Walzplattieren von Metallen mit stark unterschiedlicher Festigkeit - Analyse der Verbindungsentstehung und modellbasierte Entwicklung neuer Prozessprinzipien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die 3. Förderphase des Projekts adressiert das Kaltwalzplattieren einer dünnen, festen Auflage (weichgeglühtes Reinnickel mit 0,2 mm Dicke) auf ein dickeres, weiches Band (walzhartes Reinaluminium mit 1,5 mm Dicke). Hierbei kam es bislang während des Prozesses zu Einschnürungen und letztendlich Rissen in der festeren Schicht. Um beobachtete Längungsunterschiede zu minimieren, bestand der ursprünglich angedachte Lösungsansatz in der Angleichung der Fließspannungen der Fügepartner durch thermische Beeinflussung. Hierfür wurde im Rahmen des Projekts eine konduktive Durchlauferwärmung in Kombination mit einem nachgeschalteten Heizkanal zur Aufheizung des Nickelbandes realisiert. Es wurden eine Vielzahl von experimentellen und simulativen Untersuchungen durchgeführt, welche andeuten, dass nicht primär die Angleichung der Fließspannungen der Fügepartner durch thermische Beeinflussung zur Verbundbildung nötig ist. Stattdessen verdeutlichen die Projektergebnisse, dass viel mehr die Übertragung von Scherspannungen in die harte Nickelschicht und die Vergrößerung der Oberflächen in der Kontaktzone essentiell für die Verbundbildung sind und thermisch beeinflusst werden können: 1. Bereits die Grundversuche zur Charakterisierung der Verbundentstehung und -festigkeit haben gezeigt, dass ohne Oberflächenvergrößerung des Nickels kein Verbund zustande kommt. 2. Die durchgeführten Vorversuche zum Walzplattieren ohne thermische Beeinflussung, erreichen durch die im Nickel auftretenden Längszugspannungen (eine Folge der Scherspannungen in der Grenzfläche) eine Umformung des Nickels. Allerdings treten Querrisse auf. 3. In Versuchen mit Heizvorrichtung zeigt sich, dass eine Verbundentstehung ohne Querrisse bei Wahl einer geeigneten Kombination aus Temperatur, Gesamthöhenabnahme sowie der Dauer zwischen Aktivierung der Bänder und dem Walzplattierprozess möglich ist. Bemerkenswert ist, dass die Verbindungsentstehung nicht generell mit steigender Temperatur und somit weiterer Angleichung der Fließspannungen der beiden Fügepartner besser wird. Während bei 150 °C und 400 °C Nickelbandtemperatur am Walzspalt ein Verbund bei entsprechender minimaler Höhenabnahme erzeugt werden kann, ist dies im dazwischenliegenden Temperaturbereich um 250 °C nicht möglich. In Abhängigkeit der durchlaufenen Temperaturen ergibt sich eine unterschiedliche Färbung des Nickelbandes, welche mithilfe von Literaturstellen als stöchiometrisch unterschiedliche Oxide identifiziert werden konnten. Die im Aufheizprozess entstehenden Nickeloxide und ihre mechanischen Eigenschaften scheinen somit entscheidend für die Verbundentstehung zu sein. 4. Simulationen und Experimente haben gezeigt, dass die Dicke der Reinnickelschicht auch bei steigender Gesamthöhenabnahme nahezu konstant bleibt. Aufgrund des höheren Verfestigungsexponenten des Reinnickels kann nur bis zu einem gewissen Umformgrad eine Verformung über die in der Fügezone induzierten Scherspannungen erfolgen. 5. Eine möglichst kurze Zeit zwischen Aktivierung der Bänder und dem Kaltwalzplattierprozess ist essentiell für eine Verbundentstehung. Hierfür werden das zeitabhängige Wachsen der Oxidschicht auf dem Reinaluminium und die erneute Verunreinigung bei längeren Lagerzeiten, welche ebenfalls die Verbundentstehung erschweren, als ursächlich angesehen. 6. Die Walzgeschwindigkeit konnte von 1 m/min bis auf 6 m/min gesteigert werden, ohne dass sich eine qualitative Verschlechterung der Verbundeigenschaften erkennen lässt. Im Kaltwalzplattieren ist der Einfluss der Umformgeschwindigkeit auf die auftretenden Scherspannungen gering. Insgesamt konnte durch die thermische Beeinflussung des Nickels wie angestrebt ein fehlerfreier Verbund aus dünner Nickelschicht und weichem Aluminium erzeugt werden. Dieser Verbund kann in nachgelagerten Biegeprozessen weiterverarbeitet werden und bleibt bestehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A cohesive zone model for simulation of the bonding and debonding in metallic composite structures - experimental validations. Key Engineering Materials, Vols. 622-623, 2014
Kebriaei, R.; Mikloweit, A.; Vladimirov, I. N.; Bambach, M.; Reese, S., Hirt, G.
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A finite element framework for the evolution of bond strength in joining-by-forming processes. Journal of Materials Processing Technology 214, pp. 2156-2168, 2014
Bambach, M.; Pietryga, A.; Mikloweit, A.; Hirt, G.
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Development of a testing procedure to determine the bond strength in joining-by-joining processes. Advanced Material Research, Vols. 966-967, pp. 481-488, 2014
Mikloweit, A.; Bambach, M.; Pietryga, M.; Hirt, G.
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Finite Element implementation of a bonding model and application to roll bonding of aluminum sheets of largely different yield strength. Materials Science Forum Vols. 783-786, pp. 644-650, 2014
Bambach, M.; Pietryga M.; Mikloweit, A.; Hirt, G.; Karhausen, K.
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Roll Bonding of two materials using temperature to compensate the material strength difference. Advanced Materials Research, Vols. 966-967, pp. 471-480, 2014
Melzner, A.; Hirt, G.
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Determination of thermal boundary conditions for modeling the hot roll bonding process. Key Engineering Materials, Vols. 651-653, pp. 1357-1362, 2015
Melzner, A.; Hirt, G.
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A new FE-Model for the investigation of bond formation and failure in rolling processes. Material Science Forum 854, pp. 152-157, 2016
Pietryga M.; Lohmar, J.; Hirt, G.
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Untersuchungen zur Verbindungsentstehung beim Warmwalzplattieren von Aluminium, Tagungsband 31. ASK Umformtechnik, S. 207-216, 2016
Karhausen, K. F.; Pietryga, M.; Janssen, J.; Lohmar, J.; Hirt, G.
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Investigation on the Elongation Differences of Aluminum in Two Layer Roll Bonding. AIP Conference Proceedings 1896, 190015, 2017
Melzner, A.; Hirt, G.
