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Materialforscher machen Motorblöcke leichter

Im Automobilbau werden vor allem Motorblöcke aus Gusseisen verwendet. Gesucht wird nach Verfahren, mit deren Hilfe sich Gusseisen dünnwandiger bei weiterhin hohen Festigkeiten produzieren lässt. Dabei spielt Grafit eine wichtige Rolle. Denn Grafit beeinflusst die Materialeigenschaften von Gusseisen. Wissenschaftler von der Universität des Saarlandes ist es nun gelungen, mithilfe der so genannten Nano-Tomographie vorherzusagen, in welcher Form das Grafit vorliegt und wie es das Gusseisen verändert. Mit diesen Erkenntnissen ließen sich künftig, so erklärt die Universität, wesentlich leichtere Motorblöcke herstellen. Für ihre Forschungsarbeit wurden die Wissenschaftler Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Saar-Uni, und Alexandra Velichko nun mit dem Werner-Köster-Preis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) ausgezeichnet.

Materialforscher interessieren sich für die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffes sowie 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 funktioniert. Der Körper wird durch einen 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", erklärt Mücklich.

In der Forschungsarbeit zur Grafitmorphologie konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, wie sich bei der Herstellung von Gusseisen die chemische Zusammensetzung, die Kristallstruktur und das Wachstum des Grafits verändern lassen. Durch diese detaillierte Analyse konnten die Forscher in einem weiteren Schritt 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 Grafitstruktur können dazu führen, dass sich die Bauteile unterschiedlich verhalten", betont 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. Er wird 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.
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