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Einsatz elektromagnetische Felder zur Herstellung neuer Werkstoffe

Schema Kaltwand-Induktionstiegelofen

Elektromagnetische Felder erzeugen bei der Einwirkung auf Werkstoffe im Wesentlichen zwei Effekte: die direkte Erzeugung von Wärme und von elektromagnetischen Kräften im Inneren des Werkstoffs.

Der Wärmeeinfluss wird bei der klassischen Anwendung in der induktiven, konduktiven und dielektrischen Erwärmung seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Insbesondere der Einsatz der Induktionserwärmung für die Wärmebehandlung (Härten, Glühen, Anlassen) hat das Ziel, die Eigenschaften der Werkstoffe zu verbessern, z. B. beim induktiven Randschichthärten eine gehärtete Randzone zu erzielen, was aufgrund der direkten Wärmemeinbringung in das Material in kürzester Zeit, im Sekunden- oder sogar Millisekundenbereich erfolgt. Das ETP ist auf dem Gebiet der induktiven Wärmebehandlung seit Jahren tätig (siehe auch Forschungsgebiet und öffentlich gefördertes Projekt 2009 zum induktiven Randschichthärten).

Der Einfluss elektromagnetischer Kräfte kann dann vorteilhaft zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften eingesetzt werden, wenn der Herstellungsprozess eines Materials über die Schmelzphase verläuft. Beim klassischen induktiven Schmelzen von Metallen wird der Krafteinfluss vorteilhaft zum Rühren und Durchmischen der Schmelze genutzt, um die Legierungshomogenität und damit die Materialqualität zu erhöhen. Selbst bei nicht induktiven Schmelzverfahren, wie z. B. beim Aluminiumschmelzofen mit Gaserwärmung wird häufig ein Induktionsrührer zur Verbesserung der Durchmischung, zur Reduzierung von Übertemperaturen und des Abbrandes eingesetzt, um auch hier die Wirtschaftlichkeit und Qualität des Aluminiums zu erhöhen. Experimentelle und numerische Untersuchungen zu diesen Themen bilden seit vielen Jahren einen Schwerpunkt der Arbeiten am ETP (siehe Forschungsgebiete zu magnetofluiddynamischen Prozessen).

Die elektromagnetisch erzeugten Rühreffekte werden heute gezielt auch bei vielen Erstarrungs- oder Kristallisationsprozessen eingesetzt, um die Qualität der erstarrten Legierung oder des erzeugten Kristalls, die Eigenschaften der Werkstoffe oder aber auch die Wachstumsgeschwindigkeit des Materials und damit die Produktivität des Prozesses zu erhöhen. Die Simulation und Optimierung geeigneter elektromagnetischer Felder für das Rühren ist sein Jahren ein Schwerpunkt am ETP in den Bereichen Si-Einkristallzüchtung (siehe Forschungsgebiet Züchtung von Halbleiter-Einkristallen), Kristallzüchtung für Photovoltaik-Anwendungen (siehe Forschungsgebiet Züchtung von Kristallen für die Photovoltaik-Industrie) und Kristallzüchtung von III-V-Halbleiter (siehe öffentlich gefördertes Projekt KristMAG). Erste experimentelle und numerische Arbeiten zum Einsatz von elektromagnetischen Feldern beim Erstarren von Sonderlegierungen (TiAl, AL-Si-Legierungen u.a) haben am ETP begonnen und eröffnen damit neue potentielle Anwendungsbereiche des elektromagnetischen Rührens von metallischen Schmelzen.

Eine weitere typische Anwendung für den Einsatz von elektromagnetischen Feldern zur Herstellung neuer Werkstoffe stellt das EIS-Verfahren zur Herstellung von Gradientenwerkstoffen dar (siehe öffentlich gefördertes Projekt 2007).

 

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. B. Nacke

Prof. Dr.-Ing. E. Baake