Thermisches Fügen von lichtbogenober­flächenbehan­delten Stählen mit faserverstärk­ten Kunststoffen

Kurzbeschreibung:

Ziel des Projektes war es, metallische Oberflächenstrukturen mittels herkömmlicher Lichtbogentechnik zu strukturieren. Die oberflächenbehandelten Metalle dienen zur Herstellung von hybriden Metall-Kunststoff-Verbindungen. Als Referenz zur Lichtbogenstruktur wurden Laserstrukturen im Dauerstrich- (cw) sowie im gepulsten Betrieb erzeugt. Fokus der Untersuchungen stellte die Charakterisierung der erzeugten Strukturen in Hinblick auf deren topografische und energetische Beschaffenheit sowie deren Auswirkungen auf das Benetzungs- sowie das daraus resultierende Bruchverhalten dar. Die Untersuchungen wurden zunächst an modellhaften punktförmigen Versuchen zur Bestimmung der einen Zugfestigkeit für unterschiedliche Materialpaarungen (1.4301 / DC01 / DX56D Z100 – PA6) durchgeführt. Anschließend fand eine Übertragung der Ergebnisse auf industrienahe Fügegeometrien statt (linienförmigen Versuche). Hierbei wurden neben den genannten Werkstoffen zusätzlich faserverstärke Thermoplasten eingesetzt (PA6GF50 / PA6CF50). Durch die gewonnenen Erkenntnisse soll ein Beitrag zur aktuellen Erforschung von neuen Fügeverfahren für hybride Werkstoffverbunde geleistet werden.

Unabhängig von den Prozessparametern konnte gezeigt werden, dass sich die Verbundfestigkeit mittels lichtbogen- sowie laserstrukturierten Oberflächen, im Vergleich zu den unstrukturierten Proben, steigern lässt. Ein wichtiger Aspekt der Lichtbogenstrukturierung stellt die ungleichmäßige Topografie sowie Morphologie der Oberfläche dar, welche für die Höhe der Festigkeiten sowie das vergleichsweise höhere Streuungsmaß verantwortlich ist. Die festgestellte mittlere Größe der erzeugten Strukturen lag über alle Versuche hinweg in der Größenordnung von wenigen Mikrometern.

Aus den durchgeführten Untersuchungen kann geschlussfolgert werden, dass die Strukturierung von Stahloberflächen mit einem WIG-DC-EP Lichtbogen hauptsächlich von dem Zustand der zu strukturierenden Oberfläche abhängig ist. Die Möglichkeiten den Prozess durch die Wahl Prozessparameter zu beeinflussen sind beschränkt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass unabhängig von der gewählten Struktur (Lichtbogen-, cw-, pw-Struktur) eine Steigerung aller Festigkeitswerte (Zug-, Scherzug, Schälzugfestigkeit) erreicht werden kann. Für die Materialkombination DC01 – PA6 im Zugversuch zeigten sich für das unstrukturierte Ausgangsmaterial (1,62 ± 0,11 MPa), die cw- (7,87 ± 0,36 MPa) und pw-strukturierten Hybride (11,13 ± 0,46 MPa) eine höhere Zugfestigkeit im Vergleich zum Verbund mit Lichtbogenstruktur (2,64 ± 0,28 MPa). Die maximalte Scherzugfestigkeit für den unstrukturierten, den lichtbogen- sowie cw- und pw-strukturierten DC01 in Kombination mit PA6GF50 nimmt einen Wert von 2,21 ± 1,17 MPa, 3,25 ± 0,69 MPa, 6,34 ± 2,44 MPa und 16,09 ± 0,98 MPa.

Unter Verwendung der faserverstärkten Thermoplaste zeigte sich ein Einfluss in Bezug auf die Scherzugfestigkeit vorrangig für Hybride mit cw-Strukturen in Abhängigkeit des metallischen Fügepartners. Anhand von Schliffbilder der Füge- sowie Bruchzone konnte außerdem eine Abhängigkeit der Faserorientierung sowie der Faserdichte auf das Benetzungsverhalten beobachtet werden. Verlaufen die Faserbündel unmittelbar an der Oberfläche, ist nicht genügend schmelzflüssiger Kunststoff vorhanden, um strukturierte Oberflächen vollständig zu benetzen. Ist der Faserverlauf übereinstimmend mit der Strukturrichtung, konnte nachgewiesen werden, dass die Fasern in die Strukturtiefen eindringen. Es wird die Annahme getroffen, dass sich dieser Effekt festigkeitssteigernd auf die Metall-Kunststoff-Verbindung auswirkt. Um den Einfluss der Fasern auf die Benetzung genauer zu untersuchen, wird für weiterführende Untersuchungen empfohlen, anstatt eines bidirektionalen Fasergewebes FVK mit unidirektionalen Fasern zu verwenden, um somit einen Einfluss der Faserausrichtung auf die Benetzung der Oberfläche zu erreichen.

Im Vergleich zum unverzinkten Qualitätsstahl DC01 können unter Verwendung des verzinkten DX56D Z100 mit PA6 deutlich höhere Festigkeiten aufgrund der qualitativ hochwertigeren Strukturgeometrie erreicht werden. Für die Zugfestigkeit wurden Werte von 0 MPa (unstrukturiert), 9,97 ± 0,18 MPa (Lichtbogen), 12,63 ± 0,39 MPa (cw) bis hin zu 14,52 ± 0,79 MPa (pw) ermittelt. Die Ergebnisse des Scherzugversuches für DX56D Z100 mit PA6GF50 ergaben in Abhängigkeit der Struktur (unstrukturiert, Lichtbogen-, cw-, pw-Struktur) 0 MPa, 12,38 ± 0,93 MPa, 17,39 ± 0,71 MPa und 17,39 ± 0,86 MPa. Im Gegensatz zum unstrukturierten Chrom-Nickel-Stahl 1.4301 (3,10 ± 0,67 MPa) konnte für die Laserstrukturen Zugfestigkeitswerte von 10,45 ± 1,24 MPa (cw) und 13,13 ± 2,22 MPa (pw) erreicht werden. Eine hinreichende Lichtbogenstrukturierung zur Erhöhung der Haftfestigkeit existiert derzeit für den 1.4301 nicht. Die Scherzugfestigkeit weist folgende Werte auf: 4,97 ± 1,22 MPa (unstrukturiert), 10,62 ± 1,71 MPa (cw) sowie 13,18 ± 1,08 MPa (pw). Alle weiteren Festigkeitswerte sind in Tabelle 10 bis Tabelle 12 zusammengefasst.

Die zugrundeliegenden Bindemechanismen für lichtbogenstrukturierte Blechoberflächen konnten nicht abschließend herausgearbeitet werden. Eine reine Steigerung der mechanischen Verklammerung aufgrund von Hinterschnittbildung kann jedoch infolge der Auswertung der FIB-Aufnahmen ausgeschlossen werden. Vielmehr deuten die Versuche mit Aktivgas auf weitere Bindemechanismen hin. Diese erfordern jedoch umfangreichere Diagnostikmethoden und eine weiterführende Grundlagenforschung.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben IGF 19042 BR - P 1128 "Thermisches Fügen von lichtbogenoberflächenbehandelten Stählen mit faserverstärkten Kunststoffen" der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der TU Ilmenau und der TU Dresden durchgeführt.