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Verfahren zur Herstellung geschichteter Verbundwerkstoffe
Für viele Verwendungszwecke wäre es wünschenswert, über Werkstoffe zu verfügen, welche die Eigenschaften sehr verschieden legierter Stähle in sich vereinigen und damit Anforderungen genügen, die ein einzelner Werkstoff nicht zu erfüllen vermag. Eine, wenn auch nur unvollständige, in vielen Fällen aber ausreichende Lösung dieses Problems stellen die geschichteten Verbundwerkstoffe dar, die wenigstens ein Nebeneinander sehr verschiedener Werkstoffeigenschaften in einem Werkstück ermöglichen.
Die zahlreichen, zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Stählen üblichen Verfahren kann man in drei Gruppen einteilen :
1. Unmittelbare Verbindung in festem Zustand im Temperaturbereich der Warmformgebung.
Diese Verbindung kann während einer Verformung oder verformungsfrei erfolgen.
2. Mittelbare Verbindung in festem Zustand unter Verwendung einer metallischen Zwischenschichte als Lötmittel.
3. Unmittelbare Verbindung eines flüssigen Stahles mit einem festen. Dies kann durch Angiessen an einen festen Stahl oder durch Schweissen erfolgen.
Ferner gibt es Verfahren, die sich nicht eindeutig einer der genannten Gruppen zuordnen lassen. Hieher gehört z. B. das Arbeiten im teigigen Zustand, im Temperaturbereich zwischen Liquidus-und Soliduslinie, ein Verfahren also, das zwischen die Gruppen 1 und 3 eingeordnet werden müsste ; oder die Herstellung durch Auftragsschweissen mit einer ebenfalls aufgeschweissten Zwischenschicht. Dieses Verfahren wäre den Gruppen 2 und 3 zuzuordnen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Verbundwerkstoffen aus verschieden legierten Stählen durch unmittelbare Verbindung im festen Zustand, so dass also nur Verfahren der Gruppe 1 in Betracht kommen, wobei innerhalb dieser Gruppe jedes beliebige Verfahren angewendet werden kann. Das technologische Herstellungsverfahren gehört also nicht zum Gegenstand der Erfindung.
Aus zahlreichen, teilweise bekannten Versuchen und Verarbeitungsverfahren geht hervor, dass sich auch sehr verschieden legierte Stähle im festen Zustand unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung miteinander in einem geeigneten Temperaturbereich verbinden, wenn sie mit metallisch blanken Oberflächen zu einem satten Aufliegen aufeinander gebracht werden. Um die dazu notwendige innige Berührung zu erreichen, genügen bedeutend kleinere Drücke, als zu einer gleichzeitigen Verformung im Sinne einer Warmformgebung notwendig wären. Es kann eine solche Verbindung also auch"verformungsfrei" erfolgen ; es genügt die innige Berührung bei einer Temperatur, welche eine Diffusion zwischen den zu verbindenden Stählen ermöglicht.
Durch diese Diffusion ergibt sich aber eine in ihrer chemischen Zusammensetzung keineswegs einheitliche, auf jeden Fall aber zwischen den Zusammensetzungen der beiden zu verbindenden Stähle liegende Übergangszone, deren Eigenschaften für den technischen Wert der hergestellten Verbindung von entscheidendem Einfluss sind. Ist diese Übergangszone teilweise oder zur Gänze spröd, z. B. durch das Auftreten eines martensitischen Gebietes, wird der hergestellte Verbundwerkstoff Beanspruchungen nicht gewachsen sein und sich daher schlecht oder gar nicht verarbeiten lassen.
Hinsichtlich der Werkstoffauswahl sind bereits zahlreiche Vorschläge zur Herstellung geschichteter Verbundwerkstoffe gemacht worden.
Meist handelte es sich dabei um unlegierte Stähle als Grundwerkstoff und um Sonderstähle als Plattierungswerkstoff. Auch das Plattieren von unlegierten oder schwachlegierten Stählen mit austenitischen Manganstählen wurde bereits vorgeschlagen. Bei diesen Verbundwerkstoffen wird im Übergangsgebiet zwischen Grundwerkstoff und Plattierungswerkstoff der Mangangehalt der austenitischen Stähle infolge der sich abspielenden Diffusionsvorgänge erniedrigt, wodurch spröde, martensitische Zonen auftreten. Solche Werkstoffe zeigen insbesondere bei stärkeren Beanspruchungen ein Ausbrechen an der Übergangsstelle.
Es hat sich nun gezeigt, dass zum Plattieren mit austenitischen Manganstählen besonders vorteilhaft chromlegierte Stähle mit mindestens 8% Chrom verwendet werden können.
Die dabei auftretenden Übergänge zeigen überraschenderweise keine martensitischen Zonen, obwohl das Auftreten von Martensit auf Grund des Verhaltens von Chrom-Mangan-Stahl-Legierungen gleicher chemischer Zusammensetzungen, wie sie als Folge der sich abspielenden Diffusionsvorgänge im Übergangsgebiet vorliegen können, zu erwarten gewesen wäre. Die beobachtete
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Eignung der chromlegierten Stähle mit mindestens 8 % Chrom zum Plattieren mit austenitischen Manganstählen wird nicht durch weitere Legierungselemente, u. zw. weder durch Austenitbildner noch durch Ferritbildner, gestört. Wenn jedoch in der Übergangszone ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0. 5 % möglich ist, dürfen die Ferritbildner einzeln oder gemeinsam nur in Konzentrationen von höchstens 10% vorliegen.
Bei Beachtung dieser legierungstechnischen Massnahmen werden bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen aus austenitischen Manganstählen und anderen hochlegierten Stählen durch unmittelbare Verbindung im festen Zustand mit Sicherheit martensitfreie Übergangszonen erzielt. Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt im Temperaturbereich der Warmformgebung, vorzugsweise zwischen 900 und 1150 C, wobei zur Verhinderung der Oxydation der zu verbindenden metallisch blanken Flächen die üblichen Schutzmassnahmen getroffen werden müssen.
Ausführungsbeispiel : Ein geschichteter Verbundwerkstoff aus Hartmanganstahl und einem Chromstahl mit 2 % Kohlenstoff und 13 % Chrom kann von 10000 C in Öl gehärtet werden und stellt dann eine Verbindung von höchster Härte mit den bekannten Zähigkeitseigenschaften des austenitischen Manganstahles dar. Der Chrom- stahl hat nach dieser Behandlung eine Härte von 62 bis 66 RC, während gleichzeitig der Manganstahl weich bleibt. Seine Brinellhärte beträgt 210 bis 230 BE. Ein Auftreten von Rissen in der Übergangszone konnte bei dieser Behandlung nicht beobachtet werden.
Durch ein kurzzeitiges Glühen bei Temperaturen von 800 bis 850 C und ein anschliessendes Abschrecken in Wasser kann dieser Werkstoff in einen Zustand gebracht werden, in welchem seine Verarbeitung nicht schwieriger als bei üblichem Hartmanganstahl ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung geschichteter Verbundwerkstoffe mit Partien aus austenitischen Manganstählen und Partien aus anderen hochlegierten Stählen durch unmittelbare Verbindung im Temperaturbereich der Warmformgebung ohne Anwendung eines Lötmittels, wobei die Bindung gleichzeitig mit einer Verformung oder verformungsfrei erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 8 % Chrom enthaltende Stähle mit den Manganstählen verbunden werden.