Ziel der Arbeit war das mögliche Einsatzspektrum von Sekundärmaterialien im Prozess der Herstellung von Bauteilen aus Aluminiummehrstoffbronzen (CuAl15Fe5Ni2Mn2) zu erweitern, um das Werkstoffrecycling in der Gießerei auf höchstmöglichem Niveau einzusetzen. Verschiedene Raffinationsmöglichkeiten wurden analysiert und 4 davon getestet. Die Schleifstaubaufbereitung mittels Magnetbandringscheider und Permanent- Magnettrommelscheider wurde erprobt und im industriellen Maßstab getestet. Weiterhin wurde die Gasraffinationswirkung auf die Schmelze mit Stickstoff und Argon sowie mit der Zugabe von Chlor und Ammoniak getestet. Die Salzraffination der Schmelze wurde untersucht und die optimalen Raffinationszusammensetzungen wurden definiert. Die fraktionierte Kristallisation als Raffinationsmethode für die Aluminiummehrstoffbronze wurde ebenfalls untersucht. Im Anschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten der Raffinationstechnologien in der Giessereiindustrie kritisch bewertet.

Ziel der Arbeit war das mögliche Einsatzspektrum von Sekundärmaterialien im Prozess der Herstellung von Bauteilen aus Aluminiummehrstoffbronzen (CuAl15Fe5Ni2Mn2) zu erweitern, um das Werkstoffrecycling in der Gießerei auf höchstmöglichem Niveau einzusetzen. Verschiedene Raffinationsmöglichkeiten wurden analysiert und 4 davon getestet. Die Schleifstaubaufbereitung mittels Magnetbandringscheider und Permanent- Magnettrommelscheider wurde erprobt und im industriellen Maßstab getestet. Weiterhin wurde die Gasraffinationswirkung auf die Schmelze mit Stickstoff und Argon sowie mit der Zugabe von Chlor und Ammoniak getestet. Die Salzraffination der Schmelze wurde untersucht und die optimalen Raffinationszusammensetzungen wurden definiert. Die fraktionierte Kristallisation als Raffinationsmethode für die Aluminiummehrstoffbronze wurde ebenfalls untersucht. Im Anschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten der Raffinationstechnologien in der Giessereiindustrie kritisch bewertet.:Inhaltsverzeichnis: 1. EINLEITUNG ---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2. AUFGABENSTELLUNG -------------------------------------------------------------------------------- 8 3. LITERATURAUSWERTUNG------------------------------------------------------------------------- 10 3.1 EINTEILUNG UND EIGENSCHAFTEN VON ALUMINIUMBRONZEN -------------------------------- 10 3.1.1 Phasen komplexer Aluminiumbronzen -------------------------------------------------- 11 3.1.2 Physikalische Eigenschaften von Aluminiumbronzen ------------------------------- 13 3.2 RAFFINATION VON ALUMINIUMBRONZE ------------------------------------------------------------ 14 3.2.1 Schrottnormen und Schrottklassifizierung ---------------------------------------------- 14 3.2.2 Möglichkeiten der Aluminiumbronzeraffination ---------------------------------------- 18 3.2.3 Grenzen der Einsetzbarkeit der Aluminiumraffinationstechnologien für Aluminiumbronze --------------------------------------------------------------------------------- 19 4. PRÄZISIERUNG DER AUFGABENSTELLUNG ------------------------------------------------ 23 5. UNTERSUCHUNGEN ZUR SCHLEIFSTAUBAUFBEREITUNG --------------------------- 24 5.1 PHYSIKALISCH–CHEMISCHE CHARAKTERISTIK VON SCHLEIFSTAUB -------------------------- 24 5.1.1 Korngrössenbestimmung ------------------------------------------------------------------- 25 5.1.2 Chemische Analyse vom Schleifstaub -------------------------------------------------- 25 5.2 BESTIMMUNG DES ZIRKONIUMGEHALTES IM SCHLEIFSTAUB ----------------------------------- 27 5.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR REINIGUNG VOM SCHLEIFSTAUB ------------------------------------- 27 5.4 REINIGUNG MIT EINEM TROMMELSCHEIDER ------------------------------------------------------ 32 5.4.1 Reinigung von Grobschleifstaub (Probe 1)--------------------------------------------- 34 5.4.2 Reinigung von gekauftem Schleifstaub (Probe 3) ------------------------------------ 35 5.4.3 Reinigung von Feinschleifstaub (Probe 2) --------------------------------------------- 36 6. UNTERSUCHUNGEN ZUR CHEMISCH-METALLURGISCHEN RAFFINATION VON ALUMINIUMBRONZEN ----------------------------------------------------------------------------------- 38 6.1 GASRAFFINATION ------------------------------------------------------------------------------------- 39 6.1.1 Vorbereitung und Versuchsdurchführung ---------------------------------------------- 39 6.1.2 Raffination mit Stickstoff -------------------------------------------------------------------- 41 Untersuchungen zum Recycling von Aluminiumbronze in der metallverarbeitenden Industrie 6.1.3 Raffination mit Argon ------------------------------------------------------------------------- 46 6.1.4 Raffination mit Stickstoff / Ammoniak und Argon / Ammoniak -------------------- 48 6.1.5 Untersuchungen zum Verhalten von Silicium bei der Gasraffination------------ 59 6.2 INTERMETALLISCHE FÄLLUNG ----------------------------------------------------------------------- 60 6.3 SALZRAFFINATION ------------------------------------------------------------------------------------ 64 6.3.1 Schmelzpunktbestimmung von Raffinationssalzgemischen ----------------------- 67 6.3.2 Raffination mit Schmelzsalzen ------------------------------------------------------------ 68 6.3.3 Schmelzversuche mit einzelnen Salzkomponenten --------------------------------- 74 6.3.3.1 Silicium- und Aluminiumgehalt in der Legierung vor und nach der Raffination mit Einzelkomponenten -------------------------------------------------------------- 75 6.3.3.2 Natrium- und Calciumkonzentration in der Legierung vor und nach der Salzraffination ----------------------------------------------------------------------------- 77 6.3.3.3 Einfluss des Fluoridgehaltes im Salz auf die Schmelze -------------------------- 78 6.3.3.4. Charakterisierung der eingesetzten Salzmischungen --------------------------- 80 6.3.3.5 Verwendung von K3AlF6 als Hauptkomponente neuer Salze ------------------- 81 6.3.3.6 Untersuchungen mit neu entwickelten Raffinationssalzen ---------------------- 82 7. FEHLERBETRACHTUNG BEI DER VERSUCHSDURCHFÜHRUNG ------------------- 86 8. BEWERTUNG DER ERGEBNISSE UND DISKUSSION ------------------------------------- 88 9. LITERATURVERZEICHNIS -------------------------------------------------------------------------- 92

Das Ziel dieser Arbeit ist die ganzheitliche Erfassung der Haftmechanismen zwischen Metallbeschichtungen (Kupfer, Aluminium) und Polymersubstraten (Polyetheretherketon) funktionalisiert durch Draht-Lichtbogenspritzen. Hierzu werden die Vorbehandlung sowie der Applikationsprozess erforscht. An den hergestellten Fügeverbindungen erfolgen unterschiedliche mechanische Versuche zur Ermittlung der Hafteigenschaften und der Auswirkungen des Beschichtungsvorgangs auf die Substrate. Zur Analyse des Interfaces kommen mikroskopische (REM, TEM, HR-TEM), spektroskopische (EDX) und diffraktometrische (SAED, XRD) Verfahren zum Einsatz. Anhand der Ergebnisse erfolgt die Durchdringung des Anbindungsprozesses. Die thermisch und mechanisch bedingten Einflüsse auf das Substrat sowie dessen Eigenschaftsprofil sind in ihrer geometrischen Ausdehnung (mikroskopisch) begrenzt. Die Bestätigung für die mechanische Verklammerung wird erbracht. Durch eine HR-TEM-Untersuchung des Interfaces erfolgt der Nachweis von Oxiden und Hydroxiden. Diese stellen die Voraussetzung für physikalisch und chemisch bedingte Haftmechanismen dar.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156 / The aim of this work is the holistic detection of the adhesion mechanisms between metal coatings (copper, aluminum) and polymer substrates (polyetheretherketone) functionalized by wire arc spraying. For this purpose, the pretreatment and the application process are researched. Different mechanical tests are carried out on the manufactured joints to determine the adhesive properties and the effects of the coating process on the substrates. For the analysis of the interface, microscopic (SEM, TEM, HR-TEM), spectroscopic (EDX) and diffractometric (SAED, XRD) methods are used. Based on the results, the investigation of the connection process is carried out. The ther-mally and mechanically conditioned influences on the substrate as well as its property profile are limited in their geometrical extent (microscopically). The confirmation for the mechanical clamping is provided. An HR-TEM examination of the interface reveals the presence of oxides and hydroxides. These are the requirements for physically and chemically induced adhesive mechanisms.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156