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Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Metallkörper.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Metallkörper durch Verbindung von Metallteilen unter Zwischenschaltung eines metallenen Bindemittels, unter Verwendung von Hitze oder Hitze und Druck, und gegebenenfalls unter Zusatz eines Flussmittels. Die Erfindung ist anwendbar zum gegenseitigen Verbinden von Teilen aus gewöhnlichen Eisensorten und Stählen, sowie legierten Eisensorten und Stählen zwecks Bildung von Platten, Blechen, Tafeln, Knüppeln, Blöcken (Ingots), Rohren und andern Erzeugnissen und ist von besonderem Vorteil zum Verbinden von niedrig und hoch gekohlten Stählen, Schnelldrehstäblen und korrosionsfesten (z. B."Stainless"-oder rostfreien) Eisensorten und Stählen.
Die Anwendung der Erfindung ist jedoch auf diese Gebiete nicht beschränkt, sondern erstreckt sich auf zahlreiche weitere Kombinationen von Metallen und Legierungen.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Herstellungsverfahrens durch Verwendung eines Bindemittels, welches eine solche mechanische Festigkeit besitzt, dass der zusammengesetzte Körper als Ganzes bearbeitbar ist, d. h. in befriedigender Weise einer Wärmebehandlung unterworfen, z. B. geglüht, gehärtet oder angelassen werden kann, sowie einer mechanischen Behandlung, wie Walzen, Schmieden, Hämmern oder Pressen, oder sonstigen Operationen, denen Metalle und Legierungen im Laufe der Umwandlung vom Rohprodukt zum Halb. oder Fertigfabrikat unterzogen werden können.
Gemäss der Erfindung besteht das Bindemittel aus Mangan allein oder aus einer Legierung oder Mischung, die neben Mangan eines oder mehrere der Metalle Nickel, Eisen, Kobalt oder Chrom enthält.
Ein solches Bindemittel hat die Eigenschaft, dass es bei einer Temperatur, die 14000 C nicht übersteigt und daher nicht so hoch ist, dass sie die vorteilhaften Eigenschaften der Metalle der zu verbindenden Körper zerstört oder diese Metalle in anderer Weise schädigt, jedenfalls schmilzt bzw. in einen Zustand übergeführt wird, der zur Bildung einer befriedigenden Bindung führt. Anderseits schmilzt dieses Bindemittel bei den bei der nachfolgenden Warmbearbeitung verwendeten Temperaturen, z. B. unter 11000 C nicht.
In einem besonderen Falle wurde bereits unter andern Metallen auch Mangan als Schweissmittel für Schweissverbindungen an Apparaten für die chemische Industrie vorgeschlagen, um die Schweissverbindungen gegen den Angriff von heissem Wasserstoff zu schützen. Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um die Herstellung zusammengesetzter Metallkörper, die erst nach ihrer Verbindung zu Fertigprodukten verarbeitet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren unterscheidet sich im übrigen grundlegend von einem üblichen Schweissverfabren, da die bei der Verbindung der Metallteile verwendeten Temperaturen unterhalb den Schmelzpunkten der zu verbindenden Metalle liegen, woraus sich die Vermeidung von Schädigungen der Metalle ergibt.
Beim üblichen Schweissen hingegen wird zur Erzielung einer befriedigenden Schweissung das Material bekanntlich so hoch erhitzt, dass es an der Schweissstelle schmilzt.
Wenn Mangan neben einem oder mehreren der Metalle Nickel, Eisen, Kobalt und Chrom in Anwendung kommt, so werden besonders günstige Ergebnisse erzielt bei einem Mangangehalt von etwa 10 bis 98%. Aber auch bei Mangangehalten unter 10% kann man ein Bindemittel erzielen, dessen Bearbeit-
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3. 70-95% Mn, 3-28% Ni, 2-27% Co.
4. 40-60% Mn, 10-30% Ni, 2-30% Co.
5. 30-60% Mn, 2-38% Fe, 2-38% Co oder Cr.
6. 18-88% Mn, 10-80% Co, 2-72% Cr.
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Ausser den genannten Metallen können Bestandteile in geringen Mengen als Verunreinigungen vorhanden sein.
Das Bindemittel besitzt vorzugsweise gepulveite Form, es kann aber auch eine körnige oder andere feste Form haben, z. B. Blech-oder Streifenform oder eine Kombination von Pulver-, Blech-oder Streifenform. Ausser dem Bindemittel kann ein Flussmittel verwendet werden, wie Borax, Natrium-oder Kaliumfluorid oder-karbonat, Harz, Ammonium-und Zinkchloride oder beliebige Mischungen dieser Stoffe.
Das erfindungsgemässe Bindemittel wurde mit einem Zusatz von etwa 8% wasserfreiem Borax oder Natriumfluorid und Borax als Flussmittel geeignet gefunden zum Verbinden von korrosionsfesten
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Eisensorten und Stählen mit Flussstählen und Flusseisen ; hochgekohlten Stählen mit korrosionsfesten
Stählen und solchen Eisensorten ; Manganstählen mit korrosionsfesten Eisensorten und Stählen und Schnelldrehstählen mit Flussstählen und Flusseisen.
Nachstehend sind beispielsweise einige Metallsorten genannt, bei denen das Bindemittel anwendbar ist :
Korrosionsfeste Stähle, korrosionsfeste Eisensorten, hochgechromte Nickelstähle, Manganstähle, Nickelstähle, gewöhnliche Eisenlegierungen, Eisensorten, Silizium-Manganstähle, Schnelldrehstähle, hochgeehromte Stähle, Flussstähle, gewöhnliche Kohlenstoffstähle, Chromstähle, gewöhnliche Stahllegierungen, Nickel-Chromstähle.
Im Falle der zusammengesetzte Metallkörper nach dem Verbinden gewalzt, geschmiedet, im Gesenk geschmiedet, gehämmert, gepresst oder auf sonstige mechanische Weise bearbeitet wird, soll er in warmem Zustand gepresst werden, damit er eine genügende Festigkeit erhält, um nachher den durch diese mechanischen Bearbeitungsarten hervorgerufenen Beanspruchungen ohne Gefahr der Trennung der miteinander verbundenen Schichten besser gewachsen zu sein. Wo es nicht angängig oder erwünscht ist, den Druck auszuüben, während der zusammengesetzte Körper noch von dem Verbindungsvorgang her heiss ist, kann der Druck jederzeit nachher angewendet werden, indem der zusammengesetzte Körper neuerlich erhitzt wird, vorausgesetzt, dass hiebei ungefähr dieselbe Temperratur verwendet wird als beim anfänglichen Erhitzen zum Zwecke des Verbindens.
Es soll eine genügende Menge des Bindemittels verwendet werden, um eine Schichte zwischen den zu vereinigenden Flächen zu bilden und im Wesen sämtliche Zwischenräume zwischen diesen Flächen auszufüllen. Wenn z. B. eine dünne Platte von korrosionsfestem Stahl (hoehgeehromtem Stahl oder hochgechromtem Nickelstahl) mit einer Tafel aus Flussstahl verbunden werden soll, wird das erfindungsgemässe Verfahren folgendermassen ausgeführt : Die zu vereinigenden Flächen werden vorzugsweise vorerst durch Beizen, Sandstrahlgebläse, Abschleifen oder sonstwie gereinigt. Zwischen diese Flächen wird das Bindemittel zusammen mit einem Flussmittel eingebracht.
Das Ganze wird hierauf bis auf etwa 13250 C erhitzt, bei welcher Temperatur das erste Stadium des Bindevorganges vor sich geht, sodann einem Druck ausgesetzt, der das Aneinanderbinden vervollständigt. Während die zusammengesetzte Tafel noch genügend heiss vom Bindevorgang her ist, kann ihr Querschnitt bzw. ihre Dicke durch Walzen oder ein sonstiges bekanntes Verfahren vermindert werden, oder sie kann abkühlen gelassen und sodann für diese Reduktion neuerlich auf eine passende Temperatur erhitzt werden.
Zum Verbinden von hochgekohlten mit niedriggekohlten Stählen eignet sich eine Temperatur von etwa 12600 C und ein Bindemittel, das aus 80% Mangan und 20% Nickel besteht. Zum Verbinden von Schnelldrehstählen mit gewöhnlichen Stählen eignet sich eine Temperatur von etwa 1320 C und ein Bindemittel aus 50% Mangan, 20% Eisen und 30% Nickel. Zum Verbinden von korrosionsfesten (z. B.
"Stainless"-oder rostfreien) Eisensorten oder Stählen mit gewöhnlichen Eisensorten und Stählen ist eine Temperatur von etwa 13500 C und ein Bindemittel aus 50% Mangan, 17% Eisen, 17% Kobalt und 16% Chrom geeignet. Für alle diese drei Beispiele eignet sich ein Flussmittel aus wasserfreiem Borax im Betrage von 8% vom Gesamtgewicht des metallenen Bindemittels.
Während mechanische Mischungen aus den das Bindemittel bildenden Metallen durch Verwendung einer Menge eines jeden der verschiedenen Metalle in Pulverform und darauffolgendes Zusammenmischen erhalten werden können, ist es ersichtlich, dass in gewissen Fällen die verschiedenen das Bindemittel bildenden Metalle zusammengemischt und erst nachher gepulvert, gekörnt oder zu Drehspänen, Blechen, Streifen oder Platten umgewandelt und als solche für das Bindemittel verwendet werden können.
Eine wirksame Bindung einer zusammengesetzten Tafel wird z. B. erreicht, wenn eine Schichte aus gepulvertem Bindemittel, gemischt mit einem Flussmittel, zwischen die Flächen einer Flussstahltafel und eines Bleches aus korrosionsfestem Chromnickelstahl eingebracht wird, deren Berührungsflächen mit einem Flussmittel, z. B. Borax oder Borax und Kaliumfluorid bestreut werden, und das Ganze erhitzt und gepresst wird, so dass die Tafel zu dünnen Blechen ausgewalzt werden kann. Anstatt eines gepulverten Bindemittels kann auch ein mit einem Flussmittel bedecktes, aus dem Bindemittel bestehendes Blech verwendet werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zwei Metalltafeln oder Metallbleche mit gereinigten Flächen unter Zwischenschaltung eines trennenden bzw. nichtbindenden Materials zusammengefügt. Die Ränder der Tafeln bzw. Bleche werden dann z. B. durch Verschweissen abgeschlossen und auf jede der äusseren Flächen wird das Bindemittel und ein Metallblech, -tafel oder -körper aufgebracht, dessen anliegende Fläche gleichfalls gereinigt ist. Das so erhaltene Paket wird dann erhitzt und vorteilhaft unter Druck gesetzt, worauf das Paket sogleich oder nach erfolgter Abkühlung und Wiedererhitzung gewalzt oder geschmiedet werden kann. Hierauf wird die mittlere Stossstelle durch Entfernung der geschweissten bzw. verschlossenen Ränder, z. B. durch Abscheren, getrennt und so zwei gesonderte zusammengesetzte Körper erhalten.
Ein ähnliches Ergebnis wird erhalten, wenn ein einziges Blech oder eine Tafel auf sich selbst umgebogen und zwischen die anliegenden Flächen ein nichtbindendes bzw. trennendes Material eingebracht, die freien Ränder verschweisst werden und dann, wie vorher beschrieben, vorgegangen wird.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers besteht darin, dass zunächst zwei Metallkörper unter Zwischenschaltung eines trennenden Materials zusammengefügt und die aneinanderstossenden Ränder verschlossen werden, worauf das so gebildete Paket in einen Hohlkörper, jedoch in Abstand von diesem, eingelegt wird, der eine solche Menge gepulverten Bindemittels enthält, dass dieses in geschmolzenem Zustande den Raum zwischen den Körpern ausfüllt, und dass schliesslich das Ganze in eine Form gebracht und geschmolzenes Metall vollkommen herumgegossen wird, so dass das Bindemittel erhitzt und geschmolzen wird. Hiedurch wird das gegossene Metall ein Teil des schliesslich erhaltenen zusammengesetzten Körpers, der nun an der nichtbindenden Stossstelle zwecks Bildung einer Mehrzahl zusammengesetzter Körper getrennt werden kann.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers besteht darin, dass zunächst zwei Metallkörper unter Zwischenschaltung eines trennenden Materials zusammengefügt und die aneinanderstossenden Ränder abgeschlossen werden, dass auf ihre äusseren Flächen das Bindemittel und ein Metallblech,-tafel oder-körper, aufgebracht, das Ganze zwecks Schmelzens des Bindemittels erhitzt und ein Druck auf die heisse Masse ausgeübt wird, worauf der so erhaltene zusammengesetzte Körper, dessen Aussenseiten gereinigt werden, in eine Form gelegt und Metall um ihn herumgegossen wird.
Hiedurch wird das geschmolzene Metall ein Teil des schliesslich erhaltenen zusammengesetzten Körpers, der nun an der nichtbindenden Stossstelle zwecks Bildung einer Mehrzahl zusammengesetzter Körper getrennt werden kann.
In ähnlicher Weise können gemäss der Erfindung zusammengesetzte Rohre hergestellt werden.
Beispielsweise wird ein äusseres Rohr aus Flussstahl an einem Ende abgeschlossen und eine Menge gepulverten Bindemittels und eines Flussmittels eingebracht. Hierauf wird ein inneres Rohr aus korrosionsfestem Stahl oder Eisen, dessen eines Ende gleichfalls abgeschlossen ist, eingeführt, wobei der Aussendurchmesser des inneren Rohres derart gewählt ist, dass zwischen beiden Rohren ein Ringraum verbleibt.
In diesen Zwischenraum können zur Zentrierung des inneren Rohres Metallstreifen oder Metalldrähte eingebracht werden. Das Ganze wird sodann erhitzt, bis das Bindemittel schmilzt und vollkommen den
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Stahls das Schmelzen des Bindemittels bewirkt und das gegossene Metall einen Teil des zusammengesetzten Rohres bildet. Es kann eine Einrichtung, z. B. ein Gewicht oder eine Feder, vorgesehen sein, die ein Sinken des inneren Rohres und damit ein Steigen des Bindemittels zwischen beiden Rohren bewirkt.
Das innere Rohr ist vorzugsweise etwas länger als das äussere, so dass etwa überschüssiges Bindemittel nicht in das Innere des inneren Rohres fliessen kann. Hierauf wird der Querschnitt des zusammengesetzten Rohres in bekannter Weise auf den gewünschten Wert herabgemindert bzw. das Rohr wird, falls es abkühlen gelassen wird, wieder erhitzt und sodann sein Querschnitt verringert.
In ähnlicher Weise können Rohre hergestellt werden, die sowohl aussen, als auch innen verkleidet sind, indem drei Rohre konzentrisch angeordnet und das Bindemittel zwischen dem äusseren und mittleren, sowie zwischen dem mittleren und inneren Rohr eingebracht wird. Das Ganze wird sodann zwecks Schmelzung des Bindemittels erhitzt. Auf ähnliche Weise können zusammengesetzte Stangen oder Barren von verschiedenen Querschnitten hergestellt werden. Beispielsweise kann ein äusseres Rohr von beliebigem Querschnitt aus korrosionsfestem Eisen oder Stahl bestehen und der eingesetzte Teil von ähnlichem, jedoch kleinerem Querschnitt kann aus einer vollen Stange aus Fluss-oder sonstigem Stahl gebildet sein.
Im Falle zusammengesetzter Rohre oder Stangen ist die Anwendung von Druck nach erfolgter Bindung zwecks Ermöglichung der mechanischen Bearbeitung ohne Gefahr der Trennung der Lagen überflüssig, da der während der üblichen mechanischen Warmbearbeitung eines Rohres oder einer Stange ausgeübte Druck ohnehin das Bestreben hat, die Bindung zu verfestigen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Metallkörper durch Verbindung von Metallteilen unter Zwischenschaltung eines metallenen Bindemittels, unter Verwendung von Hitze oder Hitze und Druck, gegebenenfalls unter Zusatz eines Flussmittels, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Mangan allein oder eine Legierung oder Mischung verwendet wird, die neben Mangan eines oder mehrere der Metalle Nickel, Eisen, Kobalt oder Chrom enthält.