DE102016122664A1

DE102016122664A1 - Beschichtung für ein Trägermaterial, Kernteil zum Herstellen eines Verbundteils, Verbundteil und Verfahren zum Herstellen eines Verbundteils

Info

Publication number: DE102016122664A1
Application number: DE102016122664.5A
Authority: DE
Inventors: Xiangfan Fang
Original assignee: Universitaet Siegen
Current assignee: Universitaet Siegen
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-24
Also published as: CN109996899A; CN109996899B; WO2018096055A1; US11203807B2; DE102016122664A9; US20190271067A1

Abstract

Beschichtung (104) für ein Trägermaterial aus einem Stahlwerkstoff zur Verbindung mit einem Aluminiumwerkstoff, die Beschichtung (104) aufweisend eine erste kernteilseitige Subschicht (106) und eine zweite außenseitige Subschicht (108), wobei die Beschichtung (104) durchschnittlich ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), Eisen (Fe) und Rest Aluminium (Al), die erste Subschicht (106) wenigstens ca. 42Gew.-% Eisen (Fe), wenigstens ca. 11Gew.-% Silizium (Si) und höchstens ca. 45Gew.-% Rest Aluminium (Al), die erste Subschicht (106) eine Dicke von höchstens ca. 3,5µm, insbesondere von höchstens ca. 3µm, die zweite Subschicht (108) ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), insbesondere ca. 7 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), und Rest Aluminium (Al) und die zweite Subschicht (108) eine Dicke von ca. 5 bis ca. 95mm aufweist, Kernteil (100) zum Herstellen eines Verbundteils, das Kernteil (100) aufweisend ein Trägermaterial (102) aus einem Stahlwerkstoff und eine derartige Beschichtung (104), Verbundteil, wobei das Verbundteil ein derartiges Kernteil (100) und ein mit dem Kernteil (100) verbundenes Außenteil aus einem Aluminiumwerkstoff aufweist, und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbundteils.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein Trägermaterial aus einem Stahlwerkstoff zur Verbindung mit einem Aluminiumwerkstoff, die Beschichtung aufweisend eine erste kernteilseitige Subschicht und eine zweite außenseitige Subschicht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kernteil zum Herstellen eines Verbundteils. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verbundteil. Außerdem betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines Verbundteils.
Aus der DE 10 2004 031 164 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem Eingusskörper und Gussmaterial. Dabei wird ein Beschichtungssystem bestehend aus zwei Schichten vorgeschlagen. Diese zwei Schichten weisen unterschiedliche Zusammensetzungen und Schmelztemperaturen auf. Die beiden Schichten werden über Aufsprühverfahren in Form von Tropfen aufgebracht, wobei eine Art verzahnter bzw. vermischter Aufbau der Schichten durch eine unabhängige Erstarrung der Komponenten beider Schichten entstehen kann. Die erste, meistens bauteilnahe Schicht wird durch Aufsprühen einer flüssigen Metalllegierung, die vorzugsweise aus Fe oder Fe-Legierungen mit 2 bis 99Gew.-% Fe besteht, beispielweise FeCr, aufgebracht. Sie weist eine höhere Schmelztemperatur auf. Die Verbindung ist eine reine Metallbindung. Die zweite Schicht, die meistens über der ersten Schicht aber auch innerhalb der ersten Schicht liegt, wird ebenfalls durchs Aufsprühen niedrig schmelzender Metalllegierungen aufgebracht. Diese Legierungen können Al, AlSi12, Al+Cu, insbesondere AlCu25-45 oder Al+Mg, insbesondere AlMg20-80 oder Al+Zn, insbesondere AlZn>60 sein. Diese zweikomponentige Beschichtung wirkt wie folgt: Bei Umgießen des Eingusskörpers durch das Gussmetall, wie Al-Gusslegierungen, wird die zweite niedrigschmelzende Legierungsschicht aufgeschmolzen und mit dem Al-Guss vermischt und verbunden. Da diese beiden Schichten vom Aufbau her miteinander verzahnt und vermischt sind, entsteht eine Art mikroskopischer Formschluss zwischen Gussmetall und der ersten Beschichtung, nachdem die zweite Schicht aufgeschmolzen wurde und die erste Schicht noch da ist, welche wiederum mit dem Grundmetall/Eingusskörper verbunden ist.
Im Bereich der Warmumformtechnik ist der Einsatz einer Al-Si-Beschichtung bekannt. Die Al-Si-Beschichtung soll dabei einerseits eine Verzunderung eines Stahls bei einer Austenitisierung (ca. 900 °C) verhindern und anderseits den Stahl im alltäglichen Gebrauch vor Korrosion schützen. Diese Beschichtung basiert auf der aus der FR 2 758 571 A1 bekannten Beschichtung. In der FR 2 758 571 A1 wird vorgeschlagen, ein Stahlblech auf beiden Seiten mit einer Schicht zu beschichten. Dabei wird eine erste Sub-Schicht mit 95-98Gew.-% Aluminium und weniger als 4Gew.-% Eisen über einer zweiten Sub-Schicht erzeugt. Die zweite Sub-Schicht weist 40-65Gew.-% Al, 30-50Gew.-% Fe und 3-12Gew.-% von einem oder mehreren Elementen auf, deren Atomdurchmesser innerhalb von 15% derjenigen von Fe liegt. Des Weiteren wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Stahlblech in eine Schmelze eingetaucht wird, die 88-95Gew.-% Al und 7-12Gew.-% andere Elemente beinhält, um die zweite Sub-Schicht zu erzeugen. Nachdem überschüssige Legierung entfernt ist, verbleibt eine 3-7µm dicke zweite Sub-Schicht. Anschließend wird das Stahlblech in eine Al-Schmelze eingetaucht, um die erste Sub-Schicht zu erzeugen. Es werden also zwei separate Prozessschritte durchgeführt.
Aus der EP 1 013 785 A1 ist eine Beschichtung bekannt, die für eine Warmumformung von Stahlblechwerkstoffen zur Vermeidung von Oxidation, Entkohlung und Korrosion verwendet werden kann. Diese Beschichtung ist eine Al oder Al-Legierung und kann eine intermetallische Verbindung auf Basis von Al, Fe und Si bilden. Diese Beschichtung besteht aus 9-10Gew.-% Si; 2-3,5Gew.-% Fe und Rest Al und Verunreinigungen und ist 5-100µm dick. Diese Schicht kann auch 2-4Gew.-% Fe und Rest Al und Verunreinigungen enthalten und zwischen 15-100µm dick sein. Die Entstehung der endgültigen Beschichtung erfolgt noch durch eine Wärmebehandlung von über 700°C, wobei eine intermetallische legierte Verbindung auf der Basis von Al, Si und Fe auf der Stahloberfläche entsteht, die einen Schutz vor Korrosion, Entkohlung des Stahls sicherstellt. Diese Schicht kann verschiedene Phasen enthalten, die von der Wärmebehandlung abhängen und eine große Härte, die 600HV überschreiten kann, aufweisen. Ferner kann diese Schicht bei höheren Temperaturen eine Schmierfunktion aufweisen, die die Warmumformung des Stahlbleches begünstigt. Die genannte Wärmebehandlung von über 700°C wird durch Prozessbedingungen der Warmumformung des Stahlblechs realisiert. Diese Beschichtung dient zur Verwendung bei einer Warmumformung oder Wärmebehandlung von Stahlblechen.
Diese bekannten Beschichtungen werden bei der Erzeugung von warmumformbaren Stahlblechen eingesetzt und von der Firma ArcelorMittal als Usibor^® 1500 bzw. von der Firma thyssenkrupp als MBW^® 1500 bezeichnet. Dabei wird eine Schichtdicke von ca. 20-30µm mit 7-11% Si und Rest Aluminium verwendet. Die Schichtdicke der stahlnahen ersten Schicht beträgt üblicherweise 5-7µm während die Dicke der zweiten Schicht ca. 25µm beträgt. Diese Beschichtung wird erst durch eine spätere Wärmebehandlung, nach der Stahlherstellung mit Beschichtungsvorgängen, zu einer intermetallischen Verbindung auf der Basis Al-Fe-Si umgewandelt.
Nach einer Wärmebehandlung bei 950°C weist die äußere Oberfläche der Beschichtung 7-11Gew.-% Si auf, der Al-Gehalt nimmt von ca. 50Gew.-% zunächst auf ca. 30Gew.-% ab, anschließend wieder auf 50Gew.-% zu und zur Stahlgrenzflächen hin wieder ab.
Wissenschaftliche Grundlagenforschungen zeigen, dass beim Eintauchen von Stahleinlegern in eine Al-Schmelze die dabei entstehenden Verbindungen zwischen Stahl und Aluminium in Form von vielfältigen intermetallischen Phasen (IMP) erfolgen. Ausgehend von Stahl (α - Fe) können in der Reihenfolge η - Al₅Fe₂, Θ - Al₃Fe, α - Al oder α - Fe, η - Al₅Fe₂, Θ - Al₃Fe, α_c - AlFeSi entstehen, was bei der erstarrten Al-Schmelze (α - Al) endet. Dabei sind fast alle Schichten durch die niedrige Kristallgittersymmetrie sehr spröde. Lediglich die Phase α_c - AlFeSi kann aufgrund der kubischen Gitterstrukturen duktil sein.
Aus der Veröffentlichung „H. Springer, A. Kostka, E.J. Payton, D. Raabe, A. Kaysser-Pyzalla, G. Eggeler, On the formation growth of intermetallic phases during interduffsion between low-carbon steel and aluminium alloys, Acta Materialia 59, 2010, p 1586-1660" ist bekannt, dass sich beim Eintauchen von Stahl in Al-Schmelze durch die Kinetik des Prozesses stets zuerst die spröderen Alreichen intermetallischen Phasen formieren. Die duktilere IMP entsteht sehr schwer und erst zum Schluss, wenn überhaupt noch möglich.
Die Zusammensetzung der Al-Legierungen spielt beim Wachstum der IMP-Schichten und damit für die Dicke der IMP-Schichte eine entscheidende Rolle. Die Aussagen in den wissenschaftlichen Veröffentlichungen sind jedoch widersprüchlich. Während Springer herausfand, dass Si in Al-Schmelze das Wachstum der IMP-Schicht verlangsamt und sich bei einer Diffusionsglühung zwischen Stahl und Al das Wachstum der IMP-Schicht hingegen beschleunigt, geht aus den Veröffentlichungen „M. Suehiro, K. Kusumi, T. Miyakoshi, J. Maki, and M. Ohgami, Nippon Steel Report No. 88, Nippon Steel, Tokyo, Japan, 2003." und „F. Jenner, M.E.Walter, R. lyenger and R. Hughes, Evolution of Phases, Microstructure, and Surface Roughness during Heat Treatment of Aluminized Low Carbon Steel, Metallurgical and Materials Transactions A, 41A, June 2010, p.1554-1563" hervor, dass Si generell das Schichtwachstum der IMPs verlangsamt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Kernteil baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verbundteil baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eingangs genannte Verfahren zu verbessern. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Beschichtungen zu entwickeln, mit denen eine duktile stoffschlüssige Verbindung mit ausreichender Festigkeit zwischen Stahl und Aluminium bei einem Stahl-Aluminium-Verbundguss entstehen kann, die auch mit wenig Streuung behaftet ist und dynamischer Beanspruchung standhalten kann, sodass eine reale Anwendung im Fahrzeugbau und in ähnlichen Gebiete möglich wird. Dabei soll dann auch diese Beschichtung bei artverwandten Verfahren, wie Löten und Schweißen, zum Verbinden von Stahl und Aluminium eingesetzt werden können. Hierbei wird auf die wissenschaftliche Grundlagenforschung der letzten 50 Jahre zurückgegriffen und es werden folgende Ideen kreiert: Erzeugung eines Mehr-Schicht-Systems mit u.a. einer sehr dünnen duktileren Schicht aus Fe, und Si durch entsprechende Beschichtungsprozesse. Dabei soll vor allem eine Fe-Al-Si Schicht mit günstigen Kristallgitterstruktur, d.h. möglichst hoher Kristallgittersymmetrie, erzeugt werden, da diese über mehr Versetzungsgleitsysteme verfügen und daher duktil deformiert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Kernteil mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verbundteil mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Besonders vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Kernteil kann zur Aufnahme eines Außenteils aus einem Aluminiumwerkstoff dienen. Der Kern kann eine Oberfläche aufweisen. Die Beschichtung kann an der Oberfläche angeordnet sein. Der Kern kann teilweise oder vollständig mit der Beschichtung beschichtet sein. Die Beschichtung kann dazu dienen, mit einem mit dem Kernteil zu verbindenden Aluminiumwerkstoff durch einen Verbindungsprozess eine Verbundzone zu bilden. Die Beschichtung kann wenigstens zwei Subschichten aufweisen. Die erste Subschicht kann unmittelbar an dem Kern aus einem Stahlwerkstoff angeordnet sein. Die erste Subschicht kann zwischen dem Kern und der zweiten Subschicht angeordnet sein. Die zweite Subschicht kann an der ersten Subschicht angeordnet sein. Die Legierungselemente der Beschichtung können schichtweise unterschiedlich verteilt sein. Ein durchschnittliches Vorkommen von Legierungselementen kann sich auf eine gesamte Dicke der Beschichtung über die erste Subschicht und die zweite Subschicht beziehen. Die Legierungselemente der ersten Subschicht können zumindest annähernd homogen oder inhomogen verteilt sein. Die Legierungselemente der zweiten Subschicht können zumindest annähernd homogen oder inhomogen verteilt sein. Der Kern, die Beschichtung, die erste Subschicht und/oder die zweite Subschicht kann/können übliche Verunreinigungen aufweisen.
Die zweite Subschicht kann eine mehrfache Dicke der ersten Subschicht aufweisen. Die Beschichtung kann mit einem schmelzflüssigen Aluminiumwerkstoff eine duktile stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Stahlwerkstoff und dem Aluminiumwerkstoff erzeugen. Das Trägermaterial kann ein Stahlblech sein. Das Trägermaterial kann ein Stahlbauteil sein. Der Stahlwerkstoff des Trägermaterials kann niedriglegiert sein. Der Stahlwerkstoff des Trägermaterials kann hochlegiert sein.
Das Verbundteil kann ein derartiges Kernteil und ein mit dem Kernteil verbundenes Außenteil aus einem Aluminiumwerkstoff aufweisen. Der Stahlwerkstoff und die Beschichtung des Kernteils sind nach einem Verbindungsprozess vor allem durch eine duktile stoffschlüssige Verbindung über eine Verbundzone verbunden. Diese Verbindungen können partiell/lokal durch eine mikroskopisch formschlüssige Verbindung ergänzt werden. Der Aluminiumwerkstoff des Außenteils kann wenigstens ca. 5Gew.-% und höchstens ca. 14Gew.-% Silizium (Si) aufweisen. Der Aluminiumwerkstoff des Außenteils kann weitere Legierungselemente, insbesondere Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Eisen (Fe) und/oder Kupfer (Cu), in üblicher Menge aufweisen. Der Aluminiumwerkstoff des Außenteils kann übliche Verunreinigungen aufweisen.
Das Verbundteil kann zwischen dem Kernteil und dem Außenteil eine Verbundzone mit einer Scherzugfestigkeit von wenigstens 10 MPa aufweisen. Eine Bruchfläche der Verbundzone kann ein typisch duktiles Aussehen, beispielweise eine Wabenstruktur, zeigen.
Das Verbundteil kann ein Fahrzeugbauteil sein. Das Verbundteil kann ein Karosseriebauteil sein. Das Verbundteil kann ein Fahrwerksbauteil sein. Das Verbundteil kann ein Strukturbauteil sein. Das Verbundteil kann einen Knoten bilden. Das Verbundteil kann ein Bauteil mit Verstärkungen durch Al-Rippen oder Zusatzverstärkungen bilden. Das Verbundteil kann ein Bauteil der Elektroniktechnologie sein.
Das Verbundteil kann in einem Verbundgussverfahren hergestellt werden. Das Verbundteil kann in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Das Verbundteil kann in einem Sandgussverfahren oder Kokillengussverfahren hergestellt werden. Das Verbundteil kann in einem Schweißverfahren oder Lötverfahren hergestellt werden Der Aluminiumwerkstoff des Außenteils kann beim Umgießen des Kernteils in einem Druckgussverfahren eine Temperatur von höchstens ca. 720°C aufweisen. Das Kernteil und das Außenteil können in einem Schweiß- oder Lötverfahren miteinander verbunden werden.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Beschichtung zur Ermöglichung einer duktilen stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stahl und Aluminium.
Es kann ein Mehr-Schicht-System mit einer Schicht aus Fe, und Si erzeugt werden. Die Schicht kann sehr dünn und duktil sein. Die Schicht kann durch entsprechende Beschichtungsprozesse erzeugt werden. Dabei soll vor allem eine Fe-Al-Si-Schicht mit günstiger Kristallgitterstruktur, d.h. möglichst hoher Kristallgittersymmetrie, erzeugt werden, da diese über mehr Versetzungsgleitsysteme verfügen und daher duktil deformiert werden kann.
Dieses Ziel wird beispielsweise mit einem Schichtsystem erreicht, das chemisch aus reinem mit im Durchschnitt 1-10% Si-Zusatz mit zwei verschiedenen SubSchichten besteht. Eine erste Fe- bzw. stahlnahe Schicht kann min. 42Gew.-% Fe und min. 11Gew.-% Si sowie Rest mit weniger als 45Gew.-% enthalten, sodass sich eine intermetallische Phase mit einer Stöchiometrie von zumindest annährend Al₅₇Fe₂₇Si₁₅ bildet, die auch als α₂ + Fe₂Al₅ Gemisch bezeichnet werden kann. Dieser Stoff bzw. dieses Stoffgemisch weist eine kubische oder eine geordnete nahezu kubische Gitterstruktur gemäß gängigem Fe-Al-Si-Phasendiagramm auf. Diese Gitterstruktur weist eine erhöhte Kristallsymmetrie und damit viele Versetzungsgleitsysteme auf. Dadurch ist diese intermetallische Phase verformbar und duktil. Durch diese dünne, duktilere Schicht entsteht eine sichere duktilere stoffschlüssige Verbindung zwischen Al-Si-Legierungsschicht und Stahl, die über die üblichen metallischen Bindungen hinaus geht.
Die o.g. Zusammensetzung gemäß Fe-Al-Si-Phasendiagramm liegt an einer Grenze von duktilen und spröden Phasen. Phasendiagramme selbst unterliegen üblicherweise einer deutlichen Unschärfe, die durch eine Komplexität des Legierungssystems und einer Messungenauigkeit begründet ist. Zudem ist die Grenze von Phasenverläufen in einem Phasendiagramm abhängig von einer Abkühlgeschwindigkeit einer Legierung. Bei den gängigen Phasendiagrammen werden üblicherweise die Phasengrenzen im Gleichgewichtszustand, also mit unendlich langsamer Abkühlgeschwindigkeit, angegeben. In der Praxis ist die Abkühlgeschwindigkeit jedoch schneller, sodass die Phasengrenzen sich damit verschieben.
Es ist also durchaus möglich, dass dann die Gitterstruktur einer intermetallischen Phase (IMP) in der ersten Subschicht doch noch ganz oder teilweise eine reduzierte Kristallgittersymmetrie aufweist. Daher kann eine Schichtdicke dieser Schicht mit höchstens 3,5µm sehr dünn eingestellt werden. Dadurch kann auch bei leichten Abweichungen einer chemischen Zusammensetzung von den o.g. Werten, wodurch die Gitterstruktur in niedrigere Symmetrie umschlagen kann, die Duktilität der Schicht erhalten werden.
Im Anschluss an diese dünne erste IMP-Schicht kann eine dickere Schicht mit einem durchschnittlichen Si-Gehalt von zwischen 1-10Gew.-%, insbesondere 7-10Gew.-% folgen, wobei der Rest der Zusammensetzung nur aus besteht, abgesehen von den üblichen Verunreinigungen. Fe-Elemente können in dieser Schicht bis auf Verunreinigungen nicht vorhanden sein. Die Schichtdicke kann zweckmäßigerweise zwischen 5 und 15µm liegen. Sie kann auch deutlich dicker sein.
Sowohl Sandguss oder sandgussähnliche Verfahren, wie Gipsguss, und Druckguss können beim Verbundguss verwendet werden, um dabei eine stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Dabei können übliche Al-Legierungen für den Guss verwendet werden. Da diese in aller Regel Si beinhalten, wird die Bildung von dünnen IMP-Schichten begünstigt. Beispielweise kann eine Al-9-11Gew.-%-Si-Gusslegierung verwendet werden.
Weiterhin kann diese Beschichtung beim Schmelzschweißen oder Löten zwischen Stahl und eingesetzt werden, wobei die Schichtdicke der Beschichtung in diesen Fällen dicker, beispielsweise bis zu 100µm, sein kann.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Mit der Erfindung wir eine dynamische Beanspruchbarkeit erhöht. Eine Bruchsicherheit wird erhöht. Eine Crashsicherheit wird erhöht. Eine Serienherstellung wird ermöglicht oder erleichtert. Eine duktile stoffschlüssige Verbindung mit besonderer Festigkeit zwischen einem Stahlwerkstoff und einem Aluminiumwerkstoff wird bereitgestellt. Streufehler werden reduziert. Eine Anwendung im Fahrzeugbau und/oder in ähnlichen Gebieten wird ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein Schliffbild eines Kernteils mit einem Kern aus einem Stahlwerkstoff und einer Fe-Al-Si-Beschichtung mit einer ersten Subschicht und einer zweiten Subschicht,
2 ein Schliffbild eines Verbundteils mit einem Fe-Al-Si-beschichteten Kernteil und einem Außenteil aus einem Aluminiumwerkstoff,
3 ein Diagramm mit Scherzugversuchsergebnissen von Proben mit einem Fe-Al-Si-beschichteten Kernteil und einem Außenteil aus einem Aluminiumwerkstoff,
4 eine duktile stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Stahlwerkstoff und einem Aluminiumwerkstoff,
5 ein stabiles Risswachstum an einer Scherzugprobe und
6 eine Bruchfläche einer Verbundzone zwischen einem Kernteil und einem Außenteil.

1 zeigt ein Schliffbild eines Kernteils 100 mit einem Kern 102 aus einem Stahlwerkstoff und einer Fe-Al-Si-Beschichtung 104 mit einer ersten Subschicht 106 und einer zweiten Subschicht 108.
Der Kern 102 ist vorliegend ein Stahlblech. Die Beschichtung 104 dient zur Verbindung mit einem Aluminiumwerkstoff. Die Beschichtung 104 weist durchschnittlich ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), Eisen (Fe) und Rest Aluminium (Al) auf. Die erste Subschicht 106 ist zwischen dem Kernteil 100 und der zweiten Subschicht 108. Die erste Subschicht 106 weist wenigstens ca. 42Gew.-% Eisen (Fe), wenigstens ca. 11Gew.-% Silizium (Si) und höchstens ca. 45Gew.-% Rest Aluminium (Al) auf. Die Beschichtung 104 kann in einem PVD-Verfahren aufgebracht werden oder auch mithilfe anderer Verfahren, wie Schmelztauchverfahren etc. Die erste Subschicht 106 weist eine Dicke von höchstens ca. 3,5µm, insbesondere von höchstens ca. 3µm, auf. Die zweite Subschicht 108 ist an der ersten Subschicht 106 angeordnet und bildet eine Außenseite des Kernteils 100. Die zweite Subschicht 108 weist ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), insbesondere ca. 7 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), und Rest Aluminium (Al) auf. Eisen (Fe) ist bis auf Spuren/Verunreinigungen nicht vorhanden. Die zweite Subschicht 108 weist eine Dicke von ca. 5 bis ca. 95mm auf.
2 zeigt ein Schliffbild eines Verbundteils 200 nach einem Verbindungsprozess mit einem Fe-Al-Si-beschichteten Kernteil 202, wie Kernteil 100 gemäß 1, und einem Außenteil 204 aus einem Aluminiumwerkstoff. Der Aluminiumwerkstoff des Außenteils 204 weist wenigstens ca. 5Gew.-% und höchstens ca. 14Gew.-% Silizium (Si) sowie gegebenenfalls weitere Legierungselemente, insbesondere Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Eisen (Fe) und/oder Kupfer (Cu), sowie weitere übliche Legierungselemente in einem Al-Guss oder Al-Knetlegierungen auf.
Zum Herstellen des Verbundteils 200 wird das beschichtete Kernteil 202 mit einem das Außenteil 204 bildenden Aluminiumwerkstoff umgossen. Dabei weist der schmelzflüssige Aluminiumwerkstoff bei einem Druckgussverfahren eine Temperatur von höchstens ca. 720°C auf. Alternativ kann der das Außenteil 204 bildende Aluminiumwerkstoff auch in einem Schweiß- oder Lötverfahren aufgebracht werden.
Nach dem Aufbringen des Außenteils 204 sind der Stahlwerkstoff und die Beschichtung des Kernteils miteinander stoffschlüssig verbunden, ergänzt durch lokalen mikroskopischen Formschluss 208. Zwischen dem Kernteil 202 und dem Außenteil 204 ist eine Verbundzone 206 mit einer Scherzugfestigkeit von wenigstens 10 MPa gebildet.
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
3 zeigt ein Diagramm 300 mit Scherzugversuchsergebnissen von Scherzugproben mit einem Fe-Al-Si-beschichteten Kernteil, wie Kernteil 100 gemäß 1 und Kernteil 202 gemäß 2, und einem Außenteil, wie Außenteil 204 gemäß 2 aus einem Aluminiumwerkstoff.
In dem Diagramm 300 ist auf einer x-Achse ein Weg und auf einer y-Achse eine Kraft aufgetragen. Im Scherzugversuch ergeben sich für die Proben Kraft-Weg-Kurven 302. Es ist ersichtlich, dass die Kraft nach Erreichen eines Maximums bzw. Knickpunkts 304 nach anfänglicher elastischer linearer Zunahme sehr lange konstant bleibt bzw. leicht zunimmt. Der Knickpunkt kann als Beginn der Rissbildung angesehen werden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem beschichteten Kernteil und dem Außenteilweist demnach sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Duktilität auf. Die Kurven 302 sind aus verschiedenen Versuchsreihen, es zeigt sich eine sehr geringe Streuung.
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
4 zeigt die Mechanismen zur Bildung einer duktilen stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Stahlwerkstoff 400 und einem Aluminiumwerkstoff 402 während eines Beschichtungsvorgangs. Aus dem Stahlwerkstoff 400 ist Fe in eine erste Subschicht 404 diffundiert, es ergibt sich eine intermetallische Phase mit einer Stöchiometrie von annähernd Al₅₇Fe₂₇Si₁₅. Die zweite Subschicht 406 weist Si-Anreicherungen 408 und Si-Segregationen 410 auf. Aus der zweiten Subschicht 406 ist Si und in die erste Subschicht 404 diffundiert.
In einem Scherzugversuch an Proben aus Verbundgussteil 200 bzw. 500 ergibt sich ein Rissverlauf 412 mit einem stabilen Risswachstum in der vormals zweiten Subschicht der Beschichtung, die Verbindung ist duktil, sodass die Verbindung nicht schlagartig zerstört wird. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1, 2 und 3 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
5 zeigt ein stabiles Risswachstum an einer Scherzugprobe 500. Die Scherzugprobe 500 weist ein Kernteil 502 aus einem Stahlwerkstoff und ein Außenteil 504 aus einem Aluminiumwerkstoff auf. Zwischen dem Kernteil 502 und dem Außenteil 504 wurde mithilfe einer Fe-Al-Si-Beschichtung des Kernteils 502 eine duktile stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Ein Fortschreiten der Rissbildung ist in den Darstellungen mit einem Pfeil markiert. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1, 2, 3 und 4 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
6 zeigte eine Bruchfläche 600 der Verbundzone zwischen dem Kernteil 502 und dem Außenteil 504. Die Bruchfläche 600 zeigt ein typisch duktiles Aussehen mit Wabenstruktur. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1, 2, 3, 4 und 5 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Bezugszeichenliste

100: Kernteil
102: Kern
104: Beschichtung
106: erste Subschicht
108: zweite Subschicht
200: Verbundteil
202: Kernteil
204: Außenteil
206: Verbundzone
208: mikroskopischer Formschluss
300: Diagramm
302: Kraft-Weg-Kurven
304: Maximum, Knickpunkt
400: Stahlwerkstoff
402: Aluminiumwerkstoff
404: erste Subschicht
406: zweite Subschicht
408: Si-Anreicherung
410: Si-Segregation
412: Rissverlauf
500: Scherzugprobe
502: Kernteil
504: Außenteil
600: Bruchfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004031164 A1 [0002]
FR 2758571 A1 [0003]
EP 1013785 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„H. Springer, A. Kostka, E.J. Payton, D. Raabe, A. Kaysser-Pyzalla, G. Eggeler, On the formation growth of intermetallic phases during interduffsion between low-carbon steel and aluminium alloys, Acta Materialia 59, 2010, p 1586-1660” [0008]
„M. Suehiro, K. Kusumi, T. Miyakoshi, J. Maki, and M. Ohgami, Nippon Steel Report No. 88, Nippon Steel, Tokyo, Japan, 2003.” und „F. Jenner, M.E.Walter, R. lyenger and R. Hughes, Evolution of Phases, Microstructure, and Surface Roughness during Heat Treatment of Aluminized Low Carbon Steel, Metallurgical and Materials Transactions A, 41A, June 2010, p.1554-1563” [0009]

Claims

Beschichtung (104) für ein Trägermaterial (102) aus einem Stahlwerkstoff zur Verbindung mit einem Aluminiumwerkstoff, die Beschichtung (104) aufweisend eine erste kernteilseitige Subschicht (106) und eine zweite außenseitige Subschicht (108), dadurch gekennzeichnet, dass - die Beschichtung (104) durchschnittlich ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), Eisen (Fe) und Rest Aluminium (Al), - die erste Subschicht (106) wenigstens ca. 42Gew.-% Eisen (Fe), wenigstens ca. 11Gew.-% Silizium (Si) und höchstens ca. 45Gew.-% Rest Aluminium (Al), - die erste Subschicht (106) eine Dicke von höchstens ca. 3,5µm, insbesondere von höchstens ca. 3µm, - die zweite Subschicht (108) ca. 1 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), insbesondere ca. 7 bis ca. 10Gew.-% Silizium (Si), und Rest Aluminium (Al), und - die zweite Subschicht (108) eine Dicke von ca. 5 bis ca. 95mm aufweist.
Beschichtung (104) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (104) mit einem schmelzflüssigen Aluminiumwerkstoff eine duktile stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Stahlwerkstoff und dem Aluminiumwerkstoff erzeugt.
Kernteil (100, 202) zum Herstellen eines Verbundteils (200), das Kernteil (100, 202) aufweisend ein Trägermaterial (102) aus einem Stahlwerkstoff und eine Beschichtung (104) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2.
Kernteil (100, 202) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (102) ein Stahlblech oder ein Stahlbauteil ist.
Kernteil (100, 202) nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff des Trägermaterials (102) niedriglegiert oder hochlegiert ist.
Verbundteil (200), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil (200) ein Kernteil (100, 202) nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5 und ein mit dem Kernteil (100, 202) verbundenes Außenteil (204) aus einem Aluminiumwerkstoff aufweist.
Verbundteil (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff und die Beschichtung (104) des Kernteils (100, 202) nach einem Verbindungsprozess miteinander mikroskopisch formschlüssig verbunden (208) sind.
Verbundteil (200) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff des Außenteils (204) wenigstens ca. 5Gew.-% und höchstens ca. 14Gew.-% Silizium (Si) aufweist.
Verbundteil (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff des Außenteils (204) weitere Legierungselemente, insbesondere Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Eisen (Fe) und/oder Kupfer (Cu), in üblicher Menge aufweist.
Verbundteil (200) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil zwischen dem Kernteil (100, 202) und dem Außenteil (204) eine Verbundzone (206) mit einer Scherzugfestigkeit von wenigstens 10 MPa aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundteils (200) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil (200) in einem Verbundgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff des Außenteils (204) beim Umgießen des Kernteils (100, 202) in einem Druckgussverfahren eine Temperatur von höchstens ca. 720°C aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundteils nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernteil (100, 202) und das Außenteil (204) in einem Schweiß- oder Lötverfahren miteinander verbunden werden.