Plattiert in Serie

Future/Leichtbau

Eine neue Gießtechnik für Walzbarren ersetzt nicht nur das bislang verwendete Walzplattieren, sondern erschließt darüber hinaus auch ganz neue Anwendungen für Aluminiumbleche. In Automobilen der Oberklasse wird das Material bereits erfolgreich eingesetzt.

19. März 2013
7er-BMW: Dank der dämpfenden Eigenschaften konnte auf separate Fensterrahmen verzichtet werden.
Bild 1: Plattiert in Serie (7er-BMW: Dank der dämpfenden Eigenschaften konnte auf separate Fensterrahmen verzichtet werden.)

Aluminium ist ein sehr vielseitiges Material. Über die Zusammensetzung, die Wärmebehandlung und mit einer zweckmäßigen Bearbeitung lässt sich das Eigenschaftsspektrum des Werkstoffes in weiten Grenzen beeinflussen. Dennoch: Beliebig miteinander kombinieren lassen sich die verschiedenen Materialeigenschaften nicht.

Wo die Legierungs- und Wärmebehandlungstechnik ihre Grenzen erreicht, kann plattiertes Bandmaterial weiterhelfen. In der Luftfahrt beispielsweise werden plattierte Bleche für die Außenhaut der Flugzeuge seit langer Zeit verwendet. Dazu werden die bis zu 30 t schweren, stranggegossenen Walzbarren aus einer hochfesten Legierung plangefräst, ein- oder beidseitig mit gleichfalls spanend bearbeiteten dünneren Platten aus korrosionsbeständigem Aluminium belegt und mit diesen gemeinsam ausgewalzt. Das fertige Produkt besitzt einen Kern aus hochfestem Material und eine dünne, hoch korrosionsbeständige Oberfläche.

Ein neues Gießverfahren für Verbundwerkstoffe

Für die Großserienanwendung ist dieses umständliche Verfahren nicht wirklich praktikabel. Gleichwohl existiert ein Bedarf für einen Werkstoffverbund, dessen Eigenschaften sich derart freizügig miteinander kombinieren lassen. Vor allem in der Automobilindustrie könnte es den Spielraum für den Aluminiumeinsatz deutlich erweitern. Eine technisch brauchbare Lösung des Problems wurde vor etwa fünf Jahren von Novelis, ein Weltmarktführer für Aluminium-Flachprodukte, erstmalig vorgestellt. Unter der Bezeichnung ›Novelis Fusion‹ wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die gewünschte Materialkombination bereits in der ersten Verarbeitungsstufe, beim Gießprozess, gelingt. Dem Walzwerk steht damit ein homogen aufgebautes Vormaterial zur Verfügung, das aus mehreren Schichten besteht. Der Schichtaufbau bleibt in dem durch Warm- und Kaltwalzen erzeugten Band und auch bei der Weiterverarbeitung erhalten. Auf diese Weise erhält man Bleche mit schwierig oder gar nicht zu kombinierenden Materialeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Umformbarkeit oder Oberfläche.

Die neue Technologie basiert auf dem herkömmlichen Stranggussprozess, bei dem Flüssigmetall in eine Kokille eingefüllt wird, deren Boden kontinuierlich gesenkt wird. Beim Senken in die Gießgrube erstarrt das Material von der Oberfläche ausgehend.

In Abwandlung dieses konventionellen Verfahrens sind bei der Fusion-Kokille eine oder mehrere zusätzliche Kühlkammern vorgesehen. Im Gießprozess kommt es darauf an, die verschiedenen Flüssigmetall- und Kühlmittelströme so zu steuern, dass die Erstarrung wunschgemäß erfolgt. Dazu ist die Fusion-Gießeinrichtung mit einem System von Füllstands- und Durchflusssensoren ausgerüstet. Der entscheidende Punkt ist die präzise Steuerung der Temperatur. Um eine homogene metallurgische Verbindung zu erreichen, müssen die zu verbindenden Partner im teigigen Zustand zwischen Liquidus- und Solidustemperatur vorliegen.

Metallurgisch ›saubere‹ Grenzflächen

Das gleichzeitige Gießen der verschiedenen Legierungen führt zu einer sehr gleichmäßigen metallurgischen Verbindung an der Grenzfläche – ohne Oxideinschlüsse, Porositäten oder Fehlstellen anderer Art.

Detaillierte Untersuchungen haben gezeigt, dass sich an der Grenzfläche intermetallische Verbindungen ausbilden, sodass tatsächlich ein metallurgischer Verbund entstanden ist. In diesem Punkte unterscheidet sich die Fusion-Technik vom Walzplattieren, bei dem die Verbindung lediglich durch Diffusionsvorgänge infolge von Druck und Wärme erzeugt wird.

Die Weiterverarbeitung eines solchen Materials unterscheidet sich deshalb in keiner Weise von der eines monolithischen Walzbarrens. Das Material wird zunächst bis zu einer Dicke von wenigen Millimetern warm ausgewalzt und anschließend durch Kaltwalzen auf die gewünschte Enddicke gebracht. Die unproblematische Verarbeitung auf vorhandenen Walzanlagen ist ein entscheidender Vorzug.

Produktion auf drei Anlagen

Der Prototyp einer solchen Gießanlage ging im März 2006 im amerikanischen Oswego (NY) in Betrieb. Die Gießeinrichtung besitzt eine Kapazität von 70000 Tonnen jährlich. Es zeigte sich, dass die Industrie auf das neue Material nicht vorbereitet war. Die erforderliche Produktentwicklung, Planungsvorlauf, Umstellungen, et cetera benötigen Zeit. Das macht verständlich, dass spektakuläre Verwendungen zunächst ausblieben. Am schnellsten gelang in den USA die Umstellung von Lötmaterial für Wärmetauscher vom sogenannten Roll Bonding auf plattiertes Blech.

Immerhin konnte die Praxistauglichkeit der neuen Technologie eindeutig nachgewiesen werden. Das führte zum Bau einer zweiten Anlage, die im Jahre 2008, zunächst mit gleicher Kapazität, im schweizerischen Sierre errichtet wurde. Diese Anlage wurde inzwischen aufgerüstet und besitzt heute eine Kapazität von 130000 Jahrestonnen. Auf dieser Anlage kann heute eine breite Palette sehr hochwertiger Aluminiumbleche für die Automobilindustrie und andere Spezialanwendungen hergestellt werden. Später folgte eine dritte Anlage für den asiatischen Raum in Ulsan, Korea. Wenn die hohen Erwartungen an dieses Verfahren Realität werden sollen, muss der Durchbruch in der Automobilindustrie gelingen. In der Experimentierphase der ersten Jahre wurden deshalb von Beginn an potenzielle Automobilanwendungen untersucht.

Einsatz im Automobil

Zu den ersten Zielrichtungen gehören Materialverbunde aus einem hochfesten Kernmaterial und einer sehr gut umformbaren Oberflächenschicht. Ein solcher Materialverbund löst beispielsweise das Problem des Falzens höherfester Aluminiumbleche (die unglücklicherweise nur mäßig umformbar sind) um enge Radien. Es zeigte sich, dass durch den Einsatz solcher Verbundmaterialien die Blechdicke um ungefähr zehn Prozent reduziert werden konnte.

Eine andere Entwicklung befasst sich mit Materialkombinationen aus einem Kernwerkstoff, der die geforderten mechanischen Eigenschaften mitbringt, und einer Deckschicht aus einer Legierung, die den geforderten Korrosionsschutz besitzt.

Einer der ersten Anwender war BMW. Für die neue BMW-7er-Limousine werden mehrschichtige Bleche für Leichtbau-Türkomponenten eingesetzt. Bei dieser Anwendung ist das Material in doppelter Hinsicht von Vorteil: Einmal verbindet es, wie erwähnt, ein gutes Umformvermögen mit hoher Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus ist es damit möglich, den Fensterrahmen in die Türkonstruktion zu integrieren. Das mehrlagige Material besitzt die Dämpfungseigenschaften, die benötigt werden, um bei hohen Fahrgeschwindigkeiten Geräusche und Vibrationen wirksam zu dämpfen. Weil das mit einlagigen Blechen nicht gelingt, mussten vordem Press- oder Gussteile für die Rahmenkonstruktion eingesetzt werden.

Audi setzt dieses Material für Strukturbauteile des Modells A8 ein. Dazu gehören der komplette Bodentunnel sowie verschiedene Verstärkungen. In diesem Falle kommt es darauf an, die Festigkeit der Last tragenden Fahrzeugkomponenten um 25 Prozent zu erhöhen. Dieses Ziel wurde mit Fusion-Blechen beim Bodentunnel erreicht. Insgesamt konnte auf diesem Wege das Fahrzeuggewicht reduziert werden.

Gute Perspektiven

Derzeit arbeitet Novelis mit verschiedenen Kunden aus der Automobilindustrie, aber auch aus anderen Branchen, an neuen konstruktiven Lösungen. Diese sind nach Auskunft des Unternehmens zum Teil weit fortgeschritten, teilweise – wie bei Jaguar – auch in die Serie eingeflossen.

Die zukünftigen Perspektiven beurteilt Roland Harings, General Manager Automotive & Specialities bei Novelis Europe in Zürich, als sehr gut. Das Interesse seitens der Anwender sei nach wie vor lebhaft, sodass das Unternehmen von einer kontinuierlichen Steigerung der Produktion ausgehen kann.

Dr. Peter JohneFreier Fachjournalist aus Haan und ehemaliger Chefredakteur

Hintergrund

Die Geschichte von Novelis ist geprägt von einer einzigartigen Kombination aus Neuem und Bewährtem. Das 2005 als Ausgliederung des Aluminiumherstellers Alcan Inc. gegründete Unternehmen ist ein junges, wachstumsorientiertes Unternehmen, das dennoch auf eine 90-jährige Erfahrung in der Herstellung von Aluminium-Walzprodukten zurückblicken kann.

Erschienen in Ausgabe: 02/2013