Analyse der Kinetik der Ausscheidungsprozesse in Fe-Si-Cu auf atomarem Niveau mittels Atomsondentomographie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Pyuck-Pa Choi, seit 3/2011
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 184178069

Die Weiterentwicklung und Optimierung der Elektrostähle besitzt einen besonderen Stellenwert in der modernen Erzeugung, Übertragung und Umwandlung der elektrischen Energie. Insbesondere der Beitrag dieses Werkstoffs zu einem effizienten Einsatz der Elektromotoren in den modernen Kraftfahrzeugen steht im Fokus.Weichmagnetische Eigenschaften des Elektrostahls sind von großer Bedeutung für die zyklischen Ummagnetisierungsprozesse im Elektromotor. In konventionellen weich-magnetischen Stählen wird durch Zugabe von 3 wt. % Si eine großkörnige störungsfreie ferritische Mikrostruktur eingestellt, die eine ungehinderte Bewegung der Bloch-Wände erlaubt und so die weichmagnetischen Eigenschaften dieser Silizium-basierten Elektrostähle bestimmt. Allerdings, entsprechen die mechanischen Eigenschaften der konventionellen Elektrostähle nicht den Anforderungen zum Einsatz in hochbelasteten beweglichen Teilen eines modernen Elektromotors. In diesem Projekt, beschäftigen wir uns mit den Nanopartikeln zweiter Phase, die zur Festigkeitssteigerung der Elektrostähle durch Ausscheidungshärtung erzeugt werden. Durch die niedrige Löslichkeit von Kupfer in Eisen führt eine geringe Zugabe von diesem Element zur Bildung von nano-skalierten Ausscheidungen im Silizium-basierten Elektrostahl. Diese homogen verteilten Nanopartikel üben nahezu keinen Einfluss auf die Bewegung der Bloch-Wände im Elektrostahl aus und führen jedoch gleichzeitig zu einer signifikanten Steigerung der mechanischen Festigkeit.In Rahmen unseres Projektes, werden fein verteilte Cu-Nanopartikel in einer Fe-3%Si Matrix durch thermisches Anlassen erzeugt (Cu 1-3 wt. %). Untersuchungen der Bildungskinetik, der thermodynamischen Wachstumsprozesse, der Morphologie und der Zusammensetzung der Ausscheidungen auf atomarem Niveau sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der treibenden Kräfte und Mechanismen der homogenen Ausscheidung der Cu-Nanopartikel. Eine drei-dimensionale chemische und morphologische Analyse auf atomarer Skala wird mittels Atomsondentomographie (APT, LEAP 3000X HR) zusammen mit korrelativer Charakterisierung im hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Diese Analyse liefert detaillierte Informationen auf atomarem Niveau, die mit keinen anderen Methoden zugänglich sind. So können die Prozesse der Nukleation und des Wachstums der Ausscheidungen und der Evolution der chemischen Gradienten zwischen den Partikeln und der Matrix quantitativ charakterisiert werden. Die Ausscheidungskinetik im ternären Fe-Si-Cu System wird zusätzlich mittels kinetischer Monte-Carlo Simulationen (KMC) untersucht. Die Kombination aus dem experimentellen APT-Verfahren und den atomistischen KMC-Simulationen liefert neuartige Einblicke in die fundamentalen Mechanismen und Charakteristiken der Nanoausscheidungsprozesse auf atomarer Skala. Resultierende mechanische und magnetische Eigenschaften werden durch Dehnungsversuche und Messungen der magnetischen Hysterese geprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Olga Dmitrieva, bis 2/2011