Untersuchung zur Flüssigmetallversprödung beim Widerstandspunktschweißen von hochmanganhaltigen Stählen

Barthelmie, Jan

Aufgrund immer knapper und kostenintensiver werdender Ressourcen und klimapolitischer Ziele zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist die Automobilindustrie bestrebt, den Kraftstoffverbrauch trotz steigender Kundenanforderungen an Komfort, Sicherheit, Qualität und Langlebigkeit deutlich zu verringern. Gerade im Bereich der Karosserie wird deshalb werkstofflicher Leichtbau betrieben. Zur Realisierung dieser Anforderungen werden hochfeste Stähle mit guten Umform- und Crasheigenschaften gefordert. Eine Möglichkeit sind hochmanganhaltige Stähle, bei denen aufgrund des TWIP-Effektes (engl. Twinning Induced Plasticity) bei Verformung eine Zwillingsbildung stattfindet und dadurch Festigkeiten um 1000 MPa und Bruchdehnungen von über 60 % erreicht werden. Beim Fügen dieser TWIP-Stähle im oberflächenveredelten Zustand tritt der Effekt der Flüssigmetallversprödung (engl. Liquid Metal Embrittlement (LME)) auf, bei dem das aufgeschmolzene Zink aus der Oberflächenbeschichtung an lokal besonders stark beanspruchten Stellen die Korngrenzen angreift, zwischen diese gelangt und zu einer Auftrennung und damit zu Rissen führt, die im schlimmsten Fall durch die gesamte Werkstoffdicke laufen. Vor dem genannten Hintergrund ist das Ziel dieser Arbeit, nach der Charakterisierung der Werkstoffe hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanisch-technologischen Kennwerte, Verarbeitungsrichtlinien für das Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen aus oberflächenveredelten hochmanganhaltigen TWIP-Stählen und ferritischen Feinkornbaustählen zu erarbeiten, sowie mit einer numerischen Simulation zu verifizieren. Der besondere Fokus liegt auf der Vermeidung oder zumindest Minimierung der induzierten LME-Risse in Widerstandspunktschweiß- sowie Warmzugversuchen, die weiterhin an zwei hochlegierten CrNi-Stählen als Referenzwerkstoffe durchgeführt wurden. Durch die Verwendung einer geeigneten Kombination von Elektrodenkappendurchmesser und -kraft sowie einer eingebrachten Diffusionssperrschicht zwischen dem TWIP-Stahl-Grundwerkstoff und der Oberflächenbeschichtung lassen sich die auftretenden LME-Risse auf akzeptable Längen gegenüber der Ausgangssituation verkürzen. Eine komplette Rissunterdrückung lässt sich jedoch nach den aktuellen Forschungsergebnissen nicht erreichen.

The automotive industry is continually looking for novel economic and ecological solutions for new passenger cars since the current climate policy imposes stricter emission regulations, while customers expect high comfort, quality and safety standards. To meet these demands, especially in the car body, lightweight construction with high-strength steels of good forming and crash characteristics is practiced. Here, a suitable approach is the use of high-manganese-content TWIP steels, which achieve strengths of around 1,000 MPa and fracture strains of more than 60 %. Welding such surface-refined TWIP steels leads to liquid metal embrittlement (LME), when the molten zinc of the surface coating locally attacks the grain boundaries at particularly stressed areas. This effect produces cracks that at worst occur through the entire thickness of the material. The aims of this thesis are to analyse the materials with regard to their physical and mechanical-technological properties and to elaborate processing guidelines for the resistance spot welding of mixed joints of surface-refined high-manganese TWIP steels with ferritic fine-grained steels. The focus is on the investigation of potential reduction up to non-existence of the induced LME cracks in spot welding as well as in hot tensile tests. Two high-alloyed CrNi steels are used for reference. The study shows that the LME cracks can be shortened to at least acceptable lengths compared to the initial situation when using a large electrode cap diameter and a high electrode force, as well as a diffusion inhibiting layer between the TWIP steel base material and the surface coating. However, a complete prevention of the cracks cannot be achieved.

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Barthelmie, Jan: Untersuchung zur Flüssigmetallversprödung beim Widerstandspunktschweißen von hochmanganhaltigen Stählen. 2017.

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