Mikroskopie als Schlüsseltechnologie zur Metallforschung

Von der Atomebene zur Anwendung

2024_Rasterelektronenmikroskop_DSC01890-1 — **Abbildung 1:** Neues Rasterelektronenmikroskop im CMI

Neues CD-Labor und Rasterelektronenmikroskop: Eine Brücke zwischen Wissenschaft und Praxis

AMAG zeigt erneut, wie Wissenschaft und Praxis erfolgreich miteinander verknüpft werden können. Das mit 2025 neu gestartete „Christian Doppler Labor für Verformungs-Ausscheidungs-Interaktionen in Aluminiumlegierungen“ an der Montanuniversität Leoben mit Dr. Irmgard Weissensteiner als Laborleiterin und die Investition in ein hochmodernes Rasterelektronenmikroskop (REM) (Abbildung 1) im CMI (Center for Material Innovation) am Standort Ranshofen verdeutlichen, wie Grundlagenforschung und modernste Messtechnik zusammenwirken, um Innovationen in der Aluminiumindustrie voranzutreiben. Gemeinsam schaffen sie die Basis für nachhaltige Aluminiumlegierungen sowie für den Transfer und die Umsetzung des erarbeiteten Wissens in industrielle Anwendungen.

Das Christian Doppler Labor: Grundlagenforschung für nachhaltige Innovationen

Das Christian Doppler Labor für Verformungs-Ausscheidungs-Interaktionen in Aluminiumlegierungen, an dem die AMAG rolling GmbH ein aktiver Partner ist, ist eine konsequente Fortführung des CD-Labors von Univ.-Prof. Dr. Stefan Pogatscher für fortschrittliche Aluminiumlegierungen und des Aluminium Microstructure Analysis Gainhubs und damit ein weiteres Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit der AMAG mit der Montanuniversität Leoben. Die Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG) ermöglicht Unternehmen wie der AMAG, direkt von grundlagenorientierter Forschung zu profitieren. Ziel ist es, moderne Methoden der Materialcharakterisierung zu nutzen, um die Wirkung mikrostruktureller Bestandteile in Aluminiumlegierungen besser zu verstehen und gezielt zu steuern.Besonders im Fokus steht die Verbesserung der Recycling- und Ressourceneffizienz.

Im neuen CD-Labor werden Aluminiumlegierungen mit hohen Anteilen an rezykliertem Aluminium und ihre Eigenschaften untersucht. So sollen neue Wege für die nachhaltige Herstellung von Hochleistungslegierungen gefunden werden. Aluminiumrecycling erfordert ein tiefes Verständnis der mikrostrukturellen Dynamik, insbesondere der Bildung und Verteilung von intermetallischen Phasen, welche oft wenig erwünscht sind.Verunreinigungen wie Eisen, Kupfer, Zink oder Silizium können je nach Legierung als Nukleationsstellen für unerwünschte Phasen dienen, was nicht zuletzt mechanische sowie technologische Eigenschaften beeinträchtigen kann. Gleichzeitig bieten diese Elemente die Möglichkeit, durch gezielte Prozessänderungen neue Mikrostrukturen mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Crossover-Legierungen wie die von der AMAG zur Marktreife entwicklete AMAG CrossAlloy®.57 illustrieren das Potenzial innovativer Ansätze, erfordern aber ein tiefgehendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Phasenbildung und -entwicklung.

Schwerpunkte der Forschung

Das neue CD-Labor konzentriert sich auf drei Forschungsbereiche, die eng miteinander verknüpft sind und die Grundlagen für neue industrielle Anwendungen schaffen:

Verbesserung der Formbarkeit:Die Duktilität von Aluminiumlegierungen mit hohem Recyclinganteil hängt stark von der Mikrostruktur ab. Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen Ausscheidungen und plastischer Verformung zu verstehen und gezielt zu steuern. Untersuchungen zur Verteilung und Morphologie von Dispersoiden liefern wertvolle Einblicke beispielsweise in das Umformverhalten und helfen, prozessseitige Anpassungen vorzunehmen.
Scanning Precession Electron Diffraction (SPED):Mit dieser fortschrittlichen Methode können die kristallografischen Orientierungen und Phasenverteilungen im Nanometerbereich analysiert werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Untersuchung von Texturen und Spannungsfeldern, die während der Verformung entstehen. Solche Daten sind essenziell, um die Auswirkung von Verarbeitungsparametern auf die Endprodukteigenschaften vorherzusagen und gezielte Produktentwicklung für spezifische Kundenwünsche zu betreiben.
Verständnis und gezielte Anpassung von Prozessparametern:Rekristallisationsprozesse und die Kontrolle der Kornstruktur im Rahmen der thermomechanischen Prozessierung stehen im Mittelpunkt dieses Forschungsbereichs. Ziel ist es, u. a. die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität zu maximieren und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der Entwicklung stabiler Primärphasen kommt dabei besondere Bedeutung zu.

Prozessparameter_DE — **Abbildung 2:** Beispiel für Variationen von Prozessparametern zur Herstellung optimaler Mikrostrukturen am Beispiel einer 5xxx Legierung

Der wissenschaftliche Ansatz und die langfristige Planbarkeit des CD-Labors ermöglichen es, grundlegende Erkenntnisse in industrielle Prozesse zu überführen. Dies schafft nicht nur Wettbewerbsvorteile, sondern fördert auch die Entwicklung nachhaltiger Werkstoffkonzepte.

Investition der AMAG in ein hochmodernes REM im CMI: Umsetzung in die Praxis

Die Grundlagenforschung des CD-Labors wird durch die Investition in ein hochmodernes Rasterelektronenmikroskop (REM) im AMAG-Forschungszentrum CMI ideal ergänzt. Das ZEISS GeminiSEM 460 ermöglicht die Untersuchung komplexer Mikrostrukturen auf höchstem Niveau auch im industriellen Umfeld. Es bildet die Brücke zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung, indem es der AMAG detaillierte Einblicke in die Mikrostruktur von Werkstoffen liefert und somit die Möglichkeit gibt, sich auf Augenhöhe mit der Forschungscommunity auszutauschen und Laborergebnisse in die Praxis zu übertragen bzw. die Grundlagenerkenntnisse in der industriellen Praxis entsprechend rasch zu verifizieren.Das ZEISS GeminiSEM 460 bietet eine Vielzahl von Analysemöglichkeiten, die auf die individuellen AMAG-Bedürfnisse an die moderne Werkstoffwissenschaft und Metallkunde zugeschnitten sind:

Darstellung von Dispersoiden und Ausscheidungen: Mit Auflösungen im Nanometerbereich können die Größe, Form und Verteilung von Dispersoiden detailliert erfasst werden. Dies ist entscheidend für die Optimierung der Rekristallisations- und Umformeigenschaften von Aluminiumlegierungen.
Analyse nicht-leitfähiger Proben: Neue In-Lens-Detektoren ermöglichen gestochen scharfe Bilder auch bei niedrigen Beschleunigungsspannungen. Diese Technologie minimiert Aufladungseffekte und ist ideal für die Untersuchung von nicht leitenden Oxidschichten oder Korrosionsprodukten.
EBSD-Messungen: Die Elektronenrückstreubeugung (EBSD) liefert wichtige Informationen über die kristallografische Orientierung und Textur von Werkstoffen. Diese Daten sind essenziell, um die mechanischen Eigenschaften, die Umformbarkeit und das Korrosionsverhalten präzise zu modellieren.

Ein Elektronenmikroskop ist allerdings kein einfach zu bedienendes Gerät. Die Implementierung des neuen REM ging mit umfassenden Schulungen der F&E Mannschaft und infrastrukturellen Verbesserungen am Standort Ranshofen einher. Eine elektromagnetische Abschirmung und hochreines Stickstoff-Spülgas sorgen für eine optimale Messumgebung. Durch die Integration des REM in die bestehende Forschungslandschaft der AMAG können die Ergebnisse des CD-Labors und die weiterer wissenschaftlicher Partner wie des FELMI in Graz (ZFE Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik - Zentrum für Elektronenmikroskopie) effizient validiert und weiterentwickelt werden.

Synergien zwischen CD-Labor und AMAG CMI

Die Kombination aus fundierter Grundlagenforschung und modernster Messtechnik im CMI bietet der AMAG einzigartige Möglichkeiten. Das CD-Labor generiert ein tiefes Verständnis mikrostruktureller Zusammenhänge, währenddas REM hilft, diese Erkenntnisse in praxistaugliche Lösungen zu übersetzen.

Ein Beispiel für diese Synergie ist die Entwicklung von Legierungen mit optimierter Textur. Durch die im CD-Labor erarbeiteten Modelle konnten bereits spezifische Walzparameter definiert werden, die im REM getestet und angepasst wurden. Diese rasche, iterative Vorgehensweise ermöglicht es, die Eigenschaften neuer Legierungen gezielt zu steuern und Entwicklungszeiten signifikant zu verkürzen. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination beider Ressourcen eine detaillierte Untersuchung von Schadensmechanismen. So können etwa Korrosionsprozesse schnell analysiert und entsprechende Gegenmaßnahmen entwickelt werden. Dies fördert nicht nur die Produktqualität, sondern auch die Zuverlässigkeit der Materialien in anspruchsvollen Anwendungen.

Fazit und Kundennutzen

Mit der Kombination eines weiteren CD-Labors in der Aluminiumwerkstoffforschung und der Investition in ein state-of-the-art REM setzt die AMAG Maßstäbe in der industriellen Werkstoffforschung. Die enge Verknüpfung von wissenschaftlicher Expertise und modernster Technik schafft eine ideale Plattform für Innovationen in der Aluminiumindustrie. Durch diese Projekte wird nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt, sondern auch ein wesentlicher Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet.

Damit bietet die AMAG ihren Kunden zahlreiche Vorteile:

Höhere Produktqualität: Detaillierte mikrostrukturelle Analysen und optimierte Produktionsprozesse führen zu Aluminiumprodukten mit überlegenen mechanischen Eigenschaften.
Nachhaltigkeit: Verbesserte Recyclingfähigkeit und ressourcenschonende Verfahren tragen zu umweltfreundlicheren Produkten bei.
Schnellere Entwicklung: Die enge Verzahnung von Grundlagenforschung und Anwendung beschleunigt Innovationszyklen und reduziert Entwicklungszeiten.
Verlässlichkeit: Stabilere Prozesse und fundierte Analysen der Schädigungsmechanismen erhöhen die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Produkte.
Individuelle Anpassung: Durch die detaillierte Analyse von Mikrostrukturen können Produkte gezielt an spezifische Anforderungen angepasst werden.

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