Teilprojekt A04 Sinterbeschichtungen Formhärten

In der Projektfortsetzung sollen in-situ Beschichtungsverfahren für die Herstellung sehr dünner, flächiger aluminium- und zinkbasierter Diffusionsschichten auf 22MnB5-Blechen entwickelt werden. Dabei liegt der Fokus auf der Erforschung der erforderlichen Prozessbedingungen für den diffusionsgesteuerten Legierungsprozess während der konduktiven Blecherwärmung. Die resultierenden Schichten sollen für einen Formhärteprozess der bei ca. 850 °C bis 900 °C in die Umformpresse überführten Bleche geeignet sein und als kathodischer Korrosionsschutz für die hergestellten Bauteilen dienen. 

Ausgangslage

© IFUM
Prinzip der konduktiven Erwärmung

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.

Ziele

In der zweiten Projektphase werden die Untersuchungen mit Nickellotbeschichtungen im Hinblick auf formgehärtete, verschleiß- und korrosionsbeständige Bauteile fortgesetzt. Hierbei ist nicht nur das Umformverhalten des Werkstoffverbundes in Abhängigkeit von den Schichteigenschaften beim Formhärten, sondern auch die Schichtfunktion für voraussichtliche Bauteilanwendungen zu untersuchen und zu modellieren. Das gegenwärtig im Aufbau befindliche Schichtmodell wird daher um die Aspekte „Verschleißverhalten“ und „Korrosionsbeständigkeit“ erweitert. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Erforschung eines In-Situ-Beschichtungsprozesses zur Erzeugung sehr dünner Al- und Zn-Diffusionsbeschichtungen (<3 μm) sein, die für die schnelle konduktive Erwärmung und das anschließende Formhärten geeignet sind. Diese sollen noch besser umformbar sein. Aufgrund der extrem hohen Sauerstoffaffinität von Aluminium und Zink und dem geringen Stoffmengeneinsatz ist die absolute Sauerstofffreiheit entscheidend für den Prozesserfolg. Die physikalischen Phänomene sowie die Prozessparameter sollen in einem Modell beschrieben werden, das die Eignung für das Formhärten adressiert. Mittels des Modells sollen der Arbeitsbereich einer Gutteilbeschichtung definiert werden sowie die Grundlage für die MD-Simulation in Teilprojekt C05 geschaffen werden.

Aufbau der Versuchskammer und Ablauf der Erwärmungsversuche

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.


Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

  • Szafarska, M., Olszok, V., Holländer, U., Gustus, R., Weber, A. P., Maus-Friedrichs, W. (2023): Gas Phase Reaction of Silane with Water at Different Temperatures and Supported by PlasmaACS Omega 8, pp. 8388–8396
    DOI: 10.1021/acsomega.2c07209
  • Albracht, L., Behrens, B.-A., Hübner, S., Farahmand, E., Langohr, A., Holländer, U. (2021): Sauerstofffreie konduktive Erwärmungwt Werkstattstechnik online 111, pp. 893–897
    DOI: 10.37544/1436-4980-2021-11-12-123

Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Albracht, L., Hübner, S., Holländer, U., Behrens, B.-A. (2022): Coating Materials Under Oxygen-Free Silane Atmosphere for Hot StampingIn: Behrens, B.-A., Brosius, A., Drossel, W.-G., Hintze, W., Ihlenfeldt, S., Nyhuis, P. (Hg.): Production at the Leading Edge of Technology. Proceedings of the 11th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, September 2021. Cham: Springer International Publishing, pp. 3–10.
    DOI: 10.1007/978-3-030-78424-9_1
  • Holländer, U., Pfeffer, C., Hübner, S., Albracht, L., Möhwald, K., Behrens, B.-A., Maier, H. J. (2022): Nickel-braze coated stainless steel sheets for the production of complex brazed assembliesIn: DVS, Thermal Spray Society, American Welding Society, DVS Media GmbH (Hg.): Brazing, high temperature brazing and diffusion bonding, LÖT 2022. Proceedings and posters of the 13th international conference taking place in Aachen on 21th to 23th June 2022. Düsseldorf: DVS Media GmbH.
    ISBN: 978-3-96144-183-9
  • Behrens, B.-A., Hübner, S., Holländer, U., Langohr, A., Pfeffer, C., Albracht, L. (2021): Increasing the energy absorption of monolithic manganese boron steels in oxygen-free environmentIOP Conference Series: Materials Science and Engineering 1157, p. 12021
    DOI: 10.1088/1757-899X/1157/1/012021

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Albracht, L., Hübner, S., Farahmand, E., Behrens, B.-A., Holländer, U., Langohr, A. (2023): Konduktive Erwärmung und Beschichtung in sauerstofffreier Umgebung durch Stickstoff und MonosilanIn: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
    ISBN: 978-3-8440-9105-2

Verschiedenes

  • Behrens, B.-A., Hübner, S., Holländer, U., Albracht, L. (2020): Prozessintegrierte metallische Sinterbeschichtung für das Formhärten mit konduktiver Erwärmung (Poster)In: Behrens, B.-A. (Hg.): Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Umformtechnik. 23. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 04 - 05 March 2020. Garbsen: TEWISS Verlag, pp. 152–153.
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

Teilprojektleiter

Dr.-Ing. Sven Hübner
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
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An der Universität 2
30823 Garbsen
Dr. rer. nat. Ulrich Holländer
Adresse
Stockumer Str. 28
58453 Witten
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Stockumer Str. 28
58453 Witten

Teilprojektbearbeiter

M.Sc. Lorenz Albracht
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
M.Sc. Lorenz Albracht
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
Alexander Schnettger
Alexander Schnettger