Förderung: AiF - FV 15219 BG
Bearbeitung: IWT Bremen, SZF Freiberg, SWM Dresden
Für moderne konstruktive Lösungen werden heute in hohem Maße Aluminiumlegierungen verwendet. Diese Werkstoffgruppe entspricht wegen ihrer geringen Dichte in vollem Umfang den Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe, ist aber ohne zusätzliche Randschichtbehandlung nicht oder kaum als Hochleistungswerkstoff einsetzbar. Eine Möglichkeit zur Erzeugung harter verschleißbeständiger Schichten auf Aluminiumlegierungen stellt die Elektronenstrahl (EB)-Randschichtbehandlung dar.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Untersuchungen zum lokalen Werkstoffengineering von ausgewählten Aluminiumlegierungen zur beanspruchungsoptimierten Modifizierung der Randschichteigenschaften mittels Elektronenstrahl-Flüssigphasenrandschichtbehandlung durchgeführt.
Wissenschaftlich-technisches Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer EB-Mehrprozesstechnologien unter Nutzung hocheffizienter Strahl-Ablenktechniken zur Verbesserung der Randschichtqualität (Risse, Poren u.a.) und -eigenschaften (z.B. Härte, Verschleißverhalten) sowie die Verringerung des Bearbeitungsaufwandes im Gesamtprozess durch die Kombination einzelner EB-Behandlungsschritte in einem Prozessdurchlauf.
Die Versuche wurden mit den Basistechnologien EB-Umschmelzen (EBU, ohne Zusatzstoff) und EB-Umschmelzlegieren (EBUL, mit Zusatzstoffen auf Co-, Cu- und Ni-Basis) mit verschiedenen Behandlungsstrategien und Untersuchungsschwerpunkten durchgeführt.
Im Vorfeld wurden zunächst Einfachbehandlungen (EB-Einprozesstechnologie) durchgeführt, um grundlegende Zusammenhänge (Wechselwirkung Strahl/Material) zu erkennen und zielgerichtet im weiteren Projektverlauf zu nutzen. Zusätzlich dienten die Einfachbehandlungen der Definition geeigneter Parameterfenster und der Ableitung technisch-technologischer Grenzen (z.B. bzgl. Rissbildung, Porosität, Inhomogenitäten, Oberflächendeformationen, Schichttiefe).
Mittels Kombination der Basistechnologien EB-Umschmelzen (EBU) und EB-Umschmelzlegieren (EBUL) mit Zusatzprozessen (z.B. Vorwärmen, Verdichten, Homogenisieren, Glätten u.a.) in einzelnen Prozessdurchläufen (EB-Mehrstufenprozesstechnologie) konnte das Prozessfenster (v.a. bzgl. Poren, Oberflächendeformation) zum Teil erweitert werden. An den so erzeugten optimierten Schichten wurden tiefgreifendere Untersuchungen zur Randschichtcharakterisierung durchgeführt.
Durch eine Flüssigphasen-Randschichtbehandlung mit Zusatzstoff wurden deutliche Steigerungen der Härte (2-6-fach) und der Ritzenergiedichte (3-5-fach) erzielt (s. Bild). Dies ist durch die bei der raschen Erstarrung erfolgte Gefügefeinung und durch die Bildung intermetallischer Phasen von Aluminium mit den in den Zusatzstoffen enthaltenen Übergangsmetallen (v.a. Ni, Cu, Co) sowie primär ausgeschiedenem Silizium zu begründen. Zusätzlich konnten durch das Umschmelzlegieren mit verschiedenen Deponierschichten äußerst verschleißbeständige Randschichten mit einem deutlich niedrigeren Verschleißkoeffizienten im Vergleich zum Grundwerkstoff erzeugt werden. Die niedrigsten Verschleißkoeffizienten stellten sich durch das Umschmelzlegieren einer Cu38Ni-Deponierschicht ein. Für diese Variante sinkt der Verschleißkoeffizient um einen Faktor > 10 und der Reibungskoeffizient um 25 %.
Das Forschungsvorhaben (FV 15219 BG) der Forschungsvereinigung „Otto von Guericke“ e. V. (AiF) wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert.
Die Autoren danken der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) für die finanzielle Unterstützung des Vorhabens (FV 15219 BG) und dem Fachausschuss 24 der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik AWT für die beratende Unterstützung.
Der Schlussbericht zu dem Forschungsvorhaben AiF-FV 15219 BG ist zu beziehen über IWT-Stiftung Institut für Werkstofftechnik.
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