Kornverfeinerung

Kornverfeinerung (grain refinement) bezeichnet in der Werkstoffwissenschaft das gezielte Verkleinern der Kristallite einer Metall‑ bzw. Legierungsstruktur. Durch die Erhöhung der Kornzahl und die Reduktion des durchschnittlichen Kornradius lässt sich das Materialverhalten deutlich beeinflussen, wobei insbesondere Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verbessert werden.

In der Praxis wird Kornverfeinerung über thermische, mechanische und chemische Verfahren erreicht. Thermische Methoden umfassen kontrollierte Abschreckungen, Rekristallisation und Temperatur‑Überschreitungen (z. B. Mikro‑ und Nanogrößen‑Ausscheidungen). Mechanische Verfahren nutzen starke plastische Verformungen wie Walzen, Schmieden oder Hydroforming, wodurch neue Kornkerne entstehen und vorhandene Körner gedehnt werden. Chemische Ansätze beruhen auf dem Zusatz von Mikro‑ und Nanopartikeln (z. B. TiN, AlN, NbC) oder Legierungselementen, die als Kristallisationskeime wirken und das Wachstum großer Körner hemmen.

Die mikrostrukturellen Mechanismen beruhen auf einer erhöhten Keimbildungsrate während Erstarrung oder Rekristallisation. Keime reduzieren die kritische Kernradius und verhindern das unkontrollierte Wachstum von Körnern, wodurch ein feinkörniges Gefüge entsteht. Die Hall‑Petch‑Relation beschreibt den Zusammenhang zwischen Korngröße und Streckgrenze; kleinere Körner erhöhen die Materialfestigkeit, da die Versetzungen an den Korngrenzen gestoppt werden.

Kornverfeinerte Werkstoffe finden breite Anwendung in der Automobil-, Luftfahrt‑ und Bauindustrie. In hochfesten Stählen, Aluminium‑Legierungen und Titan‑Alloyen verbessert die Verfeinerung die Formbarkeit bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit, was zu leichteren und sichereren Bauteilen führt. Forschung konzentriert sich zunehmend auf nanokörnige Strukturen und additive Fertigungsverfahren, um die Vorteile der Kornverfeinerung mit kosteneffizienten Produktionsprozessen zu verbinden.