Teilprojekt A01 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Das Ziel des Teilprojekts A01 ist die Erzeugung stoffschlüssiger Werkstoffverbunde mit gesteigerter Festigkeit und erhöhter thermischer Leitfähigkeit mittels oxidschichtfreier Fügezone am Beispiel des Verbundgusses. Oxidschichten erschweren bei etablierten Verbundgussprozessen die Benetzung und verhindern die direkte Anbindung des Gusswerkstoffs an Einlegebauteile oft vollständig. Die Arbeitshypothese des Teilprojekts A01 lautet, dass bei Verwendung XHV-adäquater Prozessgasatmosphären bisher nicht auftretende Grenzflächenreaktionen aufgrund der Abwesenheit von Sauerstoff zu erwarten sind. Das Verständnis dieser Mechanismen soll zur Erforschung der Grundlagen für das gießtechnische Fügen artfremder Werkstoffe genutzt werden. So würde z. B. ein unmittelbarer Stoffschluss zwischen Aluminiumgusswerkstoff und Kupfereinleger die Herstellung gewichtsreduzierter Kühlelemente ermöglichen, die, verglichen mit konventionell gefügten Kühllösungen, über eine signifikant gesteigerte thermische Leitfähigkeit verfügen.

Ziele

Die Benetzung von aktiv desoxidierten metallischen Substraten mit oxidschichtfreien Schmelzen wird in Kooperation mit den Teilprojekten der Bereiche A und B untersucht, die ebenfalls Schmelzen in ihren Prozessen betrachten. Neben der Benetzbarkeit sauerstofffreier Oberflächen durch Aluminiumschmelzen gilt es im Rahmen von Verbundgussversuchen die Bildung intermetallischer Phasen an der entstehenden Grenzfläche zwischen den Fügepartnern zu erforschen, da diese die Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit der Verbundzone wesentlich beeinflussen. Daher ist die detaillierte Analyse der Grenzfläche ein Schwerpunkt der geplanten Arbe-ten. Dies umfasst eine Aufklärung der eigenschaftsbestimmenden Prozessgrößen und deren Einfluss auf die Mikrostruktur der Werkstoffverbunde.

Der Einsatz von Silan zur Beseitigung des Restsauerstoff- und Wassergehaltes im Schutzgas verhindert die Oxidation juveniler metallischer Oberflächen, führt aber auch zu neuen Fragestellungen bei der schmelzmetallurgischen Verarbeitung von Aluminium. So ist beispielswiese unklar inwieweit das Gasaufnahmevermögen der Schmelze beeinflusst wird und welche Veränderungen bei Reaktionen zwischen der Schmelze und dem Tiegelmaterial oder der Gussform (Warmarbeitsstahl) auftreten. Darüber hinaus kann bei den typischen Schmelz- und Gießtemperaturen von Aluminiumlegierungen eine Zersetzung von Silan auftreten, die zur Bildung neuer chemischer Verbindungen mit den im Prozess angebotenen Reaktanden führen kann. Diese Wechselwirkungen werden im Rahmen der 1. Förderperiode im Labormaßstab untersucht und die diffusionskontrollierten Prozesse in einem Modell abgebildet. Aus den Erkenntnissen der Grundlagenexperimente soll letztlich ein Grenzflächenmodell entstehen, das in zukünftigen Förderperioden zur Übertragung auf technisch relevante Gießprozesse (z. B. Druckguss) genutzt werden kann.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Demke, T. M., Emminghaus, N., Overmeyer, L., Kaierle, S., Klose, C., Thürer, S. E., Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F., Nyhuis, P., Kuprat, V. K. (2024): Approach for the monetary evaluation of process innovations in early innovation phases focusing on manufacturing and material costs, Production Engineering 18, pp. 169–189
DOI: 10.1007/s11740-023-01223-5
Fromm, A. C., Kahra, C., Selmanovic, A., Maier, H. J., Klose, C. (2023): An X-ray Microscopy Study of the Microstructural Effects on Thermal Conductivity in Cast Aluminum-Copper Compounds, Metals 13, p. 671
DOI: 10.3390/met13040671
Maier, H. J., Gawlytta, R., Fromm, A., Klose, C. (2023): Increasing thermal conductivity in aluminium-copper compound castings: modelling and experiments, Materials Science and Technology, pp. 1–11
DOI: 10.1080/02670836.2023.2184591
Nazarahari, A.; Fromm, A. C.; Ozdemir, H. C.; Klose, C.; Maier, H. J.; Canadinc, D. (2023): Determination of thermal conductivity of eutectic Al–Cu compounds utilizing experiments, molecular dynamics simulations and machine learning, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 31, p. 45001
DOI: 10.1088/1361-651X/acc960
Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W., Gustus, R., Maier, H. J., Herbst, S. (2023): Oxygen‐Free Production—From Vision to Application, Advanced Engineering Materials
DOI: 10.1002/adem.202201819
Denkena, B., Bergmann, B., Fromm, A., Klose, C., Hansen, N. (2022): Influence of the atmosphere and temperature on the properties of the oxygen-affine bonding system titanium-diamond during sintering, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
DOI: 10.1007/s00170-022-09171-7
Fromm, A. C., Barienti, K., Selmanovic, A., Thürer, S. E., Nürnberger, F., Maier, H. J., Klose, C. (2022): Oxygen-Free Compound Casting of Aluminum and Copper in a Silane-Doped Inert Gas Atmosphere: A New Approach to Increase Thermal Conductivity, International Journal of Metalcasting
DOI: 10.1007/s40962-022-00910-w
Maier, H. J., Herbst, S., Denkena, B., Dittrich, M.-A., Schaper, F., Worpenberg, S., Gustus, R., Maus-Friedrichs, W. (2020): Towards Dry Machining of Titanium-Based Alloys: A New Approach Using an Oxygen-Free Environment, Metals 10, p. 1161
DOI: 10.3390/met10091161

Zeitschriftenbeiträge, nicht begutachtet

Fromm, A., Gawlytta, R., Holzmann, E., Klose, C., Maier, H. J. (2022): Oxidfreier Verbundguss - Optimale Wärmeleitung zwischen artfremden Verbundpartnern, Giesserei Special 109, pp. 32–40

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Fromm, A., Selmanovic, A., Gawlytta, R., Klose, C., Maier, H. J. (2023): Charakterisierung von im Kokillenguss hergestellten Aluminium-Kupfer-Verbunden hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2
Maier, H. J., Rodriguez Diaz, M., Möhwald, K., Fromm, A., Gawlytta, R., Klose, C. (2022): Sauerstofffreie Produktion in fünf von sechs Fertigungshauptgruppen, In: Königstein, T., Wank, A. (Hg.): Tagungsband 8. GTV Kolloquium Thermisches Spritzen & Laser Cladding. Lückenbach: GTV Verschleißschutz GmbH, pp. 31–41
ISSN: 1610-0530