Walzplattieren Werkstoffeigenschaften clever kombiniert

Autor: Stéphane Itasse

Wenn ein Werkstoff mit seinen Eigenschaften an seine Grenzen kommt, kann man ihn mit einem anderen kombinieren: Das Walzplattieren, eigentlich ein längst bekanntes Verfahren, erlebt mit steigenden Ansprüchen der Industrie wieder einen Aufschwung.

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Beim Kaltwalzplattieren werden unterschiedliche Bänder zu einem Band gewalzt. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften bringen sie in den neu entstandenen Werkstoff ein.
Beim Kaltwalzplattieren werden unterschiedliche Bänder zu einem Band gewalzt. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften bringen sie in den neu entstandenen Werkstoff ein.
( Wickeder Westfalenstahl/Markus Heimbach, Hamburg)

„Eigentlich ist alles kaltwalzplattierbar“, erläuterte Dr. Lutz Hofmann, Leiter Produktionstechnologie und Entwicklung der Wickeder Group, auf dem Aachener Stahlkolloquium Umformtechnik, auch wenn man sich bei einigen Kombinationen die Einschränkungen „genauer ansehen muss“. Beim Prozess des Kaltwalzplattierens werden zwei oder mehrere metallische Bandwerkstoffe vor dem Walzspalt einer Anlage zusammengeführt und mit einem hohen Druck kontinuierlich zu einem Verbundwerkstoff kaltpressverschweißt, sodass die dadurch erzielte Haftung eine Weiterverarbeitbarkeit gewährleistet. An das Walzen schließt sich üblicherweise eine Haftungsglühung an, dabei sorgen Diffusionsvorgänge für eine Untrennbarkeit der Materialien.

Weitere Plattierverfahren ergänzen das Kaltwalzplattieren

Dabei gibt es neben dem Kaltwalzplattieren noch andere Verfahren: So erlaubt das Warmwalzplattieren, bei dem die Bänder vor dem Walzen auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs erhitzt werden, eine direkte Prozessintegration und die Kombination hochfester Güten. Allerdings ist bei diesem Verfahren laut Hofmann die Werkstoffauswahl eingeschränkt, da die beiden Metalle ähnliche Schmelzpunkte und ein ähnliches Warmumformverhalten mitbringen müssen. Hinzu komme ein hoher Vorbereitungsaufwand.

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Mit dem Laser- oder dem Vakuumwalzplattieren könne man kleine Umformgrade erreichen, die Nachteile sind jedoch beachtlich: Wegen des Aufwands gebe es keine Volumenproduktion, die Kosten seien hoch und die Verfahren seien unter anderem auf eine geringe Breite beschränkt. „Beide haben sich noch nicht industriell durchgesetzt“, bilanzierte Hofmann.

Beim Sprengplattieren schließlich ist es nach seiner Aussage möglich, Werkstoffe in großen Dicken miteinander zu verbinden, auch kleine Mengen flexibel zu fertigen, hohe Festigkeiten zu kombinieren, und das alles mit einem robusten Verfahren. Nachteile seien eine intensive Nachbearbeitung und ein hoher manueller Aufwand, was zu einer geringen Wirtschaftlichkeit führe.

Viele Kombinationen von Metallen und Legierungen beim Kaltwalzplattieren möglich

Laut Hofmann liegen die Stärken beim Kaltwalzplattieren in der Kombination unterschiedlicher Metalle beziehungsweise Legierungen, der entfallenden Begrenzung durch hohe Temperatur beim Plattieren und der Designvielfalt. Dem stünden ein hoher Kraft- und Arbeitsbedarf bei hohem Umformgrad und eventuelle Schwierigkeiten bei der Wärmebehandlung entgegen. „Hinzu kommt die Korrosion, aber das ist ein Thema für jeden plattierten Werkstoff“, sagte er.

Insbesondere die Möglichkeiten beim Design hob er hervor: Beim Kaltwalzplattieren sei nicht nur eine vollflächige Verbindung der Bandwerkstoffe herstellbar, sondern auch Inlays beziehungsweise Edgelays sowie Corelays. „Mit diesen umschlossenen Kernen umgeht man Probleme im Kantenbereich, da der einplattierte Werkstoff vollkommen verschwindet“, erläuterte Hofmann. Schließlich seien auch noch die Side-to-Side-Plattierungen zu erwähnen: Hierbei würden nebeneinander liegende Bänder miteinander verbunden, was neuartige Anwendungen ermögliche.

Speziell auf das Warmwalzplattieren von Aluminium ging Dr. Kai-Friedrich Karhausen aus der Forschung und Entwicklung von Hydro Aluminium Rolled Products ein. Nach seinen Ausführungen erlaubt es das Warmwalzplattieren von nur einem Werkstoff, wie Aluminium, Produkte mit neuartigen Eigenschaften herzustellen. So kann man eine harte Legierung vor Korrosion schützen oder neue, beispielsweise glänzende, Oberflächen erzeugen. Mit dem Plattieren von Aluminium lässt sich außerdem ein Werkstoff erschaffen, der eine erhöhte Umformbarkeit hat und damit das Tiefziehen von komplizierteren Geometrien ermöglicht, oder einer zum Aufbringen von Lötwerkstoffen. „Auch Drei- oder Fünffachplattierungen sind technisch möglich“, berichtete Karhausen.

Eine neuartige Anwendungsmöglichkeit für warmwalzplattiertes Aluminium seien Wärmetauscher im Auto. „Aluminium eignet sich besonders, da es ein geringes Gewicht hat, gut umformbar ist, eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kühlmedien hat und vor allem eine gute Wärmeleitfähigkeit“, erläuterte der Forscher von Hydro Aluminium.

Warmwalzplattieren von Aluminium schwer beherrschbar

Die Herstellung des plattierten Werkstoffs erfolgt bei dem Hersteller auf konventionellen Walzstraßen. Der Kern besteht aus einem Barren, die Auflage aus vorgewalztem Warmband. „Das einzige Zusatzmaterial, das man zum Plattieren braucht, ergibt sich durch den Paketbau aus Kern und Plattiermaterial“, sagte Karhausen. Allerdings sind beim Walzen verschiedener Legierungs- und Dickenkombinationen die richtigen Walzstrategien zu finden, die ein sicheres schnelles Verschweißen gewährleisten, ohne dass sich die Verbindung in späteren Stichen wieder öffnet und walztechnische Probleme entstehen können. „Der Prozess unterliegt vielen Einflussfaktoren und ist schwer zu beherrschen“, erläuterte der Forscher. Aus diesem Grund hat Hydro Aluminium ein Verbindungsmodell geschaffen und in eine FE-Simulation integriert. „Wir haben ein Modell entwickelt, das die zeitliche und örtliche Entwicklung der Verbindungsfestigkeit beschreibt“, sagt Karhausen.

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Ein ganzes Baukastensystem plattierter Stahlwerkstoffe stellte Dr. Jens-Ulrik Becker von Thyssenkrupp Steel Europe vor. Unter dem Namen Tribond hat der Konzern einen warmwalzplattierten Hybridwerkstoff auf den Markt gebracht, der teurere Werkstoffe einsparen und den Leichtbau voranbringen soll. Das Produkt ist als Grobblech, Warmband oder Kaltband erhältlich und ermögliche ein großes Spektrum an einsetzbaren Werkstoffkombinationen, Schichtfunktionalitäten und Schichtaufbauten. „Letzten Endes haben wir ein Baukastenprinzip zur Einstellung der angestrebten Werkstoffeigenschaften geschaffen“, sagte Becker. Teilweise lassen sich sogar gegensätzliche Merkmale in einem Band vereinen, zum Beispiel hohe Festigkeit und hohe Duktilität bei den Produkten Tribond 1200 und Tribond 1400. Sie bestehen aus einem höchstfesten Stahl im Kern des Bandes und einem leichter verformbaren an den Außenseiten.

Auto verlieren mit plattiertem Stahlwerkstoff an Gewicht

Ein wichtiger Anwendungsbereich für den neuartigen Tribond-Hybridwerkstoff ist der Automobilsektor. Für diese Kundengruppe hat Thyssenkrupp Steel Europe die beiden Produkte entwickelt. Sie ermöglichen es, das Gewicht von Karosserieteilen wie der B-Säule oder dem Längsträger um jeweils etwa 1 kg zu senken. Im Vergleich zu einem konventionellen höchstfesten Stahl erreicht Tribond bei der Duktilität einen um bis zu 150 % vergrößerten Biegewinkel bei vergleichbaren Streckgrenzen und Zugfestigkeiten. Dadurch steigt zum Beispiel bei einem Unfall mit seitlichem Aufprall die Sicherheit der Fahrzeuginsassen, weil die B-Säule sowohl eine hohe Festigkeit bietet als auch viel Energie durch Faltenbildung und eine Verformung des Stahls aufnehmen kann.

Ein Vorteil von Tribond für die Anwender ist zudem die Auslieferung des Werkstoffs als Coil. Bisher waren beim Warmwalzplattieren von Stahl die Liefermöglichkeiten auf Blechtafeln in grobblechtypischen Dicken beschränkt. Den neuartigen Hybridwerkstoff hingegen können die Kunden genauso wie konventionelle Stahlwerkstoffe weiterverarbeiten. Mit Tribond schließt Thyssenkrupp Steel Europe also eine Lücke in seinem Produktportfolio – und ist zudem der einzige Hersteller auf der ganzen Welt mit einem solchen Angebot.

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MM MaschinenMarkt