Teilprojekt A04 Sinterbeschichtungen Formhärten

Im Rahmen des Teilprojektes wird das konduktive Erwärmen in XHV-adäquater Atmosphäre zum Formhärten untersucht. Beim Formhärten werden Mangan-Bor-Stahlbleche über die AC3-Temperatur erwärmt und anschließend im gekühlten Umformwerkzeug abgeschreckt. Das Aufheizen der Bleche erfolgt aktuell in mit Erdgas beheizten Rollenherdöfen. Als alternativer Ansatz bietet sich die direkte, konduktive Erwärmung an. Dieser Prozess ist im Vergleich zum Rollenherdofen zehnmal schneller und rund 70 % energieeffizienter. Eine Herausforderung stellt dabei der Zunderschutz der Bleche während der Erwärmung dar. Für die extrem schnelle Aufheizgeschwindigkeit von über 100 K/s gibt es aktuell kein geeignetes Beschichtungssystem. Die Schichtauflagen feuerverzinkter bzw. -aluminierter Bleche sind wesentlich zu dick für das erforderliche diffusionsgesteuerte Legieren mit dem Stahl in der Kürze einer konduktiven Erwärmung. Nicht legierter Schichtwerkstoff aus Aluminium oder Zink verflüssigt dann im schnellen Aufheizprozess und verdampft zudem im Fall des Zink. Die Bleche, welche bei ca. 850 °C in die Presse überführt werden müssen, sind damit nicht verarbeitbar.

In der ersten Projektphase wurde ein Prozess entwickelt, der die Zunderbildung beim konduktiven Erwärmen von unbeschichteten Blechen unterdrückt. Hierfür wurde ein Inline-Beschichtungsprozess unter XHV-adäquater Atmosphäre für Bleche während der konduktiven Erwärmung aufgebaut. Als verzunderungsresistente Beschichtungswerkstoffe wurden pulverförmige Nickellotlegierungen eingesetzt, die aufgrund ihres Schmelzbereichs (890-950 °C) und ihrer Metallurgie für einen Schichtauftrag bei schnellen Aufheizprozessen geeignet sind. Damit die schmelzenden Pulver metallurgisch wechselwirken und homogene Schichten mit guter stofflicher Anbindung zur Stahloberfläche bilden, ist eine sauerstofffreie Atmosphäre essentiell, da bereits geringfügige Werkstoffoxidation eine Schichtbildung verhindern. Der in der entwickelten Forschungsanlage unter silandotierter Schutzgasatmosphäre durchgeführte Prozess nutzt die konduktive Erwärmung, um über Düsen in situ-appliziertes Beschichtungspulver schichtbildend aufzutragen. Derartig beschichtete Bleche wurden für Umformversuche eingesetzt und analysiert. Die Untersuchungen lieferten weitreichende Erkenntnisse zur Applizierbarkeit von pulverförmigen Schichtwerkstoffen, zum Schichtbildungsprozess bei konduktiver Erwärmung unter silandotiertem Stickstoff sowie dem Umformverhalten der gebildeten Beschichtungen im anschließenden Formhärteprozess.

Im Gegensatz zu den Schmelztauchverfahren lassen sich über eine trockene (elektrostatische) oder nasse Pulververdüsung prinzipiell sehr geringe Schichtauflagen erzeugen. Diese sind hypothetisch geeignet, innerhalb weniger Sekunden soweit mit dem Stahlsubstrat zu legieren, dass die eingangs geschilderten Probleme bei Blechen mit Zink- und Aluminium-Beschichtungen nicht auftreten. Im Fokus der Untersuchungen steht die experimentelle Erforschung der Schichtbildung und Diffusionsprozesse zwischen Schichtwerkstoff und Stahlsubstrat und die Übertragung der Erkenntnisse auf die Schichtherstellung in der konduktiven Schutzgasanlage unter XHV-adäquater Atmosphäre.