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Ti 343/31-3 - Werkstofftechnologische Konzepte zum Diffusionsfügen von Titan-Stahl- und Magnesium-Stahl-Verbunden

Der moderne Leichtbau bietet großes Potenzial zur Erhöhung der Material- und Kosteneffizienz. Durch die Kombination unterschiedlicher metallischer Werkstoffe lassen sich maßgeschneiderte Konstruktionen mit optimierten Eigenschaften herstellen. Vor diesem Hintergrund besteht ein hohes Interesse an der Herstellung von hybriden Strukturen, bei denen Stahl mit hochkorrosionsbeständigen Titanwerkstoffen oder mit ultraleichten Magnesiumwerkstoffen kombiniert wird. Als Beispiele zählen Mehrfachdüsen aus Kupfer-Titan-Stahl-Lötverbindung für Heißkanalwerkzeuge und Fahrzeugrahmen aus Magnesium-Stahl-Verbund für Elektrofahrzeug zu den aktuellen und zukünftigen Einsatzbereichen. Jedoch erfordern die technischen Herausforderungen beim Fügen derartiger Werkstoffe stetig neue Lösungen sowie tiefgreifende Grundlagenforschung.

Ein geeignetes Lösungskonzept wurde im ersten Antrag vorgestellt, in dem eine dünne PVD-Schicht als Lot eingesetzt wurde. Im Rahmen der ersten zwei Jahre Bearbeitungszeit wurden die beantragten Arbeiten alle planmäßig durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass artungleiche Fügeverbunde unter Verwendung PVD-applizierter Lotschichten erfolgreich hergestellt werden können. Unter Einsatz von Kupfer-, Nickel- und Silber-Kupferschichten zum Löten von cp Titan und kohlenstoffarmem Stahl 1.0204 sowie Kupferschichten zum Löten von Mg AZ31-Stahl 1.0204-Verbunden wurden alle Fügeverbindungen durch Variierung der Schichtdicken und Prozessparameter optimiert. Die mechanischen und metallographischen Eigenschaften wurden eingehend untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Phasenanalyse lag. 

Im weiteren Verlauf des Projektes wurden die bereits für das dritte Jahr beantragten Arbeiten entsprechend des Versuchsplans fortgesetzt. Als Kernpunkt wurden die von vorigen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse auf neue Fügpartner übertragen. Hierbei werden die Titanlegierung TiAl6V4, Magnesiumlegierung AZ31 und der Edelstahl 1.4301, die für industrielle Anwendungen hochrelevant sind, als Grundwerkstoffe untersucht. Durch metallographische, mechanische und chemische Untersuchungen werden die fügetechnisch hochrelevanten Fragestellungen, wie Ausbildung intermetallischer Phasen, Verbindungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Lötverbindungen detailliert analysiert. 

Darüber hinaus besteht das Ziel in der tiefgreifenden Untersuchung des Diffusionsprozesses beim Einsatz des neuen Lösungskonzepts sowie in grundlegenden metallurgischen Analysen für die Fügeverbunde aus beiden Leichtmetallen mit Stahl als zweitem Fügepartner. Mit den geplanten Arbeiten erfolgt eine umfangreiche und systematische Untersuchung dieses neuartigen Fügekonzeptes und die Realisierung hochfester Hybridverbunde bis zum Projektschluss.