Mechanical activation and mechanical alloying of metals in a modelling equipment

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Durch mechanische Aktivierung und mechanisches Legieren werden hochwertige Precursoren für die Pulvermetallurgie, für Metall-Composite sowie für thermische Beschichtungsverfahren gewonnen. Dabei ist es möglich, bestimmte Zusammensetzungen und Prelegierungsstrukturen zu erzeugen, die durch einfaches Mischen oder durch konventionelle Schmelztechnologien nicht oder nur mit wesentlich größerem Aufwand erhalten werden. Zur mechanischen Aktivierung wurden bisher vor allem Zerkleinerungsmaschinen verwendet und die bewirkten Veränderungen der Werkstoffeigenschaften phänomenologisch betrachtet. Im vorliegenden Konzept sollen aus der chemischen Reaktionstechnik bekannte Ansätze für die als Mechanoreaktoren dienenden Zerkleinerungsmaschinen angewandt werden, um die über die eigentliche Zerkleinerung hinausgehenden Prozesse der Stoffveränderungen und Reaktionen beschreiben zu können. Bei der thermodynamischen Bilanz der zu und abfließenden Energie- und Stoffströme in Mechanoreaktoren muss allerdings beachtet werden, dass in der Regel aktive Feststoffe mit einem gegenüber dem Gleichgewichtzustand erhöhtem Energiegehalt erzeugt werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit im Mechanoreaktor hängt dabei von der Wahrscheinlichkeit ab, dass beim Elementarschritt der mechanischen Beanspruchung genügend Energie vorhanden ist, damit die gewünschte Reaktion erfolgen kann, und sie ist proportional zur Anzahl der Elementarschritte der mechanischen Beanspruchung. Hinsichtlich der Bewertung dieser Faktoren und der Modellierung von Mechanoreaktoren besteht ein erheblicher Forschungsbedarf. Das gilt insbesondere für Metalle und andere duktile Feststoffe als zu beanspruchende Materialien. Das Ziel der geplanten Untersuchungen ist es, diese Zusammenhänge mit dem Schwerpunkt der durch die Energieabsorption beeinflussten mechanischen Aktivierung der Komponenten in einer Modellapparatur zu studieren. Für die Untersuchungen wird ein Mahlbarkeitstestgerät nach dem Kugelwälzmühlprinzip mit kalorimetrischer und tensiometrischer Energieerfassung verwendet. Ein direkter Vergleich mit einer Scheibenschwingmühle ist vorgesehen. Beide Mühlen müssen unter Schutzgas betrieben werden, um Reaktionen mit dem Umgebungsmedium zu verhindern. Als Modellstoffsysteme mit interessanter grundlegender Bedeutung und großer anwendungstechnischer Relevanz sind Eisen, Kupfer und Titan als Ein- und Zweikomponentensysteme vorgesehen. Die Feststoffveränderungen werden durch Röntgendiffraktometrie, Granulometrie und Metallographie nachgewiesen. Durch Konsolidierungsuntersuchungen mit Hochtemperaturröntgendiffraktometrie sowie bei Fe durch magnetische Messungen sollen gleichzeitig für die Werkstoffanwendung wichtige Kenngrößen ermittelt werden.