Diffusionsbasiertes Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit Zinkzwischenschichten

Die Einsparung von Ressourcen und die Erhöhung von Nutzlasten ist nur durch die ständige Weiterentwicklung von Leichtbaukonzepten zu bewerkstelligen. Das Leichtbaupotenzial durch den Einsatz verschiedener Stahlsorten ist jedoch sehr begrenzt. Allerdings sind metallische Werkstoffe aufgrund ihrer Duktilitäts- und Festigkeitseigenschaften trotz Entwicklung von faserverstärkten Kunststoffen immer noch das Mittel der Wahl. Daher werden zunehmend mehr Bauteile zum Beispiel aus Aluminium oder Magnesium gefertigt. Stahl-Aluminium-Mischverbindungen neigen jedoch zur Ausbildung spröder intermetallischer Phasen, die zu geringen Verbindungsfestigkeiten führen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen eines DFG-Projektes das hybride Verbundschmieden entwickelt. Durch die Verwendung von Zink als Lot soll die Bildung spröder Phasen verhindert und die Verbindungseigenschaften verbessert werden. Jedoch wurde das Zink im Prozess nicht aufgeschmolzen, wodurch die Frage nach der Funktion der Zinkschicht bzw. ihrer Wirkungsweise offenblieb. Ziel dieser Arbeit war es daher den Fügeprozess und die erzeugte Verbindung tiefgehend zu analysieren, in den Kontext der Literatur einzuordnen und diese Wissenslücke zu schließen. Daher wurde der Prozess unter dem Gesichtspunkt variierender Haltezeiten im Fügevorgang untersucht. Hierzu wurden die Prozessgrößenverläufe analysiert und die Verbindungszonen anhand metallographischer Querschliffe charakterisiert. Weiterhin wurden die Festigkeitseigenschaften unter quasistatischer und zyklisch-dynamischer Beanspruchung ermittelt. Die Ergebnisse der zeitbezogenen Analyse der Prozessgrößen Fügekraft und -temperatur so-wie des Umformweges konnten im Kontext der Literatur zum Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen jedoch nicht einem bestimmten Fügeverfahren zugeordnet werden. Ähnlich dem Schweißlöten handelt es sich daher um eine hybride Kombination aus Verbund-schmieden, Löten und Diffusionsschweißen, also einen thermomechanischen Fügeprozess. Weiterhin zeigten die im FESEM ermittelten Stoffmengenverläufe und die Ergebnisse der REM-EDX Analysen einen Zusammenhang zwischen höherem Phasenwachstum und längeren Prozesszeiten. Jedoch ist auch eine nötige Mindestprozesszeit von 10 Minuten Fügezeit zur Ausbildung des Stoffschlusses mit vergleichsweise guten Festigkeitseigenschaften erforderlich. Die Zinkzwischenschicht bildet dabei eine Verbindungsinteraktionszone, in der zum einen der stoffliche Transport von Eisen gehemmt und zum anderen die Diffusion von Aluminium begünstigt wird. Dies ermöglicht die stoffliche Verbindung von Stahl und Aluminium oh-ne Bildung von Phasensäumen. Intermetallische Phasen treten dabei nur in geringem Aus-maß als lokale Einlagerungen in der Schicht auf. Die erreichten Festigkeitswerte der betrachteten Verbindungen übersteigen die bekannten Werte aus der Literatur um 70 %. Trotzdem fallen sie mit 48 MPa im Vergleich zur Festigkeit der Grundwerkstoffe von 160 - 340 MPa eher gering aus. Die Ursache für die geringen Festigkeitswerte und das spröde Versagen der Ver-bindung ist eine Kombination von mehrachsigem Spannungszustand und metallurgischer Kerbwirkung. Das thermomechanische Fügen mit Zinkzwischenschicht stellt aufgrund der kurzen Prozess-zeiten eine sinnvolle Alternative zum Fügen von Stahl und Aluminium dar und bietet darüber hinaus ein großes Potenzial zur Steigerung der Prozessleistungsfähigkeit.