Stahl-Aluminium-Hybridteile mittels Massivumformung herstellen

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Leibniz Universität Inst. für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

Der Wärmeübergangskoeffizient wurde durch die Größe eines umlaufenden Luftspalts zwischen dem Stahlmantel und dem Aluminiumkern variiert. Der Außendurchmesser (da = 30 mm) und die Höhe des Hohlzylinders (h = 50 mm) waren bei allen Versuchen konstant. Die Innendurchmesser und somit die Wandstärke (s = 1,5, 2,5, 3,5 mm) wurden jeweils variiert.

Bei derselben Höhe von Aluminiumkern und Stahlzylinder wurden die zylindrischen Aluminiumkerne in unterschiedlichen Durchmessern gefertigt. Die Zylinder wurden so mit den Kernen kombiniert, dass sich ein Luftspalt von 0,5 mm bei Raumtemperatur ergab. Die Stahlmäntel wurden einzeln in einem Umluftofen auf Temperaturen zwischen 400 und 1000 °C erwärmt.

Wandstärke und Anfangstemperatur beeinflussen Aluminiumkern

Anschließend erfolgte die Zusammenführung mit dem nicht erwärmten Aluminiumkern. Der Temperaturverlauf des Aluminiumkerns wurde mit drei Thermoelementen und der des Stahlmantels mit einem Pyrometer erfasst.

Hieraus ergeben sich die maximal erreichbaren Kerntemperaturen bei unterschiedlichen Manteltemperaturen unter Variation der Geometriekombinationen bei einem Luftspalt von 0,5 mm (Bild 2, links). Mit Abnahme der Wandstärke und mit Abnahme der Anfangstemperatur des Stahlzylinders verringert sich die maximale Aluminiumkerntemperatur.

Induktive Erwärmung im Luftspalt zwischen Stahlmantel und Aluminiumkern

Um die Temperaturverteilung in den beiden Werkstoffen für eine mögliche Umformung zu optimieren, sollen die hybriden Werkstücke mit einem Luftspalt zwischen Stahlmantel und Aluminiumkern induktiv erwärmt werden. Die Temperaturzunahme im Aluminium kann bei diesem Erwärmungsverfahren durch die Größe des Luftspalts und die Induktorfrequenz geregelt werden. In Vorversuchen mittels induktiver Erwärmung konnten die gewünschte inhomogene Erwärmungsverteilung realisiert und die Temperaturverläufe für eine Werkstoffkombination mit und ohne Luftspalt ermittelt werden (Bild 2, rechts).

Bei den Versuchen ohne Luftspalt wird der Aluminiumkern mittels Wärmeleitung erwärmt. Nach einer Erwärmungsdauer von 8 s stellt sich zunächst die gewünschte inhomogene Temperaturverteilung ein. Allerdings wird ersichtlich, dass der Stahlmantel im Anschluss an die Erwärmung sehr schnell abkühlt und nach kurzer Zeit dieselbe Temperatur wie das Aluminium aufweist.

Luftspalt sorgt für deutlich langsamere Aluminium-Erwärmung

Bei der Erwärmung mit einem Luftspalt von 0,5 mm wird der Aluminiumkern lediglich durch Wärmestrahlung erwärmt. Auch hier ist zu erkennen, dass der Stahlmantel mit zunehmender Zeit sehr schnell abkühlt. Im Vergleich zu dem Versuch ohne Luftspalt zeigt sich eine deutlich langsamere Erwärmung des Aluminiumkerns. Erst nach circa 120 s erreichen beide Werkstoffe dieselbe Temperatur.

Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium muss ein definiertes Temperaturprofil ermittelt werden, um die Entstehung eines Schrumpfspaltes während der Abkühlung zu verhindern. Das Volumen des erforderlichen Luftspalts soll durch die Höhe des Aluminiumkerns ausgeglichen werden.

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