Fundamental research into the role of intermetallic phases in joining of aluminium alloys to steel

Bildung und Wachstum intermetallischer Phasensäume am Übergang zwischen Fe bzw. Stahl und sowohl reinem als auch Si-Legiertem Al wurden bei verschiedenen Werkstoffzuständen untersucht, ebenso wie der Einfluss von Phasensaumdicke und -Aufbau auf die mechanischen Verbindungseigenschaften. In elementaren Interdiffusionsversuchen ist die Saumdicke wesentlich durch das parabolische Wachstum der $\eta$ Phase (Al$_{5}$Fe$_{2}$) bestimmt. Die Zugabe von Si in Al, welche bekanntermaßen das Phasenwachstum bei der Reaktion mit Al Schmelzen hemmt, bewirkte ein beschleunigtes Wachstum bei 600°C Reaktionstemperatur. Untersuchungen der Verformungs-Mikrostruktur unter Härteeindrücken offenbarten einen deutlichen Einfluss der äußeren und inneren Phasengrenzen auf die Härtewerte. Wärmebehandlung von Stahl/Al Rührreibschweißungen zeigte, dass die Verbindungsfestigkeit mit reinem Al durch die Bildung von Kirkendall-Poren an der Grenzfläche Phasensaum/Al bestimmt wird, mit Al-Si hingegen durch die Dicke der $\eta$ Phase.Formation and evolution of intermetallic reaction layers at the interface between Fe or low C steel and both pure and Si containing Al was studied in different material states, as well as the impact of layer thickness and build-up on mechanical properties of joints. In basic interdiffusion experiments, width of reaction layers is governed mainly by the parabolic growth of the $\eta$ phase (Al$_{5}$Fe$_{2}$). The addition of Si to Al, which is known to decelerate layer growth during interdiffusion with Al melts, was found to accelerate the growth at 600°C. Investigations of the deformation microstructure beneath hardness indentations elicited a pronounced influence of the reaction layers outer and inner interfaces on the observed hardness. Heat treating of dissimilar friction stir welds showed that with pure Al, the joint strength is governed by the formation of Kirkendall-porosity at the reaction layer/Al interface; in joints with Al-Si it is controlled by the thickness of the $\eta$ phase layer