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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
� 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
4
Einleitung
Quelle: BMW-München
� Automobilbau
� Chemische und Nahrungsmittelindustrie
Quelle: Mobaddel Tank Company
� Schiffsbau und Öl-Plattformen � Küchengeschirr
Quelle: AFL Global
� Wärmeaustauscher
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
5
Motivation zum Verbundbandgießen
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
7
� 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
8
Numerische Simulation
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Numerische Simulation
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
20 °C
680 °C
Bandagen
Stahlvorband
Schmelze
Erstarrungsfront
Erstarrtes Verbundband
Ld
Lc
Kissing point
Simulationsergebnisse für Basiswerte der Bandgießprozessparameter
11
Numerische Simulation
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Numerische Simulation
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
atio
n zo
ne le
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
� 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
18
� Abwicklungshaspel� Vorbandzufuhrsysteme� Zwei-Rollen-Bandgießgestell
Rohmaterial für das Verbundband� Reinaluminium EN AW-1070� Austenitischer rostfreier Stahl 1.4401
Gießanlage des LWK
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
� Saumdicke 2.5 µm
� Mit Heizung des Stahlvorbandes bis 300 °C
� Saumdicke 3.5 µm
� Durchgangwiderstandheizung des Vorbandes
22
Oberflächenvorbereitung des Vorbandes
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
� 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
25
Motivation für Weiterverarbeitung
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� Warmwalzen bei 300 °C� Kaltwalzen bei 20 °CUmformgrad:
� 11% nach dem 1. Stich
� 20% nach dem 2. Stich
� 32% nach dem 3. Stich
� 57% nach dem 4. 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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
� 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
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
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
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
� 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
37
Schlussfolgerungen
Erzeugung von Aluminium-Stahl-Hybridbändern mittels Dünnbandgießens
� 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!