Cold Formable Magnesium Alloy Combined with Forming Stable Anti-Corrosion Powder Coating
Verfasser:
M. Sc. Peter Scholz, Dipl.-Ing. Serhii Vakulenko, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Dr. José Victoria-Hernández, Dr. Dietmar Letzig, Helmholtz-Zentrum Hereon GmbH, Institut für Material- und Prozessdesign, Geesthacht - Dr. rer. nat. Michaela Gedan-Smolka, Dipl.-Ing. Marcel Tuschla, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. - Dr. Lech Kwiatkowski, Łukasiewicz Research Network – Warsaw Institute of Technology, Institute of Precision Mechanics
256 Seiten - 130,00 EUR (sw, 215 teils farbige Abb., 92 Tab.)
ISBN 978-3-86776-672-2
Summary
As part of the European joint research project (funding variant CORNET), an interdisciplinary research effort was undertaken at four research centers in two European countries. The primary objective was to develop an innovative lightweight material system that combines a cold-formable magnesium sheet alloy with a post-formable coating for multiaxial forming operations, providing both corrosion protection and lubrication in a single solution.
The project commenced with the development of a material system centered around an optimized magnesium sheet alloy, designed to be easily formed at room temperature.
Subsequently, the formable Mg sheet was coated with an effective layer of corrosion protection, ensuring its functionality even after the forming process. This surface/corrosion protection was achieved using a novel, forming stable powder coating, which could be applied in a coil coating process right after the final rolling pass and then thermally cured. To enhance the material's tribological properties during forming, additional additives were integrated into the powder coating formulation. This innovative approach aimed to eliminate the need for separate lubricants in cold forming operations.
To evaluate the lightweight material system realistically, a real-scale demonstrator part was manufactured to replace the original aluminum alloy and lubrication. An economic analysis based on this demonstrator part revealed that the CoFoMag approach could sig-nificantly reduce manufacturing costs compared to conventional warm forming of commercially available Mg-alloys. Specifically, the CoFoMag approach resulted in almost a two-fold cost reduction, making it a promising and economically viable alternative.
In summary, the following goals were achieved:
- improvement of 54 % in RT formability of the ZEWK alloy in comparison to the state-of-the-art ZE10 alloy
- excellent stretch forming behavior at RT of the lightweight system due to significant the reduction of friction by integrating a self-lubrication function into the powder coating
- There are no significant differences of the production of the ZEWK alloy in comparison to the production and processing of conventional Mg alloys
- Improved corrosion resistance could be reached by using Chemetall X surface preparation.
- 40 % reduction in manufacturing costs compared to the use of conventional alloys which require tempered forming processes and coated after forming
With the gained knowledge, the lightweight potential of magnesium sheet metal alloys can be used for a broader range of industrial applications, especially produced by SMEs. In comparison to the conventional production process of magnesium sheet components, the new combination of protection layer and cold formable magnesium sheet will also save energy and reduce chemicals and waste in the production process, because of the low forming temperature and the saved removal of temporary coatings/oils/lubricants from the sheet during transportation and processing.
The targeted systematic studies on the forming behavior and the component properties of the new material system open up new and sustainable solutions at SMEs for an intelligent lightweight construction and their implementation in large-scale production. Therewith the current trend to reduce CO2-emissions, reducing waste and saving of process steps by lean process chains, e.g. in the automotive industry and its suppliers (SMEs), is taken into account.
Förderhinweis
The publication "Cold Formable Magnesium Alloy Combined with Forming Stable Anti-Corrosion Powder Coating" (Kaltverformbare Magnesiumlegierung kombiniert mit einer umformstabilen Korrosionsschutzbeschichtung auf Pulverlackbasis) shows the results of the industrial research project EFB/AiF-Nr: 289EBG, that was supervised by the EFB European Research Association for Sheet Metal Working (Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V.) Hannover.
The project was supervised by the EFB. In the scope of the CORNET - European Research Programme it was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action via the Federation of Industrial Research Associations (AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V.) on the basis of a decision by the German Bundestag. The results are edited by EFB-Verlag as EFB-Research Report No. 603.
Zusammenfassung
Im Rahmen des europäischen Verbundforschungsprojekts (Fördervariante CORNET) wurde eine interdisziplinäre Forschungsarbeit an vier Forschungszentren in zwei europäischen Ländern durchgeführt. Hauptziel war die Entwicklung eines innovativen Leichtbau-Werkstoffsystems, das eine kaltverformbare Magnesiumblechlegierung mit einer umformstabilen Beschichtung kombiniert, die sowohl Korrosionsschutz als auch Schmierung in einem ist.
Der Ansatzpunkt des Projekts war die Entwicklung eines Werkstoffsystems, in dessen Mittelpunkt eine optimierte Magnesiumblechlegierung steht, die sich bei Raumtemperatur leicht umformen lässt. Anschließend wurde das umformbare Mg-Blech mit einer wirksamen Korrosionsschutzschicht überzogen, die ihre Funktionalität auch nach dem Umformprozess beibehält. Dieser Oberflächen-/Korrosionsschutz wurde durch eine neuartige, umformstabile Pulverbeschichtung erreicht, die in einem Coil-Coating-Verfahren direkt nach dem letzten Walzstich aufgebracht und anschließend thermisch ausgehärtet werden kann. Um die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung während der Umformung zu verbessern, wurden zusätzlich Lubricants in die Pulverlackformulierung integriert. Mit diesem innovativen Ansatz kann im Idealfall komplett auf Schmierstoffe verzichtet werden.
Um das Leichtbauwerkstoffsystem realistisch zu bewerten, wurde ein Demonstratorbauteil im realen Maßstab hergestellt, bei dem die ursprüngliche Aluminiumlegierung und die Schmierung ersetzt werden. Eine auf diesem Demonstratorteil basierende Wirtschaftlich-keitsanalyse ergab, dass der CoFoMag-Ansatz die Herstellungskosten im Vergleich zur konventionellen Warmumformung von handelsüblichen Mg-Legierungen erheblich senken kann. Konkret führte der CoFoMag-Ansatz annähernd zu einer Halbierung der Produktionskosten, was ihn zu einer vielversprechenden und wirtschaftlich tragfähigen Alternative macht.
Zusammengefasst wurden die folgenden Ziele erreicht:
- Verbesserung der Umformbarkeit der Mg-Legierung (ZEWK) bei Raumtemperatur um 54 % im Vergleich zum Stand der Technik (ZE10-Legierung)
- Hervorragendes Streckziehverhalten des Leichtbausystems bei RT durch signifikante Reibungsreduzierung durch die Integration der Selbstschmierfunktion in die Pulverlackbeschichtung
- Keine signifikanten Unterschiede bei der Herstellung der ZEWK-Legierung im Vergleich zur Herstellung und Verarbeitung herkömmlichen Mg-Legierung
- Durch die Verwendung der „Chemetall X" Oberflächenvorbereitung konnte eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit erreicht werden
- Reduzierung der Produktionskosten um 40 % im Vergleich zur Warmumformung kommerziell verfügbarer Mg-Legierungen mit anschließender Beschichtung
Mit den gewonnenen Erkenntnissen kann das Leichtbaupotenzial von Magnesiumblechlegierungen für ein breiteres Spektrum industrieller Anwendungen genutzt werden, die insbesondere von KMU hergestellt werden. Im Vergleich zum konventionellen Herstellungsprozess von Magnesiumblechbauteilen spart die neue Kombination aus Schutzschicht und kaltumformbarem Magnesiumblech Chemikalien, Energie, Prozessschritte und reduziert den Abfall im Produktionsprozess, da die Umformtemperatur niedrig ist und temporäre Beschichtungen/Öle/Schmierstoffe während des Transports und der Verarbeitung nicht mehr vom Blech entfernt werden müssen.
Die gezielten systematischen Untersuchungen zum Umformverhalten und zu den Bauteileigenschaften des neuen Werkstoffsystems eröffnen KMU neue und nachhaltige Lösungen für einen intelligenten Leichtbau und deren Umsetzung in der Großserie. Damit wird dem aktuellen Trend zur Reduzierung von CO2-Emissionen und Abfallvermeidung, z. B. in der Automobilindustrie und deren Zulieferern, Rechnung getragen.
Die Ziele des Forschungsprojekts wurden erreicht.
Table of Content
Summary
List of Figures
List of Tables
List of Abbreviations and Symbols
1 State of the Art and Research
2 Scientific-and technical approach
2.1 The scientific and Economic Problem
2.2 Research Objectives
2.3 Innovation Target
2.4 Work Outline
3 Results in Detail
3.1 Specification of requirements (HEREON/IWU)
3.2 Alloy Design and Sheet Metal Production (Hereon)
3.2.1 Twin roll casting of Mg alloys (Hereon)
3.2.2 Thermodynamic calculations of alloy compositions (Hereon)
3.2.3 Thermomechanical treatments (Hereon)
3.2.4 Microstructural Analysis (Hereon)
3.2.5 Alloy composition optimization (Hereon)
3.3 Coating development und Surface Pretreatment (IPF/Ł-WIT)
3.3.1 Preliminary investigations for the selection of a suitable powder coating base formulation and metal pretreatment for coating development (IPF)
3.3.2 Powder coating screening for the implementation of an additional lubricating function into the coating film
3.3.3 Extended investigation of preferred powder coating samples
3.3.4 Powder coatings for demonstrator applications (IPF)
3.3.5 Development of a novel surface pretreatment layer (Ł-WIT)
3.3.6 Up-scaling, characterization and application of preferred powder coating systems (Ł-WIT)
3.4 Material characterization and Forming Tests in Laboratory Scale
3.4.1 Mechanical Characterization sheet material (IWU, Hereon)
3.4.2 Forming test in laboratory scale (IWU, Hereon)
3.4.3 Analysis of the corrosion behavior of the novel lightweight material system (Ł-WIT)
3.5 Tribological Characterization and Wear Tests
3.5.1 Abrasion resistance test (Ł-WIT)
3.5.2 Ball-on-Disk tests (Ł-WIT)
3.5.3 Flat strip drawing tests (IWU)
3.6 Technology Demonstrator
3.6.1 Process chain design (HEREON, IPF, IWU)
3.6.2 Demonstrator manufacturing (IWU)
3.6.3 Testing of Demonstrator
3.7 Economic Evaluation
3.7.1 Comparison of existing and CoFoMag-process chain (all)
3.7.2 Conclusions and recommendations for future use of the CoFoMag process chain (all)
4 Scientific-technical and economic benefits for SME
5 References
6 Appendix
6.1 Appendix A1 - Results for Bending radius R = (5/ 8) mm at elevated temperatures
6.2 Appendix A2 - Bending forces for radius R = (2/ 5/ 8) mm at elevated temperatures
6.3 Appendix A3 - Deep drawing trials with tribo-powder coated Mg-sheets – dry
6.4 Appendix A4 - Deep drawing trials with tribo-powder coated Mg-sheets - lubricated
6.5 Appendix A5 – Evaluation matrix powder coatings
6.6 Appendix A6 – Mechanical film properties and appearance of powder coatings in the presence of commercially lubricants
