In dem Projekt soll eine Verbesserung von Verschleiß und Adhäsion von Aluminiumschmelzen auf Walzenoberflächen aus Werkzeugstahl erprobt werden um eine Verringerung oder den gänzlichen Verzicht auf Trennmittel auf Graphitbasis zu erreichen.

Hierzu wurde der Gießwalzprozess in seine beiden Hauptabschnitte Urformen, also den Gießprozess und Umformen, den Walzprozess geteilt.

Während im Gießprozess die Haftung auf den Walzenkörper durch alleinige Applikation von flüssiger Schmelze auf den Walzenkörper untersucht wird und eine Charakterisierung der Verbindung durch den entstandenen Kontaktwinkel oder die Energie zum Abscheren der Tropfen vom Stahlkörper durchgeführt wird, ist der Walzprozess deutlich komplexer.

Im Walzprozess werden erstens deutlich höhere Verbindungskräfte erzeugt, diese zeigen zudem aber auch eine Abhängigkeit von den Einflussfaktoren Walzgeschwindigkeit, Temperatur (abhängig von der Legierung), Stichabnahme und dicke des gewalzten Bandes. Eine Charakterisierung erfolgt hier sowohl über die Scherenergie, wie bereits im Gießprozess als auch über die Mengen der Al-Anhaftungen an der Stahloberfläche (Auswertung im Rasterelektronenmikroskop).

Zudem muss die Dauerfestigkeit der Beschichtungen durch adäquate Untersuchungen festgestellt werden, dies geschieht in einem Dauerschwingversuch mit bereits vorqualifizierten Proben aus den vorhergegangenen Prozessen.

Die so charakterisierten Oberflächenmodifikationen werden dann durch ein Bewertungsschema, auf das beispielsweise auch die Kostenstruktur der Erstellung der Modifikation, als auch die Umweltverträglichkeit Beachtung findet betrachtet.

Schlussendlich werden 3 ausgewählte Modifikationen auf der am Lehrstuhl vorhandenen experimental Gießwalzanlage getestet und eine dieser Modifikationen auf eine industrielle Walze aufgebracht. Mit dieser werden dann bei einem Projektpartner Walzversuche durchgeführt.

Im Sinne des Leichtbaus strebt der moderne Automobilbau ein Mischbaukonzept der Fahrzeugkarosserie an, bestehend aus einem Mix verschiedenster Materialien. Dies erfordert das Fügen von Blechen sowie Strangpressprofilen mit Gussbauteilen. Aluminiumgussteile ermöglichen eine hohe Gestaltungsfreiheit, wodurch eine beanspruchungsgerechte Geometrie geschaffen werden kann, bei Ausnutzung verschiedener Gießverfahren hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit. Um einerseits die angestrebte Gewichtsreduzierung realisieren und andererseits die hohe Festigkeit für sicherheitsrelevante Bauteile gewährleisten zu können, bestehen die Gussbauteile zu 85-90 % aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung der Aluminium-Silizium-Gruppe. Besonders attraktiv für eine Leichtbauanwendung im Fahrzeugbau ist die Aluminiumlegierung des AlSiMg-Systems. Hochfeste Aluminiumlegierungen sind jedoch bedingt schweißbar, weshalb die mechanische Fügbarkeit von enormer Bedeutung ist. Die AlSi10Mg Legierung hat eine geringe Duktilität, wodurch beim Einsatz von mechanischen Fügeverfahren eine rissfreie Fügeverbindung nicht garantiert werden kann.

Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung einer an diverse Fügeverfahren adaptierbare wandlungsfähige Prozesskette, zur Herstellung von gradierten, hochfesten und fügbaren Aluminiumgussteilen. Dies geschieht beispielshaft anhand des Clinch- und Halbhohl-stanznietverfahrens. Durch die Gradierung der Gussteileigenschaften soll an den Fügestellen partiell eine deutliche Erhöhung der Duktilität erreicht werden, die die genannte Rissproblematik bei hochfesten Aluminiumgusslegierungen verhindern soll. Mittels angepasster Abkühlbedingungen sowie partiell unterschiedlichen Wärmebehandlungen wird ein duktiles Gefüge im Aluminiumgussteil eingestellt, welches das schadensfreie Fügen mit konventionellen Fügeelementen erlaubt. Entlang der Prozesskette Gießen – Wärmebehandlung – Fügen wird der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur, Prozessgrößen und der daraus resultierenden mechanischen Fügbarkeit aufgezeigt. Unter Zuhilfenahme verschiedener mechanischer und mikrostruktureller Untersuchungen werden die gefertigten Gussteile sowie Fügeverbindungen hinsichtlich unterschiedlicher Erstarr-ungsgeschwindigkeiten und Auslagerungstemperaturen charakterisiert. Zusätzlich findet an verschiedenen Punkten ein reger Austausch mit den anderen Teilprojekten des TRR 285 statt.

Die anwendungsbezogene und maßgeschneiderte Gradierung der Aluminiumgusslegierung ermöglicht ein sowohl wandlungsfähiges als auch prozesssicheres Fügeverfahren.

Al-Li-Legierungen sind sehr attraktiv für die Luft- und Raumfahrttechnik, da ihre Eigenschaften denen herkömmlicher Al-Legierungen überlegen sind. Ihre Vorzüge sind auf die Bildung einer feinen, Li-reichen Phase in der Al-Matrix zurückzuführen. Der größte Nachteil ist jedoch ein anisotropes Verhalten bei gleichzeitig begrenzter Umformbarkeit. Grund dafür sind verschiedene Merkmale der Verfestigungsphasen und der Kornstruktur, die beim Kokillenguss und der anschließenden thermomechanischen Behandlung (TMB) entstehen. Da konventionell hergestellte Legierungen an ihre Grenzen stoßen, müssen Verfahren zur Anpassung der Legierungschemie und innovative Gieß- und thermomechanische Bearbeitungsmethoden eingesetzt werden. So soll unter anderem die Umformbarkeit von Al-Li-Legierungen durch die Kombination aus Zwei-Rollen-Gießwalzen (ZRGW) und TMB verbessert werden.

Das Projekt Mg4AM hat es sich zum Ziel gesetzt einen industriell anwendbaren, additiven Verarbeitungsprozess für eine nachhaltige, seltenerdenfreie Magnesiumlegierung mittels Laser-Pulverbettverfahren (L-PBF) zu entwickeln. Dafür wird eine neuartige und auf die Bedarfe der additiven Fertigung maßgeschneiderte Mg-Legierung entwickelt. Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die Eignung der Legierung für die Herstellung feiner, rieselfähiger Pulver und die Verarbeitung auf industriell gängigen L-PBF Anlagen gelegt. Die Verarbeitbarkeit der Legierung wird durch Entwicklung von Prozessparametern für eine am Markt etablierte AM Anlage nachgewiesen und mit dem Bau eines speziell für den Einsatz von Magnesium entwickelten Getriebegehäuses finalisiert. Ein wesentlicher Aspekt beim Umgang mit Magnesium ist die Sicherheitstechnik weshalb ein Schwerpunkt des vorliegenden Projektes, auf der Erarbeitung eines durchgängigen Sicherheitskonzeptes liegt.

Das länderübergreifende Projektkonsortium besteht aus einem deutschen und einem österreichischen Teil, die sich jeweils aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammensetzen. Die deutsche Seite bilden die Firma Almamet GmbH einer der weltweit führenden Hersteller und Lieferanten von Magnesiumpulvern für Industrieanwendungen und der Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Universität Paderborn. Hierbei werden die Themenbereiche Legierungsentwicklung, Pulverherstellung sowie Pulverhandling und Transport abgedeckt. Die österreichische Seite setzt sich aus den Firmen AdditiveXperts GmbH, Schiebel Elektronische Geräte GmbH und dem Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität Graz zusammen. Diese Seite deckt die Entwicklungsbereiche L-PBF Prozessparameter, Materialeigenschaften, anlagenspezifische Sicherheits- und Prozesstechnik sowie Bauteildesign und anwenderspezifische Fragestellungen zum sicheren Umgang mit Magnesium ab.

DFG-Vorhaben „Experimentelle und numerische Ermittlung der Korrelationen zwischen den Prozessgrößen der thermo-mechanischen Werkstoffbehandlung und den mechanischen Eigenschaften bei gradierten Mischgefügen mit bimodaler Korngrößenverteilung“

Die ILH-Mitglieder – Lehrstuhl für Technische Mechanik und Lehrstuhl für Werkstoffkunde – haben am 23.6.2022 eine dreijährige Verlängerung eines Vorhabens bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligt bekommen. Das Ziel des Projektes liegt in der simulationsgestützten Bestimmung der Zusammenhänge zwischen den Prozessgrößen der thermo-mechanischen Werkstoffbearbeitung und der resultierenden gradierten Mikrostruktur mit bimodaler Korngrößenverteilung.

Für die Reduzierung des CO₂-Ausstosses im Verkehrssektor wird vermehrt der Ansatz belastungsangepasster Bauteile verfolgt, um das gesamte Fahrzeuggewicht zu senken. Durch die Realisierung einer gradierten thermo-mechanischen Werkstoffbearbeitung können Bauteile mit unterschiedlichen Anteilen von Mischgefügen und Korngrößen hergestellt werden, welche gezielt an einen möglichen Last- oder Crashfall angepasst sind. Die simulationsgestützte Prozessauslegung einer solchen mehrstufigen thermo-mechanischen Behandlung ermöglicht eine Reduzierung des experimentellen Aufwands und die gezielte Einstellung der Eigenschaften.

Während thermo-mechanischer Behandlung treten eine Vielzahl von mikromechanischen Phänomenen auf, die sich stark auf die makroskopischen Eigenschaften von Stählen auswirken. Der Prozess zur Erzeugung bimodaler Mikrostrukturen ist in drei Teilprozesse unterteilt. Die Teilprozesse sind interkritisches Glühen (I), Kaltverfestigung (II) und Rekristallisationsglühen (III). Die Verfahrenstemperatur und die aufgetragene Verformung sind schematisch dargestellt.

Die Entwicklung der Phasenanteile wird durch die Prozessvariablen beschrieben und ist in Abbildung 1 auf der Mesoskala dargestellt. Während des interkritischen Glühens (I) wandelt sich das rein ferritische Gefüge teilweise in Austenit um und bildet ein gemischtes ferritisch/austenitisches Gefüge. Durch anschließendes Abschrecken wird der austenitische Anteil des Mischgefüges in Martensit umgewandelt. Während der Kaltumformung entstehen Versetzungen, hervorgerufen durch die plastische Verformung. Dies führt schließlich zur Erhöhung der Versetzungsdichte und der gespeicherten Energie. Während des Rekristallisationsglühens nach der Kaltumformung tritt statische Rekristallisation und Ausscheidung von Karbiden auf, wodurch die Keimbildung und das durch die feindispersen Karbide eingeschränkte Kornwachstum eine Entspannung des martensitischen Gefügeanteils und Entstehung von feinen ferritischen Körnern ermöglicht wird. Die Kombination aus großen Körnern und neu gebildeten kleinen Körnern stellt ein bimodales ferritisches Gefüge dar. Dadurch können gewünschte Eigenschaften, wie z.B. eine hohe Dauerfestigkeit oder bessere Korrosionsbeständigkeit eingestellt werden. Im Rahmen des Projektes werden gradierte Mischgefüge erzeugt, um simulationsgestützt Bauteile mit gezielt eingestellter Mikrostruktur herzustellen, welche eine gezielte Variation der bimodalen Korngrößenverteilung besitzen.

Das Hauptziel im Bereich der Werkstoffkunde ist die experimentelle Ermittlung der Gesetzmäßigkeiten der Bildung von Mischgefügen mit bimodaler Korngrößenverteilung und Entwicklung eines Modells für die Beschreibung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftskorrelationen.

Das Hauptziel im Bereich Technische Mechanik ist die Simulation der Prozesskette mit Hilfe von Mikromodellen.

Das Gießwalzen von Aluminium ist ein zukunftsweisender Prozess, der es ermöglicht große Mengen an Treibhausgasen in der Produktion einzusparen. Zum einen kann im Gießwalzprozess durch das nahezu gleichzeitige Ur- und Umformen ein endkonturnahes Band hergestellt werden, zum anderen besteht die Möglichkeit der Verarbeitung von Sekundäraluminium.
Eine Herausforderung stellt die Reaktion der Stahlwalzen mit der Aluminiumschmelze dar. Zur Vermeidung des Kontaktes der beiden Werkstoffe wird ein Trennmittel aufgebracht. Hohe Temperaturunterschiede sowie hohe Umformkräfte führen zur mechanischen Belastung der Oberflächen, was letztlich in oberflächlichen Rissen resultiert. Aufgrund der Rissbildung wird die Kampaniendauer maßgeblich verringert, was zur Folge hat, dass die Walzenkörper nach kürzester Zeit wieder reprofiliert werden müssen. Ziel des Projektes ist die Erforschung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung zur Steigerung der Kampagnendauer, um somit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses weiter zu verbessern.