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Verfahren zur Herstellung von Verbundmetall aus Eisen und Aluminium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetalls aus Eisen
und Aluminium unter Anwendung von zwei Zwischenschichten zur Haftvermittlung zwischen
den beiden Metallen. Das \% erfahren betrifft insbesondere die Herstellung eines
1?rzeugiiisses, das aus einem Stahlstützkörper mit einer Auflage aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung besteht, wobei diese derart miteinander verbunden sind,
daß das Material ohne Bruch der Verbindung starken Biege-, Verformungs- oder Walzbeanspruchungen
unterworfen werden kann. Zu diesem Zweck wird auf der Eisengrundlage erfindungsgemäß
zunächst eine Zwischenschicht aus einem Metall der Eisengruppe oder dessen Legierungen
mit mindestens 50'°/a Cobaltgehalt und hierauf eine zweite Zwischenschicht aus Quecksilber
oder Silber bzw. dessen Legierungen mit Kupfer oder Gold vor dem flüssigen Auftragen
der Deckschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufgebracht, worauf
anschließend das fertige Verbundmetall abgeschreckt wird. Weitere Einzelheiten zur
Durchführung des Verfahrens sind in der nachstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen
niedergelegt.
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Es ist bekannt, daß schmelzflüssiges Aluminium mit den meisten Metallen
sehr stark reagiert und dann bei seiner Verfestigung sehr spröde, leicht reißende
Übergangsschichten bildet. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn stärkere Schichten
von geschmolzenem Aluminium mit verhältnismäßig starken Stahlstützkörpern in Berührung
kommen, da nach den bislang bekannten Methoden die Temperatur nicht schnell genug
abgesenkt werden kann, um die Bildung solcher schädlichen spröden Zonen zu vermeiden.
Es sind auch bereits vielfach Versuche unternommen, durch andere Metalle wie z.
B. Kupfer, Zinn, Zink u. dgl. eine bessere Bindung zwischen dem eisenhaltigen Grundmaterial
und dem Aluminium zu erreichen. Jedoch konnten nach den meisten dieser \% erfahren
diese Metalle trotzdem eine starke direkte Reaktion zwischen dem Aluminium und dem
eisenhaltigen Grundmetall nicht verhindern. Auch ist bereits vorgeschlagen worden,
das eisenhaltige Grundnietall zunächst mit einem Metall zu überziehen, welches dann
seinerseits mit dem schmelzflüssigen Aluminium in Berührung gebracht wurde und als
eine Trennschicht wirkte, welche eine Reaktion zwischen dem eisenhaltigen Grundmetall
und dem Aluminium ausschloß. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in dem britischen
Patent 646 506 beschrieben. Nach diesem Patent wird ein Bimetall hergestellt, welches
aus einem eisenhaltigen Grundmetall reit einer Zwischenschicht aus Nickel oder Kobalt
und einer -;erhältnismäßig starken Auflage aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
besteht, die fest miteinander verbunden sind.
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Wenn nun aber die Stärke der Stahlschicht oder des schmelzflüssigen
Aluminiums bzw. Aluminiumlegierung anwächst, wird auch die Zeit der Hitzeabführung
entsprechend zunehmen. Da andererseits der Reaktionsumfang zwischen dem geschmolzenen
Metall und der Trennschicht proportional der Temperatur und Berührungszeit ist,
bildet sich in solchen Fällen zwischen den starkwandigen Eisenunterlagen und der
dicken schmelzflüssigen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschicht leicht eine spröde
Zwischenschicht aus Nickel oder Kobalt mit Aluminium, die ihrerseits wieder die
Elastizität der Verbindung verringert und die Eignung eines solchen Bimetallmaterials
für die Weiterverarbeitung herabsetzt. Nach der vorliegenden Erfindung werden demgegenüber
Schichten aus Kobalt oder Kobaltlegiesungen mit Eisen oder Nickel und einer darauffolgenden
Schicht aus entweder Quecksilber oder auch Silber bzw. Silberlegierungen mit Kupfer
oder Gold auf einem eisenhaltigen Grundmetall zur Verbindung mit einer Aluminiumschicht
verwendet, wobei eine derart feste, dehnbare Bindung erreicht wird, daß sie auch
stärkste mechanische Verformungen und Walzbeanspruchungen gestattet.
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Es wurde nämlich festgestellt, daß durch die Einbeziehung einer Schicht
aus Quecksilber oder Silber bzw. Silberlegierungen über einer Schicht aus Kobalt
oder dessen Legierungen auf einer starkwandigen
Stahlschicht, auf
welch erstere dann eine starke Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
aufgegossen und diese in üblicher Weise abgeschreckt wurde, die Festigung der Verbindung
so gesteigert wird, daß man ein Erzeugnis erhält, das auch sehr starken mechanischen
Verformungen oder Walzverfahren ausgesetzt werden kann. Während des Gußvorganges
löst sich das Quecksilber oder das Silber bzw. dessen Legierungen vollständig in
dem schmelzflüssigen Aluminium oder Aluminiumlegierung. Was für eine besondere Rolle
hierbei das Quecksilber oder Silber und dessen Legierungen über der Kobaltschicht
oder Schicht aus Kobaltlegierungen zur Erhöhung der Festigkeit und Elastizität der
Bindung zwischen dem Aluminium und dem Stahl spielt, ist nicht bekannt.
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Weiterhin wurde festgestellt, daß an Stelle des reinen Kobalts auch
Kobalt in Legierung mit Eisen oder Nickel zu zufriedenstellenden Ergebnissen führte,
gleichwie an Stelle von reinem Silber auch Silberlegierungen mit Kupfer oder Gold
Verwendung finden können. Die einzige Erklärung dafür, warum dieses möglich ist,
wird in der Verwandtschaft der Metalle nach dem Periodischen System vermutet. Tedenfalls
ergeben bei der Verwendung in Verbundmetallen aus Aluminium und Stahl in der vorbeschriebenen
Weise Legierungen von Kobalt mit anderen Metallen der Eisengruppe mit entweder Quecksilber
oder mit Silber, welch letzteres mit anderen Metallen der Gruppe I b legiert sein
kann, ein sehr festes und dehnbares Erzeugnis.
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Zur Erzeugung des Verbundmetalls nach der Erfindung wird zunächst
das band-, streifen oder plattenförmige Stahlmaterial galvanisch mit einer Kobaltschicht
von etwa 0,0025 bis 0,0128 mm Dicke versehen, wobei die obere Grenze weitgehend
durch wirtschaftliche Erwägungen bestimmt ist. Diese Schicht wird dann, bevor das
Kobalt zu oxydieren vermag, entweder mit Quecksilber überzogen oder mit einer Silberschicht
galvanisch bedeckt, und zwar in beiden Fällen in einer Stärke von etwa 0,0013 bis
0,0051 mm. Darauf wird das so plattierte Bandmaterial auf annähernd 732°
C in einer nichtoxvdierenden Atmosphäre erhitzt und die schmelzflüssige Aluminiumlegierung
bei gleichfalls etwa 732° C auf die Überzugsfläche gegossen. Das Material wird sodann
mit einer Kühlgeschwindigkeit von ungefähr 55° C in der Sekunde bis zu einer Temperatur
von etwa 538° C abgeschreckt, um das Aluminium zu verfestigen. Unterhalb dieser
Temperatur ist die Kühlgeschwindigkeit ohne Bedeutung. An Stelle des Kobalts kann
auch eine Kobaltlegierung mit Eisen oder Nickel und an Stelle von Silber eine Silberlegierung
finit Kupfer oder Gold genommen werden.
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Zur Bestimmung der Dehnungsfestigkeit der Verbindung zwischen der
Stahl- und Aluminiumschicht wurde eine Meißelprobe, Biegeprobe und Walzprobe durchgeführt.
Die Meißelprobe besteht darin, daß mit einem Hartmeißel und Hammer das Aluminium
von <ler Stahlunterlage zu trennen versucht wird, wobei der Meißel in einem Winkel
von ungefähr 30° gegen die Materialfläche zwischen den Schichten angesetzt wird.
Zur Biegeprobe wird das Probestück in einem Winkel von 180° um sich selbst gebogen,
und zwar mit der Aluminiumschicht auf der Außenseite. Bei der Walzprobe wird das
Verbundmaterial in einem üblichen Walzwerk um wenigstens 25 % reduziert. Das erfindungsgemäß
hergestellte Material besteht diese Dehnungsproben und kann außerdem sogar auf Temperaturen
bis zu 538' C in einer neutralen Atn iosphäre für die üblichen Zeiten erneut angelassen
werden, ohne daß die Festigkeit oder Dehnung der Verbindung sich verringert, was
bei den bisher verwendeten anderen Verbindungsschichten zwischen dem Aluminium und
Stahl nicht möglich ist. Wenn das Material diese genannten drei Proben bestanden
hat, kann es allen beliebigen verwickelten Verformungs- und Fabrikationsverfahren
ohne Schaden unterworfen werden. Die bisher bekannten Bindungskombinationen können
solchen Beanspruchungen nicht mit zufriedenstellendem Ergebnis unterzogen werden,
ohne daß die Verbindung reißt, insbesondere dann nicht, wenn verhältnismäßig dicke
Schichten von Aluminium oder Stahl vorliegen.
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Nachstehend wird ein Beispiel zur erfindungsgemäßen Fertigung des
Materials wiedergegeben. Ein kaltgewalztes, kohlenstoffarmes Stahlband von etwa
113 mm Breite und 3,32 mm Dicke wird in üblicher Weise gereinigt und vorbereitet
und dann mit einer galvanischen Kobaltschicht von ungefähr 0,0050 mm überzogen.
Anschließend wird das Band; bevor sich auf dem Kobalt eine die Adhäsion hindernde
Oxydationsschicht bilden kann, entweder in Quecksilber getaucht und von dem überschüssigen
Quecksilber befreit oder galvanisch mit einer Silber-Schicht von ungefähr 0,005
mm Stärke versehen. Die galvanischen Überzüge werden in den üblichen galvanischen
Bädern nach bekannten Verfahren vorgenommen. Nunmehr wird das so überzogene Band
in einer Ofenatmosphäre von etwa 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff auf eine Temperatur
von etwa 132' C erhitzt und auf die plattierte oder mit Quecksilber überzogene
Fläche eine geschmolzene Aluminiumlegierung von etwa 732° C gegossen, die aus etwa
1,5% Silicium, 6,5% Zinn, 1% Kupfer, 0,5% Nickel und als Rest aus Aluminium mit
den üblichen Verunreinigungen besteht. Dann wird das Band von der Eisenseite aus
in an sich bekannter Weise abgeschreckt. Ein solches Material erfüllt die Bedingungen
der obengenannten Proben. Als Beispiel einer anderen Trennschichtzusammensetzung
werden Legierungen aus Kobalt mit Eisen oder Nickel in einem Verhältnis von ungefähr
501/o genannt. Die Silberschicht kann mit Kupfer oder Gold im Verhältnis von 50%
Silber zu 50% Kupfer oder Gold legiert sein. Für gewöhnlich soll der Prozentsatz
anSilber höher als 20% sein. Im allgemeinen werden die Schichten aus Kobalt- und
den Silberlegierungen galvanisch aufgetragen, doch kann die letzte Schicht (die
Silberlegierungsschicht) auch mit Erfolg nacheinander, erst Kupfer oder Gold und
dann Silber, niedergeschlagen und dann diffundiert, nämlich das Kupfer oder Gold
in das Silber, werden, wobei das Silber im allgemeinen die äußere Schicht bildet.
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Weiterhin wurde nun gefunden, daß die Erfindung besonders vorteilhaft
bei Stahldicken über 2 mm und Aluminiumschichten über 0,5 mm Dicke zur Anwendung
gelangt, wobei die Kühlgeschwindigkeit sieh auf etwa 55° C in der Sekunde beläuft.
Unterhalb dieser Stärken ist die Erfindung auch mit Vorteil anzuwenden, weil im
allgemeinen bei dünneren Teilen de Hitze schnell genug abgeführt werden kann, um
eine Bildung unerwünschter Zwischenzonen zu verhindern.
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Man erhält auf diese Weise ein Erzeugnis aus Stahl in Form von Bändern,
Streifen, Rohren od. dgl. mit einer Schicht aus Kobalt oder dessen Legierungen und
einer zweiten Schicht entweder aus Quecksilber oder aus Silber bzw. dessen Legierungen
sowie einer
anschließend aufgegossenen Aluminiumschicht oder aus
einer Aluminiumlegierung, das eine ganz wesentlich verbesserte Verbindung zeigt
und eine Festigkeit aufweist, welche weit über den Werten der bisher bekannten Kombinationen
liegt.
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Die Erfindung ist nicht auf die im einzelnen beschriebenen Beispiele
beschränkt, sondern umfaßt weitgehende Abänderungen, wie sie sich aus der Natur
der herzustellenden Artikel ergeben.