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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines blech- oder bandförmigen Verbundwerkstoffes aus Stahl bestehend aus mindestens zehn Stahlwerkstoffschichten, wobei die Stahlwerkstoffschichten aus mindestens zwei verschiedenen Stählen mit unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen und das Verfahren die Schritte umfasst:
- – Warmwalzen von Brammen bestehend aus mindestens zwei verschiedenen Stahlwerkstoffen in Warmbänder,
- – Abtafeln der Warmbänder in Bleche und
- – Stapeln von mindestens zehn Blechen zu einem Brammenpaket mit mindestens zwei aus verschiedenen Stahlwerkstoffen bestehenden Blechen.
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Stahlwerkstoffe unterscheiden sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften zum Teil deutlich voneinander. So sind kohlenstoffreiche Stähle, beispielsweise mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,2 Gew.-% härter und spröder als kohlenstoffarme Stähle. Kohlenstoffarme Stähle sind weicher und haben den Vorteil, dass diese eine hohe Zähigkeit aufweisen und nicht zum Bruch neigen. Sind nun in Anwendungen beide Eigenschaften gefordert, beispielsweise eine hohe Härte sowie gleichzeitig eine hohe Zähigkeit, können Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, um gegensätzliche Eigenschaften in einem Produkt zu erhalten. So ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 050 532 A1 bekannt, einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff bestehend aus Stahlwerkstoffschichten mit unterschiedlichen chemischen. Zusammensetzungen durch Walzplattieren herzustellen. Aus der deutschen Übersetzung einer europäischen Patentschrift
DE 600 05 128 T2 ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen aus Metallen mit geringerer Segregation der Legierungselemente bekannt, bei welchem warmgewalzte Bleche einer Bramme aus einem einheitlichen Stahlwerkstoff zu einem Brammenpaket aufgestapelt, am Umfang verschweißt und anschließend warmgewalzt und kaltgewalzt werden. Mit diesem Verfahren soll das resultierende Material besonders homogen in Bezug auf die Verteilung spezifischer Legierungselemente, beispielsweise Kohlenstoff sein. Nach dem Reinigen der Oberflächen der Bleche wird die zwischen den Blechen eingeschlossene Luft durch Absaugen mit einem Rohr entfernt und anschließend das Rohr vor dem Walzen verschlossen. Es hat sich gezeigt, dass dieses aufwändige Verfahren für eine wirtschaftliche Herstellung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffs nicht geeignet ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffs zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf wirtschaftlichere Weise ein Verbundwerkstoff bestehend aus mindestens zehn Stahlwerkstoffschichten hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Warmbänder und/oder die Bleche vor dem Stapeln einer mechanischen und/oder chemischen Oberflächenbearbeitung zur Entfernung von Korrosion und Zunder unterzogen werden, die Bleche zu einem Brammenpaket umfassend mindestens zehn Bleche gestapelt werden und das Brammenpaket warmgewalzt wird, wobei das Warmwalzen des Brammenpakets in zeitlicher Nähe der Oberflächenbearbeitung, spätestens innerhalb von zwei Wochen nach der Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass der Aufwand für das Warmwalzen des Brammenpakets bestehend aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffschichten dadurch deutlich reduziert werden kann, wenn die Oberflächenbearbeitung in zeitlicher Nähe des Walzens des Brammenpakets erfolgt, so dass noch keine nennenswerte Korrosion an dem warmzuwalzenden Brammenpaket eingesetzt hat. Man geht davon aus, dass aufgrund der Abwesenheit der Korrosionspartikel auf den Oberflächen der einzelnen zu einem Brammenpaket zusammengefassten Blechen dazu führt, dass extrem wenig Luft zwischen den Blechen vorhanden ist und das Brammenpaket ohne das Absaugen der Luft zwischen den einzelnen Blechen warmgewalzt werden kann. Insbesondere bei einer hohen Anzahl an unterschiedlichen Stahlwerkstoffschichten bzw. verwendeten Blechen für das Brammenpaket wird der Aufwand für die Herstellung des Verbundwerkstoffs wesentlich reduziert.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Brammenpaket warmgewalzt, bei welchem zwei aufeinanderfolgende Bleche aus alternierenden Stahlwerkstoffen bestehen. Durch die alternierende Anordnung von Stahlwerkstoffschichten, welche beispielsweise einerseits spröde und andererseits duktil sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf wirtschaftliche Weise ein Verbundwerkstoff bereitgestellt werden, dessen Eigenschaftsprofil beide gegensätzlichen Eigenschaften umfasst. Aufgrund der wirtschaftlichen Herstellweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eröffnen sich für diese Verbundwerkstoffe zusätzliche Verwendungen, beispielsweise als Schneidinstrumente aber auch Konstruktionsbauteile, beispielsweise von Kraftfahrzeugen.
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Die Oberflächenbearbeitung der Bleche bevor diese zu einem Brammenpaket gestapelt werden, wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Beizen, Bürsten, Schruppen, Fräsen, Hobeln, Kugelstrahlen oder Schleifen durchgeführt. Die mechanischen Verfahren haben den Vorteil, dass diese auch Unebenheiten, welche im gewalzten Blech vorhanden sind, auf einfache Weise ausgleichen bzw. abtragen können, wohingegen beim Beizen, einem chemischen Oberflächenbearbeitungsschritt, der Flächenabtrag durch die Beize homogen erfolgt, so dass Unebenheiten nicht ausgeglichen werden können. Allerdings hat der Beizschritt den Vorteil, dass eine gewisse Passivierung der Blechoberflächen erfolgt, so dass der Beginn erneuter Korrosion verzögert wird. Zudem kann beim Beizen bereits vorhandenes Equipment zur Oberflächenbehandlung verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Oberflächenbearbeitung durch Beizen in einer Schubbeize. Schubbeizen sind üblicherweise in Warmbandwerken vorhanden, um die Oberflächen der Warmbänder vor dem erneuten Walzen zu reinigen. Insofern wird kein zusätzliches Investment benötigt, um die Oberflächenbearbeitung der Warmbänder vor Abtafeln und Aufstapeln der Bleche zu Brammenpaketen zu gewährleisten. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einer Schubbeize eine Vorrichtung verstanden, welche neben einer Abwickelhaspel ein Bad für den Durchlauf des zu beizenden Warmbandes aufweist und zumindest eine Aufwickelhaspel umfasst. Die Oberflächenbearbeitung unter Verwendung einer Schubbeize führt also zu einem gebeizten Warmband, welches auf einem Coil aufgewickelt ist. Das Coil lässt sich dann entsprechend einfach lagern aber auch unmittelbar weiterverarbeiten.
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Die Planheit der für das Brammenpaket zu verwendenden Bleche kann dadurch weiterverbessert werden, dass die Warmbänder vor dem Abtafeln zu Blechen und/oder die abgetafelten Bleche einen Richtprozess durchlaufen. Durch das Richten können Verformungen der Bleche wie Chamber und Coilset ausgeglichen werden, so dass im Brammenpaket zwischen den einzelnen Blechen möglichst wenig Luft in den Zwischenräumen enthalten ist.
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Das Stapeln der Bleche zu einem Brammenpaket kann dadurch vereinfacht werden, dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Stapeln der Bleche zu einem Brammenpaket eine Spannvorrichtung verwendet wird. Die Spannvorrichtung wird derart benutzt, dass diese Druck auf die zu stapelnden Bleche senkrecht zu deren Oberflächen ausübt, so dass auch hier wiederum Luft zwischen den einzelnen Blechen herausgedrückt wird bzw. entweichen kann.
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Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Bleche des Brammenpakets abschnittsweise in den Kantenbereichen miteinander verschweißt werden. Eine voll umfängliche Verschweißung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, führt zu dem Problem, dass Luft zwischen den Blechen eingeschlossen werden kann und so zu Einschlüssen führt. Erfindungsgemäß werden hier die einzelnen Bleche des Brammenpakets nur abschnittsweise in den Kantenbereichen miteinander verschweißt, so dass Kantenbereiche der Bleche nicht miteinander verschweißt sind. Über die nicht miteinander verschweißten Bereiche kann dann die zwischen den Blechen zwangsläufig vorhandene Luft herausgedrückt werden. Wie bereits zuvor erwähnt, ist auch deshalb eine Absaugung der Luft zwischen den einzelnen Blechen nicht notwenig. Vorzugsweise wird das Brammenpaket vor dem Schweißen gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgewärmt, so dass Spannungsrisse vermieden werden können. Das Brammenpaket muss hierzu auf eine für die Werkstoffkombination geeignete Temperatur, beispielsweise im Bereich von 150°C bis 300°C, bevorzugt bis 250°C erwärmt werden, bevor der Schweißvorgang durchgeführt wird.
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Um eine besonders gute Verbindung zwischen den einzelnen Blechlagen des Brammenpakets zu erhalten, wird das Brammenpaket gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst vorgewärmt, durch einen bis drei Warmwalzstiche vorgewalzt und das vorgewalzte Brammenpaket einer erneuten Vorwärmung unterzogen und anschließend auf Enddicke des Warmbandes warmgewalzt. Das Vorwalzen geschieht vorzugsweise in einem Vorwalzgerüst und umfasst einen bis drei Warmwalzstiche, welche ausreichend sind, um ein Verschweißen der Bleche des Brammenpakets bei relativ geringer Dickenänderung zu ermöglichen. Das vorgewalzte Brammenpaket wird dann wie eine Bramme erneut einer Vorwärmung unterzogen und anschließend auf Enddicke warmgewalzt. Vorzugsweise wird das vorgewalzte Brammenpaket erneut dem Fertigwalzen in der Warmbandstraße zugeführt bzw. in diesen Walzprozess eingeschleust. Hierdurch wird erreicht, dass keine zusätzlichen Investitionen in zusätzliche Walzwerke entstehen.
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Vorzugsweise wird ein Brammenpaket gewalzt, welches Bleche bestehend aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,20 Gew.-% und Bleche bestehend aus einem Tiefziehstahl mit maximal 0,20 Gew.-% Kohlenstoff aufweist. Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Legierungselemente, über welche die Duktilität und die Härte des Werkstoffes beeinflusst werden kann. Aufgrund der hohen Anzahl von mehr als zehn unterschiedlichen Werkstoffschichten kann durch die Verwendung von Kohlenstoffstählen und Tiefziehstählen in Kombination ein besonders harter aber auch duktiler Verbundwerkstoff hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens betragen die Dicke der Bleche des Brammenpakets 1,5 mm bis 10 mm, so dass übliche Brammendicken von etwa 250 mm erreicht werden.
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Beträgt die Enddicke des Verbundwerkstoffes 2 mm bis 8 mm kann schließlich ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff in den typischen Warmbanddicken bereitgestellt werden. Der Ersatz von bisher verwendeten Warmbandwerkstoffen kann hierdurch auf einfache Weise bei gleichbleibender Dicke aber anderen mechanischen Eigenschaften leicht durchgeführt werden.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein für die Durchführung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare Warmbandstraße in einer perspektivischen Ansicht,
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3 eine schematische Ansicht einer Schubbeize,
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4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brammenpakets in einer perspektivischen Darstellung,
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5 ein Ausschnitt des Brammenpakets aus 4 ebenfalls in perspektivischer Darstellung und
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6 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.
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Ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffs zeigt 1. In Schritt 1 werden zunächst mindestens zwei Brammen aus unterschiedlichen Werkstoffen warmgewalzt. Die daraus hergestellten Warmbänder werden in Schritt 2 einer Oberflächenbearbeitung unterzogen, welche durch ein mechanisches Bearbeitungsverfahren oder ein chemisches Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden kann. Bevorzugt wird ein Beizen in einer Schubbeize durchgeführt. Anschließend an die Oberflächenbearbeitung werden die Bleche abgetafelt, Schritt 3. Im Schritt 4 des in 1 dargestellten Ablaufdiagramms wird ein Brammenpaket bereitgestellt, welches durch Stapeln der in Schritt 3 abgetafelten Bleche zur Verfügung gestellt wird. Das so hergestellte Brammenpaket wird in Schritt 5 warmgewalzt.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Schritt 2 und dem Schritt 5 eine möglichst kurze Zeitspanne vorgesehen, so dass die gereinigten und von Korrosion befreiten Oberflächen der Bänder bzw. Bleche bei deren Anordnung als Brammenpaket möglichst wenig Luft zwischen den einzelnen Blechen zulassen. Unterstützt werden kann dies dadurch, dass während des Breitstellens des Brammenpakets eine Spannvorrichtung verwendet wird, welche hier nicht dargestellt ist. Die Spannvorrichtung übt Druck auf die Blechoberflächen aus, so dass beim Aufbau des Brammenpakets möglichst wenig Luft zwischen den verschiedenen Blechen verbleibt.
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Vorzugsweise werden die in einem Brammenpaket bereitgestellten Bleche durch Schweißen miteinander verbunden. Da durch die zeitnahe Oberflächenbearbeitung nur sehr wenig eingeschlossene Luft zwischen den Blechen bei der Bereitstellung des Brammenpakets verbleibt, muss eine eventuell vorgesehene Schweißnaht lediglich einen Versatz der Bleche gegeneinander verhindern, so dass eine vollumfängliche Verschweißung der Kantenbereiche der Bleche nicht durchgeführt wird. Diese hätte darüber hinaus auch negative Folgen, da dann eventuell eingeschlossene Luft durch den Walzvorgang nicht mehr herausgepresst werden kann. Insofern sind die Bleche in ihren Kantenbereichen nur abschnittsweise miteinander über eine Schweißnaht verbunden.
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Das Walzen des Brammenpakets von Schritt 5 teilt sich ebenfalls in fünf Einzelschritte auf. Zunächst wird das Brammenpaket in Schritt 6 vorgewärmt und auf Warmwalztemperatur gebracht. Anschließend wird das Brammenpaket in Schritt 7 vorgewalzt, wobei zunächst keine deutliche Dickenreduktion durchgeführt wird, sondern die Walzstiche derart eingestellt werden, dass ein sicheres Verschweißen der einzelnen Blechschichten während des Vorwalzens erfolgt. Nach dem Vorwalzen wird das Brammenpaket in Schritt 8 erneut vorgewärmt und auf Warmwalztemperatur gebracht. Zur Einsparung von Energie, wird das Vorwärmen gemäß Schritt 8 bevorzugt unmittelbar nach dem Vorwalzen durchgeführt. Im Fertigwalzschritt 9 wird das Brammenpaket nun zu einem Warmband ausgewalzt und in Schritt 10 nach dem Abkühlen entweder aufgehaspelt oder zu Blechen abgetafelt.
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2 zeigt in einer perspektivischen, schematischen Ansicht eine Warmbandstraße 20, mit welcher die Brammenpakete 21 warmgewalzt werden. Die Brammenpakete werden gemäß Schritt 8 in einem Ofen 22, vorzugsweise einem Stoßofen, auf Warmwalztemperatur gebracht. Das vorgewärmte Brammenpaket 21 durchläuft anschließend eine Entzunderungsvorrichtung 23 und gegebenenfalls eine Brammenstauchpresse 24 bevor die Bramme ein Vorwalzgerüst 25 reversierend durchläuft. Nachdem das Brammenpaket 21 in dem Vorwalzgerüst vorgewalzt wurde, erfolgt das Fertigwalzen in einem Fertigwalzgerüst 26, so dass am Ende der Verarbeitung ein Warmband 27 aufgehaspelt werden kann. Vor dem Fertigwalzen erfolgt ebenfalls eine Entzunderung des vorgewalzten Brammenpakets. Das aufgewickelte Warmband 27 besteht nun aus mehr als zehn Schichten bestehend aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffen und kann ausgehend von dem aufgewickelten Coil 27 in nicht dargestellte Bleche abgetafelt werden, welche dann der weiteren Verarbeitung zugeführt werden können.
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Den Schritt der Oberflächenbearbeitung 2 aus 1 wird schematisch in 3 dargestellt. Die für die Herstellung des Brammenpakets verwendeten Warmbänder werden einer Oberflächenbearbeitung zugeführt, welche entweder mechanisch und/oder chemisch erfolgt. In 3 ist eine Schubbeize 30 schematisch dargestellt, welche zumindest eine Abwickelhaspel 31, eine Aufwickelhaspel 32 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Beize 34 aufweist. Das hergestellte Warmband 33 wird vom Coil 31 abgehaspelt und der Vorrichtung zum Beizen 34 zugeführt. Die Vorrichtung zum Beizen 34 weist üblicherweise mindestens ein Beizbecken auf, in welchen die Beizlösung vorhanden ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 34 ein nicht dargestelltes Spülbecken, so dass zunächst das Band in dem Beizbecken mit der Beize benetzt werden kann und anschließend ein vollständiges Entfernen der Beizlösung vom Metallband erfolgt. Dies ist auch unbedingt erforderlich, da bei Verbleib von Beizlösung auf dem Stahlband 33 Korrosion verursacht werden kann. Am Ende des Beizprozesses wird das Band beispielsweise über ein Dressiergerüst 35 noch einmal gerichtet. Aus dem so erhaltenden Warmband 33 können nun Bleche zur Bereitstellung des Brammenpakets abgetafelt werden.
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Das Abtafeln der Bleche sowie das Anordnen zu einem Brammenpaket muss möglichst kurzfristig nach der Oberflächenbearbeitung erfolgen, um der Bildung von Korrosion vorzubeugen. Es wurde festgestellt, dass Bleche, welche innerhalb von vierzehn Tagen nach der Oberflächenbearbeitung verarbeitet wurden, sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf die Herstellung des Verbundwerkstoffes zeigten und insgesamt deutlich weniger oder keine Materialeinschlüsse aufwiesen. Insofern sollten die Warmbänder 33 möglichst umgehend zu Blechen abgetafelt und dann zu einem Brammenpaket wie es in 4 dargestellt ist, angeordnet werden.
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Das Brammenpaket aus 4 ist schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Das Brammenpaket 40 besteht vorliegend aus sechzehn verschiedenen Stahlwerkstoffschichten, welche alternierend angeordnet sind. Die Schichten 41 und 42 weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf. Beispielsweise besteht die Stahlwerkstoffschicht 41 aus einem Kohlenstoffstahl C75 mit einem Kohlenstoffgehalt von deutlich mehr als 0,2 Gew.-%, nämlich 0,70 bis 0,80 Gew.-% Kohlenstoff auf. Kombiniert sind die Kohlenstoffstahlschichten 41 mit Tiefziehstahlschichten 42, welche sehr geringe Kohlenstoffgehalte von weniger als 0,2 Gew.-% aufweisen. Die verwendeten Bleche 41, 42 für die Bereitstellung des Brammenpakets 40 werden von einer nicht dargestellten Spannvorrichtung zusammengepresst, so dass zwischen den Blechen 41, 42 die verbliebene Luft zusätzlich herausgedrückt wird. Die Bleche 41 und 42 werden vorzugsweise miteinander verschweißt, bevor diese warmgewalzt werden.
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Dies zeigt schematisch 5, welche den oberen Teil A des Brammenpakets ausschnittsweise vergrößert. Die Bleche 41, 42 sind über Schweißnähte 51, 52 miteinander verbunden, so dass ein Versatz der Bleche gegeneinander während des Warmwalzen entgegengewirkt wird. Wie 5 zeigt, sind die Schweißnähte 51, 52 lediglich bereichsweise angeordnet, so dass beim Warmwalzen aus dem Blechverbund Luft herausgepresst werden kann.
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Eine schematische Schnittansicht des aus dem Brammenpaket aus 5 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffs zeigt 6. Die einzelnen Schichten der verschiedenen Stahlwerkstoffe sind durch den Warmwalzprozess entsprechend dünn. Alle Stahlwerkstoffschichten sind über das Walzplattieren miteinander verschweißt. Einschlüsse sind in dem Verbundwerkstoff nicht zu erkennen. Das Ausführungsbeispiel aus 6 besteht aus sechzehn alternierenden Werkstoffschichten und hat eine Enddicke von ca. 3,2 mm. Die Schichtdicke der einzelnen Werkstoffschichten beträgt etwa 200 μm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2050532 A1 [0002]
- DE 60005128 T2 [0002]
