Kleben von nichtrostendem Stahl

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1 4..18 Kleben von nichtrostendem Stahl Motivation und Ausgangssituation Erste Beobachtungen Modellbildung Strukturierung und Zusammensetzung Alterungsverhalten und Vergleich Klebtechnikum der Hochschule Ulm 2 1

2 Anzahl Hörer pro Jahr Kursteilnehmer 17 Kursstunden (TeilnehmerxKursdauer) Klebtechnische Ausbildung Wahlfach Einführung in die Klebtechnik mit Labor 4SWS / ECTS, im Wechsel mit Kunststofftechnik Zusatzqualifikation Klebpraktiker Ca. 24 Studierende/Jahr Für alle technischen Studiengänge insbesondere Maschinenbau und Fahrzeugtechnik Produktionstechnik 4 3 Jahr 3 Klebtechnische Weiterbildung Kursangebot (Stand 4/18) Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM, Bremen Klebpraktiker nach DVS 33 Eine Kurswoche, 4 h Zwei Kurse pro Jahr: Frühjahr und Herbst Jahr 4 3 Klebfachkraft nach DVS 331 Drei Kurswochen, 1h Ein Kurs pro Jahr Fachkraft Klebpraktiker Kursstunden 119 Klebfachkräfte und 142 Klebpraktiker aus dem Einzugsbereich Südtirol, Österreich, Schweiz, Deutschland 4 2

3 4..18 Klebtechnisches Kolloquium Ulm (KKU) Themen : Forschung Herstellung Anwendung 9: Aktuelle Entwicklungen in der Klebtechnik 12: Sicheres Kleben durch sichere Prozesse 14: Aktuelle Entwicklungen in der Klebtechnik 16: DIN 234 Ein Wegweiser für sicheres Kleben 18: Aktuelle Entwicklungen in der Klebtechnik Teilnehmer: Ca. Teilnehmer Mittelständige Unternehmen der Region, Absolventen der Weiterbildung, Studierende Partner: HK Ulm, DVS, CNS, Carbon Composite, GfaV 6. Klebtechnisches Kolloquium Ulm 18 Termin: 27.Juni 18, 17 Uhr ( Strukturelles Kleben von faserverstärkten Kunststoffen in der Luftfahrt, Dr. Jens Holtmannspötter, Wehrwissenschaftliches Institut der Bundeswehr, Erding Qualität in der Klebtechnik DIN 234 Umsetzung bei BMW, B. Maurer, BMW Group, München Prozessbeherrschung und Qualitätssicherung beim Aufbereiten, Mischen und Dosieren von Kleb- und Vergussstoffen, H. Haslauer, Scheugenpflug AG, Neustadt Höchste Präzision mit dualhärtenden Klebstoffen, Dr. Hose, DELO Industrie Klebstoffe, Windach Haftklebebänder und Strukturelle Klebfilme Eigenschaften und Anwendungen, R. Domanski, Lohmann GmbH&Co. KG, Neuwied Strukturklebstoffe im Fahrzeugbau für den Leichtbau, Dr. Lutz, DOW Multi-Material Design und elastische Klebstoffe eine Chance für Leichtbau bei Nutzfahrzeugen und Caravan, A. Zanotti, Sika Deutschland GmbH, Bad Urach 6 3

4 4..18 Motivation Edelstahlblech (1.431) mit rückseitigem Steg 7 Nichtrostender Stahl Mindestens 12%Cr Korrosionsbeständigkeit 199 1: 12,8 4 Mio.t p.a. (St: Mio t) Klebbarkeit problematisch Untersuchter Werkstoff: (XCrNi18-) Nichtrostender, austenitischer Stahl Rp,2=23MPa, Rm=4-7MPa, A>4% Ergebnis der optischen Emissionsspektroskopie (OES): Element C Si Mn P S N Cr Ni Gew%,24,372 1,913,3 <,1,64 17,72 7,47 [Informationsstelle Edelstahl rostfrei, stahl online, world steel ass. ] 8 4

5 Steigende Merkblatt 382 des Stahl-Informations-Zentrum Informationsstelle Edelstahl Rostfrei Klebeignung Metalltypisch gute Benetzung Inerter Charakter der Chromoxide Besondere Vorbehandlung nötig: Basisch reinigen, ätzen mit Oxalsäure-Lösung [DIN 13887] Siliziumhaltige Beschichtung, Silanprimer (Pyrosil, SACO ) Prozedur gemäß Herstellervorgaben Experimentelle Absicherung der Langzeitbeständigkeit Feuchte, Temperatur, Chloride, 9 Vorbehandlung durch Laser erste Beobachtungen Nd-YAG-Laser W, =64nm Aufrauhung? µm Verfärbung? Klebbarkeit?

6 4..18 Vertiefte Untersuchungen Bachelorarbeit von Jens Bayer* Ziele: Wärmeeintrag und Wirkung Veränderung der Oberflächengestalt Wirksamkeit bezüglich Alterungsbeständigkeit im Vergleich zum Beizen Vorgehen: Nd:YAG-Laser Beizen mit Inotec-Beizpaste extra (Salpetersäure <2%, Flußsäure <7%, Einwirkzeit /6/9 min) Klebstoffe: - 2k-Polyurethan, Topfzeit: 9 min. - 2k-Epoxy, Topfzeit: 6 min Oberflächenanalyse: - Konfokales Meßmikroskop, Raster-Elektronenmikroskopie (REM), Röntgen- Photonenspektroskopie (XPS) Zugscherversuche nach DIN EN Kurzzeit-versuche (7 Tage, RT) - Feucht-warme Alterung: h, 8% r.f., 8 C *: Jens Bayer, Laservorbehandlung von Edelstahl Rostfrei, Bachelorarbeit, Hochschule Ulm, Wintersemester 1/16 11 Laserbehandlung Nd:YAG mit =64nm (DML-SI4) Maximale Strahlleistung: W Pulsfrequenz: khz Pulsdauer: µs Laserstrahl-Ø,4,1mm, Laserintensität: 3,9 MW/cm² Kreuzartige Behandlung Niedrig Hoch,6 1 2,1,2, Leistung [W] Pulsfrequenz [khz] Vorschub [mm/s] Versatz [mm] Schichtzahl [-] Bearbeitungszeit [min] Hoch,1 4 4, Niedrig 6,2 2 1, 12 6

7 4..18 Veränderung der Oberflächengestalt Hohe Niedrige µm µm 13 Überlegungen zur Oberflächentopologie (I) Nd:YAG-Strahlung wird werkstoffspezifisch und Wellenlängen-spezifisch nur teilweise absorbiert Absorbtionsgrad 3 4% [Jan13] 14 7

8 Atomprozent Meßwert [µm] Atomprozent Oberflächenfaktor [-] Kennwerte der Oberflächengestalt 2 hohe niedrige 2, 2, 1 2,42 1, Hohe,6 1, 13,89 9,97 8,7 7,29 1,13, 3,13 Reduzierte Spitzenhöhe 2,1 Reduzierte Riefentiefe Oberflächenfaktor 2,8 Mittenrauwert Ra Kernrautiefe, Niedrige 19 XPS-Analyse - Zusammensetzung der Oberfläche* 16% 14% 12% % 8% 6% 4% 2% % Cr Sputterzeit [min] % 4% 4% 3% 3% 2% % 1% % % % O hohe niedrige Sputterzeit [min] *: XPS-Untersuchungen durch Dr. Diemant, Institut für Oberflächenchemie und Katalyse, Prof. Behm, Universität Ulm C Si Mn P S N Cr Ni Gew%,24,372 1,913,3 <,1,64 17,72 7,47 1min 1nm 8

9 Zugscherfestigkeit [MPa] Atomprozent Atomprozent Zusammensetzung der Oberfläche* Fe Ni 8% 7% 7% 6% 6% % % 4% 3% 4% 3% % % % % 1% % hohe niedrige Sputterzeit [min] Sputterzeit [min] Element C Si Mn P S N Cr Ni 1min 1nm Gew%,24,372 1,913,3 <,1,64 17,72 7,47 *: XPS-Untersuchungen durch Dr. Diemant, Institut für Oberflächenchemie und Katalyse, Prof. Behm, Universität Ulm 22 Ergebnisse der Zugscherversuche 2k-Polyurethanklebstoff 3 2 gealtert Substrat Probendicke 1, mm Klebstoff 2K-PU, Topfzeit 9 min 1 Prüfart Zugscherversuch (DIN EN 146) Prüfgeschwindigkeit mm/min (Traverse) entfettet - US Laser, niedrige gebeizt, lang Korund Saco Flammpyrolyse Alterung : 7d, RT Alterung: h, 8%rF, 8 C Probengeometrie: Breite 2 mm l Ü=12, mm l E=188 mm d K=,2 mm d K l E l Ü Gealtert 24 9

10 Zugscherfestigkeit [MPa] Ergebnisse der Zugscherversuche 2k-Epoxidharzklebstoff gealtert Substrat Probendicke 1, mm Klebstoff 2K-EP, Topfzeit 9 min Prüfart Zugscherversuch (DIN EN 146) Prüfgeschwindigkeit mm/min (Traverse) entfettet Laser, niedrige Laser, hohe gebeizt, kurz gebeizt, mittel gebeizt, lang Alterung : 7d, RT Alterung: h, 8%rF, 8 C Probengeometrie: Breite 2 mm l Ü=12, mm l E=188 mm d K=,2 mm d K l E l Ü Gealtert 2 Zusammenfassung Kleben hilft, umfangreiche Nacharbeiten beim Fügen von nichtrostendem Stahl (1.431) zu vermeiden, dabei sind Zusatzfunktionen möglich Für beständige Klebungen von ist die Vorbehandlung unerläßlich Vorbehandlungen mit Nd:YAG - Laser ermöglicht eine umweltfreundliche Vorbehandlung für beständige Klebungen in feucht-warmer Umgebung Eindimensionale Wärmeleitung: Oberfläche wird aufgeschmolzen und verdampft Teilweise erhebliche Vergrößerung der Oberfläche Gezielte Oxidation der Oberfläche, keine großen Unterschiede zwischen hoher und niedriger Bei niedriger bessere Beständigkeit (Kavitäten) Anwendung erscheint für Großserie attraktiv Beständigkeit der Behandlung? 26

11 4..18 Danksagung Die Untersuchungen zur Zusammensetzung der Oberfläche mittels XPS wurden von Dr. Diemant vom Institut für Oberflächenchemie und Katalyse der Universität Ulm vorgenommen. Professor Dr. Behm, PD Dr. Bansmann und Dr. Diemant sei an dieser Stelle herzlich für die Unterstützung gedankt