Eine Alternative zum Schweißen haben Wissenschaftler aus Hannover und Clausthal entwickelt: Auch mit Schmieden lässt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschiedlichen Metallen herstellen.
Bei diesen Versuchsbauteilen wurde jeweils ein Aluminiumbolzen und ein Stahlblech durch Umformung verbunden, anschließend das Blech tiefgezogen.
IPH
Ein Aluminiumbolzen und ein Stahlblech lassen sich allein durch Presskraft stoffschlüssig miteinander verbinden. Die Verbindung ist so stabil, dass das Blech anschließend tiefgezogen werden kann. In ihren Versuchen haben Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Instituts für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal in dem von der DFG geförderten gemeinsamen Forschungsprojekt "Verbundhybridschmieden" einen Aluminiumbolzen und ein Stahlblech in die Schmiedepresse gelegt und den Aluminiumbolzen leicht gestaucht. Während dieses Umformprozesses geht der Bolzen eine feste Verbindung mit dem Stahlblech ein, so das Ergebnis des Projekts.
Das stabile Umform-Füge-Verfahren gelang den Wissenschaftlern bei einer Umformtemperatur von 350 Grad Celsius, einer Presskraft von 1.500 Kilonewton, einer Umformgeschwindigkeit von 26,6 Millimetern pro Sekunde und einem Stauchweg von mindestens 9 Millimetern. Je länger der Stauchweg, desto besser sei tendenziell der Zusammenhalt – allerdings dürfe der Aluminiumbolzen auch nicht zu stark umgeformt werden, damit sich das Blech nicht ebenfalls verformt, berichten die Wissenschaftler. Demnach ist eine geringe Umformgeschwindigkeit zuträglich, weil die Diffusionsprozesse dann besser ablaufen können und die Moleküle Zeit haben, sich zu verbinden. Zudem komme es auf die Geometrie des Aluminiumbolzens an: Er sollte weder spitz zulaufen noch abgerundet sein, sondern flach, damit er möglichst großflächig auf dem Blech aufliegt.
Damit eine belastbare, stoffschlüssige Verbindung entstehen kann, kommt es zudem darauf an, den direkten Kontakt zwischen Aluminium und Stahl zu vermeiden, fanden die Wissenschaftler heraus. Denn wenn sich diese beiden Metalle vermischen, entstehen spröde intermetallische Phasen. Die Forscher haben deshalb Zink als Lotwerkstoff eingesetzt. Das Stahlblech und der Aluminiumbolzen wurden zunächst verzinkt, denn Zink geht sowohl mit Aluminium als auch mit Stahl eine stoffschlüssige Verbindung ein, ohne dass spröde Phasen entstehen. Durch den Pressdruck beim Schmieden kommen die Zinkschichten in Kontakt, die Moleküle verbinden sich und es entsteht eine stoffschlüssige, belastbare Verbindung.
Stetig zunehmende Anforderungen an technische Massivbauteile bezüglich der Festigkeit, Funktionsintegration, Gewichtsminimierung sowie Ressourcenschonung führen zur steigenden Nachfrage nach Hochleistungskomponenten mit lokal angepassten Eigenschaften. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, ist die Kombination verschiedener Materialien innerhalb eines Bauteils immer häufiger notwendig. Johanna Uhe und Bernd-Arno Behrens in "Production at the leading edge of technology", Seite 199.
Die optimale Temperatur für das Umform-Füge-Verfahren liegt bei 350 Grad Celsius, da sich bei dieser Temperatur das Aluminium gut umformen lässt und das Zink noch nicht schmelzflüssig ist. Optimale Ergebnisse haben die Forscher erzielt, indem sie sowohl den Aluminiumbolzen als auch das Stahlblech vor der Umformung auf 350 Grad Celsius erwärmt haben. Die stoffschlüssige Verbindung, die beim Umformen entsteht, hält Belastungen von bis zu 2,1 Kilonewton stand und ist damit genauso stabil wie eine Schweißverbindung. Auch bei einer anschließenden Umformoperation – das Blech wurde tiefgezogen – hielt die Verbindung.