-
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 Aluminiumpl attierung
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.Oxydationspeschvjindigkeit zurückzuführen
ist.
-
Hit rostfreiem Stahl plattiertes Aluminium ist für sehr viele Air@rendungszwecke
höchst erwünscht, bei denen leichte,
korrosionsbeständige Metalle
mit zäher Oberfläche benötigt werden. Beispielsweise sind derartige Materialien
für die Herstellung von Küchengeräten oder für die Verwendung in Flugzeugen und
bei Geschossen (idgl. sehr vorteilhaft.
-
Wie bereits erwähnt, machten die großen Unterschiede in den Schmelzpunkten,
das rasche Wiederauftreten von Oxydatiog an der Oberfläche und die bedeutenden Unterschiede
in den mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium und rostfreiem
Stahl die Herstellung einer derartigen Metallzusammensetzung bisher praktisch unmöglich.
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 aur-eübt werden.
-
Es hat sich gezeigt, daß Lötmittel, Flußmittel oder Hartlot'e' keine
zufriedenstellende LIetallplattierung erzeugen und daß sich, außer bei .Anwendung
des besonderen erfindungsgemäßen Verfahrens, eine schlechte Bindefestigkeit und
absolute Unverformbarkeit ergeben, wenn an der Verbindungsstelle irgendwelche P;Ietallzusc*i.tze
verwendet werden. WeitE-rhin wurde festgestellt, daß derartigei=Iaterialien 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
Verbindungsstelle erzeugen. Somit war das zu starke Eindringen im Fall von mit rostfreiem
Stahl plattiertem Aluminium die Ursache vieler bisheriger Schwierigkeiten. Durch
das erfindun;sgem.ße Verfahren @@:ird ein kontrolliertes Eindringen an der Verbindungsstelle
erreicht. Dieser Vorteil wird bei vier ;'l.,ittierung von Aluminium und Aluminiumlegierungen
mit rostfreien Stahl erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf das Aluminium bzw.
die Aluminiumlegierung eine Außenlage aus praktisch reinem Aluminium aufgebracht
wird, durch mechanische Behandlung praktisch alle Oxyde von den zu vereinigenden
Oberflächen der Aluminium-Außenlage und des rostfreien Stahls entfernt werden, die
Metalloberfläche auf eine oberhalb der Rückkristallisationstemperatur des Aluminiums,
jedoch unterhalb seines Sch.nelzpunkts und unterhalb der Rüekkristallis%tionstemperatur
des rostfrE#ien Stahls liegende Temperatur erwärmt #,ird, die gereinigten Oberflächen
znter einem zur Hervorbringung einer -leichzeitien Stärkenreduzierung beider Metalle
v.@-n F - 1515 ausreichenden Druc'_: in Berührung mit-Pintander =@ei@#@@cht-.;erden,
die bei:Aen '.'Pt311e zwecks Verei-@ä:i,-u:L; i1,r@=rT'1'icl:en in einer @ify.l:=i;@yisverbinriung
t;egeneinander
gedrängt werden und der Verbundkörper schließlich
bei einer Temperatur von etwa 371 e 482°C geglüht wird. Beispiel Zwei Stücke von
mit Aluminium plattierter Aluminiumlegierung, d.h. Aluminium Nr,. 1145, auf
den Oberflächen einer Aluminiumlegierung Nr. 3003 von 'etwa 3,2 x 610 x 1520 mm
Größe in geglühtem Zustand und ein oder zwei Stücke aus austenitischem rostfreien
Stahl von etwa 0,25 x 584 x 1470 mm Größe wurden-zwecks Entfernung aller Oxyde und
Freilegung der reinen Kristall- bzw. Netzstruktur an jeweils nur einer Seite jedes
Bestandteils auf mechanischem Weg gereinigt. Ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungsstück
wurde mit aufwärts gerichteter gereinigter Oberfläche angeordnet, worauf eine rostfreie
Stahlschicht mit abr"ri,rts gerichteter gereinigter Oberfläche auf die gereinigte
Aluminiumfldche aufgelegt wurde. Das zweite Stück des mechanisch gereinigten rostfreien
Stahls wurde mit aufwärts weisender gereinigter Oberfläche auf die erste rostfreie
Stahlschicht aufgelegt. Anschließend wurde die zweite riechanisch gereinigte Aluminiu:nlage
mit abwärts gerichteter gereinigter Fläche auf die#gereinigte'Fläche des rostfreien
Stahls aufgelegt. Nunmehr wurden die Enden des Stapels durch Widerstands- oder Autogenschweißung
zusammengeschweißt, um die Teile zusammenzuhalten.
Dann wurde der
Stapel im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre mindestens auf die Rückkristallisationstemperatur
von .Aluminium "(343 k#93 oC) erhitzt und anschließend um 25y& der Stärke dünnelgewalzt,
wodurch ein Verbundkörper von etwa 2,56 mm Stärke gebildet wurde. 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 er Verbindung lediglich um 5'e,35% und vorzugsweise
10 4 135% der Stärke dünnergewalzt, wobei diese Stärkenreduzierung grundsätzlich
durch Walzen, Schmieden, Pressen oder durch andere Metall-Verformungsverfahren erfolgen
kann. Bine größere Stärkenreduzierung während der Anlegung von Druck hat eine beträchtliche
Bearbeitungshärtung der rostfreier Stahlkomponente zur Folge. Da die gesamte Wärmebehandlung
bei der Herstellung eines Verbundkörpers aus rostfreiem Stahl und Aluminium unterhalb
der Rückkristall@sationstemperatur des rostfreien Stahls erfolgt, wird dieser dann
einer seiner Eigenschaftsveränderungen, nämlich der Bear--` beitungshärtung, ausgesetzt.
Zwecks Herstellung eines,weiter verarbeitbaren, beispielsweise durch: Tiefziehen,
bearbeitbaren Verbundkörpers müssen die Härteeigenschaften auf einem Mindestmaß
gehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Stärkenreduzierung von
35% nicht überschritten
werden sollte, sofern der Verbundkörper
nicht für tragende Strukturen verwendet werden soll.
-
Der gebildete Verbundkörper wurde dann 2 x;15 min lang bei etwa 371
(*y482oC geglüht. Der geglühte Verbundkörper ließ sich leichter verforrnen@ und
die Verbindungsfestigkeit war wesentlich höher als im ursprüng lach ungeglühten
Verbundkörper.
-
In Fig. 1 ist ein auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellter
Verbundkörper dargestellt. Es ist jedoch zu beachten, daß es nicht erforderlich
ist, eine dreilagige Anordnung zur Herstellung des gewünschten Produkts zu bilden,
vielmehr kann auch ein aus zwei Zagen bestehender Verbundkörper genügen. Die Kanten
des rostfreien Stahls, welche um etwa den Durchmesser der Punktschweißunüber das
Aluminium hinausstehen, sind durch Heft- oder Punktsehweißung miteinander verbunden.
Falls der rostfreie Stahl und das Aluminium gleiche Außenabmessungen aufweisen,
können die Heftschweißungen an den Seiten und Stirnseiten r
angebracht
werden, um den Stapel zwecks einfacherer Handhabung zu versteif en.
-
Die Wichtigkeit des Aufbaus des Verbundkörpers, der genauen Erhitzungstemperatur
und des '."alzdrucks beim erfindungsgemäßen
Verfahren kann nicht
stark genug betont werden.
-
In Fig. 2 ist das ununterbrochene Walzen von einseitig oder doppelseitig
mit rostfreiem Stahl plattiertem Alumi-* nium dargestellt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel
der Erfindung besteht in der Verwendung von aufgerolltem rostfreien Stahl und Aluminium
zur Herstellung von Rollen des Verbundmetalls. Die Rollen aus rostfreiem Stahl werden
entweder durch mechanisches Abtragen der Oberfläche zwecks Freilegung der reinen,
gereinigten Molekül- oder Netzstruktur, durch mechanische Stärkenreduktion und anschliessende
Säuberung durch Aus@,lühen in einer Inertgasatmosphäre oder durch sonstige in der
Stahlindustrie übliche Verfahren gereinigt. Das Aluminium kann ebenfalls nach einem
der genannten Verfahren gereinigt und dann in Berührung mit dem gereinigten rostfreien
Stahl gebracht und in einem bzw. getrennten Glühöfen auf mindestens die zur Rückkristalli=
t. eation des Aluminiums erforderliche Temperatur erwärmt werden. Anschlie?end werden
die Teile durch Druckanwendung, beispielsweise durch Walzen, Pressen, Schmieden
usw., einer St;irkenreduzieruiir von 10 #ß596 unter@:orfen.
-
Die Rollen aus rostfreiem Stahl und ii-luminium sind entweder vorgereinirt
oder werden beim Flattierungsvorgang gereinigt,
um alle Verschmutzungen
und Oxyde zu entfernen und die vollkommen reine Molekül- oder Netzoberfläche für
das Erhitzen und Verbinden vorzubereiten und freizulegen. Die ewei, 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 Inertgasatmospäre in gegenseitiger Ausrichtung zu halten und
die gereinigten Oberflächen vor der Druckanvrendung oxydationsfrei 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 PP 593°C erhitzt werden, während gleichzeitig
die vollkommen saubere Molekularob erfläche während des Erhitzens und der folgenden
Druckanwendung zum Verbinden der Schichten aufrechterhalten wird. Die Stärke der
erhitzten Komponenten des Verbundkörpers mit ihren mechanisch gereinigten Oberflächen
wird durch Druckanwendung, beispielsweise durch Walzen-oder Schmieden, um 10
f"35% reduziert, vrobei sich die mechanisch sauberen Oberflächen unter Ausbildung
eines einfach oder doppelt plattierten Verbundkörpers verbinden. Die Stärkenreduzierttng
sollte vorzugsweise in einem einzigen Erhitzung svor-
daß bei der Erhitzung kein Vakuum bzw: keine Inertgasetmosphäre
mehr erforderlich sind. Durch das Kaltpressen wird ein eigener, nicht-ox4Tdierender
Zustand geschaffen. . Durch richtige Reinigung der Oberflächen zum Entfernen der
oxydierten Oberflächenschicht und. zum Freilegen einer neuen,-blanken Korn- oder
Netzstruktur sowie durch Irwärmung und Unter-Druck-Setzen der Metalle bei den vorstehend
beschriebenen Temperaturen und anschließendes Glühen bei etwa: 371 k48200 ist es
erfindungsgemäß meglich, eine hochfeste Verbindung zu erreichen, die frei von der
brüchigen, unelastischen Verbindungslinie früherer Versuche zur Verbindung von rostfreiem
Stahl mit .Aluminium ist und einen höheren Verformbarkeitsgrad besitzt. -Erfindungsgemäß
hat es-sich herausgestellt, daß die Verbindungsfestigkeit-durch Glühen des mit rostfreiem
Stahl plattierten Produkt nach der Herstellung .desselben beim Walzschritt erhöht
werden kann. Das auf diese Weise plattierte Produkt wil-d: 2 b15 min lang
ei etwa 371 b482oC geglüht. Hierdurch wird die Verbindungsfestigkeit proportional
erhöht, so daß sich ein Produkt ergibt, das ohne weiteres entsprecheid seinem vorgesehenen
Verwendungszweck verformt und verarbeitet werden kann. Das Glühen. braucht nicht
während einer längeren Zeitspanne zu erfolgen, sondern nur so lange, bis das -Aluminium
erweicht" wird.
Der Aluminiumkern oder. die-Aluminiumplattierung
sollte' -an der einen oder an beiden Seiten, die gegen den rostfreien Stahl angelegt
werden müssen, Plaitierungen aus A
reinem Aluminium aufweisen. Der Ausdruck
"reines Aluminium" bedeutet eine Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumgehalt von
996 oder mehr. Es hat sich gezeigt, daß die Analyse des Aluminiums zu mindestens
99,3% Aluminium ergeben sollte, wobei die' Rückstände Silizium,. Eisen, Kupfer,
Mangan, Zink, Chrom, Titan und ;andere Spurenelemente sind.
-
Es@hat sich herausgestellt-, daß die Verbindungsfestigkeit nicht durch
Glühen während einer kurzen Zeitspanne erhöht" werden kann, wenn Elemente, wie Magnesium
oder Mangan, in Mengen von jeweils mehr als 095% vorhanden sind.
-
Außerdem hat es sich gezeigt, daß reines Aluminium schneller diffundiert
und eine höhere Verbindungsfestigkeit ergibt. Ol.s andere bekannte Legierungen,
@ wenn das Glühen im obengenannten Temperaturbereich vorgenommen wird. Die Löslichkeit
bzw. Solubilität des Aluminiums in rostfreiem Stahl ist sehr geringe doch findet
der Diffusionsvorgang bei Erwärmung es Produkts auf etwa 371 . t 4e482oC
statt, während die Mangan oder Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierungen nicht
so schnell diffundieren.. Anscheinend werden die reinen Aluminiumteilchen-durch
diese Elemente an.
einer Diffusion bzwä einem Fließen gehindert
oder verzögert, .so daß nur reines Aluminium oder eine mit reinem Aluminium beschichtete
Legierung dem vorteilhaften-Glühen unterworfen werden k@:nn.
-
Bei einem bevorzucten'Verfahren wird ein als "Alclad-Aluminum"-bek@tnntes
Material für die Verbindung mit rosa= freiem-Stahl verwendet Dieses Material besteht
aus auf eine Aluminiutnlegierun g aufplatti ertem reinem Aluminium, d.h. Aluminium
Nr.1 11j.5 auf Aluminiumlegierung Nr. 3003
öder 3004o- Beim "unmittelbaren
Aufplattieren des rostfreien Stahls auf Aluminiumlegierung Nr. 3003 oder
5004 hat es sich-wiederum gezeigt:, daß sieh die Festigkeit der Verbindung nicht
erhöhen läßt, sondern daß sie auf ihrem normalen Ufert bleibt. Dagegen hat es sich
bei dem plattierten ,Produkt, bei dem das reine Aluminium -unmittelbar am rost.-freien
Stahl anliegt, gezeigte daß: sich beim Glühen im genannten Temperaturbereich eine
schnelle Diffusion-ergibt'. Außerdem wurde ` f estgest elft' daß die Plattierünaus
reinem Aluminium in einer Stärke von mindestens 3% der- Gesamt stärke an.
einer öder beiden. leiten vorhanden und fr'ei von Fett und mechanisch. gereinigt
sein solltet um eine Verbin-- . Jung zuzulassen. Das gleiche 'Na-terial wur-de auch
in -nur, chemisch gereinigtem und gewalztem Zustand angewandt, ig.,oA
bei
er nicht möglich war, eine Verschmelzung gder Verbindung Machen seiner Uberfli.che
und der rostfreien VOM zu erzielen, und uar =;r-ohl mit als auch ohne Glühen( Die
folgende Tabelle 1 zeigt diecäle:r-f.est:irke.ts@@erte: des erfindun"ogem'-'ß herZestFLltun
z_nterielt.
Ersiahtlicherweise ist in der vorstehenden Beschreibung lediglich
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel .der Erfindung beschrieben.