Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens:
Elektrische Kontaktbauteile wie Steckverbinder, Schleiffedern oder Schnappscheiben werden an ihren Kontaktflächen mit Gold beschichtet, um die elektrische Leitfähigkeit der Bauteile zu verbessern. Die Beschichtung wird in galvanischen Verfahren unter Einsatz und Entstehung von umweltschädlichen chemischen Verbindungen und kontaminiertem Abwasser aufgetragen. Um diese Beschichtungsverfahren mit ihren umweltbelastenden Eigenschaften ersetzen zu können, wird im Forschungsvorhaben ein energie- und ressourceneffizientes Verfahren zum Auftragen von Edelmetallbeschichtungen entwickelt.
Dafür wird der Beschichtungswerkstoff in Form dünner Mikrodrähte auf die Substratoberfläche gefördert und mittels Laserstrahlung aufgeschweißt. Zielsetzung ist die vollautomatisierte Beschichtung von Bauteilen in diesem umweltschonenden Verfahren zur Substitution galvanischer Beschichtungsprozesse.
Fazit:
Die Systemtechnik zum Mikroaufschweißen von Golddrähten zur Beschichtung elektrischer Bauteile konnte erfolgreich automatisiert werden. Der Aufbau des Stand-Alone-Systems bietet die Möglichkeit zur unabhängigen Integration in die Prozessketten der Kontaktbauteilhersteller und löst die Abhängigkeit von Galvanikbetrieben auf. Zugleich lassen sich mittels des umweltschonenden und ressourceneffizienten Verfahren signifikante Kostenvorteile durch Reduktion des Goldverbrauchs erzielen. Die Technologie wird nach der Projektlaufzeit zur Serienreife weiterentwickelt und für den kostengünstigen Einsatz in der Industrie optimiert.
Als Schutz gegen extremen abrasiven Verschleiß, wie er beim Umgang mit mineralischen Gütern als auch bei der Kunststoffextrusion und dem Kunststoffspritzguss auftritt, haben sich Hartverbundschichten bewährt. Deren hoher Verschleißwiderstand beruht im Allgemeinen auf Wolframkarbiden, die in hohen Gehalten (ca. 40 Vol.-Prozent) einer Nickelbasis-Legierung zugegeben sind. Wolfram als auch Nickel gehören gemäß mehrerer Studien zu den kritischen Rohstoffen. Das Gesamtziel des vorliegen Verbundvorhabens ist daher die Entwicklung hochverschleißbeständiger Auftragsschweißlegierungen, in denen Wolframkarbid und Nickel durch andere in Europa verfügbare kostengünstige Rohstoffe ersetzt wurden. Die Reiloy Metall GmbH wird sich in diesem Rahmen primär der Entwicklung eines alternativen Matrixwerkstoffes widmen.
Bei starkem Abrasionsverschleiß, wie er im Umgang mit mineralischen Gütern häufig auftritt, haben sich auftraggeschweißte Hartverbundschichten bewährt. Deren hoher Verschleißwiderstand beruht darauf, dass harte Wolframkarbidpartikel (WC oder WC/W2C) in hohen Gehalten (bis zu 40 Vol. %) einer metallischen Matrix auf meist Ni-Basis zugegeben werden. Die keramischen Wolframkarbide stellen sich furchenden mineralischen Partikeln in den Weg und sind aufgrund ihrer hohen Härte bei gleichzeitig hoher Bruchzähigkeit für den Verschleißwiderstand und die daraus resultierende Lebensdauer von Verschleißteilen verantwortlich. Da Wolfram gemäß mehrerer Studien zu den kritischen Rohstoffen gehört, ist das Gesamtziel des vorliegenden Verbundvorhabens die Entwicklung hochverschleißbe-ständiger wolframfreier Auftragschweißlegierungen. Wolframkarbid soll durch andere in Europa verfügbare und zugleich kostengünstige Hartstoffe ersetzt werden. Die Materialkosten der Auftragschweißung sollen zusätzlich durch die Substitution der bisher verwendeten Ni-Matrices erzielt werden. Es werden Fe-Basis-Matrices entwickelt. Als Hartstoffe werden Karbide, wie das hoch harte Siliziumkarbid, aber auch Oxide benutzt. Um sie ausreichend sicher in die Fe-Basis-Matrices einzubetten, müssen werkstofftechnische und technologische Untersuchungen durchgeführt werden. Werkstofftechnisch werden Transferschichten vorgesehen, die eine optimale chemisch/physikalische Bindung zu der Matrix auf Fe-Basisgarantieren. Diese Transferschichtensollen einerseits unerwünschte Reaktionen zwischen dem Hartstoff und Metallmatrix unterbinden und andererseits eine metallurgische Hartstoffeinbindung in die Metallmatrix ermöglichen. In einem ersten Schritt gilt es, geeignete Transferbeschichtungen mittels der physikalischen und chemischen Gasphasenabscheidung auf den zuvor ausgewählten Hartstoffpartikeln zu platzieren. Gleichzeitig wird eigens für diesen Zweck eine pulvermetallurgische Hartlegierung auf Fe-Basis entwickelt und diese durch Gasverdüsen hergestellt. Technologisch wird das Metallpulver in einem weiteren Prozessschritt mit den beschichteten Hartstoffen vermengt und zu einem schweißbaren Pulvergemisch, Schweißstäben sowie zu Fülldrähten weiterverarbeitet. Die hergestellten Schweißzusatzwerkstoffe mit alternativen Hartstoffen sollen zu Panzerschichten auf Baustahlsubstraten mit den Auftragtechnologien: autogenes-, Fülldraht-, PTA-, UP-Schweißen, Laserschweißen sowie mittels InduClad verarbeitet werden. Neben der Bewertung der hergestellten Panzerschichten bezüglich der tribologischen und mechanischen Eigenschaften unter Laborbedingungen gilt es, das Potential der neu entwickelten Panzerschichten unter realen Praxisbedingungen zu prüfen. Als Demonstrator wird auf Bauteile des im Bild 1 darstellten Gewinnungsgerätes; insbesondere auf Schneiden von Grabgefäßen zurückgegriffen.
Derzeit fehlen für artungleiche Fügungen Grundlagen, um modulare, hoch belastete Turbinenbauteile sicher in Betrieb zu nehmen. Bisher wurde sich dieser Thematik über den experimentellen Ansatz genähert. Lange Entwicklungszyklen sind die Konsequenz. Darüber hinaus kann nicht davon ausgegangen werden, DEN optimalen Prozess definiert zu haben. Daher ist es Ziel des Projektes, eine integrierte Simulationskette zur Charakterisierung von Fügungen aufzubauen und zu verifizieren. Bisher existieren noch keine Tools, die Fügungen in Gänze vorhersagbar machen. Dies erfordert eine INTEGRIERTE SIMULATIONSKETTE. Am Beispiel von hochwarmfesten Nickellegierungen soll dazu parallel zur eigentlichen Fügeprozessentwicklung und Charakterisierung eine Simulationskette mit standardisierten Schnittstellen zwischen den Modulen PROZESS, STRUKTUR und EIGENSCHAFTEN geschaffen werden. Das Modul PROZESS beinhaltet die Prozesssimulation (Laser- und EB-Schweißen) sowie die detaillierte Prozessüberwachung (Hochtemperaturlöten und Schweißen) wichtiger Parameter. Diese Informationen werden an das Modul STRUKTUR übergeben, um mittels Phasenfeldmethode die Mikrostruktur zu simulieren. Die synthetischen Mikrostrukturen sind der Schlüssel zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften im Modul EIGENSCHAFTEN. Dies wird über mikrostrukturabhängige Materialmodelle abgebildet, mit denen es möglich ist, die Festigkeit der Verbunde zu berechnen. Durch das Projekt wird ein schlagkräftiges wissenschaftliches Netzwerk gebildet. Die Kette sowie die Materialien können auf weitere Fragestellungen ausgeweitet werden (z.B. Automobilindustrie). Die Industriepartner werden die Kette in ihre Materialentwicklungsprozesse übernehmen. Nach Projektende wird die Kette auf ihre Belastbarkeit hin verifiziert und die Vorhersagegenauigkeit gesteigert, um die Entwicklungszyklen langfristig um bis zu 50% zu verkürzen. Dies ist die Voraussetzung für die Entwicklung neuer hocheffektiver, modularer Komponenten.