Master-/Diplomarbeiten

Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit wurde der Einfluss ausgewählter Materialparameter von Holzlangspänen auf die mechanischen Eigenschaften mit Matrix verpresster Hochleistungs-Holz-Kunststoff-Verbunde (HHKV) untersucht. Im Anschluss einer ausführlichen Literaturrecherche wurden Prüfverfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen ausgewählt. Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden signifikante Prozessparameter identifiziert und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Holzlangspänen abgeschätzt. Mittels der DoE-Methode (Design of Experiments) und unter Berücksichtigung der drei einflussreichsten Prozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften, wurde ein Versuchsplan erstellt. Mit Hilfe eines statistischen Analyseprogramms wurden die Messergebnisse ausgewertet und Berechnungsformeln für mechanische Eigenschaften von Holzlangspänen erarbeitet und verifiziert.

Das Schmieden von Aluminiumbauteilen aus stranggegossenem Barrenzuschnitten wird erst seit wenigen Jahren industriell angewendet. Die Anforderungen, die an dieses gestellt werden, sind deshalb nicht genauer festgelegt. Das Ziel dieser Arbeit war es Spezifikationen für dieses Vormaterial aus einer hochlegierten 6082 Aluminiumlegierung zu erarbeiten. Der Fokus der Grundlagenrecherche lag darauf verschiedene Anforderungen und Voraussetzungen an das Vormaterial zu definieren, sowie Empfehlungen aus der Literatur zusammenzufassen. Der Augenmerk des experimentellen Teils war die Untersuchung verschiedener Homogenisierungstemperaturen, -zeiten und Abschreckraten, sowie die Bestimmung geeigneter Parameterkombinationen für den Schmiedeprozess. Weiteres Ziel dieser Arbeit war es im Sinne einer Eingangsprüfung eine einfache Methode zur Bestimmung des gewünschten Homogenisierungszustandes zu entwickeln. Durch die Literaturrecherche konnten sinnvolle Grenzwerte für den Wasserstoffanteil definiert werden. Auch weitere Einschränkungen zur chemischen Zusammensetzung des Vormaterials konnten getroffen werden. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurde die Einformung der AlFe(Mn)Si-Phasen und die Auflösung der Mg2Si-Mikroseigerungen in Abhängigkeit der Homogenisierungsparameter bei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen bestimmt. Es wurden Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop, sowie am Lichtmikroskop durchgeführt. Außerdem wurden die mechanischen Kennwerte der Probekörper im Zustand T6 ermittelt. Resultat der Versuche war, dass eine Homogenisierungstemperatur von über 510 ˚C und Abschreckraten unter 300 K/h notwendig sind, um die vorhandenen Mg2Si-Mikroseigerungen nach Aufheizung im Anwärmofen aufzulösen. Durch Versuche an geschmiedeten Bauteilen konnte zudem festgestellt werden, dass sich auch nicht homogenisiertes Vormaterial für den Schmiedeprozess eignen könnte. Es zeigte sich, dass nicht homogenisiertes Vormaterial zu keiner erhöhten Rissbildung führt. Grund ist vermutlich die Umwandlung der vorhandenen β-AlFeSi-Phasen in die α-AlFe(Mn)Si-Phasen, die bereits im Anwärmofen erfolgte. Untersucht wurde zudem die Grobkornausbildung, die mechanischen Kennwerte im Zustand T5, sowie das Gefüge an einem stark umgeformten Stelle. In den durchgeführten Versuchen zeigte sich zudem, dass durch die Messung der Härte und der elektrischen Leitfähigkeit, eine Bestimmung des Homogenisierungszustandes möglich ist. Eine Zusammenhang zwischen dem durch das Ultraschallverfahren bestimmten E-Modul bzw. den Schallschwächungskoeffizienten und des Homogenisierungszustandes war nicht feststellbar. Es konnte allerdings die These bestätigt werden, dass durch die UDas Schmieden von Aluminiumbauteilen aus stranggegossenem Barrenzuschnitten wird erst seit wenigen Jahren industriell angewendet. Die Anforderungen, die an dieses gestellt werden, sind deshalb nicht genauer festgelegt. Das Ziel dieser Arbeit war es Spezifikationen für dieses Vormaterial aus einer hochlegierten 6082 Aluminiumlegierung zu erarbeiten. Der Fokus der Grundlagenrecherche lag darauf verschiedene Anforderungen und Voraussetzungen an das Vormaterial zu definieren, sowie Empfehlungen aus der Literatur zusammenzufassen. Der Augenmerk des experimentellen Teils war die Untersuchung verschiedener Homogenisierungstemperaturen, -zeiten und Abschreckraten, sowie die Bestimmung geeigneter Parameterkombinationen für den Schmiedeprozess. Weiteres Ziel dieser Arbeit war es im Sinne einer Eingangsprüfung eine einfache Methode zur Bestimmung des gewünschten Homogenisierungszustandes zu entwickeln. Durch die Literaturrecherche konnten sinnvolle Grenzwerte für den Wasserstoffanteil definiert werden. Auch weitere Einschränkungen zur chemischen Zusammensetzung des Vormaterials konnten getroffen werden. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurde die Einformung der AlFe(Mn)Si-Phasen und die Auflösung der Mg2Si-Mikroseigerungen in Abhängigkeit der Homogenisierungsparameter bei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen bestimmt. Es wurden Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop, sowie am Lichtmikroskop durchgeführt. Außerdem wurden die mechanischen Kennwerte der Probekörper im Zustand T6 ermittelt. Resultat der Versuche war, dass eine Homogenisierungstemperatur von über 510 ˚C und Abschreckraten unter 300 K/h notwendig sind, um die vorhandenen Mg2Si-Mikroseigerungen nach Aufheizung im Anwärmofen aufzulösen. Durch Versuche an geschmiedeten Bauteilen konnte zudem festgestellt werden, dass sich auch nicht homogenisiertes Vormaterial für den Schmiedeprozess eignen könnte. Es zeigte sich, dass nicht homogenisiertes Vormaterial zu keiner erhöhten Rissbildung führt. Grund ist vermutlich die Umwandlung der vorhandenen β-AlFeSi-Phasen in die α-AlFe(Mn)Si-Phasen, die bereits im Anwärmofen erfolgte. Untersucht wurde zudem die Grobkornausbildung, die mechanischen Kennwerte im Zustand T5, sowie das Gefüge an einem stark umgeformten Stelle. In den durchgeführten Versuchen zeigte sich zudem, dass durch die Messung der Härte und der elektrischen Leitfähigkeit, eine Bestimmung des Homogenisierungszustandes möglich ist. Eine Zusammenhang zwischen dem durch das Ultraschallverfahren bestimmten E-Modul bzw. den Schallschwächungskoeffizienten und des Homogenisierungszustandes war nicht feststellbar. Es konnte allerdings die These bestätigt werden, dass durch die Ultraschallmessung eine deutlich genauere E-Modulbestimmung als mit dem Zugversuch möglich ist. Ultraschallmessung eine deutlich genauere E-Modulbestimmung als mit dem Zugversuch möglich ist.

An dem Schaltgefüge eines Silber/Nickel-Kontaktwerkstoffs und an nanoporösen Gold-Nano-partikeln werden zur dreidimensionalen (3D) Gefügerekonstruktion Serienschnitte mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) ausgeführt und rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder aufgenommen. Dabei steht die Entwicklung einer Methodik zur Auswahl und Beurteilung geeigneter Bildaufnahme- und Schnittparameter und zur 3D Rekonstruktion der mittels FIB/REM-Tomographie gewonnenen Daten im Mittelpunkt. Zur Identifikation der in einem lichtbogenbelasteten Ag/\Ni-Kontaktmaterial vorliegenden Phasen werden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) Elementverteilungen über die Messfläche ermittelt. Nach der Bildverarbeitung werden bei der Silber/Nickel-Probe die Ag-Phase und die Poren rekonstruiert. Daraus werden Daten zu den Verteilungen von Größe, Lage und Form der Poren und Ag-Partikel extrahiert. Anhand der erzielten Ergebnisse resultiert ein tiefenabhängig, schichtartig aufgebautes Gefüge aus großen Ni- und NiO-Gebieten mit groben und feinen Poren und überwiegend sphärisch geformten Ag-Partikeln. Ein weiteres Ergebnis sind Schnittansichten parallel zur Kontaktoberfläche, in denen hexagonal geformte Ni/NiO-Körner mit teilweise Ag-gefüllten interkristallinen Rissen zu beobachten sind. Die nanoporösen Au-Nanopartikel sind mittels Entnetzung und Entmischung mit partieller Auflösung (Dealloying) aus einer Au-Ag-Legierung hergestellt worden. Aus ihren 3D Rekonstruktionen werden unter anderem der Volumenanteil des Goldes und die Breite der Goldstege bestimmt. Die ermittelte spezifische Oberfläche des zusammenhängenden Goldnetzwerkes beträgt etwa 12 m 2/g. Bei den vorliegenden Strukturgrößen der Breite der Au-Stege, in der Größenordnung um 10 nm, zeigt sich bei der Bildaufnahme eine Unsicherheit in der Zuordnung der Signaltiefe und eine scheinbare Stauchung der Rekonstruktionen in Schnittrichtung, die auf abweichende tatsächliche Schnittabstände hindeutet. Beide Effekte sind auf die Lage im Grenzbereich des Auflösungsvermögens der FIB/REM-Tomographie zurückzuführen. Als zusammenfassendes Ergebnis kann genannt werden, dass die entwickelte Methodik zur Aufnahme, 3D Rekonstruktion und Auswertung von FIB/REM-Tomographie-Daten, verallgemeinert, sowohl für große als auch kleine Dimensionen anwendbar ist.

In der Galvanotechnik stellt das Schichtsystem Cu / Ni / Cr seit langem den Stand der Technik im Bereich des dekorativen Korrosionsschutzes dar. Damit findet dieses Korrosionsschutzsystem Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern und Branchen. Im Jahr 2007 trat die Europäische Chemikalienverordnung (REACH) in Kraft. Die Verordnung verfolgt das Ziel, die Verwendung von Stoffen, die besonders besorgniserregend für Mensch und Umwelt sind, besser zu erfassen, zu regulieren bzw. diese Stoffe zu substituieren. In diesem Zusammenhang erfolgte im Jahr 2013 die Aufnahme von Chromtrioxid als SVHC-Stoff in den Anhang XIV der REACH-Verordnung. Als SVHC-Stoffe gelten besonders Besorgnis erregende Stoffe, die durch die ECHA (Europäische Chemikalienagentur) ausgewiesen werden. Die Substanzen in Anhang XIV unterliegen einer Verwendungsbeschränkung und müssen für eine Zulassung bzw. beschränkte Verwendung beantragt werden. Dadurch ist die derzeit durchgeführte dekorative Verchromung in Europa bedroht. Diese basiert auf der Abscheidung von Chrom aus Chromelektrolyten, die sechswertige Chromverbindungen enthalten. Diese Elektrolyte stellen durch die erzielten Schicht- und Oberflächeneigenschaften (Korrosionsschutz, Optik etc.) den derzeitigen Stand der Technik dar. Als alternatives Verfahren für die Abscheidung von dekorativen Chromschichten ist die Verchromung aus Chromelektrolyten, die nur dreiwertige Chromverbindungen enthalten, ein vielversprechender Ansatz. Derzeit zeigen die erhaltenen Schichten aus solchen dreiwertigen Elektrolyt-Systemen im Vergleich zu Chromschichten aus sechswertigen Elektrolyten allerdings noch deutliche Unterschiede, insbesondere im Bereich des Korrosionsschutzes und der Optik. Dies stellt insbesondere in Industriezweigen mit komplexen Produkten (z.B. in der Automobilindustrie), die von einer Vielzahl von Zulieferern und Beschichtungsunternehmen bearbeitet werden, für die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der erhaltenen Chromoberflächen innerhalb eines Produktes ein großes Problem dar. In diesem Kontext sollte innerhalb dieser Masterarbeit die Abscheidung von dekorativen Chromschichten aus dreiwertigen, chloridhaltigen Elektrolyten und der Einfluss von Additiven auf die erhaltenen Chromschichten untersucht werden. Dabei werden zum einen die mit verschiedenen Additiven erhaltenen Schichten aus einem solchen Elektrolyten mittels verschiedener Techniken (REM, XRD, Farbmessungen) charakterisiert. Zum anderen wird deren Einfluss auf den Elektrolyten mittels elektrochemischer Untersuchungsmethoden (Cyclovoltametrie und Quarzmikrowaage) untersucht.

Die vorliegende Masterarbeit behandelt die glaskeramische Umwandlung von Kieselgläsern, welche mit bis zu 6 Ma% Aluminiumoxid dotiert worden sind. Ziel war es, die Einflüsse der Glaszusammensetzung sowie der Bedingungen während der Kristallisation auf wichtige Eigenschaften der Glaskeramiken zu untersuchen. Die unterschiedlich dotierten Gläser wurden hinsichtlich einiger Parameter, wie Viskosität, Dichte und thermischer Dehnung untersucht. An den Gläsern geschahen Kristallisationsversuche unter verschiedenen Heiz- und Kühlbedingungen sowie bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Beurteilung der entstehenden keramischen Materialien geschah mit Hilfe von Struktur- und Gefügeuntersuchungen sowie Versuchen zur Temperaturwechselbeständigkeit. Begleitend fanden Messungen der Dichte und der thermischen Dehnung statt. Es konnten grundlegende Merkmale der Kristallisation der dotierten Kieselgläser aufgezeigt werden. Weiterhin wurden Einflüsse der Kristallisationsbedingungen auf die Eigenschaften der entstehenden Keramiken festgestellt. Aus den Ergebnissen konnten Empfehlungen für die Herstellung und Anwendung der Keramiken abgeleitet werden. Bezüglich der Herstellung von chemisch stabilisierten Cristobalit-Keramiken konnte lediglich die Schmelzbarkeit der zugrunde liegenden Gläser gezeigt werden. Offen bleibt, ob eine Unterdrückung der Phasenumwandlung des Cristobalit durch die hier verwendeten Dotierungen erreicht werden kann. Dazu sind weitere Untersuchungen nötig.