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Verfahren zur Herstellung geschichteter Verbundwerkstoffe Für viele
Verwendungszwecke wäre es wünschenswert, über Werkstoffe zu verfügen, welche die
Eigenschaften sehr verschieden legierter Stähle in sich vereinigen und damit Anforderungen
genügen, die ein einzelner Werkstoff nicht zu erfüllen vermag. Eine wenn auch nur
unvollständige, in vielen Fällen aber ausreichende Lösung dieses Problems stellen
die geschichteten Verbundwerkstoffe dar, die wenigstens ein Nebeneinander sehr verschiedener
Werkstoffeigenschaften in einem Werkstück ermöglichen.
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Die zahlreichen, zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Stählen
üblichen Verfahren kann man in drei Gruppen einteilen: 1. Unmittelbare Verbindung
im festen Zustand im Temperaturbereich der Warmformgebung. Diese Verbindung kann
während einer Verformung oder verformungslos erfolgen.
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2. Mittelbare Verbindung im festen Zustand unter Verwendung einer
metallischen Zwischenschicht als Lötmittel.
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3. Unmittelbare Verbindung eines flüssigen Stahles mit einem festen.
Dies kann durch Angießen an einen festen Stahl oder durch Schweißen erfolgen.
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Ferner gibt es Verfahren, die sich nicht eindeutig einer der genannten
Gruppen zuordnen lassen. Hierher gehört z. B. das Arbeiten im teigigen Zustand,
im Temperaturbereich zwischen Liquidus- und Soliduslinie, ein Verfahren also, das
zwischen die Gruppen 1 und 3 eingeordnet werden müßte; oder die Herstellung von
Auftragsschweißen mit einer ebenfalls aufgeschweißten Zwischenschicht. Dieses Verfahren
wäre den Gruppen 2 und 3 zuzuordnen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung
von Verbundwerkstoffen aus verschieden legierten Stählen durch unmittelbare Verbindung
im festen Zustand, so daß also nur Verfahren der Gruppe 1 in Betracht kommen, wobei
innerhalb dieser Gruppe jedes beliebige Verfahren angewendet werden kann. Das technologische
Herstellungsverfahren gehört also nicht zum Gegenstand der Erfindung.
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Aus zahlreichen, teilweise bekannten Versuchen und Verarbeitungsverfahren
geht hervor, daß sich auch sehr verschieden legierte Stähle im festen Zustand unabhängig
von ihrer chemischen Zusammensetzung miteinander in einem geeigneten Temperaturbereich
verbinden, wenn sie mit metallisch blanken Oberflächen zu einem satten Aufliegen
aufeinandergebracht werden. Um die dazu notwendige innige Berührung zu erreichen,
genügen bedeutend kleinere Drücke, als zu einer gleichzeitigen Verformung im Sinne
einer Warmformgebung notwendig wären. Es kann eine solche Verbindung also auch »verformungslos
« erfolgen; es genügt die innige Berührung bei einer Temperatur, welche eine Diffusion
zwischen den zu verbindenden Stählen ermöglicht. Durch diese Diffusion ergibt sich
aber eine in ihrer chemischen Zusammensetzung keineswegs einheitliche, auf jeden
Fall aber zwischen den Zusammensetzungen der beiden zu verbindenden Stähle liegende
Übergangszone, deren Eigenschaften für den technischen Wert der hergestellten Verbindung
von entscheidendem Einfluß sind. Ist diese Übergangszone teilweise oder zur Gänze
spröd, z. B. durch das Auftreten eines martensitischen Gebietes, wird der hergestellte
Verbundwerkstoff Beanspruchungen nicht gewachsen sein und sich daher schlecht oder
gar nicht verarbeiten lassen.
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Hinsichtlich der Werkstoffauswahl sind bereits zahlreiche Vorschläge
zur Herstellung geschichteter Verbundwerkstoffe gemacht worden. Meist handelte es
sich dabei um unlegierte Stähle als Grundwerkstoff und um Sonderstähle als Plattierungswerkstoff.
Auch das Plattieren von unlegierten oder schwach legierten Stählen mit austenitischen
Manganstählen wurde bereits vorgeschlagen. Bei diesen Verbundwerkstoffen wird im
Übergangsgebiet zwischen Grundwerkstoff und Plattierungswerkstoff der Mangangehalt
der austenitischen Stähle infolge der sich abspielenden Diffusionsvorgänge erniedrigt,
wodurch spröde, martensitische Zonen auftreten. Solche Werkstoffe zeigen insbesondere
bei stärkeren Beanspruchungen ein Ausbrechen an der Übergangsstelle.
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Nach einem bekannten, zur Gruppe 2 gehörenden Verfahren werden für
die Herstellung von Verbundkörpern
aus Eisen- und Stahllegierungen
manganhaltige, insbesondere auch aus Mangan und Eisen bestehende Lötmittel in Blechform,
Pulverform oder in Form von Granalien mit oder ohne Flußmittelzusatz verwendet,
und die Lötung wird insbesondere dann, wenn eine Weiterverarbeitung durch Walzen,
Schmieden od. dgl. in Betracht kommt, unter Anwendung von Hitze und Druck durchgeführt.
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Erfindungsgemäß kann nun auf eine Lötung vor der Warmformgebung dann
verzichtet werden, wenn zum Plattieren mit austenitischen Manganstählen chromlegierte
Stähle mit mindestens 8% Chrom Verwendung finden. In diesen Fällen kann die Herstellung
der Verbundwerkstoffe durch unmittelbare Verbindung im Temperaturbereich der Warmformgebung
ohne Anwendung eines Lötmittels gleichzeitig mit einer Verformung oder verformungsfrei
erfolgen.
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Nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Werkstoffe zeigen überraschenderweise
keine martensitischen Zonen, obwohl das Auftreten von Martensit auf Grund des Verhaltens
von Chrom-Mangan-Stahllegierungen gleicher chemischer Zusammensetzungen, wie sie
als Folge der sich abspielenden Diffusionsvorgänge im Übergangsgebiet vorliegen
können, zu erwarten gewesen wäre. Die beobachtete Eignung der chromlegierten Stähle
mit mindestens 80/o Chrom zum Plattieren mit austenitischen Manganstählen wird nicht
durch weitere Legierungselemente, und zwar weder durch Austenitbildner noch durch
Ferritbildner gestört. Wenn jedoch in der Übergangszone ein Kohlenstoffgehalt von
mindestens 0,5% möglich ist, dürfen die Ferritbildner einzeln oder gemeinsam nur
in Konzentrationen von höchstens 100/o vorliegen.
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Bei Beachtung dieser legierungstechnischen Maßnahmen werden bei der
Herstellung von Verbundwerkstoffen aus austenitischen Manganstählen und anderen
hochlegierten Stählen durch unmittelbare Verbindung im festen Zustand mit Sicherheit
martensitfreie Übergangszonen erzielt. Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt
im Temperaturbereich der Warmformgebung, vorzugsweise zwischen 900 und 1150° C,
wobei zur Verhinderung der Oxydation der zu verbindenden metallisch blanken Flächen
die üblichen Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen.
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Ausführungsbeispiel Ein geschichteter Verbundwerkstoff aus Hartmanganstahl
und einem Chromstahl mit 20/o C und 130/o Cr kann von 1000° C in Öl gehärtet werden
und stellt dann eine Verbindung von höchster Härte mit den bekannten Zähigkeitseigenschaften
des austenitischen Manganstahles dar. Der Chromstahl hat nach dieser Behandlung
eine Härte von 62 bis 66 RC, während gleichzeitig der Manganatahl weich bleibt.
Seine Brinellhärte beträgt 210 bis 230 BE. Ein Auftreten von Rissen in der Übergangszone
konnte bei dieser Behandlung nicht beobachtet werden. Durch ein kurzzeitiges Glühen
bei Temperaturen von 800 bis 850° C und ein anschließendes Abschrecken in Wasser
kann dieser Werkstoff in einen Zustand gebracht werden, in welchem seine Verarbeitung
nicht schwieriger als bei üblichem Hartmanganstahl ist.