DE1577075C3

DE1577075C3 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus nichtrostendem Stahl und Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE1577075C3
Application number: DE1577075A
Authority: DE
Inventors: John Bernard Eightyfour Pa. Ulam (V.St.A.)
Original assignee: Pfizer Inc
Current assignee: Pfizer Inc
Priority date: 1961-08-08
Filing date: 1966-05-17
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE1577075A1; DE1427366A1; DE1577075B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus nichtrostendem Stahl und Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, bei dem auf den zu verbindenden Oberflächen zunächst alle anhaftenden Verunreinigungen und Oxide mechanisch restlos entfernt und die Verbundmetalle in eng aneinanderliegendem Zustand der zu verbindenden Oberflächen unter nichtoxydierender Atmosphäre auf eine oberhalb der Rckristallisationstemperatur des Aluminiums liegende Temperatur erwärmt und in diesem Zustand unter einer Dickenreduzicrung sowohl des nichtrostenden Stahls als auch des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung um höchstens 35% und mindestens 10% mittels Druck miteinander vereinigt werden.

Die bei der Plattierung von rostfreiem Stahl mit Aluminium bestehenden grundsätzlichen Schwierigkeiten bei der Schaffung einer hochfesten Verbindung zwischen den beiden Plattierungspartnern, welche auch den bei einer Weiterbearbeitung des Verbundkörpers wie z. B. bei einem Tiefziehvorgang auftretenden Beanspruchungen standhalten soll, liegen insbesondere an den Eigenschaften des rostfreien Stahls. Anders als bei normalem Kohlenstoffstahl, bei welchem die Voraussetzungen für eine gute Verbindung dadurch gegeben sind, daß Aluminium und normaler Kohlenstoffstrahl bei bestimmten Temperaturen in gewissem Umfang ineinander löslich sind, liegen die Verhältnisse bei nichtrostendem.

ίο also hochlegiertem Stahl, weil sich hierbei völlig andere Löslichkeitscharakteristika zeigen. Dies ergibt sich aus der bei rostfreiem Stahl gerade erwünschten, außerordentlich hohen Passivität seiner Oberfläche, welche durch den üblichen hohen Chromgehalt von 18% oder mehr des nichtrostenden Stahls eine Oberflächenschicht besitzt, die gegenüber freien Atomen in hohem Maße undurchdringlich ist. Dies gilt sowohl gegenüber eindringenden Sauerstoffatomen als auch nach innen und außen drängenden Metallatomen. Eine gewünschte Verbindung mit de: Aluminiumfläche kommt daher gar nicht oder nich; in ausreichendem Maße zustande, wenn nicht ganz besondere Vorbedingungen geschaffen sind.

Das eingangs genannte Verfahren ist aus dei FR-PS 1315 469 bekannt. Zwar lassen sich nacl diesem bekannten Verfahren Verbundkörper her stellen, die eine gewisse Festigkeit in ihrer Verbin dung besitzen, jedoch hat es sich gezeigt, daß gerade wegen der großen Passivität der Oberfläche de nichtrostenden Stahls unter Anwendung der bekann ten Maßnahmen lediglich eine Art Haftverbindum auftreten kann, welche jedoch einer stärkeren Ver formung nicht standzuhalten vermag. Diese Hah verbindung entsteht zwar durch eine in einem ge wissen Umfang erfolgende Diffusion in der Verbin dungsebene der Plattierungspartner, welche abe nicht in einem in der Praxis vorhersehbaren Umfan stattfindet, womit die Haltbarkeit dieser Verbin dungsart nur in begrenztem Rahmen bestimmt wer den kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ei Verfahren für die Herstellung eines Verbundkörper aus nichtrostendem Stahl und Aluminium zu scha! fen, bei welchem eine möglichst intensive Diffusions verbindung zwischen den Plattierungspartnern aul tritt, welche einerseits eine hohe Festigkeit besitze und andererseits eine gute Verformbarkeit des ge samten Verbundkörpers gewährleisten soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gL löst, daß auf das Aluminium bzw. die Aluminium legierung vor dem Aufbringen der Schicht aus nich rostendem Stahl eine Plattierungslage aus praktisc reinem Aluminium mit mechanisch gereinigter Obe: fläche aufgebracht wird und daß der Verbundkörpi.

nach der Vereinigung seiner Schichtteile bei· eint Temperatur von 371 bis 482° C geglüht wird.

Es ist zwar beim Plattieren von normalem KoI lenstoffstahl und Aluminium aus der GB-PS 923 44 allgemein bekannt, zwischen den Plattierungspar nern eine aus einer Aluminiumfolie bestehende Zw schenlage vorzusehen, wobei jedoch diese Ah miniumfolie erst während des Zusammenwalzen welches nicht unter einer Schutzgasatmosphäre e folgt, mit den zu verbindenden Oberflächen in B rührung kommt. Für die Verbindung von normale Kohlenstoffstahl mit Aluminium mögen diese b kannten Maßnahmen den gewünschten Erfolg herbe führen, jedoch kann allein durch ein lediglich

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Zwischenlegen einer Aluminiumfolie bei der Plattie- zweite gereinigte Aluminiumtafel mit ihrer nach ab-

rung von rostfreiem Stahl mit Aluminium nicht er- wärts gerichteten gereinigten Fläche auf die gerei-

reicht werden, daß es zu der erfindungsgemäß ge- nigte Fläche der rostfreien Stahltafel aufgelegt. Nun-

schaffenen Diffusionsverbindung kommt, da der mehr wurden die Enden des so gebildeten Stapels

eigentliche Diffusionsvorgang überhaupt erst dann 5 durch Widerstands- oder Autogenschweißung zu-

zustande kommen kann, wenn alle erfindungs- sammengeschweißt, um die Teile zusammenzuhalten,

gemäßen Verfahrensschritte zusammen angewendet Dann wurde dieser Stapel in einer Inertgasatmo-

werden. Sphäre auf eine oberhalb der Rekristallisationstem-

Ferner wird bei dem aus der US-PS 3 173 202 be- peratur des Aluminiums (343 bis 593° C) liegende kannten Verfahren zur Herstellung eines Verbund- io Temperatur erwärmt und anschließend um 25% der körpers aus nichtrostendem Stahl und Aluminium Stärke dünner gewalzt, wodurch ein Verbundkörper eine Schicht aus Aluminium auf die Stahloberfläche von etwa 2,56 mm Stärke gebildet wurde, der anaufgespritzt. Diese Schicht haftet bis zu einem ge- schließend innerhalb einer Zeitspanne von 2 bis wissen Maß an der Stahloberfläche und wird dann 15 min bei 413° C geglüht wurde. Die gereinigten mit der Aluminiumlage verbunden. Damit wird eine 15 Komponenten des Verbundkörpers wurden zur Erledigliche Haftverbindung zwischen den Plattie- zielung der-Verbindung lediglich um 10 bis 35 ⁰Zo rungspartnern erzielt, welche jedoch für eine Weiter- der Stärke dünner gewalzt.

verarbeitung wie z. B. durch Verformung beim Tief- Die Stärkenreduzierung des Verbundkörpers kann

ziehen ganz offensichtlich keinen ausreichend festen innerhalb des genannten Bereichs grundsätzlich

Zusammenhalt gewährleisten kann. 20 durch Walzen, Schmieden, Pressen oder durch

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im andere Metall-Verformungsverfahren erfolgen. Eine

Gegensatz zu sämtlichen bekannten Verfahren die größere Stärkenreduzierung hätte eine beträchtliche

hohe Bindungsstabilität und die dabei auch noch Bearbeitungshärtung des nichtrostenden Stahls zur

erzielte leichte Verformbarkeit vor allem dadurch Folge. Da die gesamte Wärmebehandlung bei der

erreicht, daß in dem Verbindungsebenenbereich 25 Herstellung des Verbundkörpers aus nichtrostendem

eine beide Werkstoffanteile umfassende Diffusions- Stahl und Aluminium unterhalb der Rekristalli-

verbindung erhalten wi/d. sationstemperatur des nichtrostenden Stahls erfolgt,

Besonders hochfeste Verbindungen lassen sich in wird dieser der Bearbeitungshärtung ausgesetzt,

weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- Zwecks Herstellung eines beispielsweise durch Tief-

fahrens dann erreichen, wenn als Plattierungslage 30 ziehen bearbeitbaren Verbundkörpers müssen die

ein Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von min- Härteeigenschaften auf einem Mindestmaß gehalten

j destens 99 ⁰Zo verwendet wird, wobei diese Lage eine werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Stärkenreduzie-

Schichtdicke von mindestens 3°/o der Gesamtdicke rung von 35°/o nicht überschritten werden sollte,

der entsprechenden Trägerschicht aus Aluminium sofern der Verbundkörper nicht für tragende Struk-

bzw. der Aluminiumlegierung besitzt, wenn die 35 türen verwendet werden soll.

Oberflächen des Reinaluminiums und des nicht- In F i g. 1 ist ein auf die vorstehend beschriebene rostenden Stahls bei einer Temperatur von etwa Weise hergestellter Verbundkörper dargestellt. Es 343 bis 593° C vereinigt werden und die anschlie- ist jedoch zu beachten, daß es nicht erforderlich ist, ßende Glühung des Verbundkörpers in einer Zeit- eine dreitägige Anordnung zur Herstellung des gespanne von 2 bis 15 min erfolgt. Vorteilhafterweise 40 wünschten Produkts zu bilden, vielmehr kann auch sollte als Plattierungslage ein Reinaluminium mit ein aus zwei Lagen bestehender Verbundkörper geweniger als 5 °/o Mangan oder Magnesium verwendet nügen. Die Kanten des nichtrostenden Stahls, welche werden. um etwa den Durchmesser der Punktschweißung

An Hand eines Beispiels und der Zeichnung wer- über das Aluminium hinausstehen, sind durch Heftden nachstehend einige bei der Anwendung des er- 45 oder Punktschweißung miteinander verbunden. Falls

findungsgemäßen Verfahrens erhaltene Ergebnisse der nichtrostende Stahl und das Aluminium gleiche

näher beschrieben: Außenabmessungen aufweisen, können die Heftschweißungen an den Seiten und Stirnseiten ange-

Beispiel bracht werden, um den Stapel zwecks einfacherer

50 Handhabung zu versteifen.

Zwei Tafeln von mit Reinaluminium plat- In Fig. 2 ist ein kontinuierliches Walzen von

!1 tierter Aluminiumlegierung, d. h. Aluminium 1145 einseitig oder doppelseitig mit rostfreiem Stahl plat-

(Reinheitsgrad 99,5 ⁰Zo), auf den Oberflächen tiertem Aluminium dargestellt. Dabei werden die

einer Aluminiumlegierung (SAE-3003) von etwa Wickel aus rostfreiem Stahl durch mechanisches Ab-3,2 X 610 X 1520 mm Größe in geglühtem Zustand 55 tragen der Oberfläche zur Freilegung der reinen

und zwei Tafeln aus austenitischem nichtrostendem Gitterstruktur durch mechanische Stärkenreduktion

Stahl von etwa 0,25X584Xl470 mm Größe, wur- und anschließende Säuberung durch Ausglühen in

den zwecks Entfernung aller Oxide und Freilegung einer Inertgasatmosphäre gereinigt. Das Aluminium

der reinen Gitterstruktur an jeweils nur einer Tafel- wird ebenfalls nach einem der genannten Verfahren fläche auf mechanischem Weg gereinigt. Eine der 60 gereinigt und dann in Berührung mit dem gereinigten

Aluminiumtafeln wurde mit ihrer gereinigten, nach nichtrostenden Stahl gebracht und in einem bzw.

aufwärts gerichteten Oberfläche derart angeordnet, auch getrennten Glühofen auf mindestens die Re-

daß eine Stahltafel mit abwärts gerichteter, gerei- kristallisationstemperatur des Aluminiums erwärmt,

nigter Oberfläche auf diese gereinigte Aluminium- Die Rollen aus nichtrostendem Stahl und Aluminium fläche aufgelegt werden konnte. Die zweite Tafel 65 sind dabei entweder vorgereinigt oder werden beim

aus gereinigtem nichtrostendem Stahl wurde mit Plattierungsvorgang gereinigt. Die zwei, drei oder

aufwärts weisender gereinigter Oberfläche auf die vier Streifen aus nichtrostendem Stahl bzw. AIu-

erste Stahltafel aufgelegt. Anschließend wurde die minium werden nach der gründlichen Reinigung

durch Klemmrollen miteinander vereinigt und, falls erforderlich, durch Punktschweißen miteinander verbunden, um sie während der Erwärmung im Vakuum oder der Schutzgasatmosphäre in gegenseitiger Ausrichtung und um damit die gereinigten Oberflächen vor der Druckanwendung oxydationsfrei zu halten. Die abgerollten Bänder aus nichtrostendem Stahl bzw. Aluminium können mittels angetriebener Klemmrollen entweder in getrennte Öfen oder in einen gemeinsamen Glühofen eingeführt werden, wo sie auf Temperaturen von etwa 343 bis 593° C erhitzt werden, während gleichzeitig eine vollkommen saubere Molekularoberfläche während des Erhitzens und der folgenden Druckanwendung zum Verbinden der Schichten aufrechterhalten wird. Die Stärke der erwärmten Komponenten des Verbundkörpers mit ihren mechanisch gereinigten Oberflächen wird durch Druckanwendung, beispielsweise durch Walzen oder Schmieden, um 10 bis 35°/o reduziert, wobei sich die mechanisch sauberen Oberflächen unter Ausbildung eines einfach oder doppelt plattierten Verbundkörpers miteinander verbinden. Die Dickenreduzierung sollte vorzugsweise in einem einzigen Erwärmungsvorgang mit möglichst wenig Einzeldurchläufen erfolgen. Im Fall eines vierlagigen Verbundkörpers werden die Kanten zurechtgeschnitten und dann aufgetrennt. Dabei ist wegen der dünnen Oxydationsschicht auf den nicht mechanisch gereinigten Flächen kein Trennmittel erforderlich, um eine Verbindung der Flächen aus nichtrostendem Stahl zu verhindern. Bei den angewendeten niedrigen Temperaturen kann noch keine Verbindung zwischen den nichtrostenden Stahltafeln erfolgen.

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 Drahtbürstenbehandlung oder durch Behandlung mit einem Schleifriemen gereinigt, doch kann auch jedes andere Säuberungsverfahren angewendet werden, bei dem alle Oxydationsrückstände von den zu verbindenden Flächen 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 Gitterstruktur des Metalls freizulegen.

Aus dem vorstehenden Beispiel ist ersichtlich, daß die gereinigten Oberflächen sofort miteinander verbunden und vor und während der Erwärmungs- und Druckanwendungsschritte unter einem starken Unterdruck stehen oder einer nichtoxydierenden bzw. Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise einer Argon-, Helium-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Lithium- oder dergleichen Atmosphäre, ausgesetzt sind.

	Verbindung — ί	Plattierung	Scherfestigkeit	Scherfestigkeit	Glühtemperatur
Rostfreier Stahl	Aluminium	Typ 1145^J)	Zustand	(kg/cm²)	(⁰C)
	Grundkörper	Typ 1145		1060,5⁵)
304 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1145	wie gewalzt	1137.6⁴)	413
304 Eine Seite	Typ 3003	Typ—.— 3)	geglüht	1102,7	399
304 Eine Seite	Typ 5005	Typ—.—	geglüht	641,8	—
304 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1145	wie gewalzt	790,66)	399
304 Eine Seite	Typ 3004	Typ —.—	geglüht	1207	427
305 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1230²)	geglüht	558,8^	—
305 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1145	wie gewalzt	861,6	—
302 Eine Seite	Typ 3003	Typ —.—	wie gewalzt	984,0	427
302 Eine Seite	Typ 3004	Typ 1145	geglüht	422	—
302 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1145	wie gewalzt	790,6	—
430 Eine Seite	Typ 3003	Typ 1145	wie gewalzt	1169,2	440
304 Beide Seiten	Typ 3003	Typ—.—	geglüht	921	—
304 Beide Seiten	Typ 3004	Typ 1145	wie gewalzt	577	—
304 Beide Seiten	Typ 3003	Typ — .—	wie gewalzt	1064,1	432
304 Beide Seiten	Typ 5005	Typ 1145	geglüht	724,1	—
304 Beide Seiten	Typ 3004	Typ —.—	wie gewalzt	1127	454
305 Beide Seiten	Typ 3003	Typ 1145	geglüht	783,5	413
305 Beide Seiten	Typ 3003	Typ 1145	geglüht	1207	427
302 Beide Seiten	Typ 3003	Typ— .—	geglüht	865,1	—
302 Beide Seiten	Typ 3004	Typ —.—	wie gewalzt	717,1	—
302.Beide Seiten	Typ 3003	wie gewalzt	682	427
430 Beide Seiten	Typ 3003	geglüht

') Aluminium Nr. 1145, 99,5 °/o Aluminium.

²) Aluminium Nr. 1230, 99,3 °/o Aluminium.

³) Keine Plattierung auf Grundmetall.

') Reinaluminiumplattierung; geglüht bei angegebener Temperatur.

^r·) Reinaluminiumplattierung; wie gewalzt, nicht geglüht.

") Keine I'lallicrung auf Grundmclall; geglüht bei angegebener Temperatur.

") Keine l'laltierung auf Grundmctull; wie gewalzt.

Es hat sich gezeigt, daß die Verbindungsfestigkeit durch das Glühen des plattierten Pakets beim Walzschritt erheblich erhöht werden kann. Das plattierte Produkt wird 2 bis 15 min lang bei etwa 371 bis 482° C geglüht. Hierdurch erhöht sich die Verbindungsfestigkeit proportional, so daß sich ein Produkt ergibt, das ohne weiteres entsprechend 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, damit die Diffusion stattfinden kann.

Die Aluminiumplattierung sollte an der einen oder an beiden Seiten, die gegen den rostfreien Stahl angelegt werden müssen, mit einem Reinaluminium beschichtet sein, welches einen Aluminiumgehalt von 99% oder mehr aufweist. Es hat sich gezeigt, daß die Analyse des Aluminiums zu mindestens 99,3% Aluminium ergeben sollte, wobei die 0,7% ao der restlichen Bestandteile Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Zink, Chrom, Titan und andere Spurenelemente sind.

Es hat sich ferner 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 0,5% vorhanden sind.

Außerdem hat es sich gezeigt, daß reines Aluminium schneller diffundiert und eine höhere Verbindungsfestigkeit ergibt als andere bekannte Legierungen, wenn das Glühen im obengenannten Temperaturbereich vorgenommen wird. Die Löslichkeit des Aluminiums in nichtrostendem Stahl ist sehr gering, doch findet der Diffusionsvorgang bei Erwärmung des Pakets auf etwa 371 bis 482° C statt, während die Mangan oder Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierungen nicht so schnell diffundieren würden.

Außerdem wurde festgestellt, daß die Plattierung aus reinem Aluminium in einer Stärke von mindestens 3% der Gesamtstärke an einer oder beiden Seiten vorhanden und frei von Fett und mechanisch gereinigt sein sollte, um eine Verbindung zuzulassen. Das gleiche Material wurde auch in nur chemisch gereinigtem und gewalztem Zustand angewandt, wobei es nicht möglich war, eine Verschmelzung oder Verbindung zwischen seiner Oberfläche und dem rostfreien Stahl zu erzielen, und zwar sowohl mit als auch ohne Glühen. Die folgende Tabelle zeigt die Scherfestigkeitswerte des nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Materials.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 615/55

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus nichtrostendem Stahl und Aluminium bzw. einer Aluminium-Legierung, bei dem auf den zu verbindenden Oberflächen zunächst alle anhaftenden Verunreinigungen und Oxide mechanisch restlos entfernt und die Verbundmetalle in eng aneinanderliegendem Zustand der zu verbindenden Oberflächen unter nichtoxydierender Atmosphäre auf eine oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums liegende Temperatur erwärmt und in diesem Zustand unter einer Dickenreduzierung sowohl des nichtrostenden Stahls als auch des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung um höchstens 35 %> und mindestens 10 % mittels Druck miteinander vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung vor dem Aufbringen der Schicht aus nichtrostendem Stahl eine Plattierungslage aus praktisch reinem Aluminium mit mechanisch gereinigter Oberfläche aufgebracht wird und daß der Verbundkörper nach der Vereinigung seiner Schichtteile bei einer Temperatur von 371 bis 482° C geglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plattierungslage ein Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99% verwendet wird, wobei diese Lage eine Schichtdicke von mindestens 3^η.Ό der Gesamtdicke der entsprechenden Trägerschicht aus Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung besitzt, daß die Oberflächen des Reinaluminiums und des nichtrostenden Stahls bei einer Temperatur von etwa 343 bis 593° C vereinigt werden und die anschließende Glühung des Verbundkörpers in einer Zeitspanne von 2 bis 15 min erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Plattierungslage ein Reinaluminium mit weniger als 0,5% Mangan oder Magnesium verwendet wird.