Viele Anwendungen im Maschinenbau stellen heute hohe und sehr spezifische Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe. Um diesen gerecht zu werden, müssen ihre Eigenschaften zunehmend gezielt an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Reicht das Eigenschaftsprofil eines einzelnen Werkstoffes dafür nicht mehr aus, können Werkstoffverbunde zu Einsatz kommen. Sie vereinen die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Werkstoffe und eröffnen so neue Anwendungsfelder und einen effizienteren Ressourceneinsatz.
Bei Blechwerkstoffen wird in diesem Fall häufig auf Plattierverfahren zurückgegriffen. Dabei werden auf einen Blechwerkstoff eine oder mehrere weitere Schichten eines anderen metallischen Werkstoffes aufgetragen. Ein industriell etabliertes Verfahren ist das Walzplattieren, bei dem die aufeinander geschichteten Blechwerkstoffe durch einen oder mehrere Walzstiche verbunden werden. Das Verfahren kann hierbei ober- oder unterhalb der Warmumformtemperatur der Werkstoffe durchgeführt werden, weshalb man zwischen Warm- und Kaltwalzplattieren unterscheidet.
Kaltwalzplattieren in sauerstofffreier Atmosphäre
Das Kaltwalzplattieren bietet dabei entscheidende Vorteile. Durch die niedrigen Prozesstemperaturen wird die Bildung spröder, intermetallischer Phasen vermieden. Diese schwächen nicht nur die strukturellen, sondern auch die funktionalen Eigenschaften der Verbunde, wie die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, was den Einsatz in strom- und wärmeführenden Komponenten erheblich erschwert. Da der Verbund beim Kaltwalzplattieren jedoch ausschließlich durch den mechanischen Kontakt der Fügepartner ohne thermische Unterstützung hergestellt wird, sind die Anforderungen an die Kontaktflächenvorbereitung und die Prozessführung besonders anspruchsvoll.
Wissenschaftler:innen am IW – Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover untersuchen jetzt, ob sich der Prozess verbessern lässt, wenn er in sauerstofffreier Atmosphäre durchgeführt wird.
Ziel des Teilprojekts A05 im SFB 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ ist die Entwicklung einer Prozessführung unter Bedingungen, die einem extremen Hochvakuum ähneln (XHV‑adäquat). Zu diesem Zweck wird der Prozess im Labormaßstab innerhalb Handschuhbox durchgeführt. Durch Einleitung des Reaktivgases Monosilan (SiH4) wird die in der Box vorhandene Argon‑Schutzgasatmosphäre vom darin noch vorhandenen Restsauerstoff befreit, bis ein Restsauerstoffgehalt vorliegt, der dem des interstellaren Raumes entspricht. Dadurch kann eine Oxidation der metallischen Fügepartner unterbunden werden. Eine Problematik, die insbesondere hochreaktive Metalle wie Aluminium oder Titan betrifft.
Ziel der Forschung: Eigenschaften verbessern und Zusammenhänge verstehen
Beim konventionellen Prozess in sauerstoffbehafteter Atmosphäre findet unmittelbar nach der Vorbehandlung eine Reoxidation statt, sodass eine native, dünne Oxidschicht beim Walzen vorliegt. Die Oxidschicht verhindert eine Verbundbildung und wird beim Walzen aufgebrochen, was allerdings eine hohe Umformung und damit eine hohe Walzkraft erfordert. Nur die so freigelegten oxidfreien Oberflächen tragen anschließend zu einem Verbund bei. Unter XHV‑adäquaten Bedingungen kann eine Reoxidation der Kontaktflächen der Werkstoffe verhindert werden und für eine Berührung der rein metallischen Oberflächen muss nur noch wenig Umformung und damit auch nur noch wenig Walzkraft aufgewandt werden. Die verringerte Walzkraft trägt dabei zu einer weniger energieintensiven Fertigung der Verbunde bei. Durch die Prozessierung in einer XHV‑adäquaten Atmosphäre ist es den Forschenden am IW bereits gelungen, die Verbundfestigkeiten verglichen mit konventionell gefügten Verbunden signifikant zu steigern.
Für die resultierenden Eigenschaften der sauerstofffrei walzplattierten Verbunde spielt eine Reihe an Faktoren eine Rolle. Hierzu zählen, neben dem Grad an plastischer Verformung, die Topographie der Fügekontaktflächen, die Art der Oberflächenvorbehandlung und die Fließeigenschaften der beteiligten Werkstoffe.
Die Forschung am IW soll daher nicht nur darauf abzielen, die makroskopischen Eigenschaften der Verbunde zu verbessern, sondern auch ein umfängliches Verständnis für die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern, der Oberflächenvorbehandlung und den Eigenschaften der hergestellten Verbunde zu entwickeln. Ein Fokus dieser Untersuchungen liegt auf der Veränderung der Mikrostruktur nahe der Verbundzone, da bestehende Modelle bisher nur wenige Ansätze liefern, um die eigentlichen Mechanismen der Verbundbildung zu erklären. Perspektivisch ist es das Ziel, die Eigenschaften der Verbunde durch ein detailliertes Verständnis der Korrelationen zwischen Prozessparametern und den sich daraus entwickelnden Gefügeeigenschaften gezielt zu steuern und dabei eine Unabhängigkeit von den zu kombinierenden Werkstoffen zu erzielen.
Ausblick: Vom Labormaßstab zur Industrie-Relevanz
Für die zweite Hälfte der aktuellen Förderperiode beschäftigt sich das Teilprojekt‑Team des IW mit der Frage nach der Skalierbarkeit des XHV‑Prozesses vom Labormaßstab auf industriell relevante Maßstäbe. Perspektivisch sollen Verbunde innerhalb der Handschuhbox in einem ersten Prozessschritt vorbehandelt und vorgewalzt werden. Der dabei erreichte Verbund soll ausreichen, um die Fügezone vor weiterem Sauerstoffeinfluss zu verschließen. Anschließend sollen die vorgewalzten Verbunde aus der Box auf ein Walzgerüst von industriell angewandten Dimensionen transferiert und fertiggewalzt werden. Durch diese Strategie können die Anlagen- und Handhabungskosten für industrielle Anwendungen minimiert werden, ohne dass die XHV‑adäquaten Bedingungen auf eine ganze Fertigungslinie ausgeweitet werden müssen.
In der anstehenden dritten Förderperiode wird das Konzept auf eine breitere Werkstoffpalette ausgeweitet. In diesem Zuge laufen bereits jetzt Voruntersuchungen zum Walzplattieren von Werkstoffen mit stark unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, einer Herausforderung, die den XHV‑Prozess ebenso wie den konventionellen Prozess betrifft. Auch hierbei sollen positive Synergien mit der sauerstofffreien Prozessführung genutzt werden. Parallel dazu werden die Mechanismen der Verbundbildung im Zusammenhang mit den mikrostrukturellen Entwicklungen der Fügezone untersucht. Die Forschung ist hierbei insbesondere von der interdisziplinären Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs geprägt, der von Wissenschaftler:innen der Leibniz Universität Hannover, der TU Clausthal, des Laser Zentrum Hannover e.V. und der Universität Paderborn begleitet wird.
