Diffusion in Al/Mg-Werkstoffverbunden

Untersuchung und Nachweis von Bindungsvorgängen

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz befasst sich im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „Hochfeste aluminiumbasierte Leichtbauwerkstoffe für Sicherheitsbauteile“ mit der Herstellung von Werkstoffverbunden Al/Mg durch Anwendung inkrementeller Umformverfahren und wird dabei durch das Steinbeis Transferzentrum Industrielle Oberflächentechnik unterstützt, dessen Aufgabe die Herstellung oxidfreier Probenoberflächen, die Entwicklung von Schichtsystemen (Vermittlerschichten) sowie die licht- und elektronenmikroskopische Auswertung der Versuchsproben ist.

Werkstoffverbunde aus Aluminium und Magnesium eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau. Das Ziel der Automobilindustrie ist nach wie vor die drastische Reduzierung der Abgasemissionen bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauches. Eine wirksame Maßnahme hierzu ist die deutliche Verringerung des Fahrzeuggewichtes durch den Einsatz neuer Werkstoffe, die vergleichbare Bauteileigenschaften bei kleineren Massen garantieren. Magnesium hat das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht höher als bei Stahl, ist steifer als Aluminium und lässt sich sehr gut spanend bearbeiten. Deshalb sind Magnesiumlegierungen besonders für den stofflichen Leichtbau geeignet. Allerdings verhindert die niedrige Korrosionsstabilität dieser Werkstoffe bisher eine breite Anwendung im Fahrzeugbau.

Einen wirksamen Schutz gegen Korrosionsangriff bieten korrosionsbeständige metallische Beschichtungssysteme, deren Vorteil gegenüber Lack- und Kunststoffbeschichtungen in einer größeren mechanischen Widerstandsfähigkeit besteht. Zwei- oder mehrlagige Verbünde, bei denen die Schichtdicken je nach Anforderung mehrere Millimeter betragen können, sind ausschließlich durch mechanische Verfahren realisierbar. Die bekanntesten, technisch angewandten Verfahren sind das Walz- oder Sprengplattieren sowie das Fließ- und Strangpressen. Gegenüber Beschichtungstechniken, bei denen die gezielte Änderung der Material- und Funktionseigenschaften auf oberflächennahe Bereiche beschränkt sind, ermöglichen diese Verfahren die Herstellung strukturoptimierter Halbzeugquerschnitte. Neueste Untersuchungen auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens zeigen, dass eine metallische Verbindung zwischen Aluminium (kfz-Gitter) und Magnesium (hdp-Gitter) trotz der unterschiedlichen Gitterstrukturen möglich ist. So konnte unter bestimmten technologischen Voraussetzungen die Ausbildung einer ausgeprägten Diffusionszone zwischen einer Magnesiumknetlegierung AZ31 und einer Standardaluminiumlegierung 6060 nachgewiesen werden. Die Beurteilung der Verbindung hinsichtlich ihrer Mikrostruktur erfolgte ausschließlich lichtmikroskopisch. Dabei wurden bei nahezu allen Proben Risse sowie ein poröses Gefüge in der Nähe der Grenzfläche detektiert, aber deren Entstehungsmechanismen nicht weiter untersucht. Eine stoffschlüssige Verbindung mit einer ausreichenden Festigkeit ist nur dann zu erwarten, wenn zwischen den Verbundpartnern ein Stofftransport über die Phasengrenzen hinweg möglich wird. Neben den chemischen Vorraussetzungen sind folgende Restriktionen maßgebend für die Initiierung einer solchen Festkörperreaktion: ein nahezu „idealer“ Kontakt zwischen den Reaktanden, ein hoher Fehlordnungsgrad in der Gitterstruktur sowie die Zuführung eines Energiebetrages (der sogenannten Schwellenenergie). Grundlegend für die umformende Verbunderzeugung ist demnach die gezielte Beeinflussung technologischer Parameter, welche eine maximale Grenzflächenvergrößerung unter hohen Drucknormalspannungen ermöglichen. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Umformtemperatur, die zum einen entscheidend das Fließverhaltens der Verbundpartner beeinflusst und zum anderen den notwendigen Energiebetrag zur Aktivierung des Stofftransportes liefert.

Aus der Fachliteratur ist bekannt, dass die chemischen Vorraussetzungen für eine Diffusion in der festen Phase für eine Al/Mg- Paarung erfüllt sind. Ein Stofftransport über die Phasengrenzen ist in der Regel nur dann möglich, wenn das System eine Mischkristallreihe aufweist. Neben dieser elementaren Voraussetzung wird der Diffusionsprozess von einer Vielzahl äußerer Faktoren beeinflusst, deren Quantifizierung unabdingbar für eine zielgerichtete Beeinflussung der Bindemechanismen ist. Erfolgversprechend ist dies, wenn es gelingt, prozessspezifische Parameterfelder durch differenzierte quantitative Modelle zu ersetzen. Der größte Vorteil gegenüber der häufig verwendeten prozessorientierten Betrachtung ist die allgemeine Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse. Solch eine Herangehensweise erfordert eine differenzierte Beschreibung der lokal in der Grenzschicht wirkenden Faktoren mit Hilfe messbarer Größen. Die Identifizierung der für den Bindevorgang relevanten Größen erfolgte auf Grundlage der in der Literatur bekannten phänomenologischen Beschreibung des Bindevorganges. Die Verifikation des so determinierten Parameterfeldes wird mit einem Modellversuch abgesichert.

Geeignet dafür erschien ein Analogieversuch auf Basis des Querfließpressens, welcher eine breite Variation relevanter Parameter ermöglicht. Die Proben (Ø 20 x 45) der zu untersuchenden Werkstoffkombination werden vorgewärmt in das Werkzeug eingelegt. Die während des Umformvorganges unter hohem Druck aufeinander gepressten Planflächen sollten sich während des gesamten Pressvorganges in den Teilungsebenen des Werkzeuges befinden. Abweichungen können durch stark unterschiedliche Fließspannungen sowie Unterschiede in den tribologischen Eigenschaften der zu untersuchenden Werkstoffe entstehen. Zur Aufrechterhaltung der Probentemperatur verfügt das Werkzeug über temperaturgeregelte Matrizen. Die aufgewendete Stößelkraft in Abhängigkeit des Umformweges kann über eine integrierte Kraft-Weg-Messeinrichtung dokumentiert werden. Die funktionalen Zusammenhänge zwischen den direkt auf die Verbundbildung wirkenden Einflussgrößen und die durch den Versuchsaufbau vorgegebenen Stellgrößen lassen sich nur teilweise analytisch bestimmen. Die sich bei gegebenen Randbedingungen einstellende Temperatur- und Spannungsverteilung in der Grenzfläche wurde mit Hilfe einer FEM-Simulation bestimmt.

Aus den verpressten Proben wurden zunächst metallographische Schliffe durch die Verbindungsstellen beider Materialpartner hindurch hergestellt. An einzelnen Bereichen war lichtoptisch selbst bei höchstmöglichen Vergrößerungen (1000fach) keine Trennfuge in der Zone zwischen den beiden einzelnen Substraten sichtbar. Im Elektronenmikroskop bei 4000facher Vergrößerung zeigte sich eine etwa 5 μm breite Zone an der Verbindung der beiden Materialpartner. Die Teile sind an diesen Stellen durch die Verpressung vollständig miteinander verbunden. Um eine Diffusion nachzuweisen, wurde eine energiedispersive Röntgen-Spektroskopie (EDX-Punktanalyse) entlang der Trennung zwischen den beiden Materialien vorgenommen. Die Mitte der Zone wurde als Nullpunkt gesetzt. Begonnen wurde im Magnesium rund 30 μm von der Mitte der Zone entfernt. Die Messung wurde im Aluminium, etwa 17 μm von der Mitte der Zone entfernt, beendet. So konnte nachgewiesen werden, dass in der Grenzschicht von rund 8 μm Dicke sowohl Mg- als auch Al-Anteile vorhanden sind. Plausibel erscheint auch die im Vergleich zu Magnesium stärkere Diffusionsschicht im Aluminium aufgrund des vergleichsweise geringeren Atomgewichts des Aluminiums.

Die weiteren Untersuchungen sollen den Einfluss der wesentlichsten Prozessparameter, z. B. Oberflächenvorbereitung der Verbindungspartner, Pressdruck, Presstemperatur, Pressgeschwindigkeit, auf die Qualität des Werkstoffverbundes ergründen.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. habil. Rudolf Förster
Steinbeis-Transferzentrum Industrielle Oberflächentechnik (Eibbau-Walddorf)
stz1090@stw.de

Dr.-Ing. Roland Glaß
Dipl.-Ing. (FH) Mike Popp
Dipl.-Ing. (FH) Christopher John

Fraunhofer IWU

Dipl.-Phys. Dietmar Kitta
TECHNO-COAT Oberflächentechnik GmbH

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