Erzeugung von Al/Mg-Hybridverbunden durch ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen sowie Beschreibung der mechanischen Eigenschaften, der Mikrostruktur und des Korrosionsverhaltens der Verbunde

DFG-SPP1640 A2

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit:  01.01.2013 - 31.12.2016
Geldgeber:  DFG
Bearbeiter:  Dr. Sigrid Benfer
Arbeitsgruppe:  Korrosion

Problemstellung

Nur Hybridbauweisen ermöglichen es, die Vorteile unterschiedlichster Werkstoffe in einer Komponente zu vereinen. Kraft- und formschlüssige Verbindungen sind zwar auf einfache Weise realisierbar, die Beanspruchbarkeit einer Schweißverbindung wird aber nur selten erreicht. Dem Schmelzschweißen verschiedener Werkstoffe stehen aber insbesondere die damit verbundenen unterschiedlichen Schmelzbereiche entgegen. Zudem kommt es in der Fügezone häufig zu unerwünschten Mischphasenbildungen, die die Verbindungsfestigkeiten erheblich reduzieren.

 

Ziel des Projektes

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es daher, das innovative Rührreibschweißverfahren (FSW) zum Fügen von Al-Guss- mit Mg-Guss-Legierungen einzusetzen, da beide Werkstoffgruppen wohl breite Anwendungsfelder aufweisen, jedoch nicht miteinander schmelzschweißbar sind. FSW ermöglicht ein Fügen durch plastische Deformation. Um festigkeitsmindernde Effekte durch eventuell auftretende Sprödphasen auszuschließen und die Durchmischung des Fügebereichs zu intensivieren, soll zusätzlich Leistungsultraschall in die Schweißzone eingebracht werden. Um die entstandenen Rührreibschweißungen hinsichtlich der Qualität zu beurteilen, sind quasistatische und zyklische sowie zerstörungsfreie Untersuchungen vorgesehen. Um die besondere Problematik der Korrosion bei Mischverbunden beherrschen zu können, sind detaillierte Untersuchungen des Korrosionsverhaltens des Schweißbereichs vorgesehen.

 

Ergebnisse (Abbildungen siehe Poster)

Beim Projektpartner am Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Kaiserslautern wurde die Rührreibschweißapparatur erfolgreich um ein Ultraschallsystem ergänzt und es konnten Al/-Mg-Hybridverbunde der Legierungen AC-48000 (Al) und AZ80 (Mg) erzeugt werden. Die Verbunde, die mit Ultraschallunterstützung geschweißt wurden, zeichnen sich durch eine deutlich stärkere Phasendurchmischung (Querschnittuntersuchungen) und verbesserte mechanische Eigenschaften aus. So konnte die Zugfestigkeit von 98 MPa auf bis zu 125 MPa erhöht werden.

Am DFI wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften der Hybridverbindungen aus den Legierungen AC-48000 (Al) und AZ80 (Mg) eingesetzt. Mit Hilfe der Rasterkelvinsonde (SKP) wurden die Voltapotentialdifferenzen der Schweißnähte untersucht, wobei eine Differenz von etwa 1V zwischen der Al- und Mg-Legierung gemessen wurde. Die neue Hybridphase weist ein anderes Oxidationsverhalten als die Al-Legierung auf. Die bessere Durchmischung aufgrund der Ultraschallunterstützung während des FSW-Prozesses wird durch ein Potentialbild mit mehr Potentialabstufungen deutlich.

Die elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen wurden in 0,5 molarer NaCl-Lösung durchgeführt. Die Ruhepotentialmessungen der ohne und mit Ultraschallunterstützung erzeugten Verbunde unterscheiden sich nur wenig. Für die reinen Legierungen stellt sich sehr schnell (ca. 10 min) ein nahezu konstanter Wert ein. Für die Al-Legierung liegt das Ruhepotential bei -0,44 VSHE und für die Mg-Legierung bei ca. -1,3 VSHE. Das Ruhepotential der neu gebildeten Phase im Nugget-Bereich liegt nach 60 min bei -0,77 VSHE und damit zwischen den Werten der Ausgangslegierungen. Allerdings hat sich für diese Phase noch kein konstanter Wert eingestellt. Das Ruhepotential zeigt einen gleichmäßigen Anstieg, der typisch für die Ausbildung einer Passivschicht ist. Die neue Phase zeigt also ein anderes chemisches Verhalten als die Ausgangslegierungen. Ein ähnlicher Kurvenverlauf wird beobachtet, wenn die Messstelle sowohl Bereiche der Nugget-Phase als auch Bereiche der Al-Legierung umfasst. Der Wert des Ruhepotentials nach 60 min ist mit -0,64 VSHE allerdings etwas zu dem der Al-Legierung hin verschoben. Enthält die Messstelle Anteile der Nugget-Phase und der Mg-Legierung stellt sich ein Ruhepotential von -1,17 VSHE ein. Dieses liegt deutlich zur Mg-Legierung hin verschoben.

Bei den anschließend aufgenommenen Stromdichte-Potentialkurven zeigen sich zwei Auf­fälligkeiten. Zum einen weist die Kurve der neu gebildeten Nugget-Phase einen sehr breiten Passivbereich auf. Obwohl das freie Korrosionspotential bei -0,8 VSHE liegt, erfolgt der Durchbruch erst bei -0,34 VSHE und damit fast im Bereich der reinen Al-Legierung. Zum anderen erhöht sich die gemessene Stromdichte um etwa zwei Größenordnungen, wenn die Mg-Legierung im Kontakt mit der Nugget-Phase steht. Dies bedeutet eine deutlich verstärkte Korrosion, wobei mikroskopische Aufnahmen der Messstelle nach der Stromdichte-Potentialkurve zeigen, dass nur die Mg-Legierung angegriffen wurde, während die Nugget-Phase keinen merklichen Angriff zeigt. Die Korrosionsprodukte, die während des Korrosionsangriffs gebildet wurden, wurden mittels eines Raman-Mikroskopes untersucht und konnten als Mischung aus Mg(OH)2 und MgO identifiziert werden. Dies ist ein typisches Beispiel für galvanische Korrosion. Im Einsatz rührreibgeschweißter Bauteile aus diesen Legierungen müsste auf eine Isolation solcher Kontaktbereiche gegenüber einem Elektrolyten geachtet werden.

 

Zukünftige Arbeiten

Das Verfahren soll auf weitere Legierungskombinationen übertragen werden (unter anderen Al/Stahl) und die mechanischen und die Korrosionseigenschaften entsprechend charakterisiert werden.

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