Forscher der North Carolina State University haben eine Methode vorgestellt, um fein gemahlene Eierschalen direkt bei der Herstellung von Magnesiumlegierungen einzusetzen. Die in der Fachzeitschrift Journal of Magnesium and Alloys veröffentlichte Arbeit zeigt, dass das biogene Abfallprodukt konventionelle, aus Erzen gewonnene Calciummaterialien ersetzen und die Härte sowie Druckfestigkeit des Metalls steigern kann.
Jedes Jahr landen Milliarden Eierschalen als Restprodukte in Haushalten und in der Lebensmittelindustrie. Während diese Abfälle meist ungenutzt auf Deponien verbleiben, offenbart ihre chemische Zusammensetzung ein bisher vernachlässigtes Potenzial für die Metallurgie.
Eierschalen als Calciumquelle für den einstufigen Herstellungsprozess
In ihrer natürlichen Beschaffenheit bestehen Eierschalen zu etwa 95 Prozent aus Calciumcarbonat. In der metallurgischen Produktion spielen Calcium und seine Verbindungen eine wesentliche Rolle, um die mechanischen Eigenschaften von Magnesium zu verbessern. Bislang mussten diese Zusatzstoffe jedoch in einem aufwendigen und energieintensiven Verfahren aus abgebauten Erzen hergestellt werden, bevor sie in das geschmolzene oder halbfeste Metall eingebracht werden konnten.
Das Team um Bharat Gwalani kombinierte die Nutzung des biogenen Abfalls mit einer Technik namens Friction Stir Extrusion (Reibextrusion). Bei diesem Verfahren wird ein zylindrischer Magnesiumblock mit mehreren gleichmäßig verteilten Bohrungen versehen, die anschließend mit dem feinen Eierschalenpulver gefüllt werden.
Reibung und chemische Umwandlung in der Metallmatrix
Der präparierte Magnesiumblock wird in einen Stahlzylinder eingesetzt, in den ein rotierender Dorn mit einer zentralen Bohrung eingeführt wird. Dieser Werkzeugkopf arbeitet ähnlich wie ein Mörser, der das Pulver unter starkem Druck und einer Rotation von 300 Umdrehungen pro Minute in das umliegende Metall einarbeitet.
Die dabei entstehende Reibung erzeugt die nötige Hitze, um den chemischen Umwandlungsprozess direkt in Gang zu setzen, ohne dass das gesamte Metall aufgeschmolzen werden muss. An den Grenzflächen entstehen Calciumoxid und Magnesiumoxid, während sich das freigesetzte Calcium mit dem Magnesium zu der intermetallischen Phase Mg2Ca verbindet.
Durch den anhaltenden Druck des Werkzeugs wird das Material durch die zentrale Öffnung gepresst und als fertiger Verbundstab extrudiert. Dieser Ablauf verbindet Mischen, Reagieren, Legieren und Formgeben in einem einzigen kontinuierlichen Arbeitsgang.
Mechanische Leistungsfähigkeit und Einsparpotenziale bei der Produktion
Mechanische Tests an den hergestellten Proben ergaben, dass die Eierschalen-Verbundstoffe eine höhere Härte und Druckfestigkeit aufweisen als das unbehandelte Ausgangsmaterial. Zugleich bleibt das geringe Gewicht des Metalls erhalten. Magnesium gilt als leichtes Strukturmetall für Anwendungen in der Fahrzeugelektronik, im Automobilbau und in der Luftfahrttechnik sowie für medizinische Implantate, die im Körper abgebaut werden können.
Das bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Es sind weniger Arbeitsschritte erforderlich. Man verfügt über eine zuverlässige, nachhaltige Lieferkette. Eierschalen sind günstig.
Bharat Gwalani, Korrespondierender Autor
Obwohl die Laborversuche vielversprechende Ergebnisse liefern, weisen die Forscher darauf hin, dass es sich um einen ersten Machbarkeitsnachweis handelt. Eine vollständige quantitative Bilanz des tatsächlich erzielten Energieverbrauchs, der genauen Kosten und der Emissionen im Vergleich zu etablierten Industrieverfahren steht noch aus. Zudem müssen künftige Untersuchungen zeigen, wie sich das Verfahren bei größeren Materialmengen verhält und ob die verbesserten Materialeigenschaften auch in großformatigen, technisch relevanten Bauteilen Bestand haben.
