Innovative Eisen-Silizium-Legierungen zur Herstellung verbesserter magnetisierbarer Elektrobleche



Eisen-Silizium-Legierungen besitzen ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften. Das heißt, sie können sehr gut in einem magnetischen Feld magnetisiert werden. Daher werden sie zur Herstellung von Elektromotoren, Transformatoren und Generatoren verwendet. Diese Legierungen enthalten etwa drei Prozent Silizium. Optimale magnetische Eigenschaften und minimale Leistungsverluste werden jedoch beim Einsatz von Legierungen mit etwa 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Silizium erzielt.

Die Magnetostriktion bezeichnet die Verformung von ferromagnetischen Stoffen (Übergangsmetallen wie Eisen, Nickel oder Kobalt) in Abhängigkeit von angelegten magnetischen Feldern. Sie ist bei den silizumhaltigeren Legierungen sehr gering, so dass keine periodischen Dehnungen im elektromagnetischen Wechselfeld auftreten. Daher bleibt das so genannte Brummen aus, das wir von Transformatoren in Umspannstationen kennen.

Leider ist diese Verbesserung der magnetischen Fähigkeiten verbunden mit einer drastischen Abnahme der Duktilität bei Raumtemperatur. Unter Duktilität ist die Eigenschaft zu verstehen, unter Einwirkung äußerer Einflüsse zur dauerhaften Verformung zu neigen, ohne dass dabei Werkstofftrennungen auftreten. Die Abnahme dieser Fähigkeit macht eine konventionelle Herstellung durch Kaltwalzen nahezu unmöglich.

Die Ursache für diese Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften ist bekannt. Entscheidende Faktoren hierfür sind die Ausbildung so genannter Überstrukturen (Bereiche mit geordneten Eisen- und Silizium-Atomen) und Segregationsvorgänge (Entmischungsvorgänge) des Siliziums während der Erstarrung. Gelingt es, die Verteilung des Siliziums auf atomarer Skala zu kontrollieren und gezielt zu beeinflussen, dann lassen sich diese Probleme beheben.

Die Herstellung solcher Legierungsproben unter Schwerelosigkeit soll dazu dienen, die Möglichkeiten der Bildung segregationsfreier Legierungen zu untersuchen. Zudem könnte geklärt werden, welcher Anteil des Segregationseffektes auf chemische Ursachen zurückzuführen ist und welcher auf Entmischung in Folge der Schwerkraft.

Die Untersuchungen zielen außerdem darauf ab, den Mechanismus der Segregation besser zu verstehen. Dies ist von großer Bedeutung für die industrielle Großproduktion hochqualitativer Elektrostähle. Die vorgesehenen Experimente in der TEMPUS-Anlage erlauben unter Schwerelosigkeit eine Bestimmung der Oberflächenspannung und Zähigkeit der geschmolzenen Legierung, die wichtige Parameter für die industrielle Produktion sind.


Kontakt
Prof. Dr. Georg Frommeyer
Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

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E-Mail: stein@mpie.de
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