Es wird untersucht, ob in Schneckenextrudern verwendete Förderelemente aus Stahl durch das Oberflächenfeinwalzen der schraubförmigen Mantelfläche gleichzeitig geglättet und verfestigt werden können. Steigungsprofile, zu denen auch die Förderelemente zählen, werden bislang oft nach der Hauptformgebung wärmebehandelt und im harten Werkstoffzustand spanend feinbearbeitet. Formgebung, Wärmebehandlung und Feinbearbeitung sind voneinander getrennte Prozessschritte. In dieser Arbeit besteht das Ziel, die Verfahrenseingangsgrößen für die Kombination aus Formgebung und definierter lokaler Werkstoffverfestigung beim Walzen zu erarbeiten. Zu diesem Zweck werden sowohl am Steigungsprofil selbst als auch an einem davon abgeleiteten Rotationsprofil simulative, experimentelle sowie analytische Untersuchungen durchgeführt. Es werden geometrische, kinematische und werkstofftechnische Gesichtspunkte beleuchtet. Aufbauend auf dem Vergleich zwischen Simulationsergebnissen mit der Finite-Elemente-Methode und im Versuch ermittelten Daten werden Haupteinflussfaktoren auf die geometrischen Abweichungen sowie die Härtesteigerung in der Bauteilrandschicht ermittelt. Mit Hilfe eines neu entwickelten sensorischen Werkstückträgers wird die Drehbewegung des Werkstücks erfasst. Aus den analytischen Betrachtungen wird schließlich ein Modell zur qualitativen Beschreibung des Walzkraftverlaufs abgeleitet, das zur Vorauswahl von Verfahrenseingangsgrößen genutzt werden kann. Im Ergebnis wiederholter Messungen wird deutlich, dass mit der geometrischen Gestaltung einer Walzvorform gezielt Einfluss auf Umformgrad und damit Verfestigung im Bauteil genommen werden kann. An den untersuchten hochfesten korrosionsbeständigen austenitischen Stählen ist eine Verdopplung der Halbzeughärte möglich. Die beim Spanen der Vorformen auftretenden Formabweichungen haben großen Einfluss auf die Beschaffenheit der Zielgeometrie sowie die erzielbare Härtesteigerung. Durch Kenntnis der realen Werkstückdrehbewegung während des Walzens lassen sich Rückschlüsse auf die Werkzeuggestaltung und die Walzparameter ziehen. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wird das Verfahren für die Anwendung an korrosionsbeständigen Bauteilen mit mittleren Verschleißschutzanforderungen empfohlen.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielstellung der Arbeit 4 Beschaffenheit der Werkstücke und Werkzeuge 5 Modellbildung mit Hilfe der FEM 6 Versuchsvorbereitung und Eingangsgrößen 7 Vergleich der Verfahrenskenngrößen in Simulation und Experiment 8 Analytisches Modell zur qualitativen Vorhersage der Walzkraft 9 Bauteileigenschaften nach dem Walzen 10 Zusammenfassung und Ausblick / A combined surface burnishing and mechanical hardening process for steel conveying elements in screw extruders is examined. Helical profiles, that also comprise conveying elements, are often heat treated after shaping followed by fine processing. Shaping, heat treatment and fine processing are sequential process steps. This work deals with the investigation of rolling process parameters that enable both low geometrical deviations and high work hardening of the screw material. For this purpose, helical and axisymmetric profiles are analyzed with simulative, experimental and analytical methods. The investigations highlight geometrical, kinematical and material-related aspects. The main factors with influence on screw geometry and hardness increase in the component subsurface are investigated by means of the comparison between simulative and experimental results. An intelligent workpiece carrier is applied to analyze the part rotation. Based upon analytical observations, a calculation model for the prediction of the rolling force curve over workpiece rotation is developed. This model supports predefining the process input variables. Repeated measurements indicate that the geometrical design of the machined preforms allows for individual strain and hence hardness distributions in the part subsurface. Hardness can be doubled in the investigated corrosion resistant austenitic high strength steels. Form deviations of the part and hardness increase are strongly dependent on geometrical deviations of the preform. Knowledge of part rotation during rolling enables to draw conclusions for tool design and rolling parameters. Based on the results it is suggested to apply the rolling procedure to parts in environments which require high corrosion resistance and moderate wear resistance.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielstellung der Arbeit 4 Beschaffenheit der Werkstücke und Werkzeuge 5 Modellbildung mit Hilfe der FEM 6 Versuchsvorbereitung und Eingangsgrößen 7 Vergleich der Verfahrenskenngrößen in Simulation und Experiment 8 Analytisches Modell zur qualitativen Vorhersage der Walzkraft 9 Bauteileigenschaften nach dem Walzen 10 Zusammenfassung und Ausblick

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

Stainless steel bipolar plates are a possible replacement for graphite and composite bipolar plates in fuel cells. However, due to a native oxide layer they exhibit a high interfacial contact resistance (ICR) which lowers the performance. Conductive coatings like gold are a possible solution because they can reduce the contact resistance of metallic bipolar plates. We investigate the pulsed cathodic arc technique for deposition of carbon-based thin films on austenitic stainless steel 316L as cost-efficient alternative. Different types of coatings were prepared by varying the layer structure and processing parameters. Potentiodynamic polarization tests and ICR measurements were conducted to evaluate the performance of the films as conductive and corrosion resistant coatings. It was found that the corrosion resistance of coated austenitic steel samples is improved by both coatings and that measured ICR-values are well below the DOE 2020 target of 10 mΩ/cm2.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auswirkung der induktiven Erwärmung beim Austenitisieren eines walzprofilierten Erzeugnisses vor dem Abschrecken auf seine mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur. Zur Beschreibung der Entwicklung von mechanischen Eigenschaften werden verschiedene empirische, semi-empirische sowie auf den experimentell ermittelten Kennwerten basierte physikalische Werkstoffmodelle herangezogen. Der Einfluss der schnellen induktiven Erwärmung auf die Gefüge¬entwicklung und die Einleitung der Entfestigungsprozesse wird dargelegt. Deren Auswirkung auf erzeugten Eigenspannungen wird simulativ abgebildet. Anhand der erzielten Ergebnisse wird eine Empfehlung zur Auslegung des Prozessfensters gegeben.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick / The present work focuses on the effect of inductive heating during austenitizing of a roll formed product before quenching on its mechanical properties and microstructure. To describe the development of mechanical properties various empirical, semi-empirical and physical material models based on the experimentally determined characteristic values are used. The influence of rapid inductive heating on the microstructure development and the initiation of softening processes is described. Their effect on generated residual stresses is simulated. Based on the obtained results, a recommendation for the design of the process window is given.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 4 Versuchseinrichtungen und eingesetzte Methoden 5 Ergebnisse 6 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.