erzeugung von aluminium-stahl-werkstoffverbunden mittels...

Lehrstuhl für WerkstoffkundeProf. Dr.-Ing. habil. Mirko Schaper

Erzeugung von

Aluminium -Stahl-Werkstoffverbunden

mittels Dünnbandgießens

Dr. Olexandr Grydin

15. Werkstoff-ForumHannover Messe, 16. April 2015

2

Gliederung

� Einleitung

� Numerische Simulation

� Verbesserung der Verbindungseigenschaften

� Einfluss des Walzens auf die Eigenschaften und Quali tät der Bänder

� Weitere Verbundverarbeitung

� Zusammenfassung und Ausblick

Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens

3

� Einleitung







4

Einleitung

Quelle: BMW-München

� Automobilbau

� Chemische und Nahrungsmittelindustrie

Quelle: Mobaddel Tank Company

� Schiffsbau und Öl-Plattformen � Küchengeschirr

Quelle: AFL Global

� Wärmeaustauscher


5

Motivation zum Verbundbandgießen


Motivation

Zwei-Rollen-Bandgießen der Aluminium-Stahl-Verbundbänder

Konventionelle Verfahren der Verbundproduktion

� Walzplattieren

� Sprengplattieren

� SchweißenNachteile� Große Anzahl der nötigen Hilfsschritte

� Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der zu verbindenden Vorbänder

� Schwierigkeiten bei der Einstellung einer dünnen, durchgängigen und gleichmäßigenDiffusionsschicht

� Diskretion des Prozesses

� Reduzierung der Anzahl der Produktionsschritte - Reduzierung der Produktionskosten

� Platzersparnis dank einer kompakten Bauweise des Aggregats

� Energieschonend - Umweltfreundlich

� Gießen von unterschiedlichen Metallen möglich - hohes Forschungspotential

� Schnelle Kristallisation und Deformation - hohe Materialqualität

� Geringere Anzahl der zusätzlichen Operationen beim Verbundgießen

6

Verbundbandgießen


7

� Einleitung







8

Numerische Simulation


Basismodelle

• Wärmeaustausch

• Elastische Umformung

• Flüssigkeitsdynamik

Ergebnis

• Temperaturfeld im Material• Lage und Form der Erstarrungsfront• Geschwindigkeits-und Deformationsfelder

• Thermische und elastische Spannungen• Mikrostruktur

• Gesamte Restspannungen

• Härte

APDLSubroutine

Benutzerdefinierte Modelle• Walzendrehen• Enthalpie des Materials• Plastische Umformung• Mikrostrukturumwandlungen• Rekristallisation• Eigenspannungen

Gekoppelte numerische Analyse des Bandgießprozesses mittels FEM

9

Prozessparameter


Nichteinstellbare Parameter� Walzendurchmesser, Walzenbreite

und Bandagendicke� BanddickeEinstellbare Parameter� Temperatur der Schmelze� Länge der Bandformungszone� Gießgeschwindigkeit� Walzenbeschichtung� Durchfluss des Kühlmittels

Parameter Einstellungsbereich Basiswerte

Gießgeschwindigkeit V, m/min 3…8 5

Temperatur der Aluminiumschmelze T, °C 665…700 680

Länge der Bandformungszone L t, mm 25…75 30

Dicke des fertigen Verbundbandes H, mm 1.5...4.0 2.5

Stahlvorbanddicke H s, mm 0.1…1.0 0.5

� Steifigkeit der zusammengesetzten Walzen� Anlagenproduktivität� Banddicke

� Prozessstabilität� Vermeiden einer Überlastung der Gießanlage� Minimaler erforderter Umformgrad des Bandes� Günstige Fügebedingungen

Die Hauptbegrenzungen

Die Hauptanforderungen

Parameter des Bandgießprozesses

10



20 °C

680 °C

Bandagen

Stahlvorband

Schmelze

Erstarrungsfront

Erstarrtes Verbundband

Ld

Lc

Kissing point

Simulationsergebnisse für Basiswerte der Bandgießprozessparameter

11



Einfluss der Temperatur der Schmelze auf die Form bzw. Lage der Erstarrungsfront

Einfluss der Gießgeschwindigkeit auf die Form bzw. Lage der Erstarrungsfront

� 3 m/min� 8 m/min

� 665 °C � 700 °C

12



Einfluss der gesamten Länge der Bandformungszone auf die Form bzw. Lage der Erstarrungsfront

Einfluss der gesamten Banddicke auf die Form bzw. Lage der Erstarrungsfront

� 1.5 mm� 4.0 mm

� 25 mm� 75 mm

13

Abhängigkeit zwischen den Parametern


2222 )(21

dsd

s

LHRLRRH

HH

−+−−−+

−−=ε

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

1 mm

2 mm

3 mm

4 mm

Um

form

grad

wäh

rend

des

Ban

dgie

ßen

s

Länge der Umformzone, mm

� Spezifische Länge der Umformzone ld = Ld/Lt

� Spezifische Länge der Bandformungszonelt = Lt/(2.R)

� Spezifische Dicke des Stahlvorbandeshs = Hs/Hal

� Spezifische Dicke des Verbundbandesh = H/Lt

Berechnung des Umformgrades der Aluminiumschicht während des Verbundbandgießens

Die dimensionslosen geometrischen Parameter

Abhängigkeit zwischen der Länge der Umformzone und dem Bandumformgrad für die Bandgießanlage des LWK

14

Simulationsergebnisse


400

430

460

490

520

550

580

610

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

660 670 680 690 700 710500

520

540

560

580

600

620

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 2 4 6 8 10Spe

cific

defo

rmat

ion

zone

leng

th, m

m/m

m

Spe

cific

defo

rmat

ion

zone

leng

th, m

m/m

m

Str

ip o

utle

ttem

pera

ture

, °C

Str

ip o

utle

ttem

pera

ture

, °C

Casting speed, m/minMelt inlet temperature, °C

Die Abhängigkeit der spezifischen Länge der Umformzone bzw. Bandaustrittstemperatur von den Betriebsparametern des Bandgießprozesses

Spezifische Länge der Umformzone

Bandausgangstemperatur

15

Simulationsergebnisse


500

520

540

560

580

600

620

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 0,1 0,2 0,3 0,4

500

520

540

560

580

600

620

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 0,05 0,1 0,15Spe

cific

def

orm

atio

n zo

ne le

ngth

, mm

/mm

Spe

cific

def

orm

atio

n zo

ne le

ngth

, mm

/mm

Str

ip o

utle

t tem

pera

ture

, °C

Spe

cific

def

orm

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n zo

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ngth

, m

m/m

m

Str

ip o

utle

t tem

pera

ture

, °C

Str

ip o

utle

t tem

pera

ture

, °C

Specific steel strip thickness, mm/mm

Specific total pool length, mm/mm Specific clad strip thickness, mm/mm

500

520

540

560

580

600

620

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Die Abhängigkeit der spezifischen Länge der Umformzone bzw. Bandaustrittstemperatur von geometrischen Parametern des Bandgießprozesses

16

Optimale Prozessparameter


Gesamte Verbundbanddicke

h, mm

Gieß-geschwindigkeit

V, m/min

Temperatur derSchmelze

T, °C

Länge der Bandformungszone

Lt, mm

Umformgrad desAluminiums

ε, %

1.5 5 670 11.4 50%

4 5 670 35.5 50%

1.5 8 670 14.1 50%

4 8 670 52.4 50%

1.5 8 690 50.7 50%

2 8 690 81.6 50%

4 5 690 75 50%

10982

73

64

542

322

1 ahalalalalaVaVaTaTal ttttd +++++++++=

Berechnete optimale Prozessparameter

Regressionsgleichung

Koeffizient а1 а2 а3 а4 а5

Wert 9.77e-05 -0.150 2.98e-03 -0.1047 851.036

Koeffizient а6 a7 a8 a9 а10

Wert -601.852 167.191 22.441 -2.359 58.874

17

� Einleitung







18

� Abwicklungshaspel� Vorbandzufuhrsysteme� Zwei-Rollen-Bandgießgestell

Rohmaterial für das Verbundband� Reinaluminium EN AW-1070� Austenitischer rostfreier Stahl 1.4401

Gießanlage des LWK


Die Hauptparameter des Verbundbandgießens Werte

Temperatur der Aluminiumschmelze, °С 690

Temperatur des Stahlvorbandes, °С 20

Gießgeschwindigkeit, m/min 5.1

Länge der Bandformungszone, mm 40

Stahlvorbanddicke, mm 0.5

Dicke des fertigen Verbundes, mm 2.35

Durchlaufmenge des Kühlmittels, l/min 112

Temperatur des Kühlmittels, °С 18

� Keine Oberflächenvorbereitung bzw. Heizung des Stahlvorbandes

19

Hergestelltes Verbundband


� Mikrostruktur des Saums bzw. Stahl- und Aluminiumschicht des Verbundbandes

� Dünne kontinuierliche Schicht zwischen zwei Materialien

� Verteilung der chemischen Elemente im Saum (mittels ESMA)

� Schicht der Intermetallischen Phasendes Al-Fe-System mit 2 µm Dicke

20

Hergestelltes Verbundband


500nm

Phase Fe4Al13

Fe2Al5

FeAl

AluminiumseiteStahlseite

� TEM-Analyse einer Probe von gegossenem Stahl/Aluminium-Hybridband

� Die Phasenzusammensetzung in der Interdiffusionsschicht konnte als IMP von Fe2Al5 und FeAlim eisenreichen Bereich und Fe4Al13 im aluminiumreichen Bereich definiert werden

21

Heizung des Vorbandes


� Stahlvorband wurde zu den Temperaturen bis 300 °C vor dem Eintritt in die Bandformungszone erhitz

� Einfluss von Vorbandtemperatur auf der Dicke der Verbundzone mittels ESMA

� Ohne Heizung des Stahlvorbandes

� Saumdicke 2.0 µm

� Mit Heizung des Stahlvorbandes bis 150 °C


� Mit Heizung des Stahlvorbandes bis 300 °C


� Durchgangwiderstandheizung des Vorbandes

22

Oberflächenvorbereitung des Vorbandes


� Führung aus zwei Rollengruppen 2х(2H+2V+2H)

� Vorrichtung für die Oberflächenvorbereitung des Stahlvorbandes

� Oberflächenschleifen mit Sandpapier von unterschiedlichen Korngrößen und variablen Niederdruckkräften

� Stabilisierung des Vorbandes

1 - Gehäuse, 2 - obere Rolle mit Schleifpapier,3 - untere Rolle, 4 - Exzenter

� ESMA-Analyse der Sauerstoffgehalt in Verbundzone

ohne Schleifen mit Schleifen

23

Haftfestigkeitsüberprüfung


� Hybridprobenvorbereitung

� Verkleben mit Zylinderkörpern

� Haftzugversuch� Bruch des Verbunds durch nicht ausreichende Haftfestigkeit

� Versagen der Klebschicht Aufgrund nicht ausreichender Haftfestigkeit des Klebers

Oberflächenrauigkeit des Vorbandes (Ra), µmHaftfestigkeit der intermetallischen Verbindung, MP a

Anfangsbereich des Bandes Bereich des stabilen Bandgießens

0.5 (ohne Vorbereitung) 41 über 100

4.2 über 100 über 100

10.9 über 100 89

22.1 66 78

0.5 (ohne Vorbereitung) mit Vorheizen bis 300 °C über 100 über 100

� Ergebnisse der Haftzugversuche

� Haftfestigkeit des Hybridbandes, das bei optimalen Prozessparameter hergestellt ist, liegt über 100 MPa und überschreitet die vom Kleber

24

� Einleitung







25

Motivation für Weiterverarbeitung


� Inhomogenes Gefüge mit restlicher Gussstruktur

0

50

100

150

200

250

0 20 40

Spa

nnun

g, M

Pa

Dehnung, %

� Nicht vollständig realisiertes Potential der mechanischen Eigenschaften

� Aluminiumoberfläche des Verbundes weist Gießfehler auf

� Mögliche Lösung: Umformung durch Warm- oder Kaltwalzen

� Hohe Produktivität� Kaum zusätzliche Vorbereitung des Vorbandes� Kontinuierliche dünne Schicht der Intermetalliden� Hohe Haftfestigkeit

Nachteile

Vorteile des Verbundbandgießens

Stahlschicht

Aluminiumschicht

26

Sandwichwalzen


Walzgerüst des LWK� Duowalzwerk� Walzendurchmesser 210 mm� Walzenlänge 300 mm� Walzgeschwindigkeit 0.37 m/min� Synchronisierte Walzengeschwindigkeit

Symmetrisches Walzen� Sandwich aus zwei Verbundblechen� Genietet auf den Ecken� Zone I – Plastische Umformung

nur von Aluminium, elastische Umformung des Stahls

� Zone II – Plastische Umformung von Aluminium und Stahl

Sandwich Maße:� Für Kaltwalzen

25 mm x 150 mm� Für Warmwalzen

150 mm x 150 mm

27

Kaltwalzen des Verbundes


Bestimmung des maximalen nicht zu Verbundablösung führenden Umformgrads

� Sandwich-Kaltwalzen in zwei Stichen

1 2 3 4 5 6 7 8

Umformung beim 1. Stich (%) 33.3 33.3 37.1 41.9 49.9 52.4 59.1 63.6

Ablösung - - - - - - - +/-

Umformung beim 2. Stich (%) 46.8 49.0 45.8 40.0 33.3 32.1 41.7 14.0

Gesamtumformung (%) 64.6 66.0 65.9 65.0 66.6 67.7 69.4 67.8

Ablösung - - - - - - - +

� Teilablösung in der Probe Nr. 8 nach dem ersten Stich

� Gesamtumformung nach dem zweiten Stich ist in etwa gleich

� Maximaler Umformgrad bei einem Stich ist der bestimmende Faktor

� Maximaler Umformgrad bei dem der Verbund sich nicht ablöst beträgt 63%

28

Einfluss auf die Oberflächenqualität


� Lasermessung der Oberflächenrauigkeit (Rz)

� Warmwalzen mit einer Reduzierung von 50% bewirkt eine Senkung der Rauheit der Aluminiumoberfläche um bis zu 80%

� Warmwalzen mit einer Reduzierung von 50% bewirkt eine Senkung der Rauheit der Stahloberfläche um bis zu 50%

� Verbundbleche, aufgeteilte von einem Sandwich nach dem Walzen

� Gemessene Topographie der Aluminiumoberfläche vor und nach dem Walzen

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 20% 40% 60%

Rz Aluminium

Rz Stahl

Umformgrad beim Walzen

Rau

heit,

µm

29

Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften


� Warmwalzen bei 300 °C� Kaltwalzen bei 20 °CUmformgrad:

� 11% nach dem 1. Stich




Spa

nnun

g, M

Pa

Umformgrad beim Warmwalzen

Deh

nung

Spa

nnun

g, M

Pa

Umformgrad beim Kaltwalzen

Deh

nung

� Hohe Plastizität der Bänder im „As-Cast“ Zustand

� Warmwalzen mit 57% Umformgrad erhöht die Zugfestigkeit um 50% und die Streckgrenze um 120%

� Kaltwalzen mit 32% Umformgrad erhöht die Zugfestigkeit und Streckgrenze der Bänder, aber reduziert die Duktilität des Verbundes stark

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0

50

100

150

200

250

300

350

0% 20% 40% 60%0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0

50

100

150

200

250

300

350

0% 10% 20% 30% 40%

Zugfestigkeit

Streckgrenze

Bruchdehnung

30

Einfluss auf das Gefüge


Gefüge des Aluminiums im “As-Cast” Zustand

� Große Körner nahe der Verbundzone

� Restliches Gußgefüge nahe der Oberflächenzone

� Feines rekristallisiertes Gefüge in der Kernzone

Niedrige Zugfestigkeit

Mikrostruktur nach Kaltwalzen mit 32% Umformgrad

� Verformte und gestreckte Körner

� Gleichmäßiges Gefüge

� Reste von Gussgefüge

Besonders hohe Festigkeit, aber niedrige Duktilität

31

Einfluss auf das Gefüge


Mikrostruktur nach Warmwalzen mit 32% Umformgrad

� Rekristallisiertes feinkörniges Gefüge

� Gleichmäßiges Gefüge

Hohe Festigkeit und Duktilität

Mikrostruktur nach Warmwalzen mit 57% Umformgrad

� Verformte und gestreckte Körner

Besonders hohe Festigkeit, aber

niedrige Duktilität

32

Einfluss auf die Haftqualität


Verbundbänder im „As-Cast“ Zustand

� Starke Ablösung zwischen Aluminium- und Stahlschichten infolge eines Zugversuchs

Verbundbänder nach dem Warmwalzen mit 11% Umformgrad

� Starke Ablösung zwischen Aluminium- und Stahlschichten infolge eines Zugversuchs

Verbundbänder nach dem Warmwalzen mit mehr als 50% Umformgrad

� Keine Ablösung zwischen den Bandschichten

33

� Einleitung







34

Tiefziehen des Verbunds

� Werkstückdurchmesser – 150 mm� Ziehstempeldurchmesser – 97,6 mm� Ziehmatrizedurchmesser – 102,4 mm� Niederhalterkraft – 85 kN� Schmierung – Raziöl CLF250F

� Das Verbundband kann ohne Bruch tiefgezogen werden unabhängig von die Schichtorientierung

� Auch keine Delaminierung in den Innenbereich der Näpfen


35Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens

� Keine Rissen oder Ablösungen

� Hohe Plastizität� Hohe Haftfestigkeit� Gute

Verarbeitungsmöglichkeit

� Tiefgezogene Näpfe aus dem Verbundband mit außen liegender Alu-Schicht

� Versuchsanlage: 1000 kN Presse des LUF

� Werkstück: 100 mm Ronden

� Niederhalterkraft 60 kN

� Ziehgeschwindigkeit 20 mm/s

� Näpfe: 50 mm Durchmesser und 40 mm Tief

Tiefziehen des gewalzten Verbunds

36

� Einleitung







37

Schlussfolgerungen


� Die Möglichkeit der Erzeugung einer dünnen qualitati ven Diffusionsverbindung in einem Aluminium-Stahl-Hybri dband infolge des Zwei-Rollen-Bandgießens wurde experimentell bestäti gt

� Die optimale Prozessparameter für Verbundbandgießen können mittels numerischer Simulation ermittelt werden

� Die Bedingungen für Bildung der intermetallischen V erbindung können mithilfe der Oberflächenvorbereitung bzw. Heizung des Vorbandes begünstigt werden

� Das Flachwalzen der gegossenen Verbundbänder verbess ert ihre Oberflächenqualität und beeinflusst mechanische Eig enschaften

� Maximaler Umformgrad bei einem Stich während des Ka ltwalzens, die nicht zur Ablösung des Verbundes führt, beträgt 63%

� Das Verbundmaterial zeigt hohes Potential für weiter e Verarbeitung und Verbesserung seiner Eigenschaften

� Hohes Forschungspotenzial: Ermüdungseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebehandlung, Umformung ; neue Materialien

Lehrstuhl für WerkstoffkundeProf. Dr.-Ing. habil. Mirko Schaper

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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