Das Thema Klimaschutz und daraus folgend auch beispielsweise eine Einsparung fossiler Brennstoffe ist ein großer Forschungsschwerpunkt, wobei vor allem im Automobil und Transportbereich die Substitution der klassischen Materialien wie Stahl durch Leichtbauwerkstoffe, wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen, von Interesse ist. Aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur des Magnesiums, bringt die Verarbeitung nahezu einzigartigen Herausforderungen mit sich. Dabei wird durch das Hinzulegieren von Calcium, beispielsweise in ZAX-Legierungen – mit Zink, Aluminium und Calcium – die Umformbarkeit bei Raumtemperatur durch eine schwächer ausprägte Textur mit einem Basalpolsplit verbessert. [2] Um die ersetzten Bauteile in den Fahrzeugen zu verbinden, wird beispielsweise das Schweißen verwendet. Dieses Verfahren profitiert allerdings von einer artgleichen Schweißung, wo Grundwerkstoff und Schweißdraht ähnliche Zusammensetzungen besitzen. Zum Schweißen, und auch für eine drahtbasierte additive Fertigung, sind Drähte mit ca. 1 - 1,6 mm Durchmesser nötig, die ausschließlich über einen Ziehprozess erreicht werden können. Für die Herstellung der Vorprodukte von Drähten für das Ziehen rücken die Verfahren Strangpressen und Kaliberwalzen in den Fokus. Für letzteres fehlen allerdings grundsätzliche Erfahrungswerte und Forschungsergebnisse, die aber für eine Anwendung und Einführung in die Wirtschaft unabdingbar sind.

The topic of climate protection and, for example, the resulting need for a reduction in the use of fossil fuels, is a major focus of research. Particular interest is taken in the substitution of traditional metals such as steel with lightweight materials like aluminium and magnesium alloys in the automotive and generally in the transportation sector. Due to the hexagonal crystal structure of magnesium, the processing of its alloys contains some almost unique challenges. By alloying calcium, for example in ZAX-alloys – containing zinc, aluminium and calcium – the formability at room temperature is improved through a less pronounced texture with a basal pole split. [2] To join the replaced components in the cars, welding can be used. This process profits from procedure where base and weld material are of similar compositions. For welding, and for wire-based additive manufacturing too, wires with a diameter of approximately 1 – 1.6 mm are required, which can only be produced through drawing. The production for the preliminary products can be achieved through either extrusion or groove rolling. For the latter there is a lack of fundamental empirical experience and research results that are required for a successful application and implementation in the industry. The extrusion process is more established but groove rolling has the potential to produce larger quantities in the same time and has the added advantage of a greater grain refinement.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sind die Struktur und die Wasserstoffsorptionseigenschaften neuer nanokristalliner, hydridbildender magnesiumbasierter Legierungen, die mittels Rascherstarrung (Melt-Spinning Verfahren) hergestellt wurden, untersucht worden. Der Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Erforschung der Vorgänge während der Aktivierung und der zyklischen Hydrierung/Dehydrierung der rascherstarrten Mg-Legierungen. Zusätzlich wurde das Gefüge, das sich nach der Kristallisation, Aktivierung bzw. Hydrierung einstellt, seine Erhaltung und Auswirkung auf das H2-Speicherverhalten (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen) untersucht. Die für die Verbesserung der Kinetik des H2-Speicherverhaltens angestrebte Nanostruktur konnte nach der Hydrierung der rascherstarrten Legierungen erreicht werden. Die REM-, TEM- sowie EFTEM (EELS)-Untersuchungen zeigten, dass ein Y-Zusatz zu Mg-basierten Legierungen zu einer sehr feinen (ca. 50 nm) und homogenen Verteilung von Y-Hydriden im Gefüge der rascherstarrten Bänder führt. Mg2Ni-Hydride bilden dagegen größere Körner im Größenbereich von 2-3 µm. Bei den Cu-haltigen Legierungen wurde eine Koexistenz von Mg2NiH4 und MgCu2 in direkter Nachbarschaft nachgewiesen. Detaillierte Untersuchungen der Wasserstoffabsorption haben gezeigt, dass die Chemisorption während des linearen Anfangsbereiches des Hydrierungsverlaufes geschwindigkeitsbestimmend ist. Nach dem linearen Hydrierungsverlauf ist die Hydrierungskinetik von der Wasserstoffdiffusion durch eine geschlossene Hydridschicht beeinflusst. Mit dem breiten Spektrum der Untersuchungen (REM, EELS, TEM, HP-TGA, DSC, in situ-Synchrotron-XRD) als auch durch gezielte Variation der Zusammensetzungen wurden neue und grundlegende Erkenntnisse zum H2-Speicherverhalten der rascherstarrten Mg-basierten Legierungssysteme gewonnen. Besondere Beachtung verdient die Mg90Ni8Y1,6SE0,4-Legierung. Durch die Möglichkeit einer einfachen Herstellung, ihre schnelle Reaktionskinetik, ihren hohen Wasserstoffgehalt (bis zu 5,6 Gew.%) und ihre gute Zyklenstabilität eignet sich diese Legierung zur sicheren, volumeneffizienten sowie leichtgewichtigen Speicherung von Wasserstoff. Damit kann Wasserstoff gespeichert, transportiert und als CO2-freier Sekundärenergieträger in stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sind die Struktur und die Wasserstoffsorptionseigenschaften neuer nanokristalliner, hydridbildender magnesiumbasierter Legierungen, die mittels Rascherstarrung (Melt-Spinning Verfahren) hergestellt wurden, untersucht worden. Der Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Erforschung der Vorgänge während der Aktivierung und der zyklischen Hydrierung/Dehydrierung der rascherstarrten Mg-Legierungen. Zusätzlich wurde das Gefüge, das sich nach der Kristallisation, Aktivierung bzw. Hydrierung einstellt, seine Erhaltung und Auswirkung auf das H2-Speicherverhalten (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen) untersucht. Die für die Verbesserung der Kinetik des H2-Speicherverhaltens angestrebte Nanostruktur konnte nach der Hydrierung der rascherstarrten Legierungen erreicht werden. Die REM-, TEM- sowie EFTEM (EELS)-Untersuchungen zeigten, dass ein Y-Zusatz zu Mg-basierten Legierungen zu einer sehr feinen (ca. 50 nm) und homogenen Verteilung von Y-Hydriden im Gefüge der rascherstarrten Bänder führt. Mg2Ni-Hydride bilden dagegen größere Körner im Größenbereich von 2-3 µm. Bei den Cu-haltigen Legierungen wurde eine Koexistenz von Mg2NiH4 und MgCu2 in direkter Nachbarschaft nachgewiesen. Detaillierte Untersuchungen der Wasserstoffabsorption haben gezeigt, dass die Chemisorption während des linearen Anfangsbereiches des Hydrierungsverlaufes geschwindigkeitsbestimmend ist. Nach dem linearen Hydrierungsverlauf ist die Hydrierungskinetik von der Wasserstoffdiffusion durch eine geschlossene Hydridschicht beeinflusst. Mit dem breiten Spektrum der Untersuchungen (REM, EELS, TEM, HP-TGA, DSC, in situ-Synchrotron-XRD) als auch durch gezielte Variation der Zusammensetzungen wurden neue und grundlegende Erkenntnisse zum H2-Speicherverhalten der rascherstarrten Mg-basierten Legierungssysteme gewonnen. Besondere Beachtung verdient die Mg90Ni8Y1,6SE0,4-Legierung. Durch die Möglichkeit einer einfachen Herstellung, ihre schnelle Reaktionskinetik, ihren hohen Wasserstoffgehalt (bis zu 5,6 Gew.%) und ihre gute Zyklenstabilität eignet sich diese Legierung zur sicheren, volumeneffizienten sowie leichtgewichtigen Speicherung von Wasserstoff. Damit kann Wasserstoff gespeichert, transportiert und als CO2-freier Sekundärenergieträger in stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt werden.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.