A7

Arbeitsgruppe A | Stoffschluss

 
 
a7_spp1640

Walzplattieren von Metallen mit stark unterschiedlicher Festigkeit – Analyse der Verbindungsentstehung und modellbasierte Entwicklung neuer Prozessprinzipien

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt, RWTH Aachen
Dr.-Ing. Markus Bambach, RWTH Aachen

 
 

Zusammenfassung:

Das Plattieren ist ein Fügeprozess, bei dem zwischen zwei oder mehreren metallischen Fügepartnern durch Druck und/oder Temperatur eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Durch den Prozess können verschiedene Werkstoffeigenschaften kombiniert und somit für den Gebrauch optimiert werden.

Das Walzplattieren ist die industriell am häufigsten angewandte Methode. Hierbei wird der erforderliche Druck für die Verbindung durch die Umformung zwischen zwei Arbeitswalzen erzeugt.

Die genauen metallphysikalischen Phänomene, welche zur Entstehung der Verbindung beitragen, sind noch nicht hinreichend erforscht. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang erfolgreichen Anwendung in der Industrie, z.B. in der Münzprägung oder in Form von Bimetallschaltern.

Die beiden abgeschlossenen Förderphasen adressierten das Warmwalzplattieren von Aluminiumbrammen. Ein Grundversuch wurde entwickelt, welcher die Bedingungen im Walzspalt nachbilden kann, unter denen die Verbindung entsteht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein FE-Modell inklusive einer User-Subroutine erstellt. Es ist in der Lage, die Materialverbindung zwischen den Plattierschichten abzubilden.

 
 
Konzeptskizze der konduktiven Durchlauferwärmungseinrichtung für die Angleichung der Fließspannungen von Ni99,2 und Al99,5
Konzeptskizze der konduktiven Durchlauferwärmungseinrichtung für die Angleichung der Fließspannungen von Ni99,2 und Al99,5
 
 

In der dritten Förderphase wird aufbauend auf den genannten Ergebnissen das Kaltwalzplattieren dünner Bänder vom Coil untersucht. Hier sind alle Werkstoffkombinationen kritisch, bei denen Materialien mit unterschiedlichen Festigkeiten und Ausgangshöhen walzplattiert werden.

Exemplarisch wird das Kaltwalzplattieren einer dünnen festeren Nickelschicht (Ni99,2) auf eine dicke weichere Aluminiumschicht (Al99,5) untersucht. Ein Anwendungsgebiet dieser Werkstoffkombination liegt u.a. im Gebiet der Batteriegehäuse.

Zum einen besteht die Notwendigkeit eines hohen Umformgrades für eine ausreichende Verbindungsfestigkeit (Grünfestigkeit), welche das Wiederauftrennen des Verbundes in den nachfolgenden Prozessschritten verhindert.

Zum anderen führen die stark unterschiedlichen Festigkeiten der beteiligten Werkstoffe zu stark unterschiedlichen Längungen während des Plattierprozesses. Daraus entstehen Zugspannungen im härteren Material. Diese können zu periodischen Dickenschwankungen oder Rissen führen.

Ziel der dritten Förderphase ist es, Lösungen für die genannten Probleme beim Kaltwalzplattieren zu erarbeiten.

Hierzu wird das existierende FE-Modell sowie der Grundversuch erweitert für das Kaltwalzplattieren und eine Erwärmeinrichtung erprobt für die Angleichung der Fließspannungen der Fügepartner.

Des Weiteren werden die Möglichkeiten einer Beeinflussung der Grünfestigkeit durch chemische und mechanische Aktivierung der Oberfläche evaluiert.

 
 

Veröffentlichungen:

2016   
  Untersuchungen zur Verbindungsentstehung beim Warmwalzplattieren von Aluminium Karhausen, K. F.; Pietryga, M.; Janssen, J.; Lohmar, J.; Hirt, G.
In: Tagungsband 31. ASK Umformtechnik, 2016, pp. 207–216
  A new FE-Model for the investigation of bond formation and failure in rolling processes Pietryga, M.; Lohmar, J.; Hirt, G.
Materials Science Forum Vol. 854, 2016, pp. 152–157
2015   
  Finite Element Analysis of Manufacturing Micro Lubrication Pockets in High Strength Steels by Hot Micro-Coining Szurdak, A.; Hirt G.
steel research int. 86, 2015, No. 3, pp. 257–265
  Production of Clad Steel Strips by Twin-Roll Strip Casting Vidoni, M.; Ackermann, R.; Richter, S.; Hirt G.
In: Advanced Engineering Materials, Vol. 17, 2015, 11, pp. 1588–1597
  Determination of thermal boundary conditions for modeling the hot roll bonding process Melzner, A.; Hirt, G.
In: Key Engineering Materials, Vols. 651–653, 2015, pp. 1357–1362
2014   
  Finite Element implementation of a bonding model and application to roll bonding of aluminum sheets of largely different yield strength Bambach, M.; Pietryga, M.; Mikloweit, A.; Hirt, G.; Karhausen, K.
In: Materials Science Forum Vols. 783–786, 2014, pp. 644-–650
  A finite element framework for the evolution of bond strength in joining-by-forming processes Bambach, M.; Pietryga, M.; Mikloweit, A.; Hirt, G.
In: Journal of Materials Processing Technology, Volume 214, Issue 10, 2014, pp. 2156–2168
  A cohesive zone model for simulation of the bonding and debonding in metallic composite structures − Experimental validations Kebriaei, R.; Mikloweit, A.; Vladimirov, I. N.; Bambach, M.; Reese, S.; Hirt, G.
In: Key Engineering Materials, Vols. 622–623, 2014, S. 443–452
  Development of a testing procedure to determine the bond strength in joining-by-forming processes Mikloweit, A.; Bambach, M.; Pietryga, M.; Hirt, G.
In: Advanced Materials Research Volumes 966–967, 2014, pp. 481–488
  Roll bonding of two materials using temperature to compensate the material strength difference Melzner, A.; Hirt, G.
In: Advanced Materials Research Volumes 966–967, 2014, pp. 471–480
 
 

zurück zu Arbeitsgruppen