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EFB-Forschungsbericht Nr. 349

Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren für die Verwendung in kombinierten Ermüdungsalgorithmen

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Verfasser:
Dr. Andreas Schütz, Dr. Jörg Gehrke, Institut für Korrosionsschutz GmbH, Dresden

146 Seiten (sw 102, teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-387-5

Preis (Digital) EUR 64,00

Preis (Print) EUR 72,00

Zusammenfassung

Die Ergebnisse des hier vorgestellten Teilprojektes waren in ein so genanntes Clusterprojekt eingebunden, wo drei anwendungsnahe AiF-Forschungsprojekte mit zwei DFG-Grundlagenprojekten verknüpft waren. Als Neuheit war die Eignung einer kombinierten mechanisch-medialen Ermüdung für Nietverbindungen zu überprüfen, so wie eine Belastung von frei bewitterten Bauteilen in der Praxis auftritt. Zudem waren in einem weiteren Teilprojekt neue Nietbeschichtungen im Schüttgutverfahren auf Basis von PVD zu entwickeln.

In diesem Teilprojekt wurde zunächst damit begonnen, Standardnietelemente mit entsprechenden metallischen Überzügen hinsichtlich ihres Korrosionsschutzes zu untersuchen. Auf Halbhohlstanznietelementen entspricht der mechanisch aufgetrommelte Zinn-Zink-Überzug (Almac) und auf Blindnietelementen entspricht der galvanisch hergestellte Zink-Nickel-Überzug dem Stand der Technik. Beiden Überzügen kann ein guter Korrosionsschutz auf Nietelementen bescheinigt werden.

Oben genannte Nietelemente wurden in Mischverbindungen aus CFK-Aluminium (Halbhohlstanznietelemente) bzw. Stahl-Aluminium (Blindnietelemente) ohne zusätzliche Kleb- und Dichtstoff verbaut, da in diesem Projekt die Korrosionsmechanismen untersucht werden sollten. Als Vergleichsbasis zur VDA 621-415-Belastung wurden im ersten Projektbearbeitungsjahr forcierte Freibewitterungsversuche über eine Belastungsdauer von einem Jahr in Anlehnung an VDA 621-414 gestartet. Nach Auswertung der Freibewitterungsversuche hat sich gezeigt, dass die Kontaktflächen, unabhängig ob eine mechanische Ermüdung überlagert wurde oder nicht, vollständig korrodiert waren. Demnach war Elektrolytzutritt in den Spalt vollständig gewährleistet. Im Vergleich der Freibewitterung zur Laborbelastung kann nach visueller Auswertung festgestellt werden, dass bei den CFK-Aluminium-Halbhohlstanznietverbindungen ein Jahr forcierte Freibewitterung hinreichend 6 Zyklen VDA 621-415 entspricht.

Die im Versuchsprogramm berücksichtigte kombinierte mechanisch-mediale Ermüdung ergab im Vergleich zur herkömmlichen seriellen Belastung an beiden Nietverbindungsarten abweichende Korrosionserscheinungen. Es kann festgestellt werden, dass durch Kombination von Mechanik und Medium der Elektrolytzutritt in den Spalt forciert wird. Daraus resultierend wurden innerhalb der CFK-Aluminium-Nietverbindungen verstärkte Lochkorrosion am Aluminiumhalbzeug sowie auch verstärkte Degradation der Schichtsysteme auf den Nietelementen gefunden. Bei den Blindnietverbindungen zeigten lediglich die Stahl-Aluminium-Kontaktflächen nach kombinierter Belastung Rotrost auf dem Stahl.

Im Rahmen der Versuche konnte der Nachweis erbracht werden, dass neue Schichtsysteme auf Basis von Galvano-Alumnium und PVD für den Einsatz in Nietverbindungen geeignet sind. Es ist aber Optimierungsbedarf hinsichtlich wirksamer Passivierungen erforderlich, weil sich die Schichten in den meisten Fällen forciert aufgelöst haben.

Die Ergebnisse der elektrochemischen Rauschuntersuchungen harmonieren sowohl mit den visuell vorgefundenen Korrosionserscheinungen als auch mit den analytischen Untersuchungen der Projektpartner. Die CFK-Alumnium-Halbhohlstanznietverbindungen zeigten sich durch intensivere Rauschsignale deutlich dynamischer als die Stahl-Aluminium-Blindnietverbindungen. Die elektrochemische Rauschmessung ist eine Methode, um die Korrosionsstabilität von Nietverbindungen nach sehr kurzer Messzeit zu beurteilen.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Es wird aber weiterer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet gesehen.

Das IGF-Vorhaben „Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren für die Verwendung in kombinierten Ermüdungsalgorithmen“ wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ unter der Fördernummer AiF 16251 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. 349 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Einbindung des Teilprojektes in das gesamte Clusterprojekt
3 Untersuchte Nietverbindungen
4 Versuchsmatrix
5 Balkenplan und Arbeitspakete des Teilprojektes
6 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien
6.1 Verwendete Halbzeuge
6.2 Korrosionsbeständigkeit der Standardnietelemente
6.3 Korrosionsbeständigkeit alternativer und neuer Nietbeschichtungen
6.3.1 Galvano Aluminium
6.3.2 PVD-Schichtsystem
7 Freibewitterungsversuche nach VDA 621-414
8 Belastung und Prüfung nach Standardprüfverfahren
9 Simulationsregime für kombinierte mechanisch/mediale Ermüdung
10 Analyse und Dokumentation der Korrosionsvorgänge
10.1 Visuelle Beurteilung von Nietverbindungen
10.1.1 Nach einjähriger Freibewitterung gemäß VDA 621-414
10.1.2 Nach Laborbelastung gemäß VDA 621-415
10.2 Präparationsmethodik für Metallografie
10.3 Beurteilung metallografischer Querschliffe
10.4 Analytische Untersuchungen von belastungsbedingten Veränderungen an Nietverbindungen
11 Variation der Versuchsbedingungen (Simulationsregime)
12 Bewerten der Schichtsysteme
13 Abgleich mit elektrochemischen Rauschmessungen
14 Relevanz der Ergebnisse für KMU
15 Zusammenfassung
16 Quellenverzeichnis
17 Anlagen
Anlage 1: Versuchsmatrix
Anlage 2: Tabelle Einzelproben
Anlage 3: Bilder Metallografie
Anlage 4 Ergebnisse Rauschmessungen