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Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtenmetalls Es ist bekannt,
bei der Herstellung von Mehrschichtenmetallen mit Edelmetallauflagen Zwischenschichten
zwischen den miteinander zu verschweißenden Metallkörpern zu verwenden. Diese Zwischenschichten
dienen zur Erleichterung der Verschweißung, insbesondere dann, wenn sie aus Metallen
oder Legierungen bestehen, welche niedriger schmelzen als die zu verschweißenden
Metalle. So ist die Verwendung von leichtschmelzenden Goldloten bzw. Silberloten
als Zwischenschichten seit langer Zeit bekannt. Diese Lote benetzen die zu verschweißenden
Metalle gut und bilden mit jedem von ihnen durch Diffusion gute Verschweißungen.
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Vielfach ist jedoch eine solche Diffusion unerwünscht, z. B. wenn
ein Edelmetall in ein Unedelmetall hineindiffundieren würde, etwa beim sogenannten
Double, bei dem sich eine sehr dünne Goldschicht auf einer dicken Unedelmetallschicht
befindet. Schon beim Zusammenschweißen der Edel- und Unedelmetallschichten, besonders
aber bei den zwischen die Walz- bzw. Ziehgänge eingelegten Glühungen findet eine
so starke gegenseitige Diffusion der beiden Metallschichten ineinander statt, daß
der Goldgehalt der verwendeten Goldlegierung durch eindiffundiertes Unedelmetall
stark herabgesetzt wird. Dies gilt auch für Mehrschichtenmetalle, bei denen eine
Edelmetallschicht aus Silber besteht.
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Um solche gegenseitige Diffusion von Edel- und Unedelmetallen bei
der Herstellung von Mehrschichtenmetallen zu verhindern, bildet man die z-%vischen
den beiden Metallen vor deren Verschweißung angebrachten Zwischenschichten diffusionshemmend
aus. Als solche Sperrschichten werden Nickelfolien oder Folien aus Nickellegierungen
empfohlen. Auch die galvanische Vernickelung der Unedelmetalle vor ihrer Verschweißung
mit den Edelmetallen ist vorgeschlagen worden. Weiterhin sind Zwischenschichten
als Sperrschichten empfohlen worden, die durch thermische Aufdampfung der verschiedensten
Metalle auf die Edel- und Unedelmetalle im Vakuum bzw. durch Zersetzung von Metallsalzen,
wie z. B. der Chloride oder Fluoride, aus der Gasphase erhalten werden.
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Eine besondere Rolle spielt die Zwischenschicht bei Mehrschichtenmetallen,
bei denen das Unedelmetall aus chromnickelhaltigen Eisenlegierungen (Edelstahl)
besteht. Infolge des Chromgehaltes dieser Legierungen findet beim Verschweißen keine
oder eine nur sehr mangelhafte Verbindung mit dem Edelmetall statt. Die für solche
Mehrschichtenmetalle nötigen Zwischenschichten müssen sehr gut benetzende Eigenschaften
gegenüber der Chromlegierung aufweisen, um ein späteres Losreißen der Edelmetallschicht
von der chromhaltigen Schicht während der Weiterverarbeitung des Mehrschichtenmetalls
zu verhindern. Als Zwischenschichten wurden für diese Zwecke Kupfer und kupferreiche
Legierungen als Folien wie auch als galvanische Niederschläge in Vorschlag gebracht.
Aber auch Nickel, Kobalt, Palladium und deren Legierungen sowie Monelmetall wurden
vorgeschlagen. Weiterhin wurde eine auf dem chromhaltigen Stahl galvanisch aufgebrachte
Goldschicht empfohlen. Auch eine aufgespritzte Goldschicht sowie Zwischenschichten
aus Rhenium, Ruthenium sowie den Metallen der IV., V. oder VI. Nebengruppe des Periodischen
Systems sind in der Literatur erwähnt.
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Für Mehrschichtenmetalle mit Kupfer als Grundmetall und einer Kupfer-Silber-Legierung
als Auflagemetall wurde auch eine Zwischenschicht aus einer Kupfer-Phosphor-Legierung
mit einem Phosphorgehalt von 2 bis 4% empfohlen, die als Folie oder in Form eines
aufgespritzten Pulvers verwendet werden soll. Für die Verbindung zweier hochschmelzender
Unedelmetalle, die kein Edelmetall enthalten, wurden in letzter Zeit Nickelphosphide
oder Kobaltphosphide oder Legierungen dieser beiden Phosphide vorgeschlagen, die
entweder durch galvanische Vernickelung oder Verkobaltung bzw. durch die sogenannte
stromlose Vernickelung oder V erkobaltung hergestellt wurden. Nach diesem Vorschlag
(USA.-Patent 2 795 040) wird das Phosphid zuerst zum Schmelzen gebracht, um den
Phosphor zu vertreiben, worauf erst die Verschweißung erfolgt.
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Während die Phosphide des Kupfers und Nickels in der Literatur als
sehr spröde Körper bezeichnet werden, die sich nur sehr schwer spanlos verarbeiten
lassen, zeigte es sich überraschenderweise, daß Nickel-Phosphor-Legierungen, die
entweder aus einer Hypophosphitionen enthaltenden Nickel- und/oder Kobaltlösung
stromlos oder aus Nickel- und/oder Kobaltphosphitbädern galvanisch abgeschieden
werden,
trotz großer Härte durch Kaltwalzen und Ziehen ohne Schwierigkeiten
spanlos verformbar sind.
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Die Untersuchung dieser \ iclel-Phosphor-Legierungen bzw. Kobalt-Phosphor-Legierungen,
die auch dadurch als Folien hergestellt werden können, daß man sie stromlos auf
Kunststoffplatten bzw. Nichtmetalle niederschlägt und von ihnen abzieht, hat nun
überraschenderweise ergeben, daß sich solche Schichten in hervorragender Weise als
Zwischenschichten für Mehrschichtenmetalle eignen, bei denen mindestens eine Schicht
aus einem Edelmetall oder einer Edelmetallegierung besteht.
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Es wurde gefunden, daß Nickel-Phosphor-Legierungen bzw. Kobalt-Phosphor-Legierungen
sowohl die gute Benetzbarkeit für alle \TE-Metalle, Eisen und chromhaltigen Eisenlegierungen
als auch die diffusionshemmenden Eigenschaften des reinen Nickels bzw. der \Tickellegierungen
mit anderen NE-Metallen in sich vereinigen. Die Schichten lassen sich sehr einfach
und billig herstellen, entweder durch galvanische Behandlung des Unedelmetalls bzw.
des Edelmetalls oder beider Metalle in einem Nickelphosphitbad bzw. Kobaltphosphitbad
oder, besser, durch stromlose Vernickelung bzw. Verkobaltung in einem sauren oder
alkalischen Bad beispielsweise folgender bekannter Zusammensetzung
Sowohl bei der galvanischen als auch der stromlosen Metallisierung müssen alle nicht
zu verschweißenden Stellen der Metallteile durch nichtleitende Schichten, beispielsweise
Abdecklacke, abgedeckt werden, welche vor der Verschweißung entfernt werden.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Eignung der Nickel-Phosphor-
bzw. Kobalt-Phosphor-Legierungen in starkem Maße vom Phosphorgehalt der Legierung
abhängig ist. Dieser Phosphorgehalt läßt sich durch Variation der zur Herstellung
der Legierungen verwendeten Bäder in größerem Maße ändern. Er liegt je nach Badzusammensetzung
zwischen 2 und 1211/o Phosphor. Für die Verschweißung von chromhaltigen Stählen
mit Gold hat sich ein Phosphorgehalt von 6 "/o als besonders günstig gezeigt, während
für die Herstellung von 1-Iehrschichtenmetallen aus NE-Metallen mit Gold- und Silberlegierungen
Phosphorgehalte bis zu 11 % geeignet sind. Bei Mehrschichtenmetallen mit Platinmetallen
oder deren Legierungen soll der Phosphorgehalt der Zwischenschicht 3 % nicht überschreiten.
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Verwendet man eine Nickel-Phosphor- bzw. Kobalt-Phosphor-Schicht als
Folie, so wird dieselbe vor der Verschweißung üblicherweise zwischen die völlig
oxydfreien und fettfreien Flächen der miteinander zu verschweißenden Metalle eingelegt,
wobei unter Anwendung voll Hitze und Druck die Verschweißung erfolgt.
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Die Verschweißung der beiden Metallschichten mit der erfindungsgemäßen
Zwischenschicht kann nach üblichem Verfahren erfolgen, wobei jedoch durch besonders
sorgfältigen Abschluß der Schweißstelle vor Sauerstoff ein vorzeitiger Zerfall der
Nickel-Phosphor-Schicht vermieden werden muß. Man erhitzt daher vorteilhafterweise
in einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff, oder im Vakuum und verschweißt die
beiden Metallschichten anschließend unter dem hohen Druck einer hydraulischen Presse.
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Sowohl bei der Verwendung von Folien als auch von galvanisch oder
stromlos hergestellten Zwischenschichten hat es sich bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn die Erhitzung der zu verschweißenden Metalle
mit der zwischen den Schweißflächen liegenden Zwischenschicht in Abweichung von
den bisher bekannten Verfahren bereits unter Druck erfolgt.
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In Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei miteinander
zu verschweißende Platten aus Unedelmetall und Edelmetall mit einer Zwischenschicht
aus beispielsweise einer Nickel-Phosphor-Legierung mit 6 % Phosphor zwischen Ober-
und Untertisch einer hydraulischen Presse zusammengepreßt, wobei die Metallplatten
gegenüber dem Pressentisch durch Isolierplatten elektrisch isoliert sind. Anschließend
werden die Metallplatten durch Anlegen einer elektrischen Spannung erhitzt und der
Pressendruck mit zunehmender Erhitzung gesteigert, bis eine einwandfreie Verschweißung
der beiden Schichten erfolgt ist. Nach Erkalten des so erhaltenen Mehrschichtenmetalls
kann die Weiterbearbeitung nach bekannten Methoden durch Walzen, Ziehen, Schmieden
oder Pressen erfolgen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich zur Herstellung insbesondere
von Blechen, Profilen, Drähten, Röhren und beliebigen anderen Formteilen und ist
auf Werkstoffe mit beliebig vielen Schichten anwendbar. So kann beispielsweise ein
Mehrschichtenmetall hergestellt werden, das aus einer dicken Schicht von Kupfer,
einer Zwischenschicht von Nickel-Phosphor, einer Silberschicht, einer weiteren Zwischenschicht
von Nickel-Phosphor und einer Deckschicht aus einer Goldlegierung besteht.