Zusammengesetzter Gegenstand aus einem Grundmetall, das mit einem anderen Metall plattiert ist, und Verfahren zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aus einem Stück bestehenden zusammengesetzten. gewalzten blechoder bandförmigen Gegenstand aus einem Grundmetall, das auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem anderen Metall plattiert ist, wobei mindestens eines der Metalle verhältnismässig weich ist, wie beispielsweise Kupfer, und mindestens eines der Metalle verhältnismässig härter ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des zusammengesetzten Gegenstands.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsfonn der vorliegenden Erfindung besteht in denjenigen zusammengesetzten Gegenständen, die einen Kern aus technisch reinem Kupfer haben, der auf einer oder beiden Seiten mit Kupfernickel, einer Legierung auf Kupferbasis, die ca. 75% Kupfer und 25% Nickel enthält, plattiert ist.
Dieser zusammengesetzte Gegenstand findet speziell Verwendung in den neuen Münzen in den Vereinigten Staaten.
Zusammengesetzte Gegenstände mit einem Kern und einer Plattierung, die verschieden sind, sind deswegen besonders erwünscht, weil die günstigen Eigenschaften des Kernmaterials und die günstigen Eigenschaften des Plattierungsmaterials bei einem einzigen zusammengesetzten Gegenstand gleichzeitig erhalten werden können.
Bei einer einzigen Legierung können viele Eigenschaften häufig durch Legierung oder thermische Behandlungen nicht stark modifiziert werden, beispielsweise Eigenschaften, wie der Elastizitätsmodul, die Farbe, die Dichte und die Festigkeit in Kombination mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Jedoch können durch Bildung von zusammengesetzten Gegenständen scheinbar die Eigenschaften der Plattierung erzeugt werden, während die Eigenschaften des Kernmaterials in der Masse erhalten bleiben. Auf diese Weise kann man oft gegenüber der einzelnen Legierung stark modifizierte u. sehr erwünschte Eigenschaften erhalten.
Beispielsweise hat Kupfer den Vorteil der hohen Leitfähigkeit und der Kaltverformbarkeit. Durch Bildung von zusammengesetzten Kupfergegenständen kann man diese erwünschten Eigenschaften beibehalten, während man gleichzeitig die Eigenschaften der Plattierung erzeugt, wie beispielsweise Verschleissfestigkeit, Farbe, Oxydations- oder Anlaufbeständigkeit und feine Oberflächenbeschaffenheit, d.h. Oberflächeneigenschaften.
Zusammengesetzte Kupfergegenstände können den folgenden verschiedenen Verwendungszwecken zugeführt werden: Federn mit hoher Leitfähigkeit und hoher Festigkeit; hochwirksame elektrische Steuerschütze; Me tallwaren, die in ausgedehntem Masse kaltverformt worden sind.
Jedoch bietet die Herstellung von zusammengesetzten Kupfergegenständen zahlreiche praktische Probleme.
Wegen der Neigung einer der Komponenten, eine Schicht aus spröden intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche mit der Kupferkomponente zu bilden. war es bisher schwierig. einen befriedigenden zusammengesetzten Gegenstand herzustellen, worin mindestens eine der Komponenten aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis besteht. Diese Schicht kann sich bei mässigen Temperaturen oder bei erhöhten Temperaturen bilden. Die spröde Schicht von intermetallischen Verbindungen, die sich so bildet, kann beim Biegen des zusammengesetzten Materials leicht zerbrechen, wodurch die Brauchbarkeit des zusammengesetzten Gegenstands deutlich eingeschränkt wird.
Ausserdem ist es häufig schwierig, einen gut verbundenen zusammengesetzten Gegenstand zu erhalten, der dem normalen, zu erwartenden Gebrauch widersteht.
Kupfer bietet bei der Bildung von zusammengesetzten Gegenständen wegen der Neigung des Kupfers zum Oxydieren bei den für das Warmwalzen erforderlichen mässigen oder erhöhten Temperatur weitere und eigen tümliche Probleme. Die Oxydation des Kupfers erzeugt eine Oxydinterferenzschicht, die die Verbindung hemmt.
Gewisse Kupferoxyde sind besonders schwierig, da sie eine stark haftende, plastische Schicht bilden, die die Verbindung stark beeinträchtigt. Andere Oxyde, beispielsweise Aluminiumoxyde und Eisenoxyde, andererseits neigen beim Warmwalzen dazu, sich zu spalten, so dass keine Interferenzschicht gebildet wird.
Die Neigung von Kupfer zur Bildung dieses speziellen Oxydes machte besondere und teure Behandlungsbedingungen erforderlich, um zusammengesetzte Kupfergegenstände zu bilden.
Ein Verfahren zum Bilden von zusammengesetzten Kupfergegenständen, bei dem diese Schwierigkeiten überwunden werden, besteht in der Bildung einer Teilbindung durch Kaltwalzen, gefolgt von anschliessenden Diffusionsglühbehandlungen. Dies ist ein teures Verfahren, und die Diffusionsglühbehandlungen besitzen die Tendenz, die Eigenschaften des zusammengesetzten Gegenstands zu verschlechtern.
In anderen Verfahren wird nur der Kern aus Legierung auf Kupferbasis auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, worauf der erhitzte Kern und die kalte Plattierung mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 305 m pro Minute in einem Durchgang bei einer spezifizierten Dickenreduktion zusammengewalzt werden, wobei der Kern und die Plattierung zum ersten Mal zusammenkommen. wenn sie von den Walzen erfasst werden, und die Plattierung die Walze berührt, ehe sie den Kern berührt.
Durch diese Verfahren wird leicht eine ausgezeichnete Verbindung erhalten, was auf die kritischen Bedingungen und die hohe Temperatur des Kerns mit Bezug auf die Plattierung zurückzuführen ist. Dies führt zu einem übertriebenen Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit zwischen dem Kern und der Plattierung. Diese Verfahren führen auch zur Turbulenz an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung, und diese Turbulenz fördert die Verbindung zwischen den Komponenten. Der Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit und die erzeugte Turbulenz genügen, um den Aufbau von Oxyd durch Spaltung des Oxyds zu verhindern.
Es wäre sehr erwünscht, falls ein Verfahren entwikkelt werden könnte, das zu einem bequemen. technisch möglichen und schnellen Verfahren zum Verbinden von Materialien dieses Typs führt. Es wäre sehr erwünscht, wenn dieses Verfahren nicht die praktischen Schwierigkeiten mit sich brächte. die mit der Anwendung von erhöhten Temperaturen, die das oben beschriebene Verfahren kennzeichnet, verbunden sind. Es wäre sehr erwünscht, wenn ein Verfahren entwickelt würde, das die Verwendung niedrigerer Temperaturen ermöglichte.
Demgemäss ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung neuer und verbesserter zusammengesetzter Gegenstinde und bequemerer und schnellerer Verfahren mittels deren die zusammengesetzten Gegenstände erhalten werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der oben erwähnten Art, wobei die Gegenstände dadurch gekennzeidmet sind, dass sie eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete physikalische Eigenschaften haben und für eine grosse Vielzahl von Verwendungszwecken geeignet sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der vorstehend erwähnten Art, wobei eine Komponente des zusammengesetzten Gegerstands mit Bezug auf die andere verhältnismässig weich ist, insbesondere zusammengesetzte Ge genstände mit einem Kupferkern und einer davon verschiedenen Plattierung.
Noch ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der vorstehend erwähnten Art, wodurch die zahlreichen Einschränkungen und Nachteile vermieden werden, die mit der Bildung der bekannten zusammengesetzten Gegenstände verbunden sind.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Diskussion ersichtlich werden.
Es wurde nun gefunden, dass gemäss der vorliegenden Erfindung die vorstehenden Ziele und Vorteile leicht erreicht werden können. Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden die Nachteile des Standes der Technik leicht überwunden, und die Erfindung stellt ein einfaches und bequemes Verfahren zur Herstellung eines äusserst nützlichen zusammengesetzten Gegenstands zur Verfügung, wobei der Gegenstand entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten plattiert ist.
Das erfindungsgemäs se Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Gegenstands mit einem Metallkern, der mit einem anderen Metall plattiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass man (A) eine erste Komponente des zusammengesetzten Gegenstands aus einem Metall mit einer Umkristallisationstemperatur unter 260ob, vorzugsweise Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, nimmt, (B) eine zweite Komponente des zusammengesetzten Gegenstands aus einem Metall mit einer mindestens 55,60C höheren Umkristallisationstemperatur als die erste Komponente nimmt und (C) die Komponenten in direkt aufeinander liegender Berührung mit einer Geschwindigkeit von mindetens 6,1 m pro Minute in einem Durchgang bei einer Dickenreduktion zwischen 40 und 90'c zusammenwalzt,
wobei die Dickenreduktion ausreicht, um lediglich die erste Komponente zur Umkristallisation zu bringen, wodurch ein aus einem Stück bestehender zusammengesetzter Gegenstand gebildet wird. Diese Umkristallisation kann entweder bei der Erfassung durch die Walzen oder unmittelbar nach dem Austritt aus den Walzen erfolgen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die weichere Komponente, das heisst die Komponente mit einer Umkristallisationstemperatur unter 260ob, der Kern, und die zweite Komponente ist die Plattierung. Es wird auch bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung zum ersten Mal zusammenkommen, wenn sie von den Walzen erfasst werden.
Unter Umkristallisation)) wird die Bildung von metallographisch sichtbaren, gleichachsigen Körnern von unbeanspruchtem Material über mindestens 25% der Oberfläche, die metallographisch untersucht wird, verstanden. Unter Umkristallisation wird auch die Abnahme der Härte des Materials, das umkristallisiert wird, um mindestens 25% des Härteunterschiedes zwischen dem durch Kaltbearbeitung vollständig gehärteten Material und dem vollständig thermisch erweichten Material verstanden.
Die Theorie des erfindungsgemässen Verfahrens wird im folgenden angegeben. Je höher die Deformation oder die Dickenreduktion des zusammengesetzten Gegenstands in den Walzen ist, desto mehr Wärme wird dem zusammengesetzten Gegenstand zugeführt; d.h., durch eine Walzreduktion von beispielsweise 75% wird der zusammengesetzte Gegenstand in einem grösseren Ausmass aufgeheizt als durch eine Walzreduktion von beispielsweise 40%. Wenn eine geeignete Dickenreduktion gewählt wird, um eine der Komponenten zur Umkristallisation zu bringen, indem dem zusammengesetzten Gegenstand eine gewisse Wärmemenge und restliche Arbeitsmenge zugeführt wird, dann wird diejenige Komponente, die beim Warmwalzen umkristallisiert wird, während des Walzens weicher als die andere Komponente, d.h., diejenige Komponente, die nicht umkristallisiert wird, wird während des Walzens verhältnismässig härter.
Dieser übertriebene Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit zwischen dem Kern und der Plattierung führt zur Turbulenz an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung; diese Turbulenz fördert die Verbindung.
Natürlich ist die Umkristallisation eine von Zeit und Temperatur abhängige Erscheinung. Daher tritt die Umkristallisation nicht durch die ganze Komponente hindurch, die umkristallisiert wird, spontan ein. Die Umkristallisation tritt während eines endlichen Zeitraums ein, der von der prozentualen Walzreduktion und der im Walzenspalt erreichten Temperatur abhängt. Je höher die in dem Walzenspalt erreichte Temperatur ist, desto grösser ist die Umkristallisationsgeschwindigkeit.
Demgemäss beginnt beim erfindungsgemässen Verfahren die Umkristallisation beim Erfassen durch die Walzen, und mindestens innerhalb von Sekunden nach dem Austritt aus dem Walzwerk ist eine erkennbare Umkristallisation eingetreten. Der genaue Abstand vom Walzwerk hängt von der Walzgeschwindigkeit ab.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet: Eine Komponente weist eine Mikrostruktur von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, gleichachsigen umkristallisierten Körnern auf, d.h., die Mikrokornstruktur enthält Körner sphäroidischer Beschaffenheit, wobei die Achsen aller Körner praktisch gleich sind. Dies wird urch die Keimbildung und das Wachstum von nicht unter Spannung stehenden Körnern verursacht, wodurch unter Spannung stehendes Material verbraucht wird. Die Mikrokornstruktur der anderen Komponente ist in der Walzrichtung stark verlängert, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke der verlängerten Körner mindestens 2: 1 beträgt.
Der Kern und die Plattierung sind durch eine direkt aufeinanderliegende Verbindung ohne Oxyd zwischen dem Kern und der Plattierung gekennzeichnet, das heisst, es ist wenig oder kein sichtbares Oxyd zwischen dem Kern und der Plattierung vorhanden. Ausserdem ist die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung durch das Nichtvorhandensein von sichtbarer gegenseite ger Atomdiffusion gekennzeichnet, und die Grenzfläche ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass sie eine um mindestens 10% grössere Oberflächenberührungsfläche hat als ebene Bleche. Die grössere Oberflächenberührungsfläche der Komponenten des vorliegenden Gegenstands erscheint unter dem Mikroskop als wellenförmige Grenzfläche zwischen den Komponenten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist beim Eintritt in die Walzen ein Winkel zwischen dem Kern und der Plattierung von über 50, im allgemeinen über 100 vorhanden, um sicherzustellen, dass der Kern und die Plattierung erst dann zusammenkommen, wenn sie von den Walzen erfasst werden. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Im allgemeinen beträgt der Winkel zwischen dem Kern und der Plattierung zwischen 5 und 220.
Gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt das Plattierungsmetall mit der Walze in Berührung, ehe es mit dem Kern in Berührung kommt.
Dies trifft zu ohne Rücksicht darauf, ob der Kern auf einer Seite oder auf beiden Seiten plattiert werden soll.
Auf der Vorderseite der Walzen (der Eintrittsseite) bewegen sich die Plattierung und die Walzen mit verschiedenen linearen Geschwindigkeiten; an der Austrittsseite bewegen sie sich jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit wegen der Dickenreduktion des zusammengesetzten Gegenstands. Der Unterschied der Bewegungsgeschwindigkeiten zwischen der Plattierung und den Walzen erzeugt, gekuppelt mit der vorherigen Berührung zwischen der Plattierung und den Walzen und gekuppelt mit der Atombewegung, die mit der Umkristallisation des Kerns verbunden ist, eine Scherbeanspruchung auf die Grenzfläche zwischen Kern und Plattierung.
Diese Scherbeanspruchung an der Grenzfläche zwischen Kern und Plattierung führt zu einer turbulenten Strömung von Metall an der Grenzfläche, die die Ursache einer innigen Verbindung ist und die lineare Grenzflächenoberfläche des zusammengesetzten Gegenstands im allgemeinen um 20% oder mehr erhöht.
Es wurde gefunden, dass das oben beschriebene einfache Verfahren einen sehr vorteilhaften zusammengesetzten Gegenstand ergibt, wobei die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung wie oben angegeben charakterisiert ist. Die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände haben ausgezeichnete physikalische Eigenschaften und sehr hohe Verbindungsfestigkeiten, wobei keine gegenseitige Atomdiffusion zwischen dem Grundmetall und der Plattierung vorhanden ist; eine solche gegenseitige Diffusion kann zur Bildung von spröden Verbindungen führen. Diese überraschenden Vorteile werden erfindungsgemäss mit Hilfe eines einfachen und zweckmässigen Verfahrens und ohne Anwendung von teuren Vorrichtungen, wie sie häufig auf diesem Gebiet angewendet werden, erreicht.
Erfindungsgemäss muss mindestens eine Komponente des zusammengesetzten Gegenstands eine Umkristallisationstemperatur unter 2600C und eine andere Komponente des zusammengesetzten Gegenstands eine mindestens 55,60C höhere Umkristallisationstemperatur als die erste Komponente haben.
Unter Umkristallisationstemperatur wird die Mindesttemperatur verstanden, bei der die Umkristallisation von kalt verformtem Metall innerhalb einer spezifizierten Zeit eintritt; nominell wird unter kalt verformt mindestens 50% Kaltverformung verstanden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist das Kernmaterial die Komponente mit der niedrigen Umkristallisationstemperatur. Daher wird die vorliegende Erfindung mehr im einzelnen unter Berücksichtigung dieser bevorzugten Ausführungsform diskutiert. Es versteht sich jedoch, dass jede Komponente als Kernmaterial verwendet werden kann. Vorzugsweise ist das Kernmaterial Kupfer oder eine Legierung auf Kupferbasis. Repräsentative Legierungen auf Kupferbasis mit Umkristallisationstemperaturen unter 2600C sind die folgenden: Technisch reines Kupfer, verschiedene Kupfersorten mit hoher Leitfähigkeit mit Leitfähigkeiten von über 50% IACS (International Annealed Copper Standard). Das Kernmaterial kann aber auch ein bei niedriger Temperatur schmelzendes Material, wie Blei, Zinn, Zink, Aluminium oder Legierungen derselben, sein.
Das Kernmaterial wird vorzugsweise in Form von Platten mit einer Dicke von weniger als 12,7 mm eingesetzt, d.h., das Kernmaterial kann in Form von Rollen, Band, Blech oder dgl. eingesetzt werden.
Es wird erfindungsgemäss bevorzugt, ist aber nicht erforderlich, die Verbindungsoberflächen sowohl des Kerns als auch des Plattierungsmaterials mechanisch aufzurauhen, um eine gute Oberflächenberührung bei der Erfassung durch die Walzen zu garantieren. Beispielswei se können die Oberflächen mit einer Drahtbürste gebürstet oder abgerieben usw. werden.
Das Plattierungsmaterial muss eine mindestens 55,6cC, vorzugsweise mindestens 1 66,70C höhere Umkristallisationstemperatur haben als das gewählte Kernmaterial. Der Unterschied der Umkristallisationstemperaturen zwischen dem Kern und der Plattierung wird natürlich ineewendet um sicherzustellen, dass beide Komponenten im oben definierten Sinne nicht merkbar umkristallisieren.
Das Plattierungsmaterial kann beispielsweise eine 3Legierung auf Kupferbasis oder Blei, Zinn, Nickel, Zink.
Titan, Eisen, Silber oder Aluminium sein. Natürlich wird für die vorliegende Erfindung auch in Betracht gezogen, den Kupferkern beidseitig mit auf den beiden Seiten verschiedenen Metallen zu plattieren.
Das Plattierungsmaterial sollte in Form von Platten mit weniger als 6,35 mm Dicke vorliegen, d.h. die Plattierung und das Kernmaterial sollten in warmverformter Form vorliegen, z.B. in Form von Bandstahloder Blechrollen usw. Daher hat der resultierende zusammengesetzte Gegenstand eine Dicke von weniger als 15.2 mm, wenn das Kupfer auf beiden Seiten plattiert wird und von weniger als 11.4mm, wenn es auf einer Seite plattiert wird. Die geringste Dicke sowohl von Kern als auch von Plattierung, mit denen man bequem arbeiten kann. ist in der Grössenordnung von 0,025 mm.
Die Ausgangsmaterialien, sowohl Kern als auch Plat tiefung, können in jedem beliebigen Härtegrad oder Vergütungszustand vorliegen und hart oder weich sein, solange die vorstehend genannten Anforderungen hinsichtlich der Umkristallisationstemperatur erfüllt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sollte der Kern in einem kalt verformten Härtegrad und die Plattierung in einem geglühten Härtegrad vorliegen, da dadurch der Umkristallisationstemperaturunterschied vergrössert wird.
Oberflächenoxyde sind, wenn sie nicht sehr massiv ind, im allgemeinen keine Beeinträchtigung für das erfindungsgemässe Verfahren. Dies ist ziemlich überraschend und stellt einen wichtigen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar. da bei der üblichen Verarbeitung Oberflächenoxyde vor der Bildung des zusammengesetzten Gegenstands entfernt werden müssen. Bei der üblichen Verarbeitung werden in der Tat die zusammengesetzten Gegenstände häufig in Sonderatmosphären dargestellt. so dass sich vor der Bildung des zusammengesetzten Gegenstands keine Oberflächenoxyde bilden. Diese besonderen Vorsichtsmassnahmen sind bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Es ist jedoch sehr erwünscht, Schmutz oder anhaftendes Schmiermittel vor dem erfindungsgemässen Verfahren von der Oberfläche des Metalls zu entfernen, um eine gute Reibungsberührung zwischen dem Kern und den Plattierungsmaterialien sicherzustellen. Jedes übliche Reinigungsverfahren kann leicht angewendet werden, beispielsweise können der Kern und die Plattierungsma terialien gemäss üblichen Verfahrensweisen durch eine Seifen- oder eine Waschmittellösung geführt werden.
Beispiele derartiger Reinigungsverfahrensweisen umfassen die Verwendung von handelsüblichen alkalischen Reinigungsmitteln und Lösungsmittelreinigern, wie beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff und Trichloräthylen.
Es ist ein überraschendes Merkmal der vorliegenden Erfindung. dass der Kern und die Plattierung gewünschtenfalls ohne Erhitzen entweder einer Komponente oder beider Komponenten oder höchstens mit nur mässigem Erhitzen des Kerns vereinigt werden können. Dies ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung. Wenn beispielsweise der Kern technisch reines Kupfer und die Plattierung Kupfer-Nickel 75 : 25 ist, kristallisiert der Kern bei ca. 1900C innerhalb von Minuten um, und die Plattierung kristallisiert bei ca. 5380C um. Wenn daher der Kern und die Plattierung ohne Erhitzen des Kerns beide gewalzt werden, muss die Dickenreduktion bei einem Durchgang hoch sein, um den Kern infolge des Walzens umzukristallisieren, d.h., die Dickenreduktion bei einem Durchgang muss mindestens 81 bis 90% betragen.
Wenn man die Dicke des zusammengesetzten Gegenstands in einem geringeren Ausmass zu reduzieren wünscht, sollte der Kern etwas erhitzt werden, z.B. auf 93 bis 1350C, wobei eine Walzreduktion von 70 bis 80% erforderlich ist, um den Kern infolge des Walzens umzukristallisieren. Der Kern kann aber auch in einem kalt verformten Härtegrad vorliegen, z.B. 3 bis 50% kaltverformt; in diesem Falle würde eine Umkristallisation bei einer Walzreduktion von 70 bis 80% ohne Anwendung von Hilfserhitzen oder vorherigem Erhitzen eintreten. Gewünschtenfalls können die Walzbedingungen so gewählt werden, dass das Kernmaterial eine Temperatur von über l910C erreicht, wodurch die Umkristallisation herbeigeführt wird; zu diesen Walzbe dingungen gehören z.B. die Steuerung des Gleitmittels, der Walzgeschwindigkeit usw.
Wegen der hohen Umkristallisationstemperatur der Kupfer-Nickel-Plattierung wird durch die kleine Menge Wärme, die dem zusammengesetzten Gegenstand in der Walzstufe zugeführt wird, das Kupfer-Nickel natürlich umkristallisiert.
Erfindungsgemäss wird es bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung in einem Winkel in die Walzen eintreten, so dass sie bei der Erfassung durch die Walzen zum ersten Male zusammenkommen. Die Materialien werden mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 6,10 m pro Minute in einem Durchgang mit einer Dickenreduktion zwischen 40 und 90% gewalzt, wobei diese Veränderlichen im allgemeinen durch die Art des Kernes, dessen Umkristallisationstemperatur und durch dessen Temperatur beim Eintritt in die Walzen beherrscht werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Materialien mit 18,30 bis 91,50m pro Minute bei einer Dickenreduktion zwischen 70 und 85% gewalzt. Der Kupferkern sollte vorzugsweise beim Eintritt in die Walzen in Abhängigkeit von dem Ausmass der Kaltverformung zwischen Raumtemperatur und 1350C gehalten werden.
Je grösser die Kaltverformung, desto niedriger ist die zulässige Temperatur.
Es wird bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung in die Walzen in einem Winkel von über 100 und im allgemeinen in einem Winkel zwischen 5 und 220 eintreten, um sicherzustellen, dass der Kern und die Plattierung nicht eher als bei der Erfassung durch die Walzen zusammenkommen und dass möglichst viel Scherwirkung an der Grenzfläche auftritt. Die Scherwirkung an der Grenzfläche ermöglicht die Bildung einer um mindestens 10% erhöhten Oberfläche gegenüber ebenen Materialien, d.h., die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung ist durch eine wellenartige Bildung mit einer erheblich erhöhten Grenzflächenberührungsfläche gekennzeichnet. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Kern und dem Plattierungsmaterial keine sichtbare Atomdiffusion vorhanden ist.
Wenn beispielsweise eine Plattierung aus Aluminiumlegierung verwendet wird, ist im wesentlichen keine Diffusion von Aluminiumatomen in den Kupferkern und keine sichtbare Bildung von schädlichen intermetallischen Kupfer-Aluminium-Verbindungen vorhanden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nach der Walzoperation die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände keine anschliessenden Diffusionsglühbehandlungen erfordern, während die übliche Verarbeitung häufig Diffusionsgiüh- behandlungen erforderlich macht, um die Bindung zwischen dem Kern und der Plattierung zu sichern. Die Tatsache, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren keine Diffusionsglühbehandlungen erforderlich sind, ist besonders wichtig, da durch Diffusionsglühbehandlungen wegen der langen erforderlichen Behandlungszeiten und der gemeinsamen Diffusion von Gasen zur Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung Blasen oder dgl.
verursacht werden könnten und häufig auch verursacht werden. Diffusionsglühbehandlungen fördern auch die Bildung von schädlichen intermetallischen Verbindungen.
In der Tat sind nach der Walzoperation keinerlei weitere Operationen erforderlich. Die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände werden in einer Form erhalten, die für die gewünschte Anwendung bereit ist. Es kann natürlich erwünscht sein, für besondere Anwendungszwecke übliche anschliessende Operationen auszuführen, beispielsweise kurze thermische Behandlungen zur Spannungsaufhebung oder zur Erzielung erwünschter Eigenschaften, z.B. eine kurze Glühwärmebehandlung oder Alterungsbehandlung, eine Walzoperation zur Erzielung der gewünschten Abmessungen, eine zusätzliche Kalthärtung usw.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden erläuternden Beispiele leichter verständlich.
Beispiel 1
Im folgenden Beispiel wurde der Kern auf beiden Seiten plattiert; das Kernmaterial war eine elektrolytische, technisch reine Kupferlegierung, die 99,9% Kupfer enthielt, in Form eines Bandes mit einer Dicke von 4,06 mm, und das Plattierungsmaterial war eine Legierung auf Kupferbasis, die ca. 75% Kupfer und 25%, Nickel enthielt, mit einer Dicke von 1,14 mm.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungsmaterialien lagen in vollständig geglühtem Zustand vor; daher waren sowohl der Kern als auch die Plattierungen in umkristallisiertem Zustand.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungen wurden in einer alkalischen Waschmittellösung gereinigt, mit warmem Wasser gespült, mit warmer trockener Luft getrockmet, und die Oberflächen des Kerns und der Plattierungen wurden mit einer rotierenden Drahtbürste abgerieben.
Der Kern und die Plattierungen wurden dann bei Raumtemperatur (annähernd 25,60C) ohne vorheriges Erhitzen weder des Kerns noch der Plattierungen zusammengewalzt. Die Geschwindigkeit der Walzen betrug 12,2 bis 45,7 m pro Minute, wobei ein kontinuierliches Walzwerk mit veränderlicher Geschwindigkeit verwendet wurde. Die Materialien wurden in einem Durchgang bei einer Dickenreduktion von 80% gewalzt. Der Winkel zwischen den Plattierungen betrug 12 , wobei der Kern diesen Winkel halbierte. Der Kern und die Plattierungen kamen bei der Erfassung durch die Walzen zum ersten Mal zusammen, wobei die Plattierungen eher mit den Walzen in Berührung kamen als mit dem Kern.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 1 mit einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine mässige Verbindungsfestigkeit bei einer Schälfestigkeit von 18 bis 27 kg hatte. Die Schälfestigkeit ist ein Mass für die Festigkeit der Verbindung und wird an einer 19,05 mm breiten Probe bestimmt, wobei die Plattierung direkt von dem Kern abgeschält wird. Die Schälfestigkeit ist ein Mass für die Kraft, die erforderlich ist, um den zusammengesetzten Gegenstand auseinanderzuziehen. Je höher die Schälfestigkeit ist, desto besser ist die Verbindung.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand war ca. 1,27 mm dick. Die Untersuchung der Fig. 1 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern eingetreten ist und dass 2. eine um 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche als bei ebenen Materialien vorhanden ist, wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet ist. Es ist auch aus der Untersuchung von Fig. 1 ersichtlich, dass weder der Kern noch die Plattierungen umkristallisiert waren. Dies ist aus der langgestreckten Kornstruktur in Fig. 1 ersichtlich, die sowohl im Kern als auch in den Plattierungen vorhanden ist.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurden der gleiche Kern und die gleichen Plattierungen wie in Beispiel 1 verwendet, wobei der Kern auf beiden Seiten plattiert wurde. Die Ausgangsmaterialien hatten die gleiche Dicke wie in Beispiel 1, wobei alle Arbeitsstufen in Luft ausgeführt wurden.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungen lagen in vollständig geglühtem Zustand vor, und sowohl der Kern als auch die Plattierungen wurden wie in Beispiel 1 gereinigt, getrocknet und abgerieben.
Nach dem Reinigen und Abreiben wurde der Kern allein in einen Ofen gebracht und auf 121 cm erhitzt. Der Kern und die Plattierungen wurden dann unmittelbar nach dem Austritt des Kerns aus dem Ofen zusammengewalzt, wobei die Plattierungsmaterialien kalt gewalzt wurden. Die Materialien wurden in einem Durchgang gewalzt, wobei die Walzveränderlichen gleich wie in Beispiel 1 waren.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 2 bei einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine gute Verbindungsfestigkeit mit einer Schälfestigkeit von über 40,8 kg hatte.
Die Untersuchung von Fig. 2 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern vorhanden war und dass 2. eine um mindestens 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche vorhanden war als bei ebenen Materialien, wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet war. Es ist auch aus Fig. 2 ersichtlich, dass die Plattierungen nicht umkristallisiert waren, während der Kern umkristallisiert war. Es ist festzuhalten, dass der Kern nach dem Erhitzen des Kerns auf 121 C noch in umkristallisiertem Zustand vorlag; jedoch wurde das Kernmaterial bei der Erfassung durch die Walzen kontinuierlich kaltverformt, und die 80%ige Dickenreduktion liess den Umkristallisationsprozess im Walzenspalt beginnen.
Beispiel 3
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass das Kernmaterial vor dem Walzen um 11% kaltverformt wurde; daher war das Kernmaterial nicht umkristallisiert, als es in die Walzen eintrat.
Der rezultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 3 bei einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine gute Verbindungsfestigkeit mit einer Schälfestigkeit von über 40,8 kg hatte.
Die Untersuchung von Fig. 3 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern vorhanden war und dass 2. eine um mindestens 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche vorhanden war als bei ebenen Materialien.
wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet war. Es ist auch aus Fig. 3 ersichtlich. dass die Plattierungen nicht umkristallisiert waren, während der Kern umkristallisiert war. Der Kern war beim Eintritt in die Walzen nicht umkristallisiert, aber die vorgenommene 80%ige Dickenreduktion genügte. um die Umkristallisation des Kernmaterials herbeizuführen, da der Kern vorher um 11% kaltverformt worden war.
Beispiel 4
Beispiel 1 wurde mit einem Kern von superreinem Aluminium und Plattierungen aus rostfreiem Stahl wiederholt. Der Aluminiumkern befand sich im kaltverformten Härtegrad H-14. Der Kern und die Plattierungen wurden wie in Beispiel 1 in einem Durchgang mit einer Dickenreduktion von 60% zusammengewalzt.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand war durch eine gute Verbindungsfestigkeit wie in den Beispielen 2 und 3 bei guten physikalischen Eigenschaften, die denen der Beispiele 2 und 3 vergleichbar waren, gekennzeichnet. Die Plattierungen waren nicht umkristallisiert, während der Kern umkristallisiert war.
Beispiel 5
Die Beispiele 2 und 3 wurden wiederholt mit der Ausnahme, dass die Plattierungen aus handelsüblichem Messing mit 70% Kupfer und 30% Zink bestanden.
Die resultierenden zusammengesetzten Gegenstände hatten Eigenschaften, die mit denjenigen in den Beispielen 2 und 3 vergleichbar waren, bei Schälfestigkeiten von über 40.S kg. Die Plattierungen waren nicht umkristallisiert, während der Kern umkristallisiert war.
Die vorliegende Erfindung kann natürlich auf andere Weise ausgeführt werden. Die beschriebenen Ausführungsformen sind hl allen Hinsichten lediglich erläu hemd.
PATENTANSPRUCH 1
Aus einem Stück bestehender zusammengesetzter, gewalzter blech- oder bandförmiger Gegenstand aus einem Grundmetall, das auf einer oder auf beiden Seiten mit einem anderen Metall plattiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Dicke von weniger als 15,20 mm hat, wobei die Grenzfläche zwischen dem Grundmetall und der Plattierung dadurch gekennzeichnet ist, dass keine gegenseitige Atomdiffusion vorliegt und dass sie eine um mindestens 10% grössere Oberflächenberührungsfläche hat als ebene aufeinanderliegende Bleche bzw.
Bänder, dass ferner eines der Metalle in dem zusammengesetzten Gegenstand eine Mikrostruktur von mindestens 25% Körnern, die in allen Richtungen praktisch die gleichen Abmessungen haben, aufweist und ein anderes Metall Körner hat, die in der Walzrichtung stark verlängert sind, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke der langgestreckten Körner mindestens 2:1 beträgt, und dass das Grundmetall und die Plattierung in direkt aufeinanderliegender Berührung vorliegen.