Analyse der Bindungsmechanismen beim Verbundgießen von Eisen- und Kupferbasiswerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407354049

Metallische Verbundbauteile sollen komplexe Eigenschaften aufweisen, die nicht von Erzeugnissen aus monolithischen Werkstoffen verwirklicht werden können. Bimetalle weisen lokal das jeweils charakteristische monolithische Bauteilverhalten auf. Die bei Werkstoffverbunden mit planer Kontaktfläche zwischen den monolithischen Körpern auftretenden Bindungsmechanismen können vielfältiger Art sein. Bekannte Mechanismen sind die Mischkristallbildung, die Diffusion, die strukturelle und polymorphe Umwandlung sowie der Mikroformschluss. Das Verbundgießen stellt ein energie- und ressourceneffizientes Fertigungsverfahren für Bimetalle dar. Hierbei unterstützt die auftretende Schmelz- und Überhitzungswärme das Fügen der Verbundpartner. Eine große wirtschaftliche und technische Bedeutung kommt Werkstoffverbunden auf Eisen-Kupfer-Basis zu. Sie kombinieren die hohe Festigkeit und den geringen Preis eines Eisenwerkstoffes mit der guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie der antimikrobiellen Wirkung einer Kupferlegierung. Ein umfassendes Verständnis für die beim Verbundgießen von Kupfer- und Eisenwerkstoffen wirkenden Bindungsmechanismen fehlt bislang. Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll eine systematische Analyse von Wirkzusammenhängen zwischen werkstoffkundlichen und prozesstechnischen Randbedingungen, den Bindungsmechanismen und der Verbundbeschaffenheit durchgeführt werden. Auf Basis dessen erfolgt die Ableitung eines mechanismenorientierten Prognosemodells zur Verbundbildung. Der Eisen-Kupfer-Verbund wird hierbei durch Schwerkraftgießen erzeugt. Ein festes Eisenwerkstoff-Bauteil wird im Urformprozess einer Kupferlegierung mit dieser verbunden. Anhand eines experimentellen Versuchsplans erfolgt die Variation von Eingangsgrößen des Verbundgießprozesses. Durch mechanische, optische und thermische Prüfmethoden werden die gegossenen Werkstoffverbunde hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Bindefestigkeit und Grenzschichtdicke charakterisiert. Thermodynamische und kinetische Berechnungen sowie strukturmechanische Simulationen liefern werkstoffkundliche und kontaktmechanische Erkenntnisse zu den Bindungsmechanismen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen