Beschichtungen für das Druckgießen von stoffschlüssigen Hybridbauteilen aus Aluminiumguss und Stahlblech

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Leonid Gerdt

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Der Trend zum Leichtbau bei gleichzeitiger Leistungssteigerung der Komponenten, in der modernen Autoindustrie kann durch die Kombination verschiedener Werkstoffe erfüllt werden. Daher wird das Fügen von Aluminium (Al) und Stahl, als zwei der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe mit deren einzigartigen Eigenschaften, als Schlüsseltechnologie betrachtet. Das Druckgießen von Al-Stahl-Hybridbauteilen ist ein neuartiges Verfahren, dass die Urform- und Fügeprozesse ineinander integriert und die Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie ermöglicht. Trotz des bereits bewiesenen hohen Potentials dieses Verfahrens, gibt es einige Heraus-forderungen die eine verbreitete Anwendung verhindern. Zum einen ist die Einstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Al-Guss und dem Stahl aufgrund der kurzen Prozesszeiten und der raschen Abkühlung der Schmelze stark unterdrückt. Die bisherigen Lösungsansätze basierten daher auf form- und kraftschlüssigen Verbindungen beider Komponenten. Dabei ist eine Spaltbildung zwischen dem Guss und dem Stahleinleger kaum zu vermeiden, was die Gefahr der Spaltkorrosion in der Anwendung in sich birgt. Zum anderen ist bei einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Al-Guss und Stahl stets mit der Ausbildung einer Reaktionszone mit intermetallischen Phasen zu rechnen. Diese können ab einer bestimmten Dicke die mechanischen Eigenschaften des Gesamtverbunds erheblich beein¬trächtigen.Um die Spaltbildung beim Druckgießen von Al-Stahl-Hybridbauteilen zu vermeiden und gleichzeitig die Ausbildung der Rektionszone zu kontrollieren wurden Beschichtungssysteme für den Stahleinleger untersucht sowie deren Eignung validiert. Zwei Lösungsansätze mit zwei niedrigschmelzenden kaltgasgespritzten Al-Basis-Beschichtungen und einer auftraggelöteten Kupferbeschichtung wurden analysiert. Durch die Applikation beider Schichtsysteme konnte die Scherzugfestigkeit der Verbindung deutlich gesteigert und die Gefahr der Spaltbildung erheblich minimiert werden. Es ist gelungen die Einstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Al-Guss und den Beschichtungen zu realisieren. Dennoch wurde gezeigt, dass die kaltgasgespritzten Al-Basis-Beschichtungen abhängig von den Prozessparametern des Druckgießens, teilweise stark durch die Al-Schmelze beschädigt werden können. Durch eine Wärmebehandlung bzw. eine Vorbehandlung des Stahleinlegers, konnte die kohäsive sowie die adhäsive Festigkeit und folglich die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen beim Druckgießen gesteigert werden.