Teilprojekt A04 Sinterbeschichtungen Formhärten

Es soll ein Verfahren zur prozessintegrierten Abscheidung von NiCrP-Lotpulvern auf härtbaren 22MnB5-Stahlblechen während einer konduktiven Erwärmung unter silandotierter Stickstoffatmosphäre erforscht werden. Geeignete Pulverapplikationsmethoden sind zu entwickeln, um einen beidseitigen Pulverauftrag auf die Bleche während der Aufheizphase zu realisieren. Die resultierenden Schichten sollen für einen Formhärteprozess der bei ca. 850 °C bis 900 °C in die Umformpresse überführten Bleche geeignet sein und den hierdurch hergestellten Bauteilen als dauerhaftem Korrosionsschutz dienen.

Ausgangslage

© IFUM
Prinzip der konduktiven Erwärmung

Um den Bauteilanforderungen bezüglich Crashsicherheit bei gleichzeitigem Leichtbau zu genügen, hat sich das Verfahren Formhärten mit einer Platinenerwärmung in Rollenherdöfen etabliert. Aufgrund der vergleichsweise geringen Energieeffizienz dieser Erwärmungstechnologie sind alternative Verfahren wie die konduktive Blecherwärmung aktueller Forschungsgegenstand. Limitierend für deren Einsatz ist bisher, dass keine für die konduktive Kurzzeiterwärmung geeigneten korrosionsschützenden Blechbeschichtungen zur Verfügung stehen. Zielsetzung des Teilprojektes ist daher die Erforschung von Strategien zur prozessintegrierte Abscheidung von metallischen Sinter- bzw. Auftraglötbeschichtungen während der konduktiven Blecherwärmung unter silandotiertem Stickstoff.

Ziele

Aufgrund bestehender Erfahrungen bei der Verarbeitung pulverförmiger Hartlote besteht die Arbeitshypothese, dass unter gänzlich sauerstofffreien Bedingungen innerhalb weniger Sekunden das schichtbildende Auftragsintern bzw. Auftraglöten pulverförmiger Lotwerkstoffe auf desoxidierten Stahloberflächen möglich ist. Als Schichtwerkstoffe werden im ersten Bearbeitungszeitraum NiCrP-Hartlotlegierungen eingesetzt, die von ihrer Härte, Korrosionsbeständigkeit und ihren Schmelzbereichen geeignet sind. Aufgrund sich ändernder Oberflächenzustände bei einer Erwärmung auf 930 °C innerhalb weniger Sekunden liegt die Herausforderung in der Realisierung einer haftfesten, fehlerfreien Beschichtung mit homogener Dicke. Eine weitere Herausforderung ist die Einstellung von Schichteigenschaften und Prozessparametern im Hinblick auf die nachfolgende temperierte Umformung im Formhärteprozess, sodass kein Schichtversagen auftritt. Die zentrale Fragestellung zielt auf die Kenntnis und Steuerung des Umformverhaltens geeigneter Beschichtungen im spezifischen Prozessfenster des Formhärtens in Kombination mit dem Einfluss der Desoxidation auf die Oberflächen- und Schichteigenschaften ab. Im Rahmen des Arbeitsprogramms dient eine silandotierte Stickstoffatmosphäre während der Erwärmung zur Desoxidation der Blechoberfläche als Voraussetzung für eine metallurgische Anbindung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs. Die Blechtemperatur von 930 °C liefert die Prozesswärme für das Sintern und die Anbindung der Schicht. Die Schicht muss nach einer definierten Abkühlung auf ca. 870 bis 900 °C erstarren und im Temperaturbereich von ca. 600 bis 800 °C während des Formhärtens eine ausreichende Duktilität für die Umformung aufweisen, was ein angepasstes Temperatur-Zeit-Regime erfordert. Für die Untersuchungen wird eine vorhandene konduktive Erwärmungsanlage modifiziert und die Möglichkeit des Pulverauftrags in silandotiertem Stickstoff geschaffen. Zusätzlich wird eine uniaxiale Streckvorrichtung konzipiert, die das Umformen der beschichteten Probe direkt in der Erwärmungsanlage ermöglicht, um mit dieser die für das Formhärten wichtigen thermomechanischen Eigenschaften beschichteter Bleche in situ untersuchen und ein Grundlagenverständnis erarbeiten zu können. Begleitend hierzu wird ein analytisches Modell entwickelt, mit dem die Umformbarkeit der Schicht in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe und Parameter abgebildet werden kann. Nach Kenntnis des hieraus gewonnenen Prozessfensters werden Formhärteversuche mit bauteilähnlichen Blechgrößen an einem Demonstrator durchgeführt.

Aufbau der Versuchskammer und Ablauf der Erwärmungsversuche

Innerhalb des SFB ist eine Zusammenarbeit insbesondere mit denjenigen Teilprojekten vorgesehen, die ebenfalls pulverförmige Werkstoffe unter silandotiertem Schutzgas thermisch verarbeiten (A02, B02, C02). So wird der erwartete Erkenntnisgewinn bezüglich der Erzeugung von Auftraglöt- und sinterbeschichtungen in Kurzzeitprozessen nicht nur der Weiterentwicklung von formgehärteten Bauteilen dienen. Zusätzlich entsteht ein wissenschaftlicher Beitrag zur Verwendung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe als Beschichtungswerkstoff (thermisches Spritzen) oder zur Bauteilfertigung (Sintern, additive Fertigung).


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

Teilprojektleiterin/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
Adresse
Stockumer Str. 28
58453 Witten

Teilprojektbearbeiterin/Teilprojektbearbeiter

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