Die Mechanische Fügetechnik hat durch den Trend der Mischbauweise sowie schlecht schweißgeeigneter Werkstoffe in den letzten Jahren einen erhöhten Stellenwert erlangt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung dieser Verfahrensgruppe stark vorangetrieben. Neben den bekannten Verfahren Blindnieten, Fließformschrauben oder Bördeln wird auch das Durchsetzfügen, welches als Clinchen bekannt ist, in seinen Anwendungsgebieten stetig erweitert. Prozessbedingt ist das Clinchen von schlanken Hohlprofilen nur stark eingeschränkt möglich. Die Verfahrenserweiterung des „Orbitalclinchens“ ermöglicht erstmals, schlanke Hohlprofile mittels Clinchens zu verbinden. In der experimentellen Prozessuntersuchung wurden Mischverbindungen aus Stahl- und Aluminiumrundrohren hergestellt. Weiterhin wurden mit einem nachgelagerten Wärmebehandlungsverfahren Rohrverbindungen aus dem Werkstoff 22MnB5 pressgehärtet. Infolge dessen konnte die Scherzugfestigkeit der Clinchpunkte um bis zu 25 % gesteigert werden.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Entwicklung des „Orbitalclinchens“ 4 Experimentelles 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung & Schlussfolgerungen 7 Literatur

Die Mechanische Fügetechnik hat durch den Trend der Mischbauweise sowie schlecht schweißgeeigneter Werkstoffe in den letzten Jahren einen erhöhten Stellenwert erlangt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung dieser Verfahrensgruppe stark vorangetrieben. Neben den bekannten Verfahren Blindnieten, Fließformschrauben oder Bördeln wird auch das Durchsetzfügen, welches als Clinchen bekannt ist, in seinen Anwendungsgebieten stetig erweitert. Prozessbedingt ist das Clinchen von schlanken Hohlprofilen nur stark eingeschränkt möglich. Die Verfahrenserweiterung des „Orbitalclinchens“ ermöglicht erstmals, schlanke Hohlprofile mittels Clinchens zu verbinden. In der experimentellen Prozessuntersuchung wurden Mischverbindungen aus Stahl- und Aluminiumrundrohren hergestellt. Weiterhin wurden mit einem nachgelagerten Wärmebehandlungsverfahren Rohrverbindungen aus dem Werkstoff 22MnB5 pressgehärtet. Infolge dessen konnte die Scherzugfestigkeit der Clinchpunkte um bis zu 25 % gesteigert werden. / Mechanical joining technology has gained in importance in recent years due to the trend towards mixing methods and materials, that are poorly suitable for welding. For this reason, the further development of this process group is in focus. In addition to the known methods of blind riveting, flow form screws or flanging, clinching is also constantly expanding in its areas of application. Due to the process, the clinching of slim hollow profiles is only possible to a very limited extent. The extension of the 'orbital clinching' process enables for the first time to connect slim hollow profiles by means of clinching. In the experimental process investigation, mixed connections, were made from steel and aluminum round pipes. In addition, pipe connections made of the material 22MnB5 were press-hardened using a subsequent heat treatment process. As a result, the tensile shear strength of the clinch points could be increased by up to 25 %.

Die Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Untersuchung des Einflusses der Prozessgrößen auf die Zielgrößen, Randschichthärtetiefe und die Oberflächenhärte beim Laserhärten. In einem weiteren Kapitel werden die Ergebnisse von verschiedenen Möglichkeiten der laserbasierten Härteverfahren zur Steigerung der Prozessgrenzen dargestellt. Eine Möglichkeit ist das Laserlegieren von kohlenstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen, wie zum Beispiel mit Eisencarbid, Eisenchromcarbid oder Glaskohlenstoff. Dazu sind die Einflussgrößen auf die Einhärtetiefe sowie die Schmelzbaddynamik der jeweiligen Werkstoffe analysiert worden. Auf der Basis der neu erworbenen Kenntnisse ist ein Model zur Schichtdickenberechnung und eine numerische Simulation des Laserlegierprozesses entwickelt worden. Eine andere Möglichkeit die Prozessgrenzen zu erweitern ist, in der Arbeit durch das Laserauftragschweißen beschrieben worden. Dabei sind unterschiedliche Düsen und Beschichtungsstrategien zum Einsatz gekommen. Die letzte in der Arbeit beschriebene Methode zur Steigerung der Prozessgrenzen ist das Gaslegieren. Dabei sind Versuche zum Laserhärten unter Stickstoffatmosphäre sowie zum Lasercarbonitrieren als auch Lasercarburieren gemacht worden. Im letzten Kapitel werden konkrete Anwendungsgebiete zum Laserhärten von Powertrain-Komponenten vorgestellt. Dabei werden unterschiedliche Lösungsansätze zum Laserhärten von Bohrlöchern in Flanschwellen und zum Laserhärten der Hohlkehlen von Kurbelwellen aufgezeigt.

Die Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Untersuchung des Einflusses der Prozessgrößen auf die Zielgrößen, Randschichthärtetiefe und die Oberflächenhärte beim Laserhärten. In einem weiteren Kapitel werden die Ergebnisse von verschiedenen Möglichkeiten der laserbasierten Härteverfahren zur Steigerung der Prozessgrenzen dargestellt. Eine Möglichkeit ist das Laserlegieren von kohlenstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen, wie zum Beispiel mit Eisencarbid, Eisenchromcarbid oder Glaskohlenstoff. Dazu sind die Einflussgrößen auf die Einhärtetiefe sowie die Schmelzbaddynamik der jeweiligen Werkstoffe analysiert worden. Auf der Basis der neu erworbenen Kenntnisse ist ein Model zur Schichtdickenberechnung und eine numerische Simulation des Laserlegierprozesses entwickelt worden. Eine andere Möglichkeit die Prozessgrenzen zu erweitern ist, in der Arbeit durch das Laserauftragschweißen beschrieben worden. Dabei sind unterschiedliche Düsen und Beschichtungsstrategien zum Einsatz gekommen. Die letzte in der Arbeit beschriebene Methode zur Steigerung der Prozessgrenzen ist das Gaslegieren. Dabei sind Versuche zum Laserhärten unter Stickstoffatmosphäre sowie zum Lasercarbonitrieren als auch Lasercarburieren gemacht worden. Im letzten Kapitel werden konkrete Anwendungsgebiete zum Laserhärten von Powertrain-Komponenten vorgestellt. Dabei werden unterschiedliche Lösungsansätze zum Laserhärten von Bohrlöchern in Flanschwellen und zum Laserhärten der Hohlkehlen von Kurbelwellen aufgezeigt.:Einleitung Motivation Stand der Technik Umwandlungskinetik eisenhaltiger Werkstoffe Versuchsaufbau Versuchsauswertung Einfluss der Prozessgrößen auf die Randschichthärtetiefe und die Oberflächenhärte Erweiterung der Prozessgrenzen durch die Anwendung verschiedener Laseroberflächenverfahren Laserhärten von Powertrain-Komponenten Zusammenfassung Anhang

Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

A solution-hardening of AISI 316L stainless-steel powder was conducted. The expansion of the crystal lattice and a strong increase in the nanoindentation hardness confirm the successful diffusion of carbon and nitrogen in the interstices. A multiphase state of the powder feedstock with phase fractions of the metastable S-phase (expanded austenite) mainly at the particle’s edge, and the initial austenitic phase within the core was found. Thermal spraying using high velocity oxy-fuel (HVOF) and atmospheric plasma spraying (APS) prove the sufficient thermal stability of the Sphase. Microstructural investigations of the HVOF coating reveal the ductility of the S-phase layer, while the higher heat load within the APS cause diffusion processes with the initial austenitic phase. The lattice expansion and the nanoindentation hardness decrease during thermal spraying. However, the absence of precipitates ensures the sufficient heat stability of the metastable S-phase. Even though further efforts are required for the thermochemical treatment of powder feedstock, the results confirm the feasibility of the novel powder treatment approach.

Zur Untersuchung der Faser-Matrix-Haftung in Faser-Kunststoff-Verbunden werden neben makromechanischen Methoden wie dem Querzug und der Drei-Punkt-Biegung mikromechanische Methoden an Einzelfaser-Modellverbunden eingesetzt. Zu letzteren Methoden zählen bspw. der Tropfenabscherversuch, der Einzelfaserauszugversuch (engl. single-fibre pull-out test, SFPO) und der Einzelfaserfragmentierungsversuch (engl. single fibre fragmentation test, SFFT). Bei ihrem Einsatz ist zu beachten, dass sich unterschiedliche Einflussgrößen auf ihre Ergebnisse auswirken können. In der vorliegenden Arbeit wird eine ausführliche Literaturübersicht mit einem detaillierten Überblick zu einer größeren Anzahl verschiedener Einflussgrößen durchgeführt. Daraus werden die Einflussgrößen Härtungsdauer, Feuchtigkeit, freie Faserlänge und Abzugsgeschwindigkeit als Untersuchungsgegenstände dieser Arbeit erarbeitet. Wesentliche aus dieser Arbeit resultierende Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind nachstehend zusammengefasst. Härtungsdauer: Bei SFFT-Untersuchungen an Keramikfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern wird ein degressiver Anstieg der Faser-Matrix-Haftung über der Härtungsdauer beobachtet. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass sich die Härtungsdauer beim SFFT und SFPO prinzipbedingt unterschiedlich auswirkt (aufgrund destruktiver bzw. konstruktiver Überlagerungen von Eigenspannungen und Prüfkraft-induzierten Spannungen). Feuchtigkeit: SFPO-Untersuchungen an Kohlenstoffaser/Epoxidharz-Prüfkörpern nach einmonatiger Konditionierung in feuchtem (50 %rF, 23 °C) bzw. trockenem Klima (0 %rF, 23 °C) belegen eine feuchtebedingt verringerte Haftung. Daraus wird geschlussfolgert, dass eine schwankende Luftfeuchtigkeit auch in diesem eingegrenzten klimatischen Spektrum (bspw. in teilklimatisierten Laboren) als wichtiger potentieller Störfaktor zu beachten ist. Prüfparameter: Auf Basis des Hooke’schen Gesetzes kann für den SFPO gezeigt werden, dass die freie Faserlänge die Maximalkraft beeinflusst und die Einflüsse der freien Faserlänge und der Abzugsgeschwindigkeit auf die Maximalkraft in Zusammenhang stehen. Beides wird anhand von SFPO-Untersuchungen an Glasfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern bestätigt. Ferner wird aus den Untersuchungen geschlussfolgert, dass eine Geschwindigkeitserhöhung von 0,01 µm/s auf 0,1 µm/s zur Reduzierung der Versuchsdauer – im vorliegenden Fall von 30 45 min auf 6 8 min – vertretbar ist. Darüber hinaus werden anhand von Fehlerverstärkungsfaktoren differenzierte Aussagen zum Einfluss fehlerhaft bestimmter Eingangsdaten auf die Berechnung der lokalen Grenzflächenscherfestigkeit generiert. / For investigating fibre-matrix adhesion in fibre-polymer composites, macromechanical methods such as transverse tensile and three-point bending tests can be applied as well as micromechanical methods for which single-fibre model composites are used. The latter category of methods includes microbond, single-fibre pull-out (SFPO) and single-fibre fragmentation tests (SFFT). When applying these methods, it needs to be considered that their results can be affected by different influencing factors. In the present thesis, an extensive literature survey with a detailed overview of a larger number of influencing factors is conducted. Based on this overview, the factors curing time, moisture, free fibre length and test speed are acquired as objects of investigation of this thesis. Main results and conclusions of this work are summarised below. Curing time: Results from SFFT investigations on ceramic fibre/epoxy-specimens exhibit a degressive increase of fibre-matrix adhesion with curing time. This indicates that curing time affects SFFT and SFPO results differently due to different underlying principles (based on destructive and, respectively, constructive superposition of internal stresses and load-induced stresses). Moisture: SFPO specimens (carbon fibre/epoxy) are conditioned in humid (50 %rH, 23 °C) and dry climate (0 %rH, 23 °C) for one month prior to testing. The results show lower adhesion due to moisture. It is concluded that uncontrolled humidity, even in this limited climatic spectrum, needs to be considered as an important potential factor of influence (e.g. in partially climatised laboratories). Test parameters: Based on Hooke’s law, it is demonstrated for the SFPO that a) the free fibre length affects the maximum force and b) the effects of the free fibre length and the test speed on the maximum force are interrelated. Both is confirmed with results from SFPO investigations on glass fibre/epoxy-specimens. Furthermore, it is deduced from the above investigations that an increase in test speed from 0.01 µm/s to 0.1 µm/s is legitimate for reducing test duration – in the present case from 30 45 min to 6 8 min. In addition, the effect of erroneously determined input data on the calculation of the local interfacial shear strength is studied using conditions numbers (a measure for the propagation of error). With this, differentiated statements are generated.