DE1237787B

DE1237787B - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE1237787B
Application number: DEP32315A
Authority: DE
Inventors: Arnold Harold Holtzmann
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1962-07-31
Filing date: 1963-07-31
Publication date: 1967-03-30
Also published as: GB1040057A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C 22 c

Deutsche Kl.: 40 b-39/00

Nummer: 1 237 787

Aktenzeichen: P 32315 VI a/40 b

Anmeldetag: 31. Juli 1963

Auslegetag: 30. März 1967

^: Der Bedarf an korrosionsbeständigen Werkstoffen insbesondere in der chemischen Technologie nimmt von Jahr zu Jahr zu. Die korrosionsbeständigen Stähle sind infolge der teuren Legierungselemente und der kostspieligen Bearbeitungsverfahren für verschiedene Anwendungsgebiete zu unwirtschaftlich.

Die Verwendung von billigeren Stählen und anderen Werkstoffen als Grundwerkstoff mit einer Plattierungsschicht oder einer Auskleidung aus hochwertigem, korrosionsbeständigem Werkstoff war daher an sich naheliegend. Bei der Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe ergaben sich jedoch Schwierigkeiten. Die Walzverschweißung führte nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Das Aufschweißen oder Aufschmelzen von korrosionsbeständigen Schutzschichten war ebenfalls unbefriedigend, weil sich die Plattierungsschicht entweder abhob oder sich das plattierte Halbzeug nicht ohne Einbuße der Festigkeitseigenschaften in die für die Endverwendung erforderliche Form bringen ließ.

Ferner gehört ein Auftragsschmelzverfahren zum Stand der Technik, wobei in sehr komplizierter Weise der Grundwerkstoff oberflächlich abgeschmolzen und gleichzeitig aus der Schmelze korrosionsbeständiger Werkstoff aufgetragen wird. Abgesehen davon, daß sich ein derartiges Verfahren nicht im großen Umfang durchführen läßt, ist die Abstimmung der einzelnen Verfahrensstufen so kompliziert und mit so vielen Fehlern behaftet, daß sich damit kein für die großindustrielle Verwendung in der chemischen Technik brauchbarer und in seiner Qualität gleichbleibender mehrschichtiger Konstruktionswerkstoff erreichen läßt.

In der Literaturstelle »Sheet Metal Industries« wurde erstmals vorgeschlagen, blech- oder plattenförmige Verbundwerkstoffe auf Eisenbasis durch Walzen von mittels Sprengkraft plattiertem Halbzeug herzustellen. Die Verfahren der Sprengplattierung beruhen darauf, daß man die Plattierungsschicht mit dem Grundwerkstoff dadurch verschweißt, daß ein auf der Plattierungsschicht angeordnetes Sprengmittel zur Detonation gebracht wird. Dabei wurde festgestellt, daß das Warmwalzen von durch Sprengplattierung erhaltenem Halbzeug oft zu unbefriedigenden Ergebnissen führte, die insbesondere bei der Herstellung von plattierten und gewalzten Verbundblechen aus Kohlenstoffstahl und korrosionsbeständigem Stahl auftraten.

Es zeigte sich überraschenderweise, daß nur bei ganz bestimmten Kohlenstoffgehalten, in der zu plattierenden Oberfläche des Grundwerkstoffs und gleichzeitig nur bei bestimmter Warmwalztemperatur ein einwandfrei verbundenes, dauernd korrosionsbeständiges Verbundblech erhalten werden kann. Werden diese beiden kritischen Verfahrensbedingungen Verfahren zur Herstellung von
Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis

Anmelder:

E. I. du Pont de Nemours and Company,

Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Arnold Harold Holtzmann,

North Cherry Hill Township, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 31. Juli 1962 (213 582) - -

nicht eingehalten, so entspricht das Verbundmaterial bei der industriellen Anwendung nicht den Anforderungen.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis mit einer dünnen, korrosionsbeständigen Stahlauflage durch Sprengplattieren und Warmwalzen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als Grundwerkstoff ein Kohlenstoffstahl mit unter 0,12°/₀ Kohlenstoff, der jedoch an. der zu plattierenden Oberfläche nur <0,06°/₀ Kohlenstoff enthält, verwendet wird und nach der Sprengplattierung das Verbundhalbzeug bei über 840⁰C bis zu einer maximal zulässigen Kohlenstoffdiffusion in die Auflage von zwei Drittel, vorzugsweise von maximal einem Drittel ihrer Stärke gewalzt wird. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, von der Walzhitze innerhalb von 2 Stunden auf unter 485°C zu kühlen.

Bei den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen beträgt die Stärke der Auflage aus korrosionsbeständigem, austenitischem Stahl weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Viertel des Grundwerkstoffs.

709 547/337

Als korrosionsbeständiger austenitischer Stahl für die Auflage verwendet man zweckmäßigerweise.'dinen durch Wärme nicht härtbaren Stahl mit etwa 16 bis 26°/₀ Chrom, etwa 6 bis 22°/₀ Nickel, Rest Eisen mit denⁱ üblichen Eisenbegleitern, gegebenenfalls bis zu 2% Mangan für alle Stahltypen und 2 bis 4% Molybdän für Spezialtypen, schließlich geringe Mengen an Titan und Niob. Die Eisenbegleiter sollen maximal 0,03% ausmachen. Dies gilt insbesondere für den Kohlenstoff; aber auch der Schwefel-, Phosphor-, Siliciumgehalt soll gering sein. Beispiele für derartige Stahltypen sind die amerikanischen Stahlspezifikationen 304-L, 316-L, 347-L mit folgender Zusammensetzung in %:

Die Bedeutung des Kohlenstoffgehalts des Grundwerkstoffs ergibt sich aus folgender Tabelle. Als Auflage diente ein korrosionsbeständiger Stahl mit 0,025% C.

	304-L	316-L	347-L
Cr	18 bis 20	16 bis 18	17 bis 19
Ni	8 bis 12	10 bis 14	9 bis 13
Mn	< 2	< 2	< 2
C	< 0,03 < 1	< 0,03 < 1	< 0,03 < 1
Si			< 10 · % C
Nb/Ta

Der Grundwerkstoff in Form eines Kohlenstoffstahls soll ^0,04% Phosphor, ^0,05% Schwefel, ^0,1% Silicium, 0,25 bis 0,9 % Mangan und ^ 0,12 % Kohlenstoff enthalten. Bevorzugt werden unberuhigte Stähle. Der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht darf ^ 0,06 % enthalten.

Das Warmwalzen geschieht auf jedem üblichen Walzwerk für Walztemperaturen über 840°C. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Walzgut möglichst innerhalb von etwa 2 Stunden auf unter 485° C zu kühlen: ein langes Verweilen auf Temperaturen zwischen 485 und 840° C muß vermieden werden, um eine übermäßige Kohlenstoff diffusion und damit Carbidbildung auszuschließen, weil bekanntlich die Carbide in korrosionsbeständigen austenitischen Stählen die Korrosionsbeständigkeit herabsetzen.

Das Walzgut kann in an sich bekannter Weise sowohl mechanisch: z; B.: durch Schleifen, Abstrahlen mit Sand oder Schrot als auch durch Beizen in 10%iger Salpetersäure mit einem Zusatz von etwa 4% Flußsäure oder auf elektrolytischem Wege mit verdünnter Schwefelsäure oder Salpetersäure oder durch Salzschmelze oder Natriumhydrid entzundert werden.

In vielen Fällen wird das Entzundern mit Natriumhydrid bevorzugt/Dabei werden die vom Warmwalzen kommenden Blechbunde, -rollen oder -platinen in eine Schmelze aus Ätznatron und 1,5 bis 2% Natriumhydrid bei einer Temperatur von 370⁰C gebeizt und die Beizrückstände mit Wasser abgewaschen.

Nach dem Warmwalzen und gegebenenfalls Entzundern können bei der Herstellung von Feinblechen noch Kaltwalzstiche, z. B. auf einem Reversierwalzwerk oder einem Tandemwalzwerk, vorgenommen werden. Werden Bleche mit einer Stärke von minimal 1,78 mm angestrebt, so dient das anschließende Kaltwalzen mit einer Abnahme von etwa 2 % und darunter nur zur Verbesserung der Oberflächengüte. Bei einer Abnahme von mehr als etwa 2 % muß das Blech innerhalb von 5 Minuten bei 790 bis 95O⁰C angelassen werden. Die Anlaßtemperatur richtet sich nach dem Grundwerkstoff, z. B. für unberuhigten Stahl unter 900⁰C, für beruhigten.Stahl bis 95O⁰C. Anschließend wird das Blech in weniger als 2 Stunden auf 485⁰C abgekühlt. :.,

Unterlage	Diffusionszone
0,04%	1,22 mm
0,06%	3,00 mm
0,10%	4,21 mm
0,12%	4,62 mm
0,15%	4,87 mm
0,20%	5,39 mm

Die Diffusionszone ist die Tiefe, innerhalb der der Kohlenstoffgehalt des korrosionsbeständigen Stahls über 0,03 % infolge der Diffusion aus dem Kohlenstoffstahl ansteigt. Diese carbidhaltige Diffusionszone soll

zo nicht mehr als zwei Drittel, vorzugsweise nicht mehr als ein Drittel, der Stärke des Auflagewerkstoffs betragen. Damit wird gewährleistet, daß die Carbide nicht an die Außenfläche wandern und dort die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Infolge dieser Kohlenstoffdiffusion aus dem kohlenstoffreicheren Grundwerkstoff in die kohlen stoff ärmere korrosionsbeständige Auflage ist es unzweckmäßig, das Walzprodukt länger als erforderlich zwischen 485 und 840⁰C zu halten. Es zeigte sich, daß nach 4 Stunden bei 700⁰C sich bereits eine Carbidzone von etwa 0,127 mm ausgebildet hat. Dies ist ganz besonders zu beachten, wenn die Auflage nach dem Warmwalzen eine Stärke bereits in dieser Größenordnung besitzt.

Die Erfindung wird an Hand folgender Beispiele näher erläutert:

Beispiel I

Als Grundwerkstoff diente ein Kohlenstoffstahl mit 0,035% C mit einer Blechstärke von 12,7 mm.

Das Blech wird mittels Sprengkraft mit einer Auflage aus korrosionsbeständigem Stahl vom Typ 304-L mit weniger als 0,03 % C und einer Blechstärke von 1,27 mm nach dem in der belgischen. Patentschrift 599 198 beschriebenen Verfahren plattiert. Dieses Verbundhalbzeug wurde dann in einem Ofen 1 Stunde auf 1200⁰C vorgewärmt, bei > 840 ⁰C auf 4,04 mm warmgewalzt und in 1 Stunde auf <485°C abgekühlt. Die Blechseite aus Kohlenstoffstahl wurde in 10%iger Schwefelsäure bei 65⁰C 30 Minuten lang gebeizt. Nach dem Abwaschen der Beizrückstände wurde diese Seite durch eine säurebeständige Schicht geschützt und die andere aus korrosionsbeständigem Stahl bestehende Blechseite in 15%iger Salpetersäure bei 65° C 10 Minuten gebeizt. Anschließend wurde das Blech zu einer Stärke von 1,07 mm kaltgewalzt, dann 5 Minuten lang bei 900° C angelassen und, wie oben beschrieben, erneut entzundert.

Das erhaltene Blech hatte folgende Eigenschaften:

1. Die Seite des korrosionsbeständigen Stahls zeigte keine Oberflächenfehler nach lOOstündigem Besprühen mit einer Salzlösung.

2. Das Blech ließ sich ohne zu reißen um einen Dorn biegen, der die 1-, 2- und 4fache Blechstärke besaß.

3. Im Olsen-Test zur Bestimmung der Ziehfähigkeit durch Eindrücken eines Stempels von 1,91 cm ergab sich bis zum Anriß eine Tiefung von 10,2 mm. _: . y

B e i s ρ i e 1 II

Grundwerkstoff: Kohlenstoffstahl 12,7 mm, 0,1 °/₀ C. Auflage korrosionsbeständiger Stahl 1,27 mm, Type 304-L. Das plattierte Halbzeug wurde 1 Stunde auf 1200⁰C erwärmt, dann bei >840°C auf 2,54mm warmgewalzt, in 1 Stunde auf <485°C abgekühlt und entsprechend Beispiel I entzundert. Diese Stahlbleche konnten über einen Dorn mit einem Radius von 2,54 mm ohne Reißen oder Abheben der Schichten gebogen werden.

Derartige Bleche eignen sich beispielsweise für die Herstellung von profilierten, gepreßten Automobilstoßstangen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis mit einer dünnen korrosionsbeständigen Stahlauflage durch Sprengplattieren und Warmwalzen, dadurchgekennzeichnet, daß als Grundwerkstoff ein Kohlenstoffstahl mit unter 0,12 °/o C, der jedoch an der zu plattierenden Oberfläche <0,06°/₀ Kohlenstoff enthält, verwendet wird und nach der Sprengplattierung das Verbundhalbzeug bei über 84O⁰C bis zu einer maximal zulässigen Kohlenstoffdiffusion von zwei Drittel ihrer Stärke in die Auflage gewalzt wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundhalbzeug bis zu einer maximal zulässigen Kohlenstoffdiffusion von einem Drittel ihrer Stärke in die Auflage gewalzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Walzhitze innerhalb von 2 Stunden auf unter 485⁰C abgekühlt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschriften Nr. 599 918, 619 197;
The Iron Age, 6. März 1941, S. 35 bis 45.