Compositwerkstoffe mit Hartstoffverstärkung für das thermische Spritzen finden eine breite Anwendung als Beschichtungswerkstoffe, da sie einen sehr guten Verschleißschutz bieten. Die bislang zur Verfügung stehenden konventionellen karbidhaltigen Pulver für die Herstellung verschleißfester Schichten enthalten zum Teil höhere Mengen an Elementen, die sowohl als kostenintensiv als auch bedenklich im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit (z.B. Ni, Cr und Co) einzustufen sind. Die Untersuchungen wurden im Rahmen der Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Verbundwerkstoffe der TU Chemnitz mit dem Belorussischen Institut für Pulvermetallurgie Minsk durchgeführt. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung neuartiger SHS-Verbundwerkstoffe auf der Basis von Eisen-Titankarbid, die als preiswerte und umweltfreundliche Spritzpulver zum thermischen Spritzen von verschleißbeständigen Schichten eingesetzt werden können. Als metallische Bindephasen für die Herstellung der Verbundpulver wurden kostengünstiges Eisen und unterschiedliche Eisenlegierungen verwendet. Es werden die Gesetzmäßigkeiten des Werkstoffverhaltens während der SH-Synthese, bei der spritztechnischen Verarbeitung durch die APS-, VPS- und HVOF sowohl bei der Schichtbildung als auch während der verschiedenen Verschleißuntersuchungen vorgestellt, die durch umfassende metallkundliche Betrachtungen begleitet werden. Die Ergebnisse aus den Verschleißuntersuchungen der synthetisierten TiC-haltigen Spritzschichten sowie der Spritzschichten aus den herkömmlichen Pulvern werden verglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen Voraussetzungen für vielfältige Anwendungen von SHS-Verbundwerkstoffen des Fe/TiC-Systems für das thermische Spritzen hochverschleißfester Schichten.

Die hohe thermische Belastung des Lichtbogens während des Schaltvorganges bewirkt ein Aufschmelzen des Kontaktwerkstoffes. Für einen kurzen Augenblick schwimmen Metalloxidpartikel in einem Bereich geschmolzenen Silbers. Dies hat eine Gefügeumordnung zur Folge, welche die Eigenschaften des Kontaktes beeinflussen. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen Beitrag zur Erweiterung des Verständnisses von Ag/SnO2-Werkstoffen zu leisten, um die Entwicklung neuer und optimierter Kontaktwerkstoffe voranzutreiben und nachhaltig den Einsatz von Umweltressourcen wie Werkstoffe (Edelmetallgehalt) und Energie zu verringern. Dabei nimmt die Gefügecharakterisierung von ungeschalteten und geschalteten Ag/SnO2-Kontaktwerkstoffen einen wichtigen Stellenwert ein. Die Ausbildung der Kontaktoberfläche und die Ausprägung der Gefügeumordnung (sog. Schaltgefüge) werden in Abhängigkeit der Schaltversuchsart, der Werkstoffzusammensetzung und der Herstellroute der Kontaktwerkstoffe charakterisiert. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Untersuchung der Kontaktoberfläche und metallographischer Schliffe (Ionenstrahl poliert) von mehrfach geschalteten Kontakten (≥ 1000 Schaltungen) mittels FE-REM, um anschließend Zusammenhänge zwischen dem Ausgangsgefüge, dem Schaltgefüge und den Schalteigenschaften zu ermitteln. Dazu wird unter anderem die Wirkung der oxidischen Zusätze durch Benetzungsversuche von Ag auf Metalloxidsubstraten experimentell bestimmt. Des Weiteren wird die Schädigung des Werkstoffes durch die reine Lichtbogenbelastung mittels Laufschienenversuchen untersucht, wodurch das Laufverhalten des Lichtbogens und die Bildung der Anoden- und Kathodenkrater in Abhängigkeit des Werkstoffes untersucht werden kann. / During the switching process the contact material is melting. For a short time (about 10 ms) metal oxide particles will be swimming in liquid silver resulting in structural changes which will effect the properties of the contact materials. The goal of this investigation is to contribute to an improvement of knowledge about Ag/SnO2 contact materials in order to promote the development of new and improved contact materials to strongly reduce the stake of environmental resources like materials (precious metal content) and energy. The microstructure characterization of unswitched and switched Ag/SnO2-materials is the significant part of this study. The formation of the contact surface and the structural changes are investigated depending on several switching experiments, material composition and manufacturing process. An essential part of this work is to analyze the contact surface and the changes of the microstructure of multi-switched contacts (number of switches ≥ 1000) by FE-SEM. In order to identify relations between the bulk microstructure, the charged microstructure and switching behaviour. Furthermore, the effects of the oxide additives are investigated by wetting experiments of Ag on the metal oxide substrate. The erosion of the contact material is reviewed by using a running rails experiment with pure arc loading. Thereby it is possible to research the running arc behaviour and the formation of the anode and cathode craters depending on the contact material.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Hochfeste kupferhaltige Aluminiumlegierungen gelten gemeinhin als „schwer“ anodisierbar, deshalb werden in der vorliegenden Arbeit werkstoffseitige und prozessseitige Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtqualität erforscht. Zur eindeutigen Abgrenzung des Einflusses der Cu-Verteilung vom Einfluss anderer Legierungselemente und Verunreinigungen wurde für die Anodisierexperimente zusätzlich zur kommerziellen Legierung EN AW-2024 die hochreine Modelllegierung AlCu4 als Untersuchungswerkstoff gewählt. Insbesondere für die Modelllegierung AlCu4 konnte erstmals eine systematische Veränderung des Schichtbildungsmechanismus beschrieben werden. Mit zunehmender Ausscheidungsbildung nimmt das Ausmaß der Sauerstoffentwicklung ab, woraus erhöhte Schichtdicken und -härten folgen. Die nach Anodisieren der warmausgelagerten Zustände erhaltenen Schichtmikrostrukturen wurden erstmals im Rahmen dieser Arbeit mittels Rasterelektronenmikroskopie beschrieben. Aufgrund reduzierter Schichtrücklösung sind auch auf der Legierung EN AW-2024 im warmaus-gelagerten und überalterten Zustand höhere Schichtdicken und -härten für eine Elektrolyttemperatur von 20 °C erzielbar. Bei einer Elektrolyttemperatur von 5 °C können die Schichtdicke und -härte vor allem durch Zugabe von Additiven zum schwefelsauren Grundelektrolyt gesteigert werden. Im Unterschied zu konventionellen organischen Additiven resultiert die Zugabe von Salpetersäure darüber hinaus in einer Absenkung der Anodisierspannung zu Prozessbeginn und damit in einer Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie. Mit steigender Additivkonzentration nimmt jedoch die Ritzbeständigkeit der Schichten infolge erhöhter Mikrorissigkeit ab. Es ist folglich ein Optimum aus Schichthärte und Mikrorissigkeit zu finden. / High-strength aluminum-copper alloys are generally recognized to be “hardly” anodizable. Hence, the influences of material and process parameters were investigated within this work in order to improve the coating properties. Apart from the commercial alloy EN AW-2024, the high purity model alloy AlCu4 was used for the anodizing experiments in order to distinguish between the influence of the copper distribution and the influence of other alloying elements and impurities. Regarding the model alloy AlCu4, a systematic change of the coating growth mechanism was described for the first time. The extent of oxygen evolution decreases with the intensification of the precipitation leading to increased coating thickness and hardness. In this work, the coating microstructures, resulting from the anodic oxidation of the artificially aged conditions, were described by scanning electron microscopy, for the first time. Due to reduced chemical dissolution of the coatings, higher coating thickness and hardness can also be achieved after room-temperature anodizing of the alloy EN AW-2024 in the artificially aged conditions. For hard-anodizing at an electrolyte temperature of 5 °C, the coating thickness and hardness can be particularly improved by using additives in combination with the sulfuric acid base electrolyte. Beyond that and in contrast to the effect of conventional organic additives, the addition of nitric acid enables the reduction of the anodizing voltage at the beginning of the process and therefore, the reduction of the required electrical energy. However, the scratch resistance of the coatings decreases with increasing additive concentration due to the occurrence of micro crack networks. Consequently, the coating hardness and the amount of microcracks have to be optimized in order to meet concrete application requirements.

The effective behavior of composite materials is of great interest in materials science. The properties of such a material at the macroscale can be directly coupled to the properties of the material at the microscale. The random distribution of microscopic phases can be simulated using models of stochastic geometry. Random, two-dimensional, two-phase microstructures were constructed by stochastic simulation using the planar Boolean model. An extensive study was conducted to relate the effective hyperelastic material behavior to the stochastic parameters of the Boolean model and the physical parameters of the microstructure. Well-known approaches to determine the size of the representative volume element were adapted for this context and their results were compared.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein prozessübergreifendes Simulationsmodell für die Temperatur- und Gefügeentwicklung im Band und Coil beim reversierenden Warmwalzen entwickelt. In der Software werden die erstmals aufgestellten Modelle der Bandab- und aufwicklung implementiert. Die Temperatur- und Gefügeveränderungen im gewalzten Warmband werden lokal und prozessübergreifend betrachtet. Die für das gesamte Modell notwendigen Koeffizienten zur Beschreibung der Wärmeübertragung wurden mittels der inversen Methode bestimmt. Die Bestimmung der radialen Wärmeübertragung im Coil erfolgte mit Hilfe von Laboruntersuchungen in Abhängigkeit von der Temperatur, der Banddicke und des radialen Druckes. Die Validierung des Modells für die Temperatur- und Gefügeentwicklung erfolgte am Beispiel des reversierenden Warmwalzens der Magnesiumlegierung AZ31. Zu diesem Zweck wurden Versuche zu Temperaturmessungen in den einzelnen Phasen der Prozesskette durchgeführt. Die Ermittlung der Einflüsse der Umformbedingungen auf die Temperatur- und Gefügeentwicklung während des reversierenden Warmbandwalzens erfolgte abschließend mit Hilfe des entwickelten Modells. Die Ergebnisse zeigen auf, wie sich die Walzbedingungen auf die Entwicklung der Temperatur und des Gefüges auswirken.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Keimbildung 2.2 Unterkühlung 2.3 Erstarrungsmorphologie 2.4 Gießfehler 2.5 Erkenntnisstand und Defekte 3 Aufgabenstellung und ihre Präzisierung 4 Kleintechnische Versuche zur Herstellung dünnwandiger Stahlgussteile 4.1 Genutzte Anlagen und Untersuchungsmethoden 4.2 Auswahl der Versuchslegierungen 4.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 4.3.1 Duplexstahl 4.3.2 Ferritisch-bainitischer TRIP-Stahl 4.3.3 Bainitischer luftvergüteter Stahl 5 Modellierung des Erstarrungsprozesses 5.1 Simulationsmethoden 5.2 Formfüllsimulation 5.3 Erstarrungssimulation 5.4 Bewertung der Simulationsergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8 Tabellen 9 Bilder Anhang

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Aspekte auf die Infrastrukturentwicklung im Abwasserbereich und insbesondere die Verbreitung alternativer Technologien auf Haushaltsebene Einfluss nehmen. Dabei werden technische, ökologische, ökonomische und soziale Wechselwirkungen zwischen der dezentralen und der zentralen Entsorgung berücksichtigt. Der Fokus liegt dabei auf dem ländlichen Raum der neuen Bundesländer. Es wird ein Simulationsmodell entwickelt, das das Verständnis über die Relevanz von Unsicherheiten in der Abwasserbeseitigung verbessern und eine Bewertung möglicher Maßnahmen hinsichtlich der Wirkung auf Gewässerschutz und Wirtschaftlichkeit erlauben soll. Zu diesem Zweck werden verschiedene Szenarien analysiert. Es zeigt sich zum einen, dass eine Verringerung der Ablauffrachten aus dezentralen Anlagen durch eine Reihe von Maßnahmen möglich ist, die in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen (Einsparpotenziale, Eigenkapitalausstattung, Umweltbewusstsein etc.) unterschiedlich wirken und daher auch situationsabhängig einzusetzen sind. Dazu gehören etwa die Entwicklung von Förderinstrumenten und Finanzierungsmodellen, ökologische Kampagnen, die Bekanntmachung von Investitionstätigkeiten, die frühzeitige Information über rechtliche Veränderungen und der gezielte Einsatz von Sanierungsanordnungen. Zum anderen können bei der zentralen Entsorgung gerade im ländlichen Raum Auslastungs- und Finanzierungsprobleme entstehen, die den weiteren Ausbau der zentralen Infrastruktur gefährden. Die Szenarien zeigen, dass daher bei der Infrastrukturplanung Unsicherheiten der Bevölkerungsentwicklung und insbesondere des spezifischen Abwasseranfalls berücksichtigt werden müssen. Eine zentrale Entsorgung ist im ländlichen Raum zu sozialverträglichen Gebühren nur unter erheblichem Fördermitteleinsatz möglich. Wichtigste Maßnahme zur Abschwächung der positiven Rückkopplung aus steigenden Gebühren und sinkendem Abwasseranfall ist die Erhebung von Grundgebühren.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden. Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS). Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden. Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen. Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden. In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird. Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.