Roll bonding materials with with highly unequal material strengths - Analyses of the joining mechanism and modeling new manufacturing procedures
Final Report Abstract
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.
Publications
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