Roduction and characterization of steel sandwich structures with aluminum foam core

Abstract

The present work describes the results carried out in the manufacture of sandwich panels with stainless steel (SS) AISI 316 skins and an aluminium alloy AISI 10 foam core. Sandwich structures with a core of AI or AI alloys are often realized by ex-situ bonding, i.e. adhesive are employed for joining foam to external sheets. This method is easy to apply, however it entails a strength reduction when temperature increases, which results in serious problems during recycling and high costs. Another approach is the in-situ bonding, which involves the preliminary joining of the skins to the foam precursor to make the composite structure. This composite, once submitted to the foaming heat treatment, achieves the final Foam Sandwich by metallurgical bonding. In this study, a new method to obtain in-situ bonding between the Stainless Steel (SS) skins sheets and the aluminium foam core is described. The first part of this work has focused on the production of sandwich of small size: 20 × 20 mm. The production of the sandwich was done in two steps. The first step is the manufacture of the composite precursor, by both hot and cold pressing. The Composite precursor was made, using two sheets of (SS) for the skins and a foamable precursor of AISI 10 placed in middle. Great importance in the manufacture of such a composite lies in surface finishing, consisting in the middle removal of the surface oxide layer by mechanical and chemical treatments. As shown in Fig. 2 (a-b) as a function of the procedure of preparation, bad or good preliminary bonding have been obtained. During the second step, the composite precursor was then foamed in the oven at 640 °C. In this step the pore walls at the interface make a metallurgical joint with the steel surface, as shown by the concentration profile of the chemical elements at the interface (Fig. 4, Fig. 5).

Full text

La Metallurgia Italiana - n. 2/2015 3
Schiume metalliche
Realizzazione e caratterizzazione di strutture
sandwich di acciaio con core in schiuma di Al
S.K. Balijepalli, G. Barbieri, S. Kaciulis, G. Lapi, R. Montanari, M.E. Tata
S.K. Balijepalli, S. Kaciulis
ISMN – CNR,
P.O. Box 10, 00015 Monterotondo Stazione, Roma
G. Barbieri
ENEA, CR Casaccia
00123 Santa Maria di Galeria, Roma
S.K. Balijepalli, G. Lapi, R. Montanari, M.E. Tata
Dipartimento di Ingegneria Industriale,
Università di Roma - Tor Vergata, 00133 Roma
Il presente lavoro descrive i risultati ottenuti nella realizzazione di pannelli a struttura sandwich costituiti da
pelli in acciaio AISI 316 e un core in schiuma di lega AlSi10. In particolare descrive una metodologia per la
realizzazione del legame metallurgico tra pelli e core durante il processo produttivo. La produzione dei pannelli,
è stata effettuata in due fasi: nella prima fase è stato realizzato un precursore composito, per la cui realizzazione
sono stati valutati diversi metodi di pressatura, sia a caldo che a freddo, formato dalle pelli di acciaio e da un core
costituito da un precursore schiumabile in lega AlSi10; nella seconda fase, il composito è stato fatto schiumare in
forno a 640 °C. L’interfaccia acciaio - schiuma in AlSi10 è stata studiata attraverso microscopia SEM, microanalisi
EDS e spettroscopia XPS. I risultati rivelano una interfaccia tra pelli e core di circa 40 µm in cui è avvenuta
l’interdiffusione delle specie chimiche presenti nell’acciaio e nella lega AlSi10.
Keywords: Acciaio Inox - Alluminio e leghe - Metallurgia delle polveri - Trattamenti superficiali -
Microscopia elettronica
INTRODUZIONE
Le schiume di Al sono oggi utilizzate per la produzione di
pannelli AFS (Aluminium Foam Sandwich) o altri compo-
nenti di forma complessa [1,2]. I pannelli AFS possono
ritenersi i componenti di maggior interesse dal punto di
vista strutturale tra quelli realizzabili con schiume metal-
liche: essi sono costituiti da un core in schiuma e da due
sottili pelli esterne realizzate sia in leghe di Al sia in al-
tre leghe (acciai, Cu etc.), il cui assemblaggio permette la
realizzazione di componenti dall’elevata rigidezza flessio-
nale ed alta capacità di assorbimento di urti e vibrazioni
[3-5]. Tali caratteristiche meccaniche, associate alle doti
di estrema leggerezza, rendono questi materiali partico-
larmente interessanti nell’ambito dei trasporti, sia come
assorbitori di energia (resistenza passiva) sia nello svi-
luppo di strutture ad elevata rigidezza e peso ridotto che
possono contribuire alla realizzazione di vettori leggeri e
a basso impatto ambientale [6]. Alcuni esempi di applica-
zioni commerciali in ambito automobilistico riguardano le
strutture di assorbimento urti per l’Audi Q7 e componenti
di rinforzo del frame della Ferrari Spider 430 realizzate in
schiuma di Al [7].
Strutture sandwich con un core di schiuma di Al o leghe di
Al sono spesso realizzate mediante ex - situ bonding, cioè
si usano degli adesivi per unire schiuma e lamiere esterne.
Questo metodo è di facile applicazione, ma compromette la
stabilità a temperatura elevata e comporta la riduzione della
resistenza, gravi problemi di riciclaggio e costi elevati [1].
Un percorso alternativo consiste nell’espandere il precur-
sore della schiuma tra due fogli mantenuti alla distanza di
progetto finale. In questo caso l’adesione avviene come
conseguenza del processo di schiumatura stesso (bonding
metallurgico) [8].
Un altro approccio con bonding in-situ comporta la preli-
minare adesione della pelle al precursore per formare un
composito che viene poi sottoposto a schiumatura in appo-
siti forni [9]. Questo lavoro descrive alcuni risultati conse-
guiti nel quadro di un progetto finalizzato alla realizzazione
di materiali leggeri per applicazioni nel settore dei trasporti.
In particolare i pannelli sono stati prodotti realizzando una
struttura composita costituita da due pelli di acciaio ed una
parte interna formata dal precursore schiumabile in lega
ASi10. Il composito è stato riscaldato e fatto schiumare in
forno a 640°C. Durante il processo di schiumatura si in-
staura il legame metallurgico tra le pareti delle bolle della
schiuma e la superficie dell’acciaio. La giunzione tra accia-
io e precursore schiumabile nel composito e nel sandwich
finale son state studiate mediante microscopia SEM. L’in-

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Memorie
terdiffusione degli elementi di lega attraverso la giunzione
è stata analizzata mediante EDS e XPS.
MATERIALI
Per la pelle dei sandwich in schiuma di lega AlSi10 sono
stati considerati diversi tipi di acciai. Sulla base di dati di
letteratura e data la capacità di resistenza a corrosione,
la scelta è caduta sull’acciaio inossidabile austenitico AISI
316.
Per la campagna sperimentale è stato utilizzato un precur-
sore commerciale in lega AlSi10 con 0,8 % di TiH2 prodotto
da Alulight. Il precursore si presenta in forma di barrette
a sezione rettangolare ottenute mediante estrusione. L’im-
magine SEM del precursore è mostrata in Fig. 1. L’origine
riferimento non è stata trovata.
PROCEDURE SPERIMENTALI PER CAMPIONI
DI PICCOLE DIMENSIONI
Per promuovere la formazione del legame pelle - precur-
sore, sono stati provati sia processi di pressatura a caldo
che a freddo su campioni di dimensione ridotta, fino a 20
mm x 20 mm. Sono state effettuate prove variando la tem-
peratura (con temperature sempre inferiori a 400°C) e la
pressione esercitata. Sia a caldo che a freddo, i risultati
migliori sono stati ottenuti per le pressioni più basse, fino
a 450 MPa. Utilizzando pressioni elevate si hanno defor-
mazioni plastiche maggiori quindi, avendo l’acciaio e il pre-
cursore di lega AlSi10 caratteristiche meccaniche molto
diverse, con P > 450 MPa si originano fenomeni di distac-
co tra pelle e core del sandwich. Per i risultati migliori e
meglio riproducibili si è ritenuto che la pressatura a fred-
do, applicando pressioni tali da non indurre deformazione
plastica, sia il processo più affidabile per la realizzazione
del precursore composito, in quanto permette di operare
Fig. 1: Micrografia SEM della sezione del precursore
commerciale in lega AlSi10. Si notano le particelle di
SiC (grigio chiaro) disperse nella matrice e la presenza
di porosità residua.
Fig. 1: SEM image of the AlSi10 alloy commercial
precursor. There are SiC particles (light gray) dispersed in
the matrix and the presence of porosity.
Fig. 2(a-b): Interfaccia pelle d’acciaio - precursore in lega AlSi10 realizzata: a) senza una buona finitura delle
superfici; b) con una opportuna finitura delle superfici.
Fig. 2(a-b): “Steel skin” – “AlSi10 alloy precursor” interface made: a) without a good surface treatment; b) with a good
surface treatment.
a) b)
con presse di laboratorio anche nella produzione di lastre
di dimensioni maggiori.
Le superfici di acciaio che vengono a contatto con il pre-
cursore schiumabile sono state attivate mediante grinding
omogeneo con carte abrasive (da grit 220 fino a grit 1200)
e sgrassatura mediante acetone. Per limitare l’ossidazione
durante l’esposizione del composito a temperature elevate
le superfici di interfaccia sono state ricoperte da un sottile
strato di disossidante. Il disossidante utilizzato è un pro-
dotto commerciale per la brasatura dell’alluminio e delle
sue leghe (FB 201). Questo trattamento permette di rimuo-
vere lo strato di ossido originale e di limitare l’ossidazione
durante l’esposizione a temperature elevate delle superfi-
ci, si evita in questo modo l’insorgere di zone adiacenti di

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Schiume metalliche
cattiva aderenza tra acciaio e schiuma in lega di Al.
Le immagini in Fig. 2 (a-b) mostrano due esempi di interfac-
cia acciaio - precursore di lega AlSi10; la prima (a) realizza-
ta senza il trattamento di finitura superficiale che evidenzia
una elevata presenza di porosità all’interfaccia; la seconda
(b) realizzata con il trattamento di finitura superficiale in cui
si notano le superfici coese e l’assenza di vuoti.
I precursori compositi così realizzati sono stati schiumati
in forno alla temperatura di 640°C.
ANALISI SEM E EDS
In Fig. 3 sono mostrati i profili di concentrazione degli
elementi chimici presenti all’interfaccia acciaio - precur-
sore relativi al campione di Fig. 2 b) prima del processo di
schiumatura.
Come si nota non siamo ancora in presenza di un vero
e proprio legame metallurgico forte in quanto non è pre-
sente interdiffusione degli elementi chimici fra la pelle di
acciaio ed il precursore schiumabile.
In Fig. 4 è riportata l’immagine SEM dell’interfaccia pelle
d’acciaio - schiuma di lega AlSi10 ottenuta dopo il proces-
so di schiumatura, mentre in Fig. 5 sono riportati i profili di
concentrazione degli elementi chimici presenti nell’acciaio
e nella schiuma di lega AlSi10.
Dopo la schiumatura si osserva come la variazione dei
profili di concentrazione degli elementi chimici presenti,
in particolar modo del Fe, Al, Cr e Ni, sia più estesa in am-
Fig. 3: Profili di concentrazione degli elementi chimici
all’interfaccia “acciaio-precursore schiumabile in lega
AlSi10” prima della schiumatura.
Fig. 3: Concentration profiles of the chemical elements
at the interface “steel- AlSi10 foamable precursor alloy”
before foaming.
Fig. 4: Interfaccia pelle d’acciaio - schiuma di lega
AlSi10 realizzata dopo il processo di schiumatura a
640°C.
Fig. 4: Interface steel skin - AlSi10 foam, realized after the
foaming process at 640°C.
Fig. 5: Profili di concentrazione degli elementi chimici
all’interfaccia “acciaio-precursore schiumabile in lega
AlSi10” dopo la schiumatura.
Fig. 5: Concentration profiles of the chemical elements at
the interface “steel- AlSi10 foamable precursor alloy” after
foaming.
piezza e graduale. Ciò evidenzia una buona interdiffusione
degli elementi di lega fra i due materiati, a dimostrazione
dell’avvenuto legame metallurgico.
SCALE UP A DIMENSIONI 100 mm x 100 mm
Dopo lo studio effettuato su campioni di dimensioni 20
mm x 20 mm l’obiettivo è stato verificare la possibilità di
applicare la tecnica a componenti di maggiore dimensio-

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Memorie
ne, fissando come target la realizzazione di una mattonel-
la in composito acciaio inossidabile - precursore in lega
AlSi10 di dimensioni 100 mm x100 mm. Il composito è
stato realizzato rifinendo le superfici di acciaio inossida-
bile come descritto precedentemente ed unendo diverse
barrette di precursore schiumabile tramite la pasta disos-
sidante. Il tutto è stato pressato a freddo applicando una
pressione di 50 MPa. Il composito così realizzato è stato
fatto schiumare in forno ad una temperatura di 640°C. In
Fig. 6 è mostrato il precursore assemblato e l’andamento
della temperatura e dello spostamento della superficie su-
periore della mattonella registrato da un trasduttore laser
durante il processo di schiumatura in forno.
In Fig. 7 è mostrata la sezione del pannello così ottenuto.
ANALISI SEM E EDS
Il pannello AFS (100 mm x 100 mm) è stato poi esaminato
con microscopia elettronica SEM e microanalisi EDS per
valutare la qualità del bonding tra pelle e schiuma. La Fig.
Fig. 6: a) precursore composito acciaio - precursore
AlSi10; b) Andamento della temperatura e
dell’espansione del composito durante il processo di schiumatura. tc1, tc2, tc3: termocoppie di controllo.
Fig. 6: a) Composite structure made of two sheets of steel and an inner part of a AlSi10 foaming precursor; b) Graphs of
the temperatures and precursor expansion profile during the foaming process.
a) b)
Fig. 7: Sezione del pannello ottenuto con schiumatura
del precursore composito mostrato in Fig. 6 a).
Fig. 7: Section of the panel achieved after the foaming
process of the composite precursor showed in Fig. 6 a).
Fig. 8: Micrografia SEM dell’interfaccia fra schiuma di
AlSi10 e pelle di acciaio su campioni 100 mm x 100 mm.
Fig. 8: SEM image of the interface between AlSi10 foam
and steel skin in 100 x 100 mm sample.
8 mostra un punto di giuntura tra la pelle in acciaio e la
schiuma di lega AlSi10. Le successive immagini mostrano
i profili di concentrazione degli elementi chimici all’inter-
faccia (Fig. 9).
I profili degli elementi chimici attraverso la giunzione tra
pelle e schiuma, mostrano sempre una zona di transizione
graduale lungo una distanza di circa 40 µm, ad indicare
che si è verificata, anche per il componente di maggiore
dimensione, una buona interdiffusione fra gli elementi dei
materiali all’interfaccia e che si è realizzato un buon bon-
ding metallurgico.
ANALISI XPS
L’analisi XPS è stata condotta utilizzando uno spettrometro
Escalab 250Xi (Thermo Fisher Scientific, UK) equipaggiato
con six-channeltron detection system per la spettroscopia
e un multichannel plate per le immagini chimiche. I foto-

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Schiume metalliche
Fig. 9: Profili di concentrazione degli elementi chimici
all’interfaccia “acciaio-precursore schiumabile in lega
AlSi10” dopo la schiumatura del campione 100 x 100
mm in corrispondenza di pori in prossimità della pelle.
Fig. 9: Concentration profiles of the chemical elements at
the interface “steel- AlSi10 foamable precursor alloy” after
foaming of 100 x 100 mm sample in correspondence of
pores near the skin.
elettroni sono eccitati mediante una sorgente standard Al
Kα con uno spot size di 200 µm. Gli spettri XPS sono stati
registrati a passi costanti in energia di 50 eV ed un’area
di analisi di circa 100 µm di diametro, mentre le immagini
chimiche sono state acquisite a 150 eV. Prima di effettua-
re le misure, la superficie dei campioni è stata pulita per
mezzo di EX-06 Ar ion gun ad una energia di 2.0 KeV, per
rimuovere i primi strati di contaminanti. I dati sono stati
processati per mezzo del software Avantage v.5.
L’analisi è stata effettuata nei punti evidenziati nell’imma-
gine in Fig. 10.
La concentrazione atomica percentuale degli elementi chi-
mici presenti lungo la superficie del campione sono stati
calcolati mediante routine standard XPS (Tab.1). Gli spet-
tri XPS ottenuti per diversi punti sono mostrati in Fig. 11.
Dall’analisi chimica e dagli spettri è chiaro che il punto 1
è posizionato nell’acciaio inossidabile, come rivela la pre-
Fig. 10: Immagine ottica dell’interfaccia “pelle di
acciaio - schiuma di alluminio” con l’indicazione dei
punti in cui è stata effettuata l’analisi XPS.
Fig. 10: Optical image of the “steel skin - aluminium foam”
interface with the indication of the points were the XPS
analysis was performed.
senza di Fe, Cr, Mn, e l’assenza di Al. I punti 2, 3, 4 rivelano
la presenza contemporanea di Al, Fe, Cr, Mn. Questa re-
gione rappresenta l’interfaccia con spessore di circa 400
µm. I punti 5 e 6 contengono solo Al e rappresentano la
schiuma in lega di Al.
Per comprendere meglio la distribuzione degli elementi
chimici attraverso l’interfaccia acciaio - schiuma in lega
di Al, è stata acquisita la mappa chimica XPS su un’area
superficiale di 1x1 mm2 (Fig. 12). Dalle immagini chimi-
che in questa figura si può notare la distribuzione chimica
dell’Al e del Fe attraverso l’interfaccia. Tutte le immagini
chimiche confermano che lo spessore dell’interfaccia è
approssimativamente di 400 µm. Nell’immagine chimica
del Fe2p, la presenza del Fe non è visibile all’interfaccia
dato l’elevato contrasto con l’acciaio adiacente. Comun-
que il segnale Fe2p è chiaramente osservato all’interfac-
cia durante l’analisi a più punti XPS.
Fe2p3 Cr2p3 Mn2p3 Al2p Materiale Zone
P1 60.6 16.2 4.9 --- Acciaio Acciaio
P2 37.7 11.1 3.6 30.4 Interfaccia-1 Interfaccia con differenti
composizioni
P3 23.3 6.7 2.8 47.6 Interfaccia-2
P4 5.3 1.4 1.5 70.9 Interfaccia-3
P5 --- --- --- 79.1 Al Al
P6 78.4 Al
Tab. 1: Analisi XPS quantitativa in concentrazione atomica (%) degli elementi Fe, Cr, Mn, Al effettuate nei punti
P1 - P6, di Fig. 10.
Tab. 1: XPS analysis of the atomic concentrations of chemical elements: Fe, Cr, Mn, Al performed at points P1 - P6 (see
Fig. 10).

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Memorie
Fig. 11: Spettri XPS per Fe2p (colonna sinistra) e Al2p (colonna destra) nei punti P1, P3, P6 di Fig. 10.
Fig. 11: XPS spectra for Fe2p (left column) and Al2p (right column) for points: P1, P3, P6 ( see Fig. 10).

La Metallurgia Italiana - n. 2/2015 9
Schiume metalliche
Fig. 12: Mappe chimiche dell’Al2p e del Fe2p nella zona di interfaccia.
Fig. 12: Chemical maps of the Al2p and Fe2p along the interface.
Dagli spettri in Fig. 11 effettuati nei punti: 1 (Acciaio), 3
(Interfaccia), 6 (Schiuma di AlSi10); dalla mappa chimica
in Fig. 12; dall’analisi quantitativa riportata in Tabella 1,
è chiaro come sia presente una zona intermedia di inter-
diffusione di Fe e Al. Questo sta a dimostrare l’avvenuto
bonding in situ tra pelle di acciaio e schiuma in AlSi10.
La discrepanza tra i valori della larghezza di interfaccia ot-
tenuti dall’analisi EDS ed XPS sono riconducibili al volume
di materiale analizzato con le due tecniche (circa 10 nm
con XPS, circa 1 µm con EDS). Il dato XPS è influenzato da
fenomeni di trasporto di materia originati nella preparazio-
ne dei campioni.
CONCLUSIONI
Sono state sviluppate metodologie che hanno permesso
di ottimizzare il processo che porta alla formazione del
bonding metallurgico tra pelli di acciaio e schiuma di al-
luminio.
Dagli studi svolti, al fine di ottenere una giunzione ottimale
la finitura delle superfici è risultata essere di notevole im-
portanza. Nel dettaglio:
1. Una ottimale finitura delle superfici di acciaio compor-
ta una buona rimozione dello strato di ossido originale
e l’assenza di eccessive asperità che altrimenti porte-
rebbero a zone adiacenti di cattiva aderenza.
2. Il disossidante deve essere distribuito in modo omoge-
neo all’interfaccia.
La pressatura, sia a caldo che a freddo, con piccole de-
formazioni plastiche ha dato in generale dei buoni risultati
anche se a caldo il processo è più difficilmente control-
labile, anche a causa dell’ossidazione che non si può del
tutto eliminare.
Il bonding metallurgico tra pelli di acciaio inossidabile e
schiuma in lega di alluminio è stato pienamente raggiunto
in quanto le giunzioni presentano una zona di interdiffusio-
ne di Al e Fe di circa 40 µm come evidenziato dall’analisi
EDS e confermato dall’analisi XPS. Sono già in studio ul-
teriori sviluppi al metodo che comprendono la realizzazio-
ne di un precursore schiumabile ottimizzato per l’utilizzo
come core di strutture sandwich con pelli in acciaio, ed
una modifica al metodo di schiumatura per evitare che il
peso delle pelli limiti la crescita della schiuma.
BIBLIOGRAFIA
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[2] J. BANHART, H.-W. SEELIGER, Adv. Eng. Mater., (2012) 14: 1082-
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C2, (1994)

La Metallurgia Italiana - n. 2/2015
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Memorie
Production and characterization
of steel sandwich structures
with aluminum foam core
Keywords: Aluminium Foam - Sandwich Panels - Stainless Steel - Bonding
The present work describes the results carried out in the manufacture of sandwich panels with stainless steel (SS)
AISI 316 skins and an aluminium alloy AlSi10 foam core. Sandwich structures with a core of Al or Al alloys are often
realized by ex-situ bonding, i.e. adhesive are employed for joining foam to external sheets. This method is easy
to apply, however it entails a strength reduction when temperature increases, which results in serious problems
during recycling and high costs. Another approach is the in-situ bonding, which involves the preliminary joining of
the skins to the foam precursor to make the composite structure. This composite, once submitted to the foaming
heat treatment, achieves the final Foam Sandwich by metallurgical bonding.
In this study, a new method to obtain in-situ bonding between the Stainless Steel (SS) skins sheets and the
aluminium foam core is described. The first part of this work has focused on the production of sandwich of small
size: 20 x 20 mm. The production of the sandwich was done in two steps. The first step is the manufacture of the
composite precursor, by both hot and cold pressing. The Composite precursor was made, using two sheets of (SS)
for the skins and a foamable precursor of AlSi10 placed in middle. Great importance in the manufacture of such
a composite lies in surface finishing, consisting in the middle removal of the surface oxide layer by mechanical
and chemical treatments. As shown in Fig. 2 (a-b) as a function of the procedure of preparation, bad or good
preliminary bonding have been obtained. During the second step, the composite precursor was then foamed in
the oven at 640 °C. In this step the pore walls at the interface make a metallurgical joint with the steel surface, as
shown by the concentration profile of the chemical elements at the interface (Fig. 4, Fig. 5).