Steel composites : physical and numerical simulation of cladded steel production

Abstract

This thesis examines steel composite materials produced by hot roll bonding. The layer structure changes mechanical and chemical properties compared to the individual monolithic materials. By the targeted selection of cladding partners, the mechanical parameters of steel composites can be influenced or expensive material can be saved. High-alloy steels are known since decades for cladding on relatively inexpensive steels, e.g. for the usage in pipelines. In order to transfer the stainless, wear resistant properties of the surface, stainless steel is cladded onto carbon (C) steel. The C steel ensures the mechanical strength of the entire component. Simultaneously, the expensive cladding material is economically used. Thinner composite steel applications for the vehicle body (BIW) in automotive sector have recently become state of the art: different steel manufacturers (Benteler, Posco, Thyssen Krupp Steel Europe) pursue varying cladding strategies for improvement of mechanical or surface properties.In the present work, concepts of steel composites are tested on small scale and on industrial-scale. Metal composites with different thicknesses and material combinations are cladded and characterized in terms of their mechanical properties. The composites with press-hardening steels of highest strength as core material and ductile outer layers demonstrate an excellent crash behavior and achieve more energy absorption, compared to monolithic steels.The different compositions of the different layers lead to C diffusion. Consequently, the shifted C content significantly affects the properties of the steel and may counteract the original aim of cladding. Depending on cladding partners and temperature treatment, “uphill diffusion” can be observed. Thus, the diffusion during the production process and heat treatments is simulated using the software tool MatCalc and compared to real test results. In addition, possible diffusion barriers are numerically simulated or tested by experiments. The simulation results explain the measured C distributions very well and they are a reliable help for developing heat treatment cycles for steel composites. Hot roll bonding is a rather complex and, thus, an expensive process. As an alternative manufacturing method for steel composites with ductile outer layer, cold roll cladding is investigated for feasibility. Cold roll cladding of different C steels is successfully demonstrated experimentally for the first time.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit mittels Warmwalzplattieren erzeugten Stahlverbundwerkstoffen. Durch den Schichtaufbau ändern sich sowohl mechanische als auch chemische Eigenschaften gegenüber den einzelnen monolithischen Werkstoffen. Durch die gezielte Materialauswahl werden die mechanischen Kennwerte im Vergleich zum monolithischen Produkt verbessert oder es wird teures Material eingespart. Hochlegierte Stähle werden seit langer Zeit bei Pipelinestählen auf relativ günstige Stähle plattiert, um die rostfreien Eigenschaften der Oberfläche zu übertragen und dennoch mit geringem Materialeinsatz des teuren Auflagenmaterials die mechanische Festigkeit des gesamten Bauteils sicherstellen zu können. Dünnere Verbund-Stahlanwendungen für den Karosseriebau im Automotivbereich sind erst seit kurzem Stand der Technik. Unterschiedliche Stahlverarbeiter (Benteler, Posco, Thyssen Krupp Steel Europe) verfolgen verschiedene Strategien um mittels Plattierens mechanische Eigenschaften oder Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit werden Konzepte zu Stahlverbunden kleintechnisch bzw. großtechnisch erprobt. Die Metallverbunde mit unterschiedlichen Dicken- und Materialkombinationen werden plattiert und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die Verbunde mit presshärtbarem Kern höchster Festigkeit und duktilen Außenlagen zeigen ein ausgezeichnetes Crashverhalten und erhöhen die mögliche Energieaufnahme. Durch die unterschiedlichen Zusammensetzungen der verschiedenen Lagen kommt es zu Kohlenstoffdiffusion. Der geänderte C-Gehalt beeinflusst die Eigenschaften von Stahl massiv und kann die ursprünglichen Ziele der Plattierung konterkarieren. Teilweise kommt es auch zu deutlicher „Bergaufdiffusion“ von C. Die Diffusionsströme während des Produktionsprozesses und Wärmebehandlungen wurden mittels MatCalc simuliert und realen Versuchsergebnissen gegenübergestellt. Auch mögliche Diffusionsbarrieren werden numerisch berechnet bzw. erprobt. Die Simulation erklärt gemessene C-Verläufe sehr gut und ist eine verlässliche Unterstützung, um Temperaturbehandlungszyklen für Stahlverbunde zu entwickeln. Warmes Walzplattieren ist ein sehr aufwendiger und damit teurer Prozess. Als alternative Herstellungsmethode für Stahlverbunde mit duktiler Außenschicht wurde deshalb kaltes Walzplattieren auf technische Machbarkeit untersucht. Das kalte Walzplattieren von unterschiedlichen C-Stählen wurde dabei erstmals erfolgreich durchgeführt. Die Ergebnisse dazu befinden sich im Anhang.