

Trotz ihrer Vorteile stehen Magnesiumlegierungen vor Einschränkungen. Ein Hauptproblem ist das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit – ein „Wippeffekt“, bei dem die Verbesserung des einen oft den anderen schwächt. Die kristalline Struktur von Magnesium und die begrenzten Gleitsysteme bei Raumtemperatur führen zu einer geringen Beständigkeit gegen plastische Verformung, was das Risiko von Sprödbruch erhöht. Dies birgt Sicherheitsbedenken bei Anwendungen mit hoher Belastung.

Wenn sich die Gesamtmaterialeigenschaften nur schwer optimieren lassen, bietet die Oberflächenmodifizierung eine Alternative. Untersuchungen zeigen, dass die meisten Materialausfälle an der Oberfläche entstehen. Durch die Verstärkung der Oberfläche – Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Ermüdungsfestigkeit und anderer Eigenschaften – können Ingenieure die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Materials erheblich verlängern. Stellen Sie sich das als eine schützende „Rüstung“ vor, die das Material vor äußeren Schäden schützt.

Jüngste Fortschritte im Design von Gradientenmikrostrukturen bieten eine vielversprechende Lösung. Dieser Ansatz erzeugt einen allmählichen Übergang in Korngröße und -struktur von der Oberfläche zum Kern und kombiniert Oberflächenhärte mit innerer Zähigkeit. Stellen Sie sich einen Kuchen mit einer knusprigen Karamellschicht außen und weicher Sahne innen vor – die Gradientenmikrostruktur gleicht in ähnlicher Weise Festigkeit und Flexibilität aus.

Um diese Gradientenstruktur in Magnesiumlegierungen zu erzeugen, erweist sich die Kugelstrahltechnologie als unschätzbar wertvoll. Diese kostengünstige Oberflächenbehandlung bombardiert das Material mit Hochgeschwindigkeits-Mikroprojektilen (typischerweise Stahl- oder Keramikperlen), wodurch plastische Verformungen induziert werden, die die Oberflächenmikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften verändern. Stellen Sie sich unzählige winzige Hämmer vor, die die Oberfläche verdichten und sie dichter und härter machen.

Das Kugelstrahlen verbessert die Materialleistung durch drei Haupteffekte:

1. Plastische Verformung: Der Aufprall der Projektile verursacht eine Oberflächenhärtung, wodurch die Festigkeit und Härte erheblich erhöht werden – wie das Hinzufügen einer Schutzhülle.

2. Gitterfehler: Der Prozess erzeugt Versetzungen und Leerstellen, die eine weitere Verformung behindern und die Festigkeit erhöhen – ähnlich der Schaffung interner Hindernisse.

3. Kornverfeinerung: Intensive Verformung zersetzt Oberflächenkörner und bildet sogar Nanokristalle. Kleinere Körner bedeuten mehr Grenzen, die einer Verformung weiter widerstehen – ähnlich wie das Verwandeln von Felsbrocken in Kies.

Während das herkömmliche Kugelstrahlen hauptsächlich die Ermüdungsbeständigkeit verbessert, verwendet „Schweres Kugelstrahlen“ (SSP) Parameter mit höherer Intensität, um tiefere, ausgeprägtere Gradientenstrukturen zu erzeugen – wie eine Tiefengewebsmassage für Metalle.

AZ31, eine weit verbreitete Magnesiumlegierung mit ausgezeichneter Formbarkeit und Schweißbarkeit, zeigt besonderes Potenzial für den Ersatz von Aluminium und Stahl in Fahrzeugen. Sein Festigkeits-Zähigkeits-Gleichgewicht muss jedoch verbessert werden. Twin-Roll Casting (TRC), eine innovative Produktionsmethode, bietet feinere Kornstrukturen zu geringeren Kosten im Vergleich zum herkömmlichen Walzen.

Forscher testeten TRC-produzierte AZ31-Bleche mit unterschiedlichen Schussgrößen (0,40–3,18 mm) und Luftdrücken (0,06–0,22 MPa) und analysierten Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften. Hauptergebnisse:

• Größere Schüsse erzeugen tiefere Verformungsschichten, können aber die Oberflächenrauheit erhöhen.

• Höhere Drücke intensivieren die Auswirkungen, bergen aber das Risiko von Oberflächenrissen.

• Längeres Strahlen erhöht die Härte, kann aber zu Ermüdungsschäden führen.

Nach dem Strahlen verbesserte das Tempern bei 150 °C die Duktilität weiter, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.

Das Kugelstrahlen eröffnet neue Möglichkeiten für Magnesiumlegierungen. Durch die präzise Steuerung der Parameter können Ingenieure Gradientenstrukturen so anpassen, dass mehrere Eigenschaften gleichzeitig optimiert werden. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie werden Magnesiumlegierungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Elektronikindustrie breitere Anwendung finden – und so leichte, nachhaltige technische Lösungen vorantreiben.