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EFB-Forschungsbericht Nr. 347

Entwicklung und Bewertung von PVD-Schichtsystemen auf Verbindungselementen zur Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von Nietverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr. Volker Kirchhoff, Dr. Fred Fitzke, Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden

56 Seiten (sw, 30 Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-385-1

Preis (Digital) EUR 49,00

Preis (Print) EUR 55,00

Zusammenfassung

Das Projekt wurde im Rahmen des DFG/AiF-Clustervorhabens „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ bearbeitet. Sein Ziel bestand darin, Möglichkeiten aufzuzeigen, das mechanisch-mediale Alterungsverhalten der im Cluster-Vorhaben betrachteten Nietverbindungen durch oberflächentechnologische Maßnahmen an den eingesetzten Verbindungselementen positiv zu beeinflussen. Hierzu wurde ein neuartiges Verfahren der Physikalischen Vakuumbeschichtung (PVD) entwickelt und im Vergleich mit den leistungsfähigsten Oberflächenveredlungsverfahren aus dem Stand der Technik umfassend bewertet.

Den grundlegenden methodischen Ansatz für die Verfahrens- und Schichtentwicklung bildete die Kombination der beiden Beschichtungsverfahren plasma-aktivierte Bedampfung und Magnetronsputtern, wobei sich auf die Abscheidung von Multilayer-Schichtstapeln aus abwechselnd aufgebrachten dicken Korrosionsschutzschichten aus Aluminium und dünnen Diffusionssperren aus einem zweiten Metall (Chrom bzw. Titan) konzentriert und die Substrate grundsätzlich als Schüttgut gehandhabt wurden. Die Einbindung eines Verteilungs- und Regelsystems für Reaktivgase ermöglichte darüber hinaus die Abscheidung von PVD-Passivierungsschichten aus Aluminiumoxid direkt in Vakuumfolge. Durch Einbeziehung einer mehrstufigen nasschemischen Reinigung auf der Basis eines pH-neutralen Beizverfahrens konnte ein Wasserstoff- und Chrom(VI)-freier Veredlungsprozess geschaffen werden, der das Potenzial zur produktionstechnischen Aufskalierung besitzt.

In verschiedenen Phasen der Verfahrensentwicklung wurden den anderen in das Cluster-Vorhaben eingebundenen Forschungsstellen beschichtete Nietelemente zur Herstellung, Belastung und Prüfung von Fügeverbindungen entsprechend der übergeordneten Versuchsmatrix sowie für materialwissenschaftliche Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Die Rückkopplung der Ergebnisse erfolgte in jedem Fall zeitnah, so dass ein schneller Erkenntnisgewinn und eine hohe Entwicklungsdynamik gewährleistet waren.

Die Bewertung des Korrosionsverhaltens PVD-beschichteter Nietelemente im Salzsprühnebeltest erbrachte differenzierte Resultate. Während sämtliche untersuchten Kombinationen der Materialien Aluminium und Titan bereits nach wenigen Tagen ausfielen, zeigte die beste Variante des Systems Aluminium-Chrom auch nach 1000 Stunden noch keinen Rotrost. Die mit dieser Schicht versehenen und in einer CFK-Aluminium-Mischverbindung eingesetzten Halbhohlstanzniete wiesen jedoch einen starken korrosiven Angriff auf und verdeutlichten damit die Komplexität der einwirkenden mechanischen, chemischen und materialspezifischen Faktoren und den nach wie vor bestehenden Weiterentwicklungsbedarf. Interessante Ergebnisse erbrachte die Untersuchung des Einflusses von Verbinderbeschichtungen auf das mechanische Verhalten in der Fügestelle. Für die betrachtete Halbhohlstanznietverbindung konnte eine deutliche Zunahme von Verbindungssteifigkeit und Alterungsbeständigkeit beim Übergang von einer Zink-basierten Beschichtung (Almac) entsprechend dem Stand der Technik auf die neu entwickelte Aluminium-basierte PVD-Beschichtung beobachtet werden.

Untersuchungen der statistischen Verteilung der Schichteigenschaften belegten, dass sich die durch Schichtfehler bestimmte Ausfallquote bereits bis auf Werte im Bereich weniger Prozent senken ließ, nichtsdestotrotz verlangt eine industrielle Umsetzung die weitere Verringerung dieser Kennzahl. Auf der Basis der realisierten Versuchsbedingungen sowie daraus abgeleiteter Designvorschläge für aufskalierte Produktionseinheiten wurden Abschätzungen zu Produktivität und Kosten eines industriellen Einsatzes des PVD-Verfahrens für den Korrosionsschutz von Verbindungselementen durchgeführt und die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens nachgewiesen.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung und Bewertung von PVD-Schichtsystemen auf Verbindungselementen zur Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von Nietverbindungen“ wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ unter der Fördernummer AiF 16249 BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 347 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1. Einleitung und Motivation
2. Einbindung des Teilprojektes in das gesamte Clustervorhaben
3. Favorisierter Projektansatz
4. Durchgeführte Arbeiten und erzielte Ergebnisse
4.1 Arbeitspaket 1: Grundlegende Einflussgrößen
4.2 Arbeitspaket 2: Analyse des Ausgangszustands
4.3 Arbeitspaket 3: Beeinflussung des Korrosionsverhaltens
4.4 Arbeitspaket 4: Beeinflussung des mechanischen Verhaltens
4.5 Arbeitspaket 5: Statistische Bewertung der Schichteigenschaften
4.6 Arbeitspaket 6: Evaluierung in neuen Prüfverfahren
4.7 Arbeitspaket 7: Umsetzbarkeit gefundener Lösungen
5. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Nutzbarkeit der Ergebnisse, insbesondere für KMU
6. Literaturverzeichnis