Magnetische Legierungen machen komplette Bauteile zu Sensoren

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Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde

Das Auflösungsverhalten der magnetischen Materialien in Magnesium (Mg) stellt dabei eine große Herausforderung dar, weil reines Kobalt (Co) eine gegenüber Magnesium signifikant höhere Schmelztemperatur hat und das Lösungsverhalten in Magnesium ungünstig ist. Zudem müssen die pulverförmigen Legierungselemente trotz des großen Dichteunterschieds effektiv mit der Magnesiumschmelze in Kontakt gebracht werden, um eine schnelle Diffusion des Kobalts in die Schmelze zu erreichen.

Magnetpulver wird intensiv mechanisch gerührt

Aufgrund dessen wird nach dem Chargieren des Magnetpulvers intensiv mechanisch gerührt.

Weil das Lösungsvermögen von Kobalt in Magnesium gering ist, werden kobalthaltige Phasen mit ferromagnetischen Eigenschaften im Gefüge der magnetischen Magnesiumlegierungen ausgeschieden. Bild 3 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer typischen Mikrostruktur binärer Magnesium-Kobalt-Legierungen.

Deutlich zu erkennen sind die kobaltreichen Phasen in eutektisch-lamellarer Struktur, die aufgrund der hohen Ordnungszahl von Kobalt als helle Bereiche in der REM-Aufnahme dargestellt werden. Im Fokus der Legierungsentwicklung stehen nicht nur die magnetischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften, die durch die Zugabe festigkeitssteigernder Legierungselemente wie Zink (Zn) verbessert werden.

Magnetische Eigenschaftsänderungen im Wirbelstromverfahren erfasst

Nach bisherigem Kenntnisstand besteht jedoch ein Dualismus zwischen den komplementären Forderungen nach guten magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Magnesiumlegierungen. Diese legierungsabhängig komplementären Unterschiede in den Materialeigenschaften werden nachfolgend anhand von zwei Legierungen verdeutlicht: einer binären Magnesium-Kobalt-Legierung (MgCo) sowie einer Legierung auf Basis des Magnesium-Zink-Werkstoffs ZEK100 (1 Masse-% Zink mit Spuren von seltenen Erden und Zirkonium), der mit technischem Samarium-Kobalt-Pulver (SmCo) legiert wurde. Dieses Pulver, das zur Herstellung von Dauermagneten verwendet wird, enthält zusätzlich Eisen, Kupfer und Zirkonium als Begleitelemente.

Die Eignung der hergestellten magnetischen Magnesiumlegierungen für die Messung mechanischer Beanspruchungen wird mithilfe von Normzugproben untersucht. Dazu werden die Proben in einer Universalprüfmaschine zyklisch mit ansteigender Kraft zwischen 200 und 1400 N belastet. Die erzeugten Spannungen führen zu korrespondierenden Änderungen der magnetischen Werkstoffeigenschaften. Die Änderungen werden mithilfe der Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen unter Verwendung einer geeigneten Wirbelstromsonde nachgewiesen.

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