Dünnbandgießen zur Herstellung plattierter Stahlbänder - Zweirollen-Gießplattieren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel war die Untersuchung der Machbarkeit der Herstellung plattierter Bänder mittels des Zweirollen-Bandgießprozesses und das Verständnis des zugrundeliegenden Verbindungsmechanismus. Im 1. Förderzeitraum wurden die Grundlagen erarbeitet. Es wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches die Temperaturen im Schmelzenpool und das Bandschalenwachstum wiedergibt. Mit diesem Werkzeug können die experimentellen Versuche ausgelegt werden. Weiter wurde für die Gießversuche eine Zufuhreinrichtung entwickelt und gebaut, die drei Aufgaben übernimmt: Die kontinuierliche Zufuhr des Plattierbandes, das Einstellen konstanter und gleichmäßiger Kontaktbedingen zwischen Band und Gießrolle und die Spurausrichtung des Bandes. In Gießversuchen wurden ein austenitischer Edelstahl (1.4301) mit einem Band aus C75 sowie ein HMnS mit einem rostfreien Edelstahlband plattiert. Die anschießende Untersuchung der Verbindungszone zeigte, dass zwei dominierende Erscheinungsbilder existieren. Einmal präsentierte sich die Grenzschicht „wellig“, hier ist das eingeführte Band an der Verbindungszone degradiert aufgrund von Diffusionsvorgängen und es bildete sich eine Grenzschicht mit lokal unterschiedlicher Chemie. Diese wechseln sich mit „glatten“ Grenzschichten ab. Hier sind die verschiedenen Legierungen optisch klar getrennt. Auch ist hier die Diffusion über die Grenzfläche hinüber deutlich geringer ausgeprägt. Anscheinend behindern an diesen Stellen Oxidreste eine stärkere Diffusion. Die in Scherzugversuchen gemessene Verbundfestigkeit der Bänder direkt aus dem Gießprozess lag bei über 200 MPa. Hierbei konnte gezeigt werden, dass über eine Steigerung der welligen Anteile an der Grenzfläche auch die Verbundfestigkeit gesteigert werden konnte. Weiterhin konnte die Verbundfestigkeit über eine thermo-mechanische Nachbehandlung auf über 400 MPa erhöht werden. Das plattierte Material wurde zudem hinsichtlich seiner Umformbarkeit untersucht. In technischen Biegeversuchen wurden Biegewinkel von bis zu 135 ° bei einem Biegeradius von 5 mm ohne Delamination und Rissbildung erreicht. In Näpfchen-Tiefziehversuchen mit einem Ziehverhältnis von 1,8 konnte das Material ohne Versagen der Verbindung umgeformt werden. In der 2. Förderperiode lag der Fokus auf dem Übertrag des Verfahrens auf Stahl-NE-Metall Kombinationen. Hierzu wurden Kupfer mit einem Tiefziehstahl kombiniert und Titan mit einem Kohlenstoffstahl. Diese Paarungen wurden, neben ihrer für die Industrie interessanten Anwendungsmöglichkeiten, aufgrund ihrer stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten und Schmelztemperaturen ausgewählt, um etwaige Grenzen des Gießplattierens auszuloten. Beim Gießplattieren mit einem Kupferband kam es zu großen Prozessschwingungen und –instabilitäten. Trotzdem konnten Bandstücke von ca. 3 mm starkem Band mit einer ca. 1 mm starken Kupferschicht hergestellt werden. Die Grenzfläche dieses Materials wurde im Anschluss untersucht. Neben einigen Defekten aufgrund der instabilen Prozessbedingungen waren auch bei diesem Material, wie bei den Materialpaarungen in der ersten Förderperiode, glatte Abschnitte und Abschnitte mit einer deutlichen Diffusionszone in der Grenzfläche zu erkennen. Bei beiden Arten von Grenzflächen fand die Bindungsbildung über Elementdiffusion statt und Kohlenstoff reicherte sich um die Grenzfläche herum an. Weiter ist beiden gemein, dass das Kupfer an der Grenzfläche nach dem Verlassen des Gießspaltes, sobald die erzwungene Kühlung endet, partiell aufschmilzt. Proben aus dem Band ließen sich ohne ein Ablösen der Kupferschicht kaltwalzen. Dabei wurde eine Höhenabnahme von ca. 40 % erreicht. In technischen Biegeversuchen wurde die Umformbarkeit des Materials qualitativ untersucht. Dabei ließ sich das gegossene wie auch das kaltgewalzte Material ohne Delamination bis zu 90 ° um einen Radius von 5 mm und 3 mm biegen. Bei der Zufuhr eines 0,3 mm starken Titanbandes in den Bandgießprozess verhielt sich dieser vergleichbar positiv wie bei der Zufuhr eines 0,3 mm starken Stahlbandes aus der ersten Förderphase. Die Schwierigkeit bei diesem Prozess trat erst nach dem Verlassen des plattierten Bandes aus dem Gießspalt auf. Eine Heißkorrosion der Titanoberfläche konnte trotz aller bei vertretbarem Aufwand durchführbaren Maßnahmen nicht unterdrückt werden. Die Grenzfläche in dem nicht oxidiertem Probenmaterial präsentiert sich im Gegensatz zu den vorher untersuchten Materialpaarungen regel- und ebenmäßig. Eine konstante Diffusionszone von ca. 30 µm trennt die beiden Schichten voneinander. Durch die Diffusion degradiert die Kontaktfläche des Titanbandes und reichert sich im Stahl an und die Diffusionszone formiert sich. Auf eine Bewertung dieses Verbundes musste aufgrund der geringen Materialverfügbarkeit verzichtet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015). Bandgießen individueller Blechhalbzeuge. In: Werkstoffe in der Fertigung 2015 (06), S. 23–25
Münster, D., Vidoni, M., & Hirt, G.
- (2015). Numerical and Experimental Investigation of a Modified Twin Roll Strip Casting Process for the Production of Clad Steel Strips. In Key Engineering Materials (Vol. 651, pp. 689-694). Trans Tech Publications
Vidoni, M., Daamen, M., & Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.651-653.689) - (2015). Production of Clad Steel Strips by Twin‐ Roll Strip Casting. Advanced Engineering Materials, 17(11), 1588-1597
Vidoni, M., Ackermann, R., Richter, S., & Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201500094) - (2016). Effects of process parameter variation on the bonding strength in clad steel strips by twin-roll strip casting. In Materials Science Forum (Vol. 854, pp. 124-130). Trans Tech Publications
Münster, D., Vidoni, M., & Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.854.124) - (2017). Processing of Clad Steel Strips Consisting of a High Manganese and Stainless Steel Pairing Produced by Twin‐Roll Casting. steel research international, 88(1), 1600285
Münster, D., Zhang, B., & Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201600285) - (2019). Copper Clad Steel Strips Produced by a Modified Twin-Roll Casting Process. Metals, 9(11), 1156
Münster, D.; Hirt, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met9111156)
