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Verfahren zur Herstellung von Metallverbundkörpern
Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Verbinden von Metallen. Im besonderen handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Verbindung von Metalloberflächen, u. zw. zum Belegen einer Metalloberfläche mit einer oder mehreren Schichten desselben oder eines andern Metalles.
Platierte oder mehrschichtige Metalle haben in den letzten Jahren als Werkstoffe weite Verbreitung gefunden. Diese Materialien bestehen aus einem meist verhältnismässig wohlfeilen Grundmetall, an dessen Oberfläche eine Lage eines zweiten Metalls mit gewissen wertvollen Eigenschaften, wie z. B. höherer Korrosionsbeständigkeit, welche dem Grundmetall abgehen, gebunden oder aufplattiert ist. In den meisten Fällen ist das die Auflage bildende Metall wesentlich kostspieliger als das Grundmetall. Daher ergibt sich bei Verwendung einer möglichst dünnen Schicht des teureren Metalls eine beträchtliche Kostenersparnis. Diese Ersparungen fallen naturgemäss besonders dann ins Gewicht, wenn solche Werkstoffe für die Herstellung grosser Teile von Anlagen wie z. B. Rohrleitungen, Lagertanks und Reaktionskessel für chemische Grossbetriebe Verwendung finden.
Ein zweiter Vorteil ergibt sich bei der Verwendung von mehrschichtigen Materialien daraus, dass das Metall mit der gewünschten hohen Korrosionsfestigkeit oder sonstigen speziellen Eigenschaft häufig nicht die erforderliche Zugfestigkeit, Wärmecharakteristik oder Kompressionsfestigkeit besitzt, um für sich allein den zu erwartenden Beanspruchungen standzuhalten. Abgesehen von der grösseren Wirtschaftlichkeit des wohlfeileren Materials stellt daher die strukturelle Festigkeit und Starrheit, die es dem zusammengesetzten Werkstoff zu erteilen vermag, einen weiteren und sehr wichtigen Faktor dar.
Ausser für die oben erwähnten Anwendungsgebiete von plattierten oder mehrschichtigen Metallen lässt die Erfindung auch noch spezielle Anwendungen zu, wie z. B. für Röntgenapparaturen, Kochgeschirre und dekoratives Zubehör für Automobile und Gebäude. Beispielsweise ist es auch in vielen Fällen erwünscht, Metalle wie Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, welche hauptsächlich bei hohen Temperaturen verwendet werden, durch eine Schicht eines oxydationsbeständigen Materials wie" Nichrome" zu schützen.
Es gibt eine Vielzahl von Methoden zum Verbinden eines Metalls mit der Oberfläche eines ändern unter Bildung eines zusammengesetzten Mehrschichtenwerkstoffes ; jede dieser Methoden besitzt aber gewisse Nachteile, die sie unter bestimmten Umständen nachteilig oder völlig unbrauchbar machen.
Das älteste technische Verfahren zur Aufbringung einer Schicht eines Metalls auf ein anderes Metall ist der gewöhnlich "Heisstauchen" oder in Anwendung auf Zinküberzüge "Galvanisieren" genannte Prozess. Diese Methode besteht im wesentlichen darin, dass der zu überziehende Gegenstand kurze Zeit in ein Bad aus geschmolzenem Metall eingetaucht wird. Um einen brauchbaren Überzug zu erzielen, ist es notwendig, dass sich die beiden Metalle zumindest bis zu einem gewissen Ausmass miteinander legieren.
Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass die Dicke der äusseren Schicht und ihre Verteilung über die Oberfläche schwer zu kontrollieren sind und dass bestimmte Metalle sich nicht untereinander legieren, sondern schädliche spröde Phasen bilden, wodurch die Erzeugung einer kontinuierlichen Schicht bei solchen Metallen praktisch unmöglich wird. Zufolge der Schwierigkeiten, die mit der Handhabung
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, in welcher Fig. 1 eine Anordnung zur
Durchführung der Erfindung im Querschnitt zeigt, Fig. 2 ist eine Zeichnung nach einer Gefügemikroauf- nahme (450fache Vergrösserung) einer mittels der Anordnung erhaltenen bimetallischen Kombination ;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des im Verlaufe des Verfahrens mutmasslich auftretenden Phäno- mens, und Fig. 4 zeigt eine typische Anordnung für die Herstellung von Mehrschichtensystemen.
In Fig. 1 ist die Schicht des zu belegenden Metalls mit 1 bezeichnet. Sie ist in einem Trägerma- terial 5 aus hartem Gips-Zement eingebettet. Die Auflageschicht 2 wird mittels kleiner an ihrer Ober- fläche vorgesehener Vorsprünge 4 in dem erforderlichen Abstand 6 von der unteren Schicht 1 gehalten.
Auf der Schicht 2 befindet sich die Explosivstoffschicht 3, an deren einer Kante die Zündkapsel 7 samt
Zuleitungsdrähten 8 angebracht ist.
In Fig. 2 bedeutet A eine Grundschicht aus Molybdän, B eine Auflageschicht aus Stahl mit niedri- gem Kohlenstoffgehalt und F die Verbindungszone, die aus Material der Schichten A und B zusammen- gesetzt ist.
In Fig. 3 bedeuten : A die metallische Grundschicht, B die Auflageschicht, D die Schicht des Explo- sivstoffes vor der Detonation und D'die durch die Detonation der Schicht D entstehenden gasförmigen
Detonationsprodukte, E einen scharf begrenzten flüssigen Strom von Materialien aus den Schichten A und
B, der gerade vor dem Auftreffpunkt C an die Unterseite der Schicht B vordringt, und F stellt das zwischen den Schichten A und B unbeweglich fixierte und diese Schichten miteinander verbindende Material dar.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung für die Herstellung von Produkten mit mehr als zwei Auflageschichten.
Die Metallplatte 10, auf welche die Metallbleche 11 und 12 aufgebracht werden sollen, ruht auf einer Unterlage 13 aus Sperrholz. Die Metallschichten 10,11 und 12 sind mit Hilfe kleiner Metallteilchen 14 in Abständen voneinander gehalten. Eine Schicht 15 aus Isolierband, Polystyrolschaum oder einem ändern inerten Material bedeckt die obere Seite der Schicht 12, um sie vor direkter Einwirkung der Sprengstoffschicht 16 zu schützen. Der Explosivstoff wird durch die Zündvorrichtung 17 gezündet, die in der einen Ecke dieser Schicht angebracht und mit Zuleitungsdrähten 18 verbunden ist.
Die Explosivschicht 16 kann sich etwas über die oberste Auflageschicht hinauserstrecken, um die Zündvorrichtung besser befestigen zu können und um sicherzugehen, dass die Detonationsfront ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht hat, wenn sie bei der Kante der Anordnung anlangt.
In den nachfolgenden Beispielen sind einige der zahlreichen Metallkombinationen beschrieben, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzielt werden können. Sie dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als eine erschöpfende Behandlung aller Möglichkeiten oder als eine Beschränkung aufzufassen. Durch geeignete Einstellung der Verfahrensbedingungen kann auch jedes beliebige andere zusammengesetzte Metallsystem erhalten werden.
Beispiel l : Als Sprengstoff wurde eine dünne gleichmässige Folie einer Explosivstoffzusammen- setzung verwendet ; sie enthielt 20% sehr feines Pentaerythrittetranitrat (PETN), 70' ? o Mennige und als Bindemittel 100/0 einer Mischung l : l von Butylkautschuk und einem thermoplastischen Terpenharz (einem Gemisch von Polymeren des 8 - Pinens mit der Formel (C H6)n, Handelsbezeichnung"Piccolyte"S-10, Hersteller Pennsylvania Industrial Chemical Corporation). Nähere Angaben über dieses Explosivgemisch und seine Herstellung findet sich in der einschlägigen Patentliteratur. Dieses Produkt lässt sich leicht zu Folien auswalzen und besitzt eine Detonationsgeschwindigkeit von ungefähr 4100 m/sec.
Eine Platte aus weichem Stahl, in der Grösse von 15, 24 x 22, 86 cm und mit einer Dicke von 1, 27 cm wurde auf eine Sperrholzplatte aufgesetzt. Genau über diese Stahlplatte mittels rechteckiger Stahlstückchen in jeder Ecke in einem Abstand von 0, 316 cm von derselben gehalten, wurde eine 0, 316 cm dicke Platte aus rostfreiem Stahl angeordnet. Die Oberseite der letzteren wurde zum Schutz gegen eine Beschädigung der Oberfläche des Endproduktes mit einer Isolierbandschicht abgedeckt und darüber eine den Abmessungen entsprechende Schicht des oben beschriebenen Explosivstoffes mit einem Gewicht von 15 g je 6,45 cut aufgebracht. An einer Seite der rechteckigen Sprengstoffschicht wurde ein handelsüblicher Generator zur Erzeugung linearer Wellen (s. USA-Patentschrift Nr. 2, 943, 571) angebracht und gezündet.
Nach der Detonation des Sprengstoffes waren der Weichstahl und der rostfreie Stahl fest und gleichmässig miteinander verbunden und bildeten einen Zweischichtenkörper. Die mikroskopische Prüfung zeigte eine ausgezeichnete Verbindung. Die Bestimmung der Scherfestigkeit nach der ASTM-Methode Nr. A 263-44T lieferte einen Mittelwert von 5145 kg/cm. Die nach dieser Methode für eine Metallauflage dieser Art vorgeschriebene Mindestscherfestigkeit beträgt 1406 kg/cm : während die Scherfestigkeit von nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Produkten bei 2109 - 2460 kg/cm2, liegt. Der Verbundkörper konnte, ohne zu brechen, um 1800 rund um einen Dom mit einem der Dicke des Körpers entsprechenden Durchmesser gebogen werden.
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Beispiel 2 : Eine Weichstahlplatte mit den Abmessungen 61 x 61 X 1, 9 cm wurde auf einen Sperrholzblock als Unterlage aufgebracht. Die eine Oberfläche eines Bleches aus rostfreiem Stahl Typ 304 mit den Abmessungen 61 x 61 X 0, 0795 cm wurde mit Isolierband abgedeckt und das Blech mit der abgedeckten Seite nach oben derart auf die Weichstahlplatte aufgesetzt, dass mit Hilfe einiger aufgestreuter Eisenpulverteilchen, die beim Sieben durch ein Sieb mit 1460 Maschen/cni durchgegangen, von einem Sieb mit 5840 Maschen/ein aber zurückgehalten wordenwaren, ein Abstand von 0,015 cm zwischen den Plat-
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Sprengstoffes erfolgte durch eine in einer Ecke der Schicht aufgebrachte elektrische Zündkapsel Nr. 6. Die Schicht des granulierten TNT detonierte mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 4200 m/sec.
Nach der Detonation zeigte die Verbundplatte aus Weichstahl und rostfreiem Stahl metallurgische Eigenschaften, die denjenigen des nach Beispiel 1 hergestellten Probestückes vergleichbar waren.
Beispiel 3 : Auf eine Weichstahlplatte von 2,54 cm Dicke wurde eine 0,64 cm dicke Nickelauflage in folgender Weise aufgebracht : Die Weichstahlplatte in der Grösse von 15,24 x 22,86 cm befand sich auf einem als Unterlage dienenden Sperrholzblock. In gleicher Weise wie in Beispiel 2 beschrieben, wurden auf die Oberseite der Weichstahlplatte gesiebte Eisenpulverteilchen gestreut, um einen Abstand von 0, 015 cm zu erhalten. Die eine Oberfläche der Nickelauflage wurde mit einer Schutzschicht aus Isolierband versehen, um kleinere Deformationen oder Eindrücke durch die Gewalt der Explosion auf dieser Oberfläche zu vermeiden. Diese Schutzschicht wurde ihrerseits mit einer Schicht des in Beispiel 1 beschriebenen Explosivstoffes (30 g je 6,45 crrr) bedeckt und das Ganze mit der Nickelseite nach unten auf die Stahlplatte aufgesetzt.
An der einen Ecke der Sprengstoffschicht wurde eine elektrische Zündkapsel Nr. 6 angebracht und der Sprengstoff gezündet. Die Verbindung der beiden Metallschichten bei der erhaltenen Nickel-Weichstahlkombination war ausgezeichnet.
Beispiel 4 : Unter Verwendung der gleichen Sprengstoffmischung und bei gleicher Arbeitsweise wie in Beispiel 3 wurde eine Verbundplatte in der Grösse von 7, 62 X 7,62 cm aus Molybdän und rostfreiem Stahl Typ 304 hergestellt. Die Dicke des Molybdänbelages betrug 0, 1 cm, diejenige des rostfreien Stahls 0,159 cm, das Gewicht der Sprengstoffschicht 15 g je 6, 45 cir ? und der Abstand zwischen den Metallen 0,015 cm. Es wurde eine ausgezeichnete Bindung erzielt.
Beispiel 5 : Ein 0,159 cm dicker Kupferbelag wurde in folgender Weise auf eine 1, 27 cm dicke Weichstahlplatte aufgebracht. Das Kupferblech (7, 62 x 15,24 cm) wurde auf einer Seite mit einer 2,54 cm dicken Schicht aus Polystyrolschaum bedeckt und diese mit einer Schicht der Sprengstoffzusammensetzung des Beispieles 1 (10 g je 6,45 cm2) belegt. Die Kanten des Kupfer-Polystyrol-Sprengstoff-"Sandwiches" wurden mit einem wasserdichten Band verklebt, worauf es auf die Weichstahlplatte aufgelegt wurde unter
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halten wurden. Die Kanten der vervollständigten Anordnung wurden gleichfalls mit dem Band verklebt.
An der einen Ecke der Sprengstoffschicht wurde ein elektrischer Zünder angebracht, das Ganze in Wasser getaucht und hierauf der Sprengstoff gezündet. Es resultierte eine ausgezeichnete Verbindung des Kupfers mit der Stahlplatte.
Beispiel 6 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde eine Auflage von Titan auf Kupfer erzeugt. Die Abmessungen der Bleche betrugen 7,62 x 15,24 cm ; die Titanschicht war 0, 127 cm und die Kupferschicht 0, 159 cm dick. Der Abstand, der in diesem Fall durch Teilchen gesiebten Titanpulvers hervorgerufen wurde, betrug 0,035 cm, das Gewicht des Sprengstoffes 10 g je 6,45 crrf. Nach der Deto- nation des Sprengstoffes waren die Titan-und die Kupferschicht fest und gleichmässig miteinander verbunden.
Beispiel 7 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde auf eine 1, 27 cm dicke Weichstahl- platte eine 0, 127 cm dicke Auflage aus Titan aufgebracht. Die Grösse der Bleche betrug 7,62 x 15,24 cm, das Gewicht des Sprengstoffes 15 g je 6,45 cm\ und der Abstand von 0,0043 cm wurde durch gleich-
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Beispiel 8 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde eine 0, 32 cm dicke Aluminiumschicht mit einer 1, 27 cm dicken Weichstahlplatte verbunden. Die Grösse der Bleche betrug 7,62 x 15,24 cm, das Sprengstoffgewicht 15 g je 6, 45 cm, der Abstand 0,015 cm. Nach der Detonation war die Aluminiumauflage fest mit dem Weichstahl verbunden.
Beispiel 9 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde eine 0,0254 cm dicke Tantalschicht auf eine 1, 27 cm dicke Weichstahlplatte mit den Abmessungen 10,2 X 12,7 cm aufgebracht. Abstand : 0,015 cm, 10 g Explosivstoff je 6,45 cmF. Es wurde eine ausgezeichnete Verbindung erzielt.
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Beispiel 10 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde eine Verbundplatte in der Grösse von 15, 24 x 22. 86 cm aus"Hastelloy C" (Dicke 0, 159 cm), auf Weichstahl (Dicke 1, 27 cm) hergestellt. Die
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geschwindigkeit ungefähr 4000 m/sec. Der Abstand zwischen den Metallen betrug 0, 035 cm und die
Zündung wurde in diesem Falle durch einen Generator zur Erzeugung linearer Wellen bewirkt.
Beispiel 11 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde eine 7,62 x 15, 24 cm grosse Tantal- Kupfer-Verbundplattehergestellt. DickederTantalschicht 0, 0254 cm. Dicke der Kupferschicht 0, 159 cm ; Sprengstoffgewicht 10 g je 6, 45 cm2, Abstand 0,015 cm.
Beispiel 12 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 5 wurde Weichstahl mit einer Auflage aus rost- freiem Stahl versehen (Plattengrösse 122 x 244 cm). Es wurde die in Beispiel 10 angegebene Explosiv- stoffmischung in einer Gewichtsverteilung von 12, 5 g je 6, 45 cm2 verwendet. Der Abstand betrug
0, 035 cm, die Dicke der Auflage 0, 079 cm und diejenige der Grundschicht 1, 9 cm.
Beispiel 13 : Es wurde eine Sprengstoffmischung mit einem Gehalt von 35% PETN, 50% Mennige und 15% des Butylkautschuk-Terpenharz-Bindemittels gemäss Beispiel 1 verwendet. Auch dieses Produkt lässt sich leicht zu biegsamen Folien auswalzen ; es besitzt eine Detonationsgeschwindigkeit von ungefähr
5000 m/sec. Eine Weichstahlplatte in der Grösse von 25, 4 x 25, 4 cm bei einer Dicke von 0, 127 cm wurde in einem Block aus hartem Gipszement eingelassen. Auf diese Platte wurde eine gleich grosse Magnesium- platte gleicher Dicke aufgesetzt, deren Oberfläche zwecks Einhaltung eines Abstandes von 0, 051 cm über der Stahlplatte mit mehreren gleich grossen Vorsprüngen versehen war.
Auf die Oberseite der Magnesium- platte wurde eine Sprengstoffschicht in den gleichen Abmessungen, deren Sprengstoffgehalt 3 g je 6,45 crrt betrug, aufgebracht ; eine handelsübliche elektrische Zündkapsel Nr. 6 wurde an der einen Kante der
Sprengstoffschicht befestigt und dann gezündet. Die Untersuchung der resultierenden Verbundplatte ergab eine feste gleichmässige Verbindung der beiden Schichten. Bei der mikroskopischen Prüfung fanden sich keinerlei Sprünge oder Fehler in der Grenzschicht und es gelang auch nicht, die Schichten auf mechanischem Wege zu trennen.
Beispiel 14 : Die Arbeitsweise sowie Art und Menge des Sprengstoffes gemäss Beispiel 13 dienten zum Aufbringen einer 0, 0076 cm dicken Titanschicht auf ein 0, 127 cm dickes Aluminiumblech in der Grösse von 25,4 X 25, 4 cm. Der Abstand betrug 0, 038 cm.
Beispiel 15 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 13 und unter Verwendung gleicher Mengen desselben Sprengstoffes wurde eine Verbindung zwischen einem "Inconel"- und einem Weichstahlblech in der Grösse von 25, 4 x 25, 4 cm bei einer Dicke von je 0, 127 cm hergestellt. Der Abstand betrug 0, 051 cm.
Beispiel 16 : Eine 0,00254 cm dicke"Nichrome"-Schicht wurde nach der Arbeitsweise des Beispieles 13 fest mit einer Wolfram-Grundschicht (0, 127 cm Dicke) verbunden. Art und Menge des verwendeten Sprengstoffes war die gleiche wie in Beispiel 10, der Abstand betrug 0, 0076 cm.
Beispiel 17 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 16 wurde unter Verwendung einer 0, 127 cm dicken Molybdänschicht an Stelle des Wolframs eine"Nichrome"-Auflage auf Molybdän hergestellt.
Beispiel 18 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 13 wurde eine 0, 0076 cm dicke Auflage aus einer Ti-Al-V-Legierung (90/6/4) auf Wolfram (2, 54 x 2, 54 x 0, 127 cm) aufgebracht. Der Abstand betrug 0, 0076 cm ; Art und Menge des Explosivstoffes war die gleiche wie in Beispiel 13. Es wurde eine ausgezeichnete Bindung erzielt.
Beispiel 19 : Eine 0, 0178 cm dicke Schicht einer Nb-Ti-Mo-Legierung (80/10/10) wurde nach der Arbeitsweise und unter Verwendung des Sprengstoffes gemäss Beispiel 13 auf ein Molybdänblech mit den Abmessungen 2, 54 x 2, 54 x 0, 127 cm aufgebracht ; der Abstand betrug 0, 0254 cm.
Beispiel 20 : Eine 0, 254 cm dicke Molybdänplatte (2, 54 X 10,16 cm) wurde auf eine Stahlplatte als Unterlage gebracht. Ein gleich grosses, 0, 0127 cm dickes Weichstahlblech wurde direkt über der Molybdänplatte mit Hilfe von an den Ecken des Stahlbleches befindlichen Vorsprüngen in einer Entfernung von 0, 0635 cm gehalten. Auf die Oberseite des Stahlbleches wurde das in Beispiel 13 angegebene Sprengstoffgemisch (2 g Explosivstoff je 6,45 cm2) aufgeleimt. Nach Zündung desselben an der einen Kante waren die beiden Metalle fest miteinander verbunden, ohne dass Sprünge nachgewiesen werden konnten.
Beispiel 21 : Ein Titanblech mit den Abmessungen 15, 24 x 25, 4 x 0, 02 cm wurde um einen zylindrischen Eisendom gebogen, wobei sich die Enden ungefähr 2, 54 cm breit überdeckten. Die eine Kante des Bleches war mit kleinen Ausbuchtungen versehen, so dass die beiden übereinandergelegten Kanten durch einen Luftspalt voneinander getrennt waren. Ein Streifen des in Beispiel 13 angegebenen Explosivstoffes in der Länge des Bleches wurde entlang der überlappenden Kante des Bleches angebracht
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und an dem einen Ende gezündet. Das so gebildete Titanrohr war gleichmässig ohne Sprünge oder sonstige Fehler. Die Naht war von ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und zeigte bei der metallurgischen Prüfung keine Unterbrechungen.
Beispiel 22 : Nach der Arbeitsweise des Beispieles 13 und unter Verwendung des Sprengstoffgemisches gemäss Beispiel 1 wurde eine 0,0737 cm dicke Auflage von rostfreiem Stahl auf Molybdän und auf Wolfram erzeugt. Der Abstand betrug in jedem Falle 0,038 cm, die Grösse der Metallschichten 5, 1 x 5, 1 cm und die Dicke der Molybdän- und der Wolframschicht 0,099 cm bzw. 0,0533 cm.
Beispiel 23 : Eine 0, 1 cm dicke Titanschicht wurde gemäss Beispiel 22 auf "Inconel" (Dicke 0, 148 cm) aufgebracht. Der Abstand betrug 0,038 cm und die Grösse der Schichten 5,1 x 5,1 cm. Es wurde eine gute Bindung erzielt.
Die folgenden Beispiele 24 - 33 veranschaulichen die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens für die Herstellung von mehrschichtigen Systemen (vom sogenannten"Sandwich"-Typ), d. h. von Verbundplatten mit mehr als zwei Lagen. In jedem dieser Beispiele wurde die in Beispiel 1 angegebene
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wurde auf einen Sperrholzblock als Unterlage gebracht. Darüber befand sich eine gleich grosse 0,046 cm dicke Kupferschicht in einem durch Eisenteilchen erzeugten Abstand von 0,015 cm. Hierauf folgte eine 0, 159 cm dicke Lage aus rostfreiem Stahl, welche, ebenfalls mit Hilfe von Eisenteilchen in einem Abstand von 0,015 cm gehalten wurde. Die freie Oberseite der letzten Schicht wurde mit einer IsolierbandSchutzschicht und dann mit einer Explosivstoffolie (Gewichtsverteilung 10 g je 6, 45 cm2) bedeckt, an deren einer Ecke ein elektrischer Zünder angebracht wurde.
Die Prüfung der nach der Detonation resultierenden Verbundplatte ergab, dass sich'an beiden Schichtengrenzflächen eine feste metallurgische Verbindung gebildet hatte. Es war weder eineDeformationnoch eine Verziehungder Oberfläche festzustellen.
Beispiel 25 : In gleicher Weise wie in Beispiel 24 wurde eine Verbundplatte aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Weichstahl und Messing (Gelbguss) hergestellt. Der Abstand zwischen den einzelnen Schichten betrug jeweils 0, oi5 cm. Die Dicke der Schichten aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Weichstahl und Messing betrug 0, 159 bzw. 0, 159, 0, 159 und 0, 316 cm, die Gewichtsverteilung des Sprengstoffes 20 g je 6, 45 cm2.
Beispiel 26 : Eine 15,24 x 22,86 cm grosse Verbundplatte aus rostfreiem Stahl (Dicke 0, 159 cm)
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27 : Eine 15, 24 x 22, 86 cm grosse Verbundplatte aus rostfreiem Stahl,sing-Weichstahl wurde gemäss Beispiel 24 hergestellt. Abstand jeweils 0,015 cm, 20 g Sprengstoff je 6, 45 cm2, Dicke der Schichten in der oben angegebenen Reihenfolge : 0, 159, 0,03, 0,0795 und 1, 27 cm.
Beispiel 28 : In gleicher Weise wie in Beispiel 24 wurde ein fünfschichtiger Handelsartikel hergestellt, der folgende Schichten (in der Reihenfolge von oben nach unten) aufwies : rostfreier Stahl-Weich- stahl-Kupfer-Weichstahl-rostfreier Stahl. Dicke der Schichten aus rostfreiem Stahl 0, 159 cm, der Weichstahlschichten 0,03 cm und der Kupferschicht 0, 159 cm ; 20 g Sprengstoff je 6,45 cm2 Abstand zwischen den Schichten 0, 015 cm.
Beispiel 29 : Ein Handelsartikel in der Grösse von 30, 5 X30, 5 cm aus Titan-Kupfer-rostfreiem Stahl wurde in folgenderweise hergestellt : Eine 0, 159 cm dicke Kupferschicht wurde über einer 0,02 cm dicken Schicht aus rostfreiem Stahl in einem Abstand von 0,0074 cm mit Hilfe von Eisenpulverteilchen gehalten. In ähnlicher Weise wurde eine 0,0076 cm dicke Titanschicht in einem Abstand von 0,0074 cm mit Hilfe von Eisenteilchen über der Kupferschicht angebracht. Die Oberseite des Titans wurde mit einem
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Eine Sprengstoffolie (15 g Explosivstoff je 6,45 cm2) wurde auf den Boden einer offenen Kiste von solcher Grösse geklebt, dass sie über die aufeinanderliegenden Metallschichten passte.
Dabei war die Tiefe der Kiste derart bemessen, dass zwischen der Sprengstoffschicht und der Titanschicht ein Zwischenraum von 1, 9 cm freiblieb, wenn die Kiste über die Metallschichten gestülpt und fest in dieser Stellung fixiert wurde. Nun wurde an der einen Ecke der Sprengstoffolie eine Zündvorrichtung angebracht, die Kiste über die Metallschichten gestülpt und die ganze Anordnung in Wasser getaucht, wonach die Zündung betätigt wurde. Der gebildete Verbundkörper wurde auf 5500C erhitzt und 10 min lang bei dieser Temperatur belassen. Nach Abkühlen an der Luft auf Raumtemperatur wurde der Körper um 900 über einen zylindrischen Dom gebogen. Weder Sprungbildung noch eine Trennung der Schichten wurde festgestellt.
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Beispiel 30 : Gemäss der Arbeitsweise des Beispieles 29 wurde ein 15, 24 x 15, 24 cm grosser 16- schichtiger Verbundkörper hergestellt, der aus abwechselnden je 0, 0127 cm dicken Schichten aus Weich- stahl und austenitischem rostfreiem Stahl bestand. Die Gewichtsverteilung des Sprengstoffes entsprach 10 g je 6,45 cm2, die Abstände betrugen jeweils 0, 015 cm. Zwischen dem Explosivstoff und der obersten Me- tallschicht befand sich ein 2, 54 cm grosser, mit Wasser gefüllter Zwischenraum. Die so hergestellte Ver- bundplatte war gleichmässig gebunden, ohne feststellbare Fehler oder Unregelmässigkeiten.
Beispiel 31 : Ein 7, 62 x 15, 24 cm grosser Handelsartikel aus Aluminium-Kupfer-Weichstahl wur- de unter Verwendung einer Explosivstoffschicht mit 15 g je 6, 45 cm und unter Einhaltung eines Abstan- standes (mit Hilfe von Eisenteilchen) von je 0, 015 cm zwischen jeder Schicht hergestellt. Die Oberseite des Aluminiums wurde durch eine 2, 54 cm dicke Polystyrolschaumschicht geschützt, die Anordnung an den Kanten mit Band verklebt und vor der Zündung des Sprengstoffes in Wasser getaucht. Die Dicke der
Aluminium-, Kupfer- und Weichstahlschicht betrug 0, 316 cm bzw. 0, 159 cm und 1, 27 cm.
Beispiel 32 : Ein 10, 16X12, 7 cm grosser Handelsartikel aus Tantal-Kupfer-Weichstahl wurde, wie in Beispiel 31 beschrieben, unter Verwendung einer Polystyrolschutzschicht und Zündung unter Was- ser hergestellt. Der Abstand betrug jeweils 0, 035 cm, das Gewicht des Explosivstoffes 15 g je 6, 45 cm2.
Schichtdicken : Tantal 0, 0254 cm, Kupfer 0, 159 cm und Weichstahl l, 27 cm.
Beispiel 33 : Die Sprengstoffzusammensetzung gemäss Beispiel 1 diente zur Herstellung einer 7, 62 x 15, 24 cm grossen Verbundplatte aus Weichstahl mit Silberauflage. Sprengstoffverteilung 12, 5 g je 6,45 cm. Wie in Beispiel 29 beschrieben, wurde eine Wasserschicht von 0, 63 cm zwischen Spreng- stoff und Silberschicht vorgesehen. Zwischen dem Silber und dem Weichstahl wurde mit Hilfe von Eisen- teilchen (Durchgang durch ein Sieb mit 58 Maschen/cm, zurückgehalten durch ein Sieb mit 300 Ma- schen/cm) im Abstand von 0, 083 cm aufrechterhalten ; die Zündung wurde durch einen Generator zur
Erzeugung linearer Wellen herbeigeführt.
Wenngleich nicht bezweckt wird, sich auf irgendeine Theorie hinsichtlich der Wirkungsweise des
Verfahrens festzulegen, kann doch angenommen werden, dass das oben beschriebene Bindungsphänomen
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durch die restliche Schicht vor. Der durch die Detonation ausgeübte Druck wirkt daher fortschreitend auf das Auflagematerial ein und treibt es gegen das Unterlagematerial. Befindet sich die Auflageschicht parallel zur Oberfläche des zu belegenden Metalls, gelangt der Teil des Auflagemetalls, der sich dem Zündungspunkt (oder den Zündungspunkten) zunächst befindet, in Kontakt mit dem Unterlagemetall, während das restliche Auflagemetall noch in Ruhe ist oder sich erst der Oberfläche nähert (s. Fig. 3).
Unter geeigneten Bedingungen entsteht ein"Strahl", der sich aus Oberflächenschichten beider Metalle zusammensetzt und der in den noch unausgefüllten Zwischenraum zwischen der Auflageschicht und der Oberseite des Unterlagemetalls gerichtet ist. Das so vorwärts geschleuderte Material ergibt bei der Rückführung eine innige Vermischung der beiden Metalle. Durch diese Entfernung von Metall von den Oberflächen und durch Verschmelzen unter hohem Druck mit vorher darunter befindlichem Metall ergibt sich die gewünschte Verbindung.
Eine wirksame Verbindung wird nicht erzielt, wenn die Auflageschicht dadurch, dass sie in einer annähernd senkrechten Richtung zur Oberfläche der Unterlage vorwärtsbewegt wird, als Ganzes auf diese auftrifft. Dies ist dann der Fall, wenn von zwei parallel angeordneten Metallschichten die eine durch einen Sprengstoff vorgetrieben wird, der praktisch auf seiner ganzen Oberfläche gleichzeitig gezündet wird, z. B. durch einen Generator zur Erzeugung ebener Wellen, oder wenn die Sprengladung in einem
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raumes eine nahezu gleichzeitige Zündung auf der ganzen Oberfläche bewirkt werden würde. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss die Sprengstoffschicht so gezündet werden, dass die Detonation parallel zur Auflageschicht fortschreitet.
Natürlich müssen die Abmessungen der Sprengstoffschicht den Abmessungen desjenigen Bereiches entsprechen, in dem eine Verbindung erhalten werden soll.
Ein wesentliches und kritisches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines Explosivstoffes mit
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zu verbindenden Systems gemeint, die auf jeden Fall ein metallisches Element oder eine Mischung von Metallen in Form der Elemente, d. h. eine Legierung, darstellt. Überschreitet die Detonationsgeschwindigkeit diesen Grenzwert, entstehen häufig Stosswellen in Schrägrichtung, welche die oben beschriebenen "Strahl"-Phänomene eliminieren und die Ausbildung einer guten Bindung von Metall zu Metall verhindern.
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Im Falle kein "Strahl" gebildet wird, treten ausserdem noch ausgeprägte Nebeneffekte auf, wie Verziehung der Platte und Sprungbildung in der Verbindungsschicht.
Die im Vorhergehenden mehrfach verwendete Bezeichnung "Schallgeschwindigkeit" in Metallen hat für den Fachmann bekanntlich unter verschiedenen Bedingungen etwas abweichende Bedeutungen. Beispielsweise versteht der Physiker unter dieser Bezeichnung etwas anderes, je nachdem es sich um die Phänomene plastischer Stosswellen in Feststoffen im Gegensatz zu den Phänomenen elastischer Stosswellen handelt. Für die Zwecke der Erfindung hat man es nur mit den erstgenannten Erscheinungen zu tun.
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spruchung gerade die Elastizitätsgrenze für die eindimensionale Kompression des betreffenden Metalls oder Metallsystems überschreitet. Dieser Wert der Schallgeschwindigkeit kann aus der Beziehung
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erhalten werden. wobei V die Schallgeschwindigkeit in cm/sec, K den adiabatischen Elastizitätsmodul in dyn/cm und d die Dichte in g/cm3 bedeutet.
Die Werte von K können aus Werten für den Young- Modul bzw. dem Poisson'schen Verhältnis abgeleitet werden : K=E/ (1-26) Werte für d und K oder E und 5 finden sich in der Literatur (s. z. B. American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York 1957).
Die Schallgeschwindigkeit kann auch aus bekannten Werten für die Geschwindigkeit der plastischen Stosswelle als Funktion der dem Metall durch die Stosswelle erteilten Teilchengeschwindigkeit ermittelt werden, s. R. G. McQueen und S. P. Marsh, Journal of Applied Physics 31 (7) [1960], S. 1253.
Falls Literaturdaten nicht zur Verfügung stehen, kann man durch Messungen von Stosswellen nach den Angaben von R. G. McQueen und S. P. Marsh (loc. cit.) und den dort noch zitierten Autoren zu Werten für V gelangen. Schliesslich kann V auch mit Hilfe der Gleichung
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ermittelt werden, wobei CL die Geschwindigkeit der elastischen Kompressionswelle und Cs die Geschwindigkeit der elastischen Schep% telle in dem Material bedeutet. Die erforderlichen Geschwindigkeiten der elastischen Wellen können nach bekannten Methoden gemessen werden. Zur Veranschaulichung sind in der nachstehenden Tabelle Schallgeschwindigkeiten für wichtige Metalle, wie sie im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wurden, angeführt.
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<tb>
<tb>
Metall <SEP> Schallgeschwindigkeit <SEP> m/sec
<tb> Zink <SEP> 3000
<tb> Kupfer <SEP> 4000
<tb> Magnesium <SEP> 4500
<tb> Niob <SEP> 4500
<tb> Austenitischer <SEP> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> 4500
<tb> Nickel <SEP> 4700
<tb> Titan <SEP> 4800
<tb> Eisen <SEP> 4800
<tb> Molybdän <SEP> 5200
<tb> Aluminium <SEP> 5500
<tb>
Abgesehen von der Begrenzung der Detonationsgeschwindigkeit auf die angegebenen Höchstwerte muss der verwendete Explosivstoff, wie weiter gefunden wurde jedoch eine Mindest-Detonationsgeschwindigkeit von mindestens etwa 1200 m/sec aufweisen. Explosivstoffgemische, die mit niedrigeren Geschwindigkeiten detonieren, vermögen oft nicht die für die Ausbildung des oben geforderten "Strahles" nötige
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Schicht gleichzeitig zu zünden.
Auch die Menge des Explosivgemisches ist nicht kritisch, nur muss seine
Explosivkraft gross genug sein, um die Schichten mit solcher Geschwindigkeit vorwärtszutreiben, dass die gewünschte Bindewirkung erzielt wird. Die im Einzelfall erforderlichen Bedingungen können vom Fach- mann unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Art des Sprengstoffes, der Dicke der Metallschicht usw. leicht festgelegt werden. Selbstverständlich führt ein Überschuss an Explosivstoff zu unerwünschten
Deformierungen und soll daher vermieden werden.
Wenn gewünscht, kann man zur besseren Ausnützung des Sprengstoffes auch an jeder Seite der Spreng- stoffschicht zu verbindende Metallschichten anbringen. In dieser Weise können in einem Arbeitsgang zwei
Verbundkörper hergestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Metallverbundkörpem, dadurch gekennzeichnet, dass man minde- stens eine Metallschicht im Abstand im wesentlichen parallel zu einer zweiten Metallschicht anordnet und an der Oberseite einer dieser Schichten eine Schicht eines detonierenden Explosivstoffes anbringt, dessen Detonationsgeschwindigkeit kleiner ist als IZO der Schallgeschwindigkeit in demjenigen der verwendeten Metalle mit der höchsten Schallgeschwindigkeit, worauf man den Explosivstoff in einer solchen Weise zündet, dass die Detonation in einer Richtung parallel zu den Metallschichten fortschreitet.