Verfahren zur Herstellung eines sprengplattierten Verbiindwerkstoffs
In den US-Patentschriften Nrn. 3 137 937 und 3 233 312 werden Verfahren zur Sprengplattierung von Metallen und die dabei erhaltenen Erzeugnisse beschrieben. Eines der kritischen Merkmale dieser Verfahren ist, dass die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffes weniger als 120 %, vorzugsweise weniger als 100 %, der Schallgeschwindigkeit des Metalls in dem System sein soll, das die höchste Schallgeschwindigkeit hat. Bei den dort im einzelnen offenbarten Sprengstoffen betrug jedoch die niedrigste Detonationsgeschwindigkeit 3900 m/sec. Die unter den im einzelnen offenbarten Bedingungen (unter Verwendung der spezifischen Sprengstoffe) erhaltenen Produkte waren metallurgisch (im Gegensatz zu mechanisch) gebunden.
Diese Bindung verlief dabei im wesentlichen kontinuierlich oder ununterbrochen über die ganze Grenzfläche, wie es für wirklich plattierte Erzeugnisse erforderlich ist. Überraschenderweise lag an der Bindezone keine Metalldiftusion vor. Die erhaltenen Bindezonen enthielten Bereiche einer Legierung, die im wesentlichen in ihrer Zusammensetzung homogen war und somit im Gegensatz zu den bisher bekannten Bindezonen stand, welche aufgrund der Diffusion eines oder mehrerer der Metallbestandteile in das andere Metall steigende bzw. sinkende Mengen eines jeden Metallbestandteiles enthielten.
Diese homogene Legierung lag an der Grenzfläche entweder als eine kontinuierliche Schicht einer im allgemeinen mehr oder weniger geraden Konfiguration oder in Form auseinanderliegender Inseln vor, die durch direkte Metall-Metall-Bindung in einer Grenzfläche von im allgemeinen welliger Kontur voneinander getrennt sind.
Eine Abänderung dieses Grundverfahrens ist in der eigenen US-Patentschrift Nr. 3 264 731 beschrieben, nach der die zu plattierenden Metallschichten anfangs in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet werden. Bei dieser Abänderung, die in der Anwendung eines bestimmten Ausgangswinkels liegt, wird das kritische Merkmal (weniger als 120 %, vorzugsweise weniger als 100 %, der Schallgeschwindigkeit in dem Metall des Systems, das die höchste Schallgeschwindigkeit hat) als Kollisionsgeschwindigkeit bezeichnet. Bei einem parallelen Piattierungssystem sind Kollisionsgeschwindigkeit und Detonationsgeschwindigkeit gleich.
Verhältnismässig hohe Kollisionsgeschwindigkeiten kamen in den Beispielen dieses Falles mit einer bestimmten Winkelanordnung bei den bevorzugten niedrigen Ausgangswinkeln zur Anwendung.
Unter Kollisionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit zu verstehen, mit der die Linie (oder Zone) der Kollision längs der zu bindenden Metallschichten entlang wandert, wie bei dem obigen Fall mit einem bestimmten Ausgangswinkel erörtert wurde. Für jede Metallschicht kann die Kollisionsgeschwindigkeit leicht verschieden sein, in den meisten erfindungsgemässen Fällen ist die Koilisionsgeschwindigkeit jedoch im wesentlichen die gleiche. In jedem Fall sollten die Kollisionsgeschwindigkeiten aller verwendeten Metallschichten innerhalb der angegebenen Grenzen liegen.
Unter Aufschiagwinkel soll der Winkel zwischen benachbarten Teilen der Schichten an dem Kollisionspunkt (oder der Kollisionslinie) verstanden werden, im Gegensatz zu dem Ausgangswinkel, bei dem die Platten als Ganzes zueinander für ein Winkel-Plattierungssystem angeordnet sind. Es gibt daher bei einem parallelen Plattierungssystem nur einen Aufschlagwinkel. Der Auf schiagwinkel hängt von dem Abstand der Platten, dem Sprengstoff, dem Metallwerkstoff und dem Ausgangswinkel ab, wenn nach einem Winkel-Plattierungsverfahren gearbeitet wird.
Überraschenderweise wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines sprengpiattierten Verbundwerkstoffs aus im Abstand voneinander und praktisch parallel zu- einander angeordneten Metallschichten mit detonierendem Sprengmittel, wobei die Kollision mit einer Geschwindigkeit über den Körper fortschreitet, die mindestens 1200 mlsec beträgt, jedoch geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Metallschicht, das die höchste Schallgeschwindigkeit hat, gefunden, das Erzeugnisse mit überraschenden neuen und verbesserten Eigenschaften liefert und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kot- lisionsgeschwindigkeit innerhalb des oben genannten Bereichs so gering ist,
dass die Summe aller Volumina voll erstarrter Schmelze, die sich in der Bindezone bildet; dividiert durch die Grösse der Grenzfläche, 0 bis 10 Ecm ist und vorzugsweise nicht grösser als 1 ,um ist.
Es wird angenommen, dass das Vorliegen einer Legierung seine Ursache darin hat, dass während des Piat- fierungsverfahrens etwas Metall an der Grenzfläche schmilzt und sich dann in Form einer Legierung wieder erhärtet. Zur Verhinderung einer Legierungsbildung wird es daher für notwendig oder wünschenswert efach- tet, die Bildung einer Schmelze in der Bindezone möglichst gering zu halten. Die gleichen Betrachtungen dürften auch dann gelten, wenn Schichten des gleichen Me- talls aufeinander plattiert werden sollten. Es dürfte in der Tat verwunderlich erscheinen, dass man die Vermeidung der Bildung einer Schmelze anstrebt, da man annehmen könnte, dass derartige Bindungen in Abwesenheit irgendeiner Verschmelzung schwächer sein würden, als wenn es im Verlaufe der Bindung zu einem Schmelzen käme.
Einige Metallkombinationen bilden jedoch spröde intermetallische Verbindungen, sie wären eine Ursache für Schwächung des Materials. In jedem Fall ist es erfindungsgemäss erforderlich, die Bildung von Schmelze in der Bindezone möglichst zu vermeiden und, wenn eine Schmelze vorliegt, eine äquivalente Dicke der Schmelze von weniger als 10 ,rom, vorzugsweise von weniger als 1 ,um, zu haben. Diese äquivalente Dicke der Schmelze ist die Summe aller Volumina von Schmelze (Legierung) in der Bindezone, dividiert durch die Fläche der Grenzfläche, d. h. sie ist die Dicke einer imaginären Schicht gleichförmiger Dicke, die aus der Summe all der Bereiche der Schmelze besteht, die gleichförmig über die gesamte Grenzfläche oder Bindezone verteilt sind.
In der Praxis kann sie dadurch gemessen werden, dass man einen Schnitt durch eine Piattierung in Richtung des Fortschreitens der Detonation vornimmt, die Zonen der Schmelze bestimmt und durch die Länge der Bindezone dividiert. Für eine grössere Genauigkeit kann man mehrere Schnitte nehmen und einen Mittelwert bilden. Selbstverständlich sind die Zonen der Schmelze, die in diesen Schnitten als Flächen gesehen werden, in Wirklichkeit langgezogene Bänder bzw. Streifen, die die ungefähre Kontur der Detonationsfront haben.
Jede Schmelze, die gebildet wird, hat anfangs im wesentlichen durch und durch homogene Zusammenset- zung; die Zusammensetzung liegt zwischen denjenigen der beiden Schichten auf beiden Seiten. Wenn die Schmelze anfänglich gebildet wird, so ist vorzugsweise im wesentlichen keine Diffusion erkennbar, d. h. es gibt keinen Gradienten in der Zusammensetzung, der sich beispielsweise mit einer Elektronensonde oder durch mehrere aufeinanderfolgende Schnitte und Untersuchung dieser feststellen liesse, und zwar bei einer Auflösung bis 0,2 ftm, obwohl anschliessende Behandlungen der plat tierten Verbundstoffe eine Diffusion verursachen könn ten.
Ein Erzeugnis mit einer im wesentlichen gleichförmis gen wellenartigen Grenzfläche wird im allgemeinen wegen seiner besseren Festigkeitseigenschaften bevorzugt.
Die Wellen haben gewöhnlich eine Amplitude von wenigstens 5 /ss.m und eine obere Grenze von vorzugsweise nicht mehr als 50 S der Dicke der dünneren Schicht. Die bevorzugte parallele Plattierung erleichtert die Bildung von im wesentlichen gleichförmigen Wellen, was im allgemeinen zu gleichförmigeren mechanischen Eigenschaften führt.
Die Vorteile, die bei einigen solcher piattierter Erzeugnisse gefunden wurden, die keine wesentliche Schmelze in der Bindezone enthielten, gehen aus den Beispielen deutlicher hervor. Sie bestehen insbesondere in der Duktilität, wobei die plallierten Verbundstoffe vorzugsweise eine Dehnung von mindestens 85 % der am wenigsten duktilen Grundschicht haben, in einer Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Spannungen, insbesondere einer hohen Scherfestigleeit, vorzugsweise wenigstens in der Grössenordnung der Grundmetalle, wenn diese parallel zu der Grenzfläche und senkrecht zu den Wellen gemessen wurde, und in einer Bearbeitbar- keit des Produktes, wie beispielsweise einer Formbarkeit.
Es wird angenommen, dass der Aufschlagwinkel einen bedeutenden Einfluss auf einige dieser Eigenschaften haben kann, dass jedoch dessen Bedeutung in starkem Masse verringert ist, wenn man nach der vorliegenden Erfindung arbeitet. Dies erleichtert vorteilhaft die Kontrolle bzw. Steuerung des Produktes, d. h. es erlaubt eine grössere Variationsbreite der Verfahreusbedingun- gen und führt zugleich zu Erzeugnissen einheitlicherer und zuverlässlicher Qualität.
Es wird angenommen, dass es für die meisten Metalle eine kritische Kollisionsgeschwindigkeit gibt, die im allgemeinen 2300 bis 2500 m/sec beträgt, wobei es unterhalb dieser kritischen Geschwindigkeit im allgemeinen möglich ist, die Bildung irgendeiner wesentlichen Legierung, d. h. Schmelze, zu vermeiden, und zwar wenigstens einer solchen Schmelze, die bei 250facher Vergrösserung erkennbar ist, wobei oberhalb dieses Wertes die Menge an gebildeter Schmelze mit der Kollisionsge- schwindigkeit bei jedem gegebenen Aufschlagwinkel zunimmt. Es wäre daher zu erwar.en, dass man bei sehr niedrigen Kollisionsgeschwindigkeften zuverlässig arbeiten könnte, um eine gute Bindung zu erhalten und zugleich die Bildung von Schmelze zu vermeiden.
Da die Detonationsgeschwindigkeit von zur Zeit verfügbaren Sprengstoffen niedrig ist, wird es in der Praxis jedoch zunehmend schwieriger, reproduzierbare Detonation bei irgendeiner gegebenen Geschwindigkeit zu erhalten. Dar über hinaus möchte man vorzugsweise eine wellenförmige Grenzfläche bekommen, da die Bedingungen leichter gesteuert werden können, bei denen man eine starke Bindung erhält. Aus Gründen der Festigkeit der Bindung und der Zuverlässigkeit arbeitet man daher im Mi- gemeinen vorzugsweise bei einer möglichst hohen Detonationsgeschwindigkeit innerhalb des Kollisionsgeschwindigkeitsbereiches, der für die besondere Kombination von Metallen zulässig ist, wobei man immer die Menge der gebildeten Schmelze zu verringern sucht.
Dies sind praktisch die Gründe dafür, warum man vorzugsweise bei Kollisionsgeschwindigkeiten über 1400 m/sec, insbesondere über 1900 m/sec, für die meisten Metalle arbeitet.
Ein weiterer Vorteil beim Arbeiten bei einer Kolli sionsgeschwindigkeit unterhalb der kritischen Geschwin digkeit ist, dass die Amplitude einer wellenförmigen
Bindezone, die im allgemeinen bevorzugt wird, beacht lich kleiner ist als die, die bei dem gleichen Aufschlag winkel unter Anwendung einer über dem kritischen Be reich liegenden Kollisionsgeschwindigkeit gebildet wird.
Extrem grosse Amplituden sind bei dünnen Schichten nicht erwünscht, da die Oberflächenkontur solcher Schichten beeinflusst werden kann.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Sprengstoffplattierung zweier oder mehrerer Metallschichten, bei dem ein derartiger Sprengstoff und solche Plattierungsbedingnngen zur Anwendung kommen, dass eine wesentliche Bildung einer Schmelze an der Grenzfläche während des Plattierungsverfahrens vermieden wird.
Sprengstoffe mit einer Detonationsgeschwindigkeit von oder unter im wesentlichen 2500 m/sec, wie dies im allgemeinen für ein paralleles Plattierungsverfahren gemäss der Erfindung erforderlich ist, sind Nitroguanidin mit niedrigem Schüttgewicht und selbsttragende, faserige, filzartige Sprengstoffe in Plattenform (z. B. auf der Grundlage von PETN und RDX), wie sie in der US-Patentschrift Nr. 3 102 833 beschrieben sind, und Sprengstoffe, wie sie in U. S. Bureau of Mines Information, Circuiar 8087 (1962), aufgeführt sind. Zur Plattierung unter einem bestimmten Winkel lassen sich die gleichen Sprengstoffe verwenden. Ferner können hierfür Sprengstoffe mit höheren Detonationsgeschwindigkeiten verwendet werden, als sie sich unter den betrachteten Ver fahreusbedingungen anwenden lassen.
Die zu plattierenden Metailwerkstoffe können gleich oder verschieden sein und schliessen auch Legierungen ein, wobei die meisten Metalle für das erfindungsgemässe Verfahren geeignet sein können. Metalle mit höherem spezifischem Gewicht ergaben im allgemeinen gute Bindungen ohne wesentliche Schmelze bei niedrigeren Kollisionsgeschwindigkeiten als Metalle mit niedrigerem spezifischem Gewicht. Dies hängt jedoch auch von anderen Faktoren ab, die das Ergebnis beeinflussen können.
Metalle mit einem spezifischen Gewicht von wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 4 und bis hinauf zu 17, insbesondere Kupfer, Nickel, Eisen, Silber, Titan, Zirkonium, Tantal und deren Legierungen, die beispielsweise bis zu 50 Ges.%, vorzugsweise bis zu 30 Gew. O, andere Legierungselemente enthalten, führten auf diese Weise zu guten Ergebnissen. Werden verschiedene Metalle zusammenplattiert, so sollte die Differenz ihrer spezifischen Gewichte vorzugsweise nicht über 9 hinaus gehen. Auch Metalle mit einer niedrigen Wärmekapazität und/oder einem niedrigen Schmelzpunkt dürfen eher Probleme verursachen, wenn man keine Schmelze erzielen möchte.
In ähnlicher Weise nimmt man an, dass Metalle, die unter schneller Belastung hohe Festigkeit haben, höhere Detonationsgeschwindigkeiten benöXiigen, wenn man andere Faktoren ausser acht lassen kann. Man sollte ein Metall mit ausreichender Duktilität verwenden, so dass es die gewählten Plattierungsbedingungen aushält, d. h. es sollte weder bersten noch reissen, im allgemeinen soll die Dehnung wenigstens 5 S betragen.
Im allgemei- nen ist es besser, die duktilere Schicht als Piattierungs- schicht und die weniger duktile Schicht als Grundwerkstoff zu verwenden, wenn man in einem Zweischichtensystem die Wahl hat und eine wesentliche Möglichkeit besteht, dass die weniger duktile Schicht reisst Zu andere ren geeigneten Metallen und deren Legierungen, die beispielsweise wenigstens 50 Gew.,0; anderer Elemente enthalten, gehören Aluminium, Niob, Chrom, Kobalt, Vanadium, Platin und Gold. Besonders gute Plattierungen bzw. Verbundstoffe lassen sich unter anderem durch Kombinationen erreichen, die sonst spröde intermetallische Phasen an ihren Grenzflächen bilden würden, z. B.
Titan-, Tantal-, Kupfer- und Zirkonium-Stahlkombina tieren und Kupfer- und Titan-Aluminiumkombinationen.
Wie bereits oben gesagt wurde, kann der Aufschlag winkel zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse von Bedeutung sein. Bei jedem gegebenen Piattierungssystem scheint eine erfolgreiche Plattierung innerhalb des unteren Kollisionsgeschwindigkeisshereichs gemäss der vorliegenden Erfindung einen grösseren minimalen Auf schiagwinkel zu erfordern, -als er für Piattierungsverfah- ren über 2500 m/sec notwendig ist. Dieser grössere Aufschlagwinkel lässt sich dadurch erreichen, dass man den Abstand und/oder die Sprengladung erhöht. Der genaue Wert lässt sich empirisch für jede besondere Metallkombination ermitteln, ein Winkel von etwa 100 ist jedoch gewöhnlich ausreichend, wobei z.
B. der Bereich von im wesentlichen 4 bis 180 für Nickel und von 7 bis 200 für Titan zweckmässig ist.
Der Abstand zwischen den Platten kann durch speziell anzuwendende Bänder gegeben sein (US-Patentschrift Nr. 3 205 574). Abstände von wenigstens 0,3 und bis hinauf zu der 4fachen Dicke der Piattierungsschicht werden im allgemeinen, insbesondere bei der bevorzugten parallelen Plattierung, bevorzugt. Die Sprengladungen zeigen im allgemeinen mit dem Abstand und mit der Masse der Piattierungsschicht. Sie betragen vorzugsweise wenigstens das 0,2- bis 3- oder sogar das 8fache Gewicht der Plattierungsschicht. Im allgemeinen werden sie so gewählt, dass die Plattierungsschicht eine Geschwindig Breit von wenigstens 130 mlsec zur Zeit der Kollision hat.
Wird anfänglich ein Winkel angewendet, so soll dieser unter 100, vorzugsweise unter 50 liegen, da grössere Winkel, abgesehen von verfahrenstechnischen Schwierigkeiten, zur Bildung uneinheitlicher Produkte führen.
Es wird festgestellt, dass sich die erfindungsgemässen Verbundwerkstoffe verschiedener Metalle, welche praktisch keine Schmelze an der Grenzfläche enthalten, von bekannten Verbundstoffen unterscheiden. Das erfindungsgemässe Verfahren führt zu vielschichtigen Ver bundstoffen aus wenigstens zwei miteinander verbundenen metallischen Schichten, wobei deren benachbarte Schichten verschiedene Zusammensetzung haben und über wenigstens 90 S der dazwischenliegenden Grenzfläche durch eine praktisch diffusionslose Bindung verbunden sind, wobei der Verbundwerkstoff in der Grenzschicht zu beiden Seiten der Metallbindung einen mikrophotographisch erkennbaren, in Richtung der Kollision und praktisch parallel zur Grenzfläche verlaufenden und auf die Bindungszone beschränkten, plastischen Metallfluss aufweist,
wobei in der Bindezone vorhandene, erstarrte Schmelze in lokalisierten Zonen zwischen den Metallschichten und zwischen Bereichen nicht rein mechanischer Metall-Metall-Bindung der Grenzfläche verteilt vorliegt und wobei die Summe aller Volumina von Schmelze, die in der Bindezone vorhanden ist, dividiert durch die Grösse der Grenzfläche, nicht grösser als 1 Erm ist.
Unter geordneter plastischer Deformation ist eine regelmässige plastische Gesamtdeformation in einer im wesentlichen zu der Kollisionsfront senkrechten Hauptrichtung zu verstehen, d. h. in Richtung der Kollision und im allgemeinen parallel zu und in der Nähe der Grcnzfläche lokalisiert. Diese Deformation folgt der allgemeinen Kontur der Grenzfläche; sie ist beispielsweise bei einer wellenförmigen Grenzfläche parallel oder liegt innerhalb eines kleinen Winkels, wie 10 bis 200. Die Db formation ist dicht an der Grenzfläche einer jeden Seite hiervon konzentriert.
Sie liegt gewöhnlich innerhalb von weniger als etwa 25 % der Stärke der dünnen Schicht, gemessen von der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden Bergen und Tälern einer wellenförmigen Grenzfläche, und für gewöhnlich geht die Deformation nicht über einen Abstand von mehr als zweimal die Länge einer solchen Amplitude über die Berge hinaus.
Zu den erfindungsgemäss hergestellten Erzeugnissen gehören insbesondere Erzeugnisse von Piattierungswer- ken (clad mill products), d. h. Erzeugnisse mit einer minimalen bezeichnenden Abmessung von 7,5 cm, wie Bänder, Stäbe, Stangen und Rohre einer Länge von we nigstens 7,5 cm und Platten und Bleche mit jeweils einer Länge und Breite von wenigstens 7,5 cm.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah- rens geeignet ist.
Fig. 2, 3, 3A und 3B sind Mikrophotographien piat- tierter Erzeugnisse, die in den Beispielen näher erläutert werden.
In Fig. 1 sind ein Grundwerkstoff bzw. eine Metallgrundplatte 1 und ein Auflagewerkstoff 2 Parallel zuein- ander und im Abstand voneinander angeordnet. Der Abstand 3 wird dabei durch gewundene Metallbänder 4 hergestellt, die sich an den Ecken der Platte befinden. Diese Anordnung ist mit einer überstehenden Schicht eines körnigen Sprengstoffes 5 versehen, der in dem Behälter 6 gehalten wird, der beispielsweise aus Pappe besteht.
Diese Schicht erstreckt sich über die parallele Plattenan- ordnung und über den Metallstreifen 2a hinaus, der die gleiche Zusammensetzung und Stärke wie die Plattie- rungspiatte 2 hat. Das Metallband und die Ausdehnung der Sprengstoffschicht sollten vorzugsweise eine erhöhte Sicherheit dafür bieten, dass es zu einer guten Bindung an dem Ende der Platten nächst dem Sprengstoffzundpunkt kommt. Die Sprengstoffschicht 5 wird durch ein elektriy sches Zündhütehen 7 gezündet, dessen Drähte 8 zu einer Stromquelle führen.
Nach der Zündung der Sprengstoffschicht 5 wird die Platte 2 gegen die Platte 1 geschleudert und kollidiert progressiv mit dieser, während die Detonation durch die Schicht 5 fortschreitet, wobei die Kollisionsgeschwindigkeit der Detonationsgeschwindig keit der Sprengstoffschicht 5 entspricht.
Die Erfindung wird anhand der Beispiele näher erläutert. Alle Teile und Prozentangaben verstehen sich als Gewichtsangaben, es sei denn, dass etwas anderes angegeben ist, wie beispielsweise im Falle der Grenzfläche die prozentuale Grenzfläche. Die allgemeine Anordnung für die parallele Plattierung der Beispiele 1 bis 3 ist in Fig. 1 gezeigt. Die Veränderungen der Detonationsgeschwindigkeiten des Sprengstoffes bis hinauf zu 3000 m/sec in den Beispielen 1 und 2 lassen sich dadurch erreichen, dass man in die Sprengstoffmischungen variierende Mengen nichtexplosiver Bestandteile einmischt, z. B. dadurch, dass man die Menge des Maismehis in einer Nitroguanidin-Maismehl-Mischung zur Erniedri- gung der Detonationsgeschwindigkeit erhöht.
Beispielsweise beträgt die Detonationsgeschwindigkeit einer 70: 30 Nitroguanidin-Maismehl-Mischung 2000 m/sec.
Oberhalb 3000 m/sec lassen sich die Sprengstoffzubereitungen der US-Patentschrift Nr. 3 102 833 verwenden.
Die Kollisions- und Plattengeschwindigkeit sowie der Plattenaufschlagswinkel werden (mit Ausnahme für das Beispiel 3 der Proben 2 bis 10) durch eine Folge von Rahmenkameras (framing-camera sequences) gemessen, wobei die Technik einer reflektierten Gitterversetzung (reflected-grit-displacement) verwendet wird. Die Detonationsgeschwindigkeiten im Beispiel 3, Proben 2 bis 10, wurden nach dem Stiftverfahren (pin method) gemessen. Die Metalloberflächen wurden durch Abschleifen mit einer Sandschleifscheibe und Entfettung mit A1- kohol vorbereitet.
Beispiel 1
Eine Reihe von Grundplatten aus Weichstahl der Sorte 1008 (etwa 0,08 % Kohlenstoff) mit einer Stärke von 1,25 cm wird durch Explosion mit Nickelpiatten (Sorte A, d. h. wenigstens 99 % Reinheit) mit 3 mm Stärke parallel plattiert, und zwar mit Koilisionsgeschwindigkei- ten, Abständen, Plattengeschwindigkeiten und Auf schlagwinkein, wie sie aus der Tabelle I hervorgehen.
Es ergeben sich dabei Nickel-Stahlplattierungen, die alle an der Grenzfläche zwischen den Platten zu über 90% verbunden sind und die in Tabelle 1 angegebenen Eigenschaften der Bindezone haben. Beide Platten haben im wesentlichen der Abmessungen 18 x 23 cm, die Nickelschicht hat jedoch auch ein Zündausdehnungsband von 2,5 cm, längs einer 18 cm langen Seite. Die Sprengstoffmenge ist so gewählt, dass sie den angegebenen Auf schlagwinkel ergibt, sie liegt zwischen dem 0,2- und 3fachen Gewicht der Nickelauflageschicht.
Tabelle 1 Nickel-Stahl-Verbundstoffe
EMI4.1
<tb> <SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Platten- <SEP> EigenschaftenderBindungszone
<tb> <SEP> geschwindigkeit <SEP> <SEP> geschwindigkeit <SEP> <SEP> Platten- <SEP> Art <SEP> Wellen <SEP> Ampli- <SEP> Dicke <SEP> der
<tb> <SEP> geschwindigkeit <SEP> (mm) <SEP> geschwindigkeit <SEP> aufschlag- <SEP> Art <SEP> länge <SEP> tude <SEP> Schmelze
<tb> <SEP> (m/sec) <SEP> (m/sec) <SEP> winkel <SEP> * <SEP> <SEP> (y) <SEP> <SEP> (5) <SEP>
<tb> <SEP> a <SEP> 1650 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 215 <SEP> 7,4 <SEP> gerade <SEP> und <SEP> 112 <SEP> 10 <SEP> < 1
<tb> <SEP> b <SEP> b <SEP> <SEP> 2000 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP>
250 <SEP> 7,0 <SEP> wellenförmig <SEP> 103 <SEP> 11 <SEP> < 1
<tb> <SEP> c <SEP> 2500 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 270 <SEP> 6,6 <SEP> <SEP> 236 <SEP> 39 <SEP> 1,6
<tb> <SEP> d <SEP> 3600 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 410 <SEP> 6,5 <SEP> <SEP> <SEP> 254 <SEP> 38 <SEP> 5,1
<tb> <SEP> a <SEP> 2000 <SEP> 85 <SEP> (2,2) <SEP> 310 <SEP> 8,7 <SEP> <SEP> 318 <SEP> 41 <SEP> < 1 <SEP>
<tb> 2 <SEP> b <SEP> 2500 <SEP> 85 <SEP> (2,2) <SEP> 337 <SEP> 8,2 <SEP> <SEP> 425 <SEP> 76 <SEP> 3,9
<tb> <SEP> c <SEP> 3600 <SEP> 85 <SEP> (2,2) <SEP> 510 <SEP> 8,25 <SEP> <SEP> 590 <SEP> 96 <SEP> 9,8
<tb> <SEP> a <SEP> 1650 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 325 <SEP> 11,2 <SEP> <SEP> 520 <SEP> 52 <SEP> < 1
<tb> <SEP> b <SEP> b <SEP> <SEP> 2000 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 372 <SEP> 10,5 <SEP> <SEP>
<SEP> 5167 <SEP> <SEP> 88 <SEP> < 1 <SEP>
<tb> 3 <SEP> c <SEP> 2500 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 407 <SEP> 9,7 <SEP> a <SEP> <SEP> 671 <SEP> 121 <SEP> 6,0
<tb> <SEP> d <SEP> 3600 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 625 <SEP> 9,95 <SEP> <SEP> 739 <SEP> 146 <SEP> 28,8
<tb>
EMI5.1
<SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Bindungszone
<tb> <SEP> Kollisions- <SEP> Abstand <SEP> Platten- <SEP> Platten- <SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Bindungszone
<tb> <SEP> geschwindigkeit <SEP> (mm) <SEP> geschwindigkeitaufschlag- <SEP> Art <SEP> Wellen- <SEP> Ampli- <SEP> <SEP> Dicke <SEP> der
<tb> <SEP> länge <SEP> <SEP> (mm) <SEP> geschwindigkeit <SEP> aufschlag- <SEP> Art <SEP> länge <SEP> tude <SEP>
Schmelze
<tb> <SEP> (m/sec) <SEP> (m/sec) <SEP> winkel* <SEP> (,u) <SEP> <SEP> (,u) <SEP> <SEP> zur <SEP>
<tb> <SEP> a <SEP> 2000 <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 420 <SEP> 11,8 <SEP> gerade <SEP> und <SEP> 790 <SEP> 132 <SEP> < 1
<tb> 2500 <SEP> <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 462 <SEP> 10,8 <SEP> wellenförmig <SEP> 895 <SEP> 171 <SEP> 9,0
<tb> <SEP> #c <SEP> 3600 <SEP> <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 700 <SEP> 11,2 <SEP> <SEP> 965 <SEP> 162 <SEP> 24,0
<tb> <SEP> #a <SEP> 1650 <SEP> <SEP> 415 <SEP> (10,5) <SEP> 425 <SEP> 14,8 <SEP> <SEP> <SEP> 1018 <SEP> 169 <SEP> < 1
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<SEP> 97 <SEP> < 1
<tb> <SEP> tc <SEP> <SEP> 3600 <SEP> 415 <SEP> (10,5) <SEP> 775 <SEP> 12,5 <SEP> <SEP> 1333 <SEP> 284 <SEP> 59,2
<tb> Es ist zu bemerken, dass die Versuche bei 3600 m/sec Vergleichsversuche und daher nicht erfindungsgemäss sind.
Die Zunahme der Amplitude und der Dicke der Schmelze mit der Kollisionsgeschwindigkeit geht deutlich aus dieser Tabelle hervor. Die Anwendung einer Kollisionsgeschwindigkeit von 3600 m/sec für Nickel-Stahl Kombinationen liegt ausserhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung. Es lässt sich jedoch hieraus ersehen, dass, obgleich gute Bindung erreicht wird, die Dicken der Schmelze verhältnismässig breit sind, und zwar insbesondere bei höheren Abständen, im Vergleich zu den vernachlässigbaren Dicken, die sich durch Verwendung der bevorzugten Kollisionsgeschwindigkeiten von unter 2300 mps erzielen liessen. Auch die Kollisionsgeschwindigkeit von 2500 mps ergibt gute Bindung, es liegen jedoch hier grössere Dicken der Schmelze vor, als sie mit den bevorzugten Kollisionsgeschwindigkeiten von unter 2300 mps, und insbesondere bei höheren Abständen, erzielt werden.
Die Fig. 2 zeigt eine Mikrophotographie (76fache Vergrösserung) des Nickei-Stahl-Verbundstoffes der Probe 5 (b). Man sieht, dass die allgemeine Richtung des plastischen Fliessens des Metalls (durch die Pfeile angegeben) im Hauptbereich der Bindezone der Verbundstoffe im wesentlichen abseits von der Zündlinie liegt.
Das gleiche Verfahren findet bei einer Detonations- geschwindigkeit von 1650 mps, einem Abstand von 18 mm und einem Plattenaufschlagwinkel von 16,50 Anwendung. Es ergibt sich dabei eine Verbundplatte mit gerader Grenzfläche, wobei über 90 % dieser Grenzfläehe gebunden sind und keine feststellbare verfestigte Schmelze vorliegt. Es liegen Anzeichen einer plastischen Deformation um die Grenzfläche in der Richtung der Detonation herum vor. Eine Probe des Verbundstoffes wurde um 97 % ihrer Dicke kaltgewalzt, wobei sich kein Anzeichen eines Aufgehens der Bindung zeigte.
Die Verwendung von Silber als Auflagewerkstoff anstelle von Nickel mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2000 mps und einem Abstand von 4 mm führt im wesentlichen zu ähnlichen Ergebnissen.
Beispiel 2
Das gleiche Ausgangsverfahren wird für Titan (Sorte 35-A, d. h. wenigstens 99 % Reinheit) anstelle des Nikkels verwendet. Die Piattierungsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle II gezeigt. Es kommt zu einer Bindung von über 90 % der Grenzfläche, mit Ausnahme der Probe 5 (b), die nur zu 80 5S verbunden ist.
Drei Zugversuche (ASTM Verfahren E8) wurden mit Probestücken von 5 cm Länge eines jeden Verbund stoffes in Richtung der Detonationsausbreimng durchgeführt. Der mittlere Dehnwert ist in Tabelle II angegeben und gilt als ein Mass der Ziehbarkeit der Plattierung.
Die Duktilitäten der bei 2000 mps (in dem bevorzugten Bereich) hergestellten Plattierungen sind über einen breiten Bereich von Abständen leidlich konstant. Sie sind im allgemeinen grösser als die Ziehbarkeiten von Plattierungen mit höherer Geschwindigkeit, und zwar insbesondere mit zunehmendem Abstand. Die Anwendung der bevorzugten Kollisionsgeschwindigkeiten ergibt somit über einen breiteren Bereich von Verfahrensbedingungen, wie beispielsweise dem Abstand, gute Eigenschaften, als dies mit höheren Detonationsgeschwindigkeiten möglich ist.
Tabelle II Titan-Stahl-Verbundstoffe
EMI5.2
<tb> <SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Bindungszone <SEP> Zugversuch
<tb> <SEP> Probe <SEP> Kollisions- <SEP> Abstand <SEP> nattierungs- <SEP> <SEP> Platten- <SEP> Wellen- <SEP> Ampli- <SEP> Dicke <SEP> der <SEP>
<tb> <SEP> Nr.
<SEP> geschwindigkeit <SEP> <SEP> (mm) <SEP> <SEP> geschwindigkeit <SEP> aufschlag- <SEP> Art <SEP> länge <SEP> tude <SEP> Schmelze <SEP> <SEP> Dehnung <SEP>
<tb> <SEP> (m/sec) <SEP> (m/sec) <SEP> winkel <SEP> * <SEP> <SEP> Iänge <SEP> <SEP> tude <SEP>
<tb> <SEP> 2000 <SEP> <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 330 <SEP> 9,9 <SEP> wellenförmig <SEP> 103 <SEP> 8 <SEP> < 1 <SEP> 32
<tb> 1 <SEP> #b <SEP> <SEP> 2500 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 400 <SEP> 9,7 <SEP> <SEP> 254 <SEP> 19 <SEP> 1,2 <SEP> 32
<tb> <SEP> # <SEP> <SEP> c <SEP> 3600 <SEP> 45 <SEP> (1,1) <SEP> 580 <SEP> 9,3 <SEP> 250 <SEP> 23 <SEP> 14,0 <SEP>
<tb>
<SEP> geschmolzene
<tb> <SEP> # <SEP> <SEP> a <SEP> 2000 <SEP> 85 <SEP> (2,2) <SEP> 420 <SEP> 12,2 <SEP> Schicht <SEP> und <SEP> 215 <SEP> 17 <SEP> < 1 <SEP> <SEP> 34
<tb> 2 <SEP> # <SEP> <SEP> b <SEP> 2500 <SEP> 85 <SEP> (2,2) <SEP> 465 <SEP> 11,0 <SEP> Wellen <SEP> 482 <SEP> 47 <SEP> 3,0 <SEP> 29
<tb> <SEP> # <SEP> c <SEP> <SEP> 3600 <SEP> 85(2,2) <SEP> <SEP> 710 <SEP> 11,3 <SEP> wellenförmig <SEP> 468 <SEP> 59 <SEP> 11,6 <SEP> 28
<tb>
EMI6.1
<tb> <SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Bindungszone <SEP> Zugversuch
<tb> Probe <SEP> Kollisions- <SEP> Abstand <SEP> Plattierungs- <SEP> Platten- <SEP> Wellen- <SEP> Ampli- <SEP> Dicke <SEP> der <SEP> D
<tb> <SEP> Nr.
<SEP> geschwindigkeit <SEP> (mm) <SEP> geschwindigkeit <SEP> aufschlag- <SEP> Art <SEP> länge <SEP> tude <SEP> Schmelze <SEP> Dehnung
<tb> <SEP> (m/sec) <SEP> (m/sec) <SEP> winkel <SEP> * <SEP> (y) <SEP> <SEP> (1k) <SEP> <SEP> zur <SEP>
<tb> <SEP> # <SEP> <SEP> a <SEP> 2000 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 495 <SEP> 14,2 <SEP> wellenförmig <SEP> 373 <SEP> 31 <SEP> < 1 <SEP> 31
<tb> 3 <SEP> b <SEP> 2500 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 520 <SEP> 12,1 <SEP> <SEP> 768 <SEP> 89 <SEP> 3,1 <SEP> 29
<tb> <SEP> c <SEP> <SEP> 3600 <SEP> 156 <SEP> (4) <SEP> 845 <SEP> 13,4 <SEP> <SEP> 868 <SEP> <SEP> 122 <SEP> 9,2 <SEP>
<tb> <SEP> a <SEP> 2000 <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 530 <SEP> 15,2 <SEP> <SEP> 610 <SEP> 53 <SEP> < 1 <SEP> 32
<tb> 4
<SEP> b <SEP> 2500 <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 565 <SEP> 13,0 <SEP> <SEP> 1009 <SEP> 130 <SEP> 8,2 <SEP> 29
<tb> <SEP> c <SEP> 3600 <SEP> 250 <SEP> (6,25) <SEP> 945 <SEP> 15.0 <SEP> <SEP> 1228 <SEP> 189 <SEP> 18,5 <SEP>
<tb> <SEP> t <SEP> <SEP> a <SEP> <SEP> 2000 <SEP> 415 <SEP> (10,5) <SEP> 560 <SEP> 15,5 <SEP> <SEP> 1013 <SEP> 96 <SEP> < 1 <SEP> <SEP> 32
<tb> <SEP> 5 <SEP> b* <SEP> 2500 <SEP> <SEP> 415 <SEP> (10,5) <SEP> 600 <SEP> 14,0 <SEP> <SEP> 1300 <SEP> 167 <SEP> 3,6 <SEP> 27
<tb> <SEP> 1 <SEP> c <SEP> 3600 <SEP> <SEP> 415 <SEP> (10,5) <SEP> 1040 <SEP> 16,5 <SEP> <SEP> 1360 <SEP> 230 <SEP> 21,8 <SEP> 23
<tb> 80% gebunden Es ist zu bemerken,
dass die Versuche bei 3600 m/sec Vergleichsversuche und daher nicht erfindungsgemäss sind.
Die mittlere Scherfestigkeit der Piattierung der Probe 3A beträgt 3500 + 150 kglcm-, und zwar sowohl parallel als auch quer zur Detonationsrichtung. Da jedoch eher eine Scherung in der Stahlunteriage als in der Bindezone auftritt, muss die Scherfestigkeit der Binde zone noch höher sein. Im Gegensatz dazu jedoch ergibt eine bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 2600 mps hergestellter Titan-Stahl-Verbundwerkstoff eine mittlere
Scherfestigkeit von nur etwa 2800 kg/cm .
Das Erzeugnis der Probe 3A wird auf 66% seiner
Dicke verringert, indem man es in einer Richtung senk recht zur Detonationsrichtung kalt walzt, wobei die Bin dung nicht aufgeht. Im Gegensatz hierzu geht die Bin dung eines Titan-Stahl-Verbundstoffes, der unter An wendung einer Kollisionsgeschwindigkeit von etwa
3200 ms, einer Plattengeschwindigkeit von 790 mps und einem Plattenaufschlagwinkel von 13,80 hergestellt wurde, und die zu 100 % gebunden war, wobei die Bindezone aus einer welligen Zone mit Schmelznestern bestand, eine Wellenlänge von 1017 st, eine Amplitude von
139 , und eine mittlere Dicke der Schmelze von 16 P± hatte, nach nur einer Verringerung der Dicke um 35 % durch Kaltwalzen vollständig auf.
Die Mikropii'otographien der Fig. 3, 3A und 3B zei gen den Einfluss der Kollisionsgeschwindigkeit auf die
Menge der in den Titanverbundstoffen der Proben 3A,
B bzw. C, d. h. bei einer konstanten Entfernung von
4 mm, jedoch bei drei verschiedenen Kollisionsgeschwin digkeiten gebildeten Schmelze. Bei 2000 mps gibt es praktisch keine Schmelze in der Bindezone. Bei
2500 mps erscheinen in der Bindezone geschmolzene
Nester mit wachsender Grösse. Bei 3600 mps sind die geschmolzenen Flächen bedeutend grösser.
Tabelle III
Auflagemetall Grundmetall Kollisions- Eigenschaften der Bindungszone Probe Dicke Dicke Abstand geschwindigkeit Art Aquivalenzdicke der Schmelze
Nr. Art (mm) Art (mm) (mm) (m/sec) (,um)
1 Nickel, Sorte A 3 Kupfer 12,5 4 1650 wellenförmig < 1 (Wellenlänge, 762,
102 um Amplitude)
2 Tantal 1,25 Stahl, Sorte 1008 12,5 1,5 1900 gerade < 1
3 Rostfreier Stahl 1,5 Aluminium 19 1,1 2200
304 L 5083-0
4 Rostfreier Stahl 3 Aluminium 19 1,1 2100
304 L 5083-0
5 Titan 35A 5 Rostfreier 19 4,8 2300 wellenförmig < 1
Stahl 304
6 Titan 35 A 5 Rostfreier 19 4,8 2800 )10
Stahl 304
7 Zirkon, Sorte 11 3 mittlerer Kohlen- 2,5 2 2200 < 1 stoffstahl A212BFuQ
8 Zirkon,
Sorte 11 3 Rostfreier Stahl 19 4,5 2200 # < 10
304 L
9 Zirkon, Sortell 5 StahlA212BF3Q 2,5 4,5 2200 < 10
10 Zirkon, Sorte 11 9,5 StahlA212BFQ 2,5 8 2300 # < 10 Zu beachten ist, dass Probe 6 einen Vergleichsversuch darstellt und daher nicht erfindungsgemäss ist.
Beispiel 3
Das gleiche Verfahren wird zur Herstellung der in Tabelle III angeführten Verbundstoffe verwendet. In allen Fällen wird eine Bindung der Grenzfläche von über 90 % erreicht. Es kommt dabei zur plastischen Deformation auf jeder Seite der Grenzfläche in erster Linie in der Fläche innerhalb 25 % der Dicke der plattierten Schicht.
Probe 1 wird mit zwei Schichten von Nickel und Sprengstoff auf jeder Seite des Kupfers wiederholt und führt zu einem Nickel-Kupfer-Sandwich mit ähnlichen Ergebnissen.
Der Tantal-Stahl-Verbundwerkstoff der Probe 2 wird kalt gewalzt, wobei dessen Stärke um 98 % ohne Aufgehen der Bindung verringert wird.
Beispiel 4
Eine 3 mm starke Platte aus Titan der Sorte 35/A wird auf eine 1,25 mm starke Stahlplatte der Sorte 1008 nach einem ähnlichen Verfahren aufplattiert, mit der Ausnahme, dass die Titanauflagepiatte anfangs geneigt ist, so dass der Abstand an dem Zündende 6,4 mm und an dem entgegengesetzten Ende 22,4 mm beträgt, d. h.
dass ein Winkel von 40 vorliegt. Die Sprengstoffschicht wird durch einen Linien-Wellengenerator initiiert, wie er in Fig. 2B der US-Patentschrift Nr. 2943 571 gezeigt ist, und mit einer Geschwindigkeit von etwa 1800 mps detoniert. Die Zündung der Sprengstoffschicht treibt die Auflageplatte derart auf die Grundplatte, dass die Plattengeschwindigkeit beim Aufschlag 540 mps und der Ablenkwinkel der sich bewegenden Platte kurz vor dem Aufschlag 15,50 C beträgt. Die Kollisionsgeschwindigkeit Vc wurde zu etwa 1460 mps berechnet.
Es zeigte sich, dass der Verbundwerkstoff metallurgisch zu über 90 % der Grenzfläche gebunden ist. Die Grenzfläche hat die Form von Wellen mit einer Wellen länge von 1250 , und einer Amplitude von 99 1k Die Dicke der Schmelze liegt unter 1 t.