Development of Aluminim/Steel hybrid structures by semisolid forming

Abstract

Weight reduction is the most cost-effective mean to improve fuel economy and greenhouse gas emissions from the transportation sector. Combining steel and aluminum in a hybrid structure will implement the integrated load-supporting of steel with the advantages of aluminum in weight reduction. However, due to the highly differing physical and mechanical properties, metallurgical bonds between these materials are difficult to achieve with traditional welding methods. These differences in properties lead to the formation of hard and brittle intermetallic compounds along the transition line which will significantly decrease the mechanical properties of the joining area. Production of hybrid components by thixoformig of aluminum on steel is a promising method to manufacture near net shape components with good mechanical properties in a single process step. This process allows joining dissimilar materials in semisolid state at lower temperatures than traditional welding methods, causing a decrease in thickness of the intermetallic layer. In this work, the mount of the front cradle of the car was manufactured in different aluminum alloys and joined to a S355JH2 quality steel tube by thixo transverse forging method. The first part of the dissertation focuses on design and simulation of an automotive hybrid structure and the development of a semi-industrial thixoforming cell. Influence of the main processing parameters such as, solid fraction, mold temperature, compaction time and punch speed are studied. In order to determine the optimum process parameters a thorough mechanical and metallographic analysis of the manufactured components is carried out. The second part of the dissertation deals with fundamental research on the formation and evolution of intermetallic phases when joining of AlSiMg alloys to raw and coated steel, at different joining temperatures in the semisolid range. The results reveal that quality hybrid components can be achieved with this forming method.

La reducción de peso es lo más rentable para mejorar la economía de combustible y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes del sector transporte. La unión de ambos materiales permite la creación de nuevas estructuras híbridas que combinan la dureza y resistencia al desgaste de los aceros con la baja densidad de las aleaciones de aluminio. Sin embargo, debido a las propiedades físicas y mecánicas dispares de estos metales, es difícil obtener uniones metalúrgicas con métodos de soldadura tradicionales. Estas diferencias en las propiedades conducen a la formación de compuestos intermetálicos en la intercara que por su naturaleza dura y frágil resultan perjudiciales para su aplicación final. La producción de estructuras híbridas mediante tixoconformado de aluminio sobre acero en un único paso es un proceso prometedor para la fabricación de componentes funcionales con buenas propiedades mecánicas. Este proceso permite unir materiales disimilares en estado semisólido, de forma que la unión de los materiales ocurre a una temperatura inferior que en los métodos tradicionales de soldadura, provocando una disminución del espesor de la capa intermetálica. En el presente trabajo, se ha fabricado un componente real de automoción llamado brazo de la cuna delantera en diferentes aleaciones de aluminio y unido a un tubo de acero de calidad S355JH2. La primera parte de la tesis se centra en el diseño y simulación de una estructura híbrida de automoción y el desarrollo de una célula de tixoconformado semi-industrial. También, se estudia la influencia de los principales parámetros de proceso tales como, fracción sólida, la temperatura del molde, el tiempo de compactación y la velocidad de conformado. Con el fin de determinar los parámetros de proceso óptimos se ha llevado a cabo un exhaustivo análisis mecánico y metalográfico de los componentes fabricados. La segunda parte de la tesis se ocupa de la investigación fundamental de la formación y evolución de las fases intermetálicas que surgen cuando se unen aleaciones AlSiMg con acero en bruto y revestido, a diferentes temperaturas de unión del rango semisólido. Los resultados revelan que es posible obtener componentes híbridos de calidad mediante este proceso de conformado.

Ibilgailuen pisua murrizteak eragin nabarmena du erregai-ekonomian eta garraioaren sektoreko berotegi-efektuko emisioak gutxitzean. Bi material horien elkarteak egitura hibrido berriak sortzeko aukera ematen du, zeinak konbinatzen baitituzte altzairuen gogortasuna eta higadurarekiko erresistentzia aluminio-aleazioen dentsitate txikiarekin. Nolanahi ere, konplexua da material desberdinen arteko elkarteak sortzea, ezaugarri desberdinak baitituzte. Ohiko aluminio-altzairu soldaduren kasuan, aluminiotan aberatsak diren metal arteko konposatuak sortzen dira; baina gogorrak eta hauskorrak direnez, kaltegarriak dira azken aplikaziorako. Bestalde, halako elkarte-teknologiek muga handiak dituzte egitura mistoaren geometriari dagokionez. Altzairuaren gaineko aluminiozko egitura hibridoak tixokonformazio bidez urrats bakarrean ekoiztea etorkizun handiko prozesua da propietate mekaniko onak dituzten osagarriak lortzeko. Prozesu honen bidez, material desberdinak elkartu daitezke bestelako soldadura-prozezuetan baino tenperatura baxuagoan eta, horrela, sortutako metalen arteko geruzaren lodiera murrizten da. Lan honetan, aluminiozko aleazio ezberdinen eta 355JH2 kalitatezko altzairuen arteko forja inguruko erdisolidoaren lotura-prozesuaren teknologia garatu da, automobil-industriarako prestazio handiko segurtasun-osagaien ekoizpenean erabili ahal izateko helburuarekin. Tesiaren lehen atalaren ardatza izan da ibilgailuetarako egitura hibrido bat diseinatzea eta simulatzea, eta tixokonformazio erdiindustrialeko zelda bat garatzea. Halaber, prozesuko parametro nagusien eragina aztertu da; besteak beste, hauena: frakzio solidoa, moldearen tenperatura, trinkotze-denbora eta konformazio-abiadura. Prozesuko parametro optimoak zein diren zehazteko, ekoitzitako osagaien analisi mekaniko eta metalografiko sakona egin da. Tesiaren bigarren atalean, bestalde, AlSiMg aleazioak altzairu gordinarekin eta estalduradunarekin elkartzean sortzen diren fase intermetalikoen formazioaren eta eboluzioaren oinarrizko ikerketa egin da. Emaitzek agerian utzi dute posible dela kalitateko osagai hibridoak lortzea konformazio-prozesu honen bitartez.