Mechanismen zur Bildung einer duktilen und höherfesten stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stahl und Al beim Verbundguss mittels einer über PVD aufgebrachten Haftvermittlerschicht auf dem Stahleinleger

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Xiangfan Fang; Professor Dr. Andreas Leineweber
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535878895

Beim Stahl-Al-Verbundguss wird Stahleinleger während des Gießvorgangs von Al umgossen. Damit können Leichtbaukomponenten kostengünstig in begrenzten Bauraum hergestellt werden. Bisher können im Verbundguss (VG) nur kraft- und formschlüssige Verbindungen hergestellt werden, welche für hohe (Crash)-Beanspruchungen nicht ausreichend sind. Stoffschlüssige Verbindungen über industrielle Zn-, ZnFe-, AlSi-Beschichtungen herzustellen schlugen bisher fehl. Eine neue vom Antragssteller entwickelte PVD-Beschichtung des Stahlblechs auf Basis von Al-Fe-Si-(Mn) ermöglicht eine höherfeste, duktile und stoffschlüssige Verbindung zwischen Stahl und Al-Guss. Optimierte PVD-Parameter und Targetzusammensetzungen resultieren in einer Schicht, die aus zwei Subschichten besteht. Die erste 2-3 µm dünne Schicht besteht aus binären (η, θ,) und ternären (2, 3, 5c, 6, 10) Fe-Al-Si intermetallischen Phasen (IMPs). Die zweite stängelförmige ca. 20 µm dicke Subschicht besteht aus einem Al-Mischkristall mit gelöstem Si und geringfügig Fe. Das Versagen dieser stoffschlüssigen Verbindung tritt überwiegend in der zweiten Subschicht auf und seltener in der ersten Subschicht oder gar im Al-Guss und ist durch einen wabenförmigen Verformungsbruch gekennzeichnet. Das Bruchverhalten dieser VG-Proben kann somit als duktil betrachtet werden. Die mechanischen Eigenschaften der Subschichten wurden bisher nicht untersucht. Es stellen sich mehrere Fragen: a) Bleibt die erste Subschicht aufgrund der guten Haftung und Festigkeit oder aufgrund gewisser Duktilität ohne Versagen? Ist die dünne erste Subschicht tatsächlich duktil? b) Warum versagt überwiegend die zweite Subschicht? c) Wie kann die zweite Subschicht als schwächstes Glied der VG-Verbindung verbessert werden? d) Wie verändert sich die Phasenzusammensetzung und das resultierende mechanische Verhalten bei unterschiedlichen Herstellungsparametern (T-t; Temperatur-Zeit)? Zur Klärung dieser Fragen und um den Bildungsmechanismus der duktilen und höherfesten stoffschlüssigen VG-Verbindung zwischen Stahl und Al zu verstehen, sind fünf Forschungshypothesen aufgestellt, die in 6 Arbeitspaketen untersucht und verifiziert/adaptiert werden. Die T-t-Verläufe des gesamten Schichtbildungsprozesses (PVD und VG) werden experimentell erfasst, über FEM abgebildet und die entstehenden IMPs mittels REM-EBSD und XRD mit dem Phasendiagramm abgeglichen. Plastizität und Versagen der Schicht werden durch inkrementelle Verformungen untersucht, wobei die Effekte der Schichtmorphologie mit untersucht werden. Dazu wird der gesamten PVD-Beschichtungsprozesses beleuchtet und die bisherigen Schwachstellen der Schicht beseitigt. Zusätzlich dienen synthetische Bulkproben der individuellen IMPs der ersten Subschicht zu Bewertung ihrer mech. Eigenschaften. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können die Schicht und der VG-Prozess optimiert und ein Verständnis der IMP-Schichtbildung gewonnen werden und ein gezieltes Schichtdesign wird möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen