Verfahren zum. Plattieren
von .Aluminium mit rostfreiem Stahl.
und nach diesem Verfahren hergestellter Verbundkö. r@ per. Die Erfindung
betrifft mit rostfreiem Stahl plattiertes Aluminium und Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Herstellung von plattierten Metallen ist nicht neu. Es wurden bereits verschiedene
verfahren zur Plattierung von sehr vielen Metallen jeweils mit anderen, unterschiedlichen
Metallen entwickelt. Beispielsweise betreffen die USA-Patentschriften 2
718.690 und 2 758 368 allgemein Verfahren zum Plattieren eines Metalls mit
einem anderen Metall. Das Problem der "Aluminiumplanierung mit rostfreiem Stahl
blieb jedoch bisher ungelöst,
was in erster Linie auf die Unterschiedlichkeit
zwischen Aluminium und rostfreiem Stahl sowie insbesondere auf die beträchtlichen
Unterschiede bezüglich der Härtegrade und der Oxydationseigenschaften zurückzuführen
ist. Mit rostfreiem Stahl plattiertes Aluminium ist für sehr viele Anwendungszwecke
höchst erwünscht, bei denen leichte, korro-`siönebeständige
Metalle mit zäher
Oberfläche benötigt
werden.
Beispielsweise sind derartige Materialien
für die Herstellung von Küchengeräten oder für die Verwendung in Plugzeugen und
bei Geschossen o.dgl. sehr vorteilhaft.
Wie bereits erwähnt, machten
die gräßen Unterschiede in den Schmelzpunkten, dwrasche Wiederauftreten von Oxydation
an der Oberfläche und die bedeutenden Unterschiede in. den mechanischen und phyaikalischen
Eigenschaften von Aluminium und rostfreiem Stahl die Herstellung einer derartigen
Metallzusammensetzung bisher praktisch un:z öglich. Es wurde nun aber festgestellt,
daß derartiges, mit rostfreiem Stahl plattiertes Aluminium unter der Voraussetzung
hergestellt werden kann, daß bestimmte Bedingungen beachtet und während des gesamten
Herstellungsvorgangs ausgeübt werden Es hat sich gezeigt, daß lötmittel, Flussmittel
oder Hartlote keine zufriedenstellende Metallplattierung erzeugen und daß sich,
außer bei AnweiidLung des besonderen erfindungsgemässen Verfahrens, eine schlechte
Bindefestigkeit und absolute Unverformbarkeit ergibt, wenn an der Verbindungsstelle
irgendwelche Metallzusätze verwendet werden. Weiterhin wurde festgebtellt, daß derartige
Materialien nicht erforderlich und im allgemeinen sogar unerwünscht sind, da sie
anscheinend in zu großem Ausmaß in das Aluminium oder in den rostfreien Stahl eindringen
und dadurch eine brüchige Verbindungs, stelle erzeugen. Somit war das zu starke
Eindringen im Fall =@ von mit rostfreiem Stahl plattiertem Aluminium di: Ursache
vieler bisheriger Schwierigkeiten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein
kontrolliertes Eindringen an der Verbindungsstelle erreicht. Die praktische Anwendung
des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand des nachstehenden Beispiels
am deutlichsten ersichtlich. Zwei ausgeglühte Aluminiumstücke von etwa 3,2 x
610 x 1525 am Größe und ein oder zwei Stücke aus austenitischem rostfreien
Stahl von etwa 0,25 x 585 x 1445 mm Größe wurden jeweils nur an einer Seite auf
mechanischem Wege gereinigt, um sämtliche Oxyde zu entfernen und die Kristall- bzw.
Netzstruktur freizulegen. Ein derartiges Aluminium- oder Al.uminium@egierungsstücV
wurde dann mit der gereinigten Oberfläche nach oben auf einer Unterlage angeordnet
und mit einer rostfreien Stahlschicht bedeckt, deren gereinigte Oberfläche nach
unten gedreht wurde, so daß die beiden gereinigten Oberflächen aufeinanderlagen.
Sodann wurde das zweite Stück aus mechanisch gereinigtem rostfreien tahl mit seiner
gereinigten Fläche nach oben auf die andere rostfreie Stahlschicht aufgelegt und
die zweite mechanisch gereinigte Aluminiumplatte mit abwärts gerichteter gereinigter
Fläche auf das Stahlstück aufgelegt, so daß wieder die gereinigten Flächen von rostfreiem
Stahl und Aluminium aufeinanderlagen. Nunmehr wurden die-Btirnseiten des Stapels
durch Widerstands- oder Autogenschweißung zusammengeschweißt, um die Teile zusammen-,
zuhalten. Dann wurde der Stapel im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre mindestens
auf die Rückkristallisationstemperatur von Aluminium (343-593o0) erhitzt und anschließend
um 25% der Stärke dünnergewalzt, wodurch ein Verbundkörper vonetwa 2,56 mm Stärke
entstand. Zusätzliche Walzvorgänge oder
Druckanwendungen sind an
sich nicht erforderlich, können jedoch beim Walzen von Stapeln oder Einzelstücken
angewandt werden. Die gereinigten Komponenten des Verbundkörpers wurden zur Erzielung
der Verbindung lediglich um 10-35% der Stärke dünnergewalzt. Die Stärkenreduzierung
kann durch Walzen, Schmieden, Pressen oder durch andere Metall-Verformungsverfahren
erfolgen: Eine größere Stärkenreduzierung während der Anle&ung von Druck hat
eine beträchtliche Bearbeitungshärtung der rostfreien Stahlkomponente zur Folge.
Da die gesamte Hitzebehandlung bei der Herstellung eines Verbundkörpers aus rostfreiem
Stahl und Aluminium unterhalb der Rückkristallisationstemperatur des rostfreien
Stahls erfolgte, wurde dieser dann einer seiner Eigenschaftsveränderungen, nämlich
der Bearbeitungshärtung, ausgesetzt. Zwecks Herstellung eines weiter verarbeitbaren,
beispielsweise einer Gesenkziehbehandlung unterwerfbaren Verbundkörper. müssen die
Härteeigenschaften auf einem Mindestmaß gehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß
eine Stärkenreduzierung von 10-35e nicht überschritten werden sollte, sofern der
Verbundkörper nicht für tragende Strukturen verwendet werden soll. In Fig, 1 ist
ein auf diese Weise hergestellter Verbundkörper dargestellt. Selbstverständlich
braucht ein derartiger Verbundkörper nicht aus vier Zagen zu besteheh, sondern kann
sich auch aus zwei Komponenten zusammensetzen. Die Kanten des Aluminiums, die um
etwa den Durchmesser der Punktschweissung über den rostfeien ütä1 hinausstehen,
sind durch Heft-oder
Punktachweißung miteinander verbunden. Falls
der rostfreie Stahl und das Aluminium gleiche Außenabmessungen aufweisen, können
die Heftschweißungen an den Seiten und Stirnseiten angebracht werden, um den Stapel
zwecks einfacherer Handhabung zu versteifen. Die Wichtigkeit des Aufbaus des Verbundkörpers
1der genauen Erhitzungstemperatur und des Walzdrucks bei diesem Veifahren kann nicht
stark g enug betont werden. In Fig. 2 ist die Mikrostruktur der Verbindungsstelle
mit minimaler Verschmelzung dargestellt. Diese biegsame, starke Bindung lässt sich
ohne Schwierigkeiten zu Kochgeschirren o.dgl. Küchengeräten verformen. In Fig. 3
ist das ununterbrochene Walzen von einfach oder doppelt mit rostfreiem Stahl plattiertem
Aluminium dargestellt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung besteht in
der Verwendung von aufgerolltem rostfreiem Stahl und Aluminium zur Herstellung von
Rollen des Verbundmetalls. Die Rollen aus rostfreiem Stahl werden entweder durch
mechanisches Entfernen der Oberfläche zwecks Freilegung der
reinen, gereinigten
Molekül- oder Netzstruktur durch mechanische Stärkenredktion und anschließende Säuberung
durch -Ausglühen in einer Inertgasatmosphäre, oder durch sonstige in der s*itahlindustrie
übliche Verfahren gereinigt, während das Aluminium ebenfalls nach einem der genannten
Verfahren gereinigt und dann in Berührung mit dem gereinigte.
rostfreien
Stahl gebracht und in einem bzwä getrennten Glühöfen auf mindestens die zur Rückkristallisation
des Aluminium erforderliche Temperatur erhitzt wird. Anschließend werden . die Teile
durch Druckanwendung, beispielsweise durch Walzen, Fressen, Schmiäden, usw., einer
Stärkereduzierung von etwa 10-35% unterworfen. Die Rollen aus rostfreiem Stahl und
Aluminium sind entweder vorgereinigt oder werden beim Planierungsvorgang gereinigt,
um alle Verschmutzungen und Oxyde zu entfernen und die vollkommen reine Molekül-
oder Netzoberfläche für das Erhitzen und Verbinden vorzubereiten und freizulegen.
Die zwei, drei oder vier Streifen bzw. Rollen aus rostfreiem Stahl -bzw. Aluminium
werden nach der gründlichen Reinigung durch Klemmrollen in innige Berührung miteinander
gebracht und, falls erforderlich, durch'Punktschweißen miteinander verbunden, um
sie während der Erhitzung im Vakuum oder der Inertgas-' atmosphäre in gegenseitiger
Ausrichtung 2u halten und die gereinigten Oberflächen vor der Druckanwendung oP@ydationsfrei
zu halten. Die abgerollten Streifen aus rostfreiem Stahl bzw. Aluminium werden mittels
angetriebener Klemmrollen entweder in getrennte Öfen oder in einen gemeinsamen Glühofen
eingeführt, wo sie auf'Temperaturen von etwa 343-59300 erhitzt werden, während gleicnzeitig
die vollkommen saufiere.Molekülaroberfläche während des:Erhitzens und der folgenden
Druckanwendung zum Verbinden der Schichten aufrechterhalten wird.
Die
Stgxke der erhitzten Komp®nQnten des Verbundkörpers mit ihren mechanisch gereinigten
Oberflächen wird durch Druckanwendung, beispielsweise durch Walzen oder Schmieden,
um 10-35g6 reduziert, wobei sich die mechanisch sauberen Oberflächen unter Ausbildung
eines einfach oder doppelt plattierten V-erbundkörpers verbinden. Die Stärkenreduzierung
sollte vorzugsweise in einem einzigen Erhitzungsvorgang mit möglichst wenig Einzeldurchläufen
erfolgen. Im Fall eines vierlagigen Verbundkörpers bzw. Rolle werden die Kanten
zurechtgeschnitten und abgetrennt. Dabei ist wegen der dünnen Oxydationsschicht
der nicht mechanisch gereinigten Flächen kein Trennmittel erforderlich, um eine
Verbindung der rostfreien Stahlplattierungen zu verhüten. Bei diesen niedrigen Temperaturen
tritt kein Eindringen des rostfreien Stahls in die andere Stahlplattie auf Dasselbe
Verfahren wurde unter Verwendung von Aluminiumlegierungen und ferritischem und martensitischem
rostfreiem Stahl angewandt. Hierbei wurden Aluminium und Aluminiumlegierungen sowohl
im geglühten als auch im kaltbearbeiteten Zustand mit gleichem Erfolg verwendet.
Vorzugsweise werden sowohl die Aluminium- als auch die Stahloberfläche durch Draht-'
bürstenbehandlung oder durch Behandlung mit einem Schleifriemen gereinigt, doch
kann auch jedes andere Säuberungsverfahren angewandt werden, bei dem alle Oxydationsrückstände
von den zu verbindenden Flüchen und insbesondere von denen des Aluminiums entfernt
werden. Diese Reinigung muß jedoch so
durchgeführt werden, daß keinerlei
Körnchen, Schleifstaub oder Späne auf der Fläche verbleiben, so daß eine vollkommen
-saubere, oxydationsfreie Oberfläche gewährleistet wird. Dies ist erforderlich,
um die blanke, saubere Molekular- oder Netzstruktur des Metalls freizulegen. -Aus
dem vorstehenden Beispiel ist ersichtlich, daß die gereinigten Oberflächen sofort
miteinander verbunden und vor und während der Erhitzungs- und Druckanwendungsschritte
einem stärken Vakuum oder einer nichtoxydierenden bzw. Inertgas-Atmospähre, beispielsweise
einer Argon-, Helium.-, Wasserstoff-, Stockstoff-, lithium- od.dgl. Atmosphäre ausgesetzt
werden. Die sich im gewünschten Vakuum bzw. in der nichtoxydierenden Atmosphäre
in Berührung miteinander befindlichen lägen aus Lluminium und rostfreiem Stahl werden.
mindestens auf die Rückkristallisationstemperatur, jedoch auf eine unterhalb .des
Schmelzpunkts des klumini# ums und unterhalb der Rückkristallisätionstemperatur
des rastfreien Stahl gelegene Temperatur erhitzt und dann einer walz-, Schmiede-
oder Pressebehandlung oder einem anderen Metall-Verformungsverfahren, wie durch
Explosion oder Atmosphärendruck, unterworfen. Es hat sich gezeigt, maß aie gereinigten
OberfU@,chen des Aluminiums und des rostfreien Stahls vorteilhafterweise vor der
Erhitzung in innige Berührung miteinander gebracht werden sollen. Dies kann durch
Kaltwalzen bzw. Kaltpressen der Stoffe vor dem Erhitzen erreicht werden. Bei r'rzieung
einer ausreichend innigen Berüjirung ist z@lischen Lien Streis"en ein einef#--,
Vakuum
entsprechender Zustand vorhanden, so daß bei der Erhitzung
kein Vakuum bzw.. keine InertgasatmospbEre mehr erforderlich ist. Durch das Kaltpressen
wird ein eigener, nichtoxydierender Zustand geschaffen. Durch richtige Reinigung
der Oberflächen zum Entfernen der oxydierten Oberflächenschicht und zum Freilegen
einer neuen, blanken.K_orn- oder Netzstruktur, sowie durch Erhitzung und Wnter-Druck-Setzung
der Metalle bei den vorstehend beschriebenen Temperaturen, ist es erfindungsgemäss
möglich, eine hochfeste Verbindung zu erreichen, die frei von der brüchigen, unelastischen
Verbindungslinie früherer Versuche zur Verbindung von rostfreiem Stall mit Aluminium
ist. In Tabelle I ist die Scherfestigkeit derartiger Verbundkörper aufgeführt.
| Tabelle I |
| Art |
| Rostfreier Stahl. Aluminium Plattierung in % durchschnitt-- |
| liehe Schergest- |
| keit (kg/cm, ) |
| . |
| 302 3003 1 87592 |
| 5 |
| 304 1100 20% 641t5 |
| 304 3003 109 7989- |
| 305 3003 2093895 |
| 430 1100 10% 558, |
Verbindungs-Scherfestiekeit.
der $eetdtei@, ds xait rostfreiem Stä4 l plattierten Aluminiums
nicht
nach dem Standardverfahren der A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers)
für rostfreie. Stahlplatt:L.erungen angegeben werden,
da es sich als unmöglich
erwiesen hat,-die dünne Schicht aus rostfreiem Stahl mittels Maschinenbearbeitung
abzutrennen und dann zur Durchführung des eigentlichen Scherfestigkeitsversuchs
an den Scherblock zu bringen.. Zur Gewinnung dieser Daten war es erforderlich, das
Aluminium nur an einem Ende und an einer Seite des typischen Scherfestigkeits-Probestücks
vom rostfreien Stahl zu entfernen, das eine Länge von etwa 100-250 mm besass und
durch Maschinenbearbeitung auf eine Querschnittsbreite von 12,7 mm eingekerbt wurde
Das Aluminium wurde soweit entfernt, daß gemäß der beigefügten Zeichnung eine Verbindungsfläche
von 25,4 mm vorhanden war, woraus sich eine Querschnittsfläche von 12,7 x 25,4 mm
ergab, welche der Scherfestigkeitsprüfung unterzogen werden konnte. Anschliessend
wurde d,s Zugfestigkeitsprobestück .in eine Standard-Zugfestigkeitsprüfmaschine
eingespannt und der zum Trennen der unterschiedlichen Metalle erforderliche'Zugwert
3n kg/em2 festgestellt. . , , .. . In Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften
von nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten einfach oder doppelt mit
rostfreien Stahl plattiertem Aluminium aufgeführt. . . . .
Die erzielten hohen Festigkeiten sind leicht aus dieser T.-belle ` zu ersehen.