Optimierung der Herstellung ressourcenschonender Werkstoffverbunde auf der Basis von Phasen- und Grenzflächenanalysen

Aufgrund der zunehmenden Klimaerwärmung kommt der Entwicklung ressourcenschonender Fertigungsverfahren eine immer größere Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Phasen- und Grenzflächenanalysen Möglichkeiten zur Ressourcenschonung in drei unterschiedlichen Fertigungs-, bzw. Fügeprozessen identifiziert.
Im ersten Schwerpunkt der Arbeit wird aufgezeigt, wie der Werkzeugverschleiß beim Warmumformen höchstfester, Al-Basis beschichteter Stahlbleche durch eine Optimierung des Schichtkonzeptes verringert werden kann. Dazu wurden die an den Stahl/Schicht-Grenzflächen bei der Warmumformung ablaufenden Phasenumwandlungen analysiert und die in den Schichten in Abhängigkeit der Prozessparameter ausgebildeten intermetallischen AlXFeY-Phasen identifiziert und charakterisiert. Auf dieser Grundlage erfolgte eine Anpassung des Temperaturprofiles im Warmumformprozess. Dies ermöglichte eine gezielte Umwandlung der Schicht in die Phase AlFe, die aufgrund ihrer niedrigeren Härte und höheren Zähigkeit im Vergleich zu anderen intermetallischen AlXFeY-Phasen einen geringeren Werkzeugverschleiß bewirkt.
Im zweiten Schwerpunkt wurde ein neues Schweißverfahren eingesetzt, um die beschichteten, höchstfesten Stahlbleche mit Aluminium- und Magnesium-Leichtmetalllegierungen stoffschlüssig zu fügen. Dies soll ein direktes Verbinden dieser Werkstoffe in Automobilkarosserien ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen der Arbeit ein Laserschweißlötprozess eingesetzt und die Notwendigkeit einer Oberflächenkonditionierung der beschichteten Stahlbleche untersucht. Es erfolgte eine Analyse der beim Schweißlöten ablaufenden Grenzflächenreaktionen und der in den gefügten Werkstoffen ausgebildeten Wärmeeinflusszonen. Auf dieser Grundlage konnten Prozessparameter identifiziert werden, die das Fügen von Stahl/Aluminium- und Stahl/Magnesium-Fügeverbindungen mit hohen Verbundfestigkeiten ermöglichen.
Im dritten Schwerpunkt der Arbeit wurde ein Kondensatorentladungsschweißverfahren eingesetzt, um hochverschleißbeständige, hartstoffhaltige Werkstoffe in sehr kurzer Prozesszeit und ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen mit Stahlsubstraten zu fügen. Dies ermöglicht ein ressourcenschonendes Fügen dieser Werkstoffe für Werkzeuge zur Bearbeitung mineralischer und metallischer Güter. Auch bei den mit diesem Verfahren hergestellten Fügeverbindungen erfolgte eine Analyse der Grenzflächenreaktionen und Untersuchung der in den gefügten Werkstoffen ausgebildeten Wärmeeinflusszonen. Die darauf abbauend identifizierten Prozessparameter ermöglichten die Herstellung von Fügeverbindungen mit Verbundfestigkeiten vergleichbar zu Lötverbindungen, welche aufgrund des Einsatzes von Zusatzwerkstoffen einen höheren Ressourceneinsatz erfordern.