DE1577101A1 - Method of creating a connection between links made of aluminum and iron - Google Patents

Method of creating a connection between links made of aluminum and iron

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DE1577101A1
DE1577101A1 DE19661577101 DE1577101A DE1577101A1 DE 1577101 A1 DE1577101 A1 DE 1577101A1 DE 19661577101 DE19661577101 DE 19661577101 DE 1577101 A DE1577101 A DE 1577101A DE 1577101 A1 DE1577101 A1 DE 1577101A1
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Description

,,irsadaar Stf.3,, irsadaar Stf.3

Worth American Aviation, Inc., £1 Segundo/California (USA)Worth American Aviation, Inc., £ 1 Segundo / California (USA)

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen aus Aluminium und aus Eisen bestehenden GliedernMethod of creating a connection between links made of aluminum and links made of iron

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen Gliedern, die aus Aluminium und aus Eisen bestehen, und im besonderen auf ein Verfahren zum ^ Herstellen von metallurgisch haltbaren ÜbergangsYerbindungen " ( zwischen rohrförmigen Bauelementen aus Aluminium und aus Eisenlegierungen. \f The invention relates to a method of making a connection between members made of aluminum and iron, and more particularly to a method of making metallurgically durable transitional connections ( between tubular structural members made of aluminum and iron alloys. \ F

Verbindungen zwischen Gliedern aus Aluminium und aus eisenhaltigen Metallen werden für Tiele Vtrwendung«»wecke benötigt, bei denen die strukturellen und metallurgischen Eigenschaften beider Metall· von Mutzen sind. Die Unterschied· zwischen Aluminium und Stahl in bezug auf Festigkeit, Verformbarkeit, Gewicht, Korrosionsfestigkeit und thermische Expansion erfordern, dass beide Metalle den eigenen Merkmalen entsprechend in einerConnections between links made of aluminum and of ferrous metals are required for use "" wake, where the structural and metallurgical properties of both are metal · von Mutzen. The difference between Aluminum and steel require strength, ductility, weight, corrosion resistance and thermal expansion, that both metals according to their own characteristics in one

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ORlQtNAL

Einrichtung zusammen verwendet werden. In einem Kernreaktor z.B. können die die Brennelemente umschließenden Bohre wegen der geringen thermischen Neutronenabsorption aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, während Verteiler, fiostplatten oder andere Bauelemente, mit denen die Rohre vereinigt sind, wegen der erwünschten Festigkeit, Verformbarkeit und der geringeren Kosten aus Stahl hergestellt werden. Ss besteht ferner eine Verwendungsmöglichkeit von Aluminium-Stahl-Bauelementen in kryogenischen Einrichtungen. Bei vielen ätrömungsanlagen sind daher Verbindungen zwischen Aluminium und eisenhaltigen ketallen erforderlich, die eine hohe Gute aufweisen und metallurgisch dauerhaft und sickerdicht sind.Facility to be used together. In a nuclear reactor, for example, the bores surrounding the fuel assemblies can, because of the thermal neutron absorption consist of aluminum or an aluminum alloy, while distributors, fiostplatten or other structural elements with which the tubes are united may be made of steel because of the desired strength, ductility and lower cost. Ss also exists a possible use of aluminum-steel components in cryogenic facilities. In many aerodynamic systems are hence connections between aluminum and ferrous metals required, which have a high quality and are metallurgically durable and seepage-proof.

Die an solche Verbindungen zu stellenden hohen Anforderungen konnten jedoch mit den herkömmlichen Hartlot- und Schweißverfahren nicht erfüllt werden. Eine der HauptSchwierigkeiten bei der Herstellung solcher Verbindungen ist die große Beanspruchung an der Zwischen!lache der Verbindung als Folge der thermischen Expansion der Metalle und die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen zwischen dem Eisen und dem Aluminium durch die Diffusion an der Zwischenfläche, die su Ausfällen im Betrieb führen kann. Die in der vorliegenden Anmeldung gebrauchte Bezeichnung "Aluminium11 soll sich auf das Metall Aluminium und dessen Legierungen mit anderen Metallen oder keramischen Substanzen wie z.B. die in Handel erhältlichen Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt von ungefäJu[i|.-12 Sew.% Aluminiumoxyd, das in einer Aluminiummatrix dispergiert ist, beziehen und die Bezeichnung "eisenhaltige metalle" soll Metalle und Legierungen mit einem Gehalt von mindesten· 50% Eisen sowie die ver- However, the high demands placed on such connections could not be met with the conventional brazing and welding processes. One of the main difficulties in the production of such connections is the great stress on the interface of the connection as a result of the thermal expansion of the metals and the formation of brittle intermetallic compounds between the iron and the aluminum by the diffusion at the interface, which see precipitation in the Operation. The term "aluminum 11 " used in the present application is intended to refer to the metal aluminum and its alloys with other metals or ceramic substances such as, for example, the commercially available aluminum alloys with a content of approx aluminum matrix is dispersed, and the related term "ferrous metals" is intended to metals and alloys having a content of at least · 50% of iron as well as the comparable

009815/090 8 "BAD oRIGiNAU!" ^009815/090 8 " BAD oRIGiNAU ! " ^

verschiedenen Sorten des nichtrostenden Stahle.different grades of stainless steels.

Die Erfindung sieht als Hauptgegenetand ein verbessertes Verfahren sum Herstellen einer Verbindung zwischen Gliedern aus eisenhaltigen metallen und aus Aluminium vor sowie ferner eine Verbindung zwischen solchen Gliedern, die eine große Festigkeit aufweist und gasdicht ist,The invention sees as its main subject an improved one Method sum making a connection between links made of ferrous metals and aluminum before and further a connection between such links that has great strength and is gas-tight,

ein Verfahren sun Herstellen einer Verbindung «wischen Gliedern aus eisenhaltigen Metallen und aus Aluminium ohne Anwendung von Schweiß- oder Hartlotverfahren,a procedure to establish a connection «wipe Links made of ferrous metals and aluminum without application of welding or brazing processes,

ein Verfahren sub Herstellen einer solchen Verbindung ™ zwischen rohrförmigen Gliedern aus eisenhaltigen Metallen und Aluminium,a method sub making such a connection ™ between tubular links made of ferrous metals and aluminum,

ein Verfahren sum Herstellen einer Verbindung zwischen Aluminium und eisenhaltigen Metallen zwecks Verwendung bei hohen Temperaturen, wobei die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen «wischen Aluminium und lisen vermieden wird, unda method of establishing a connection between Aluminum and ferrous metals for use at high temperatures, with the formation of brittle intermetallic Connections «wipe aluminum and lisen is avoided, and

ein Verfahren, das verhältnismäßig rasch und wirtschaftlich durchgeführt werden kann, und das sich als Herstellungsverfahren in großem Maßstab eignet. fa process which can be carried out relatively quickly and economically, and which proves to be a manufacturing process suitable on a large scale. f

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der, beiliegenden Zeichnung ist dieThe invention will now be described in detail. In the accompanying drawing is the

Pig.1 ein senkrechter Schnitt durch die Bauelemente, zwischen denen eine Verbindung nach der Erfindung hergestellt werden soll,Pig.1 a vertical section through the components, between which a connection according to the invention is to be established,

Fig.2 ein senkrechter Schnitt durch die fertige Verbindung und **β·3 ein senkrechter Schnitt durch eine Einrichtung zum Herstellen von Verbindungen zwischen rohrförmigen Bauelementen. 2 shows a vertical section through the completed connection and ** β · 3 a vertical section through a device for manufacturing of connections between tubular components.

BAD ORIGINAL 009815/0908BATH ORIGINAL 009815/0908

Nach der Erfindung können Glieder aus Aluminium und eisenhaltigen Metallen in der «eise mit einander verbunden werden, dass an dem aus dem eisenhaltigen Metall bestehenden Glied eine Kante zugeschärft wird, die danach bei erhöhter Temperatur in das aus Aluminium bestehende Glied eingepresst wird. Hierbei wird eine wirksame, sickerdichte Verbindung durch Rückextrusion des Aluminiums über der zugeschärften Kante des aus dem eisenhaltigen Metall bestehenden Gliedes hergestellt. Pie Verformung des Aluminiums durch die zugeschärfte Kante des aus eisenhalti-According to the invention, links made of aluminum and ferrous metals can be connected to one another in the same way. that an edge is sharpened on the link consisting of the ferrous metal, which is then sharpened at an elevated temperature is pressed into the link made of aluminum. This creates an effective, seepage-tight connection through back extrusion of the aluminum over the sharpened edge of the ferrous Metal existing link made. Pie deformation of the aluminum due to the sharpened edge of the ferrous

™ gern Metall bestehenden Gliedes erzeugt bei den ausgeübten Drücken an der Zwischenfläche eine saubere Aluminiumfläche, die von Verunreinigungen frei ist, welcher Umstand bei der Herstellung einer Verbindung von hoher Güte wesentlich beiträgt. Der Querschnitt der zugeschärften Kante des aus eisenhaltigem Metall bestehenden Gliedes verjüngt sich bis zu einer Breite, die kleiner ist als die Querschnittsbreite des aus Aluminium bestehenden Gliedes, und die Zuschärfung endet vorzugsweise in einer Messerkante. Eine solche Kante weist verschiedene Vorzüge auf, und™ like metal existing limb generated at the pressures exerted at the interface a clean aluminum surface that is free from impurities it is clear which circumstance contributes significantly to the production of a connection of high quality. The cross section the sharpened edge of the ferrous metal link tapers to a width that is smaller is than the cross-sectional width of the aluminum link, and the bevel preferably terminates in a knife edge. Such an edge has various advantages, and

L zwar dringt die Kante leichter in das Aluminium ein, wobei eine frische Aluminiumfläche erzeugt wird, und ferner erleichtert das länge der zügeschärften Kante fließende Aluminium die Vereinigung von stahl und Aluminium.It is true that the edge penetrates the aluminum more easily, creating a fresh aluminum surface, and it is also made easier the length of the sharpened edge flowing aluminum the union of steel and aluminum.

Es wird nunmehr auf die Pig.1 verwiesen, die das Stahlglied 2 und das Aluminiumglied 4 vor der Vereinigung zeigt. Das Stahlglied 2 ist an der Kante mit einer doppelten Abschrägung 6 versehen, deren Seiten mit der Waagerechten einen Kinkel von ungefähr 60 - 75° bildenf Jedoch können auch mehr oder weniger steile Abschrägungen verwendet werden. In der Fig.2 ist eineReference is now made to Pig.1, which shows the steel link 2 and the aluminum link 4 before the union. The steel member 2 is provided at the edge with a double bevel 6, the sides with the horizontal a Kinkel of about 60-75 ° form f However, more or less steep slopes may be used. In Fig.2 is a

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fertige Verbindung dargestellt, bei der das Aluminium auf die zügeschärfte Kante des Stahlgliedes aufgepresst ist.finished connection shown, in which the aluminum is pressed onto the sharpened edge of the steel link.

Sollen die Verbindungen nach der Erfindung bei höheren Temperaturen verwendet werden, z.B. bei mehr als 340 0, oder bei solchen niedrigeren Temperaturen, bei denen die Bildung von intermetallischen Aluminium-Iisen-Verbindungen während des Heißpressen» vermieden werden soll, so kann für diesen Zweck eine Diffusianssohutzschicht benutzt werden. Das Material dieser Zwischenschicht kann auf das eine oder das andere Glied aufgetra- ^ gen werden (vorzugsweise auf die ltesserkante des Stellgliedes) und zwar unter Anwendung herkömmlicher Verfahren z.B. mittels Slektroplattierung, Niederschlagen im Vakuum, oder Aufdampfen usw., und ferner kann auch eine Folie verwendet werden. Als Beispiel für Sohutzsohichtmaterialien seien angeführt: Tantal, Wolfram, Molybdän, Miobium, Chrom, Gold, Silber und Nickel oder eine Kombination von zwei oder mehr dieser Elemente· Zu bevorzugen sind Niobium, Tantal und Chrom. Das Diffusionsmaterial wird mit einer Schichtdicke von ungefähr 0,005 bis 0,075 ■* aufgetragen j und verhindert einen Kontakt zwischen dem Aluminium und dem Stahl und damit die Bildung von intermetallischen Verbindungen. Weiterhin erfolgt nicht eine Bildung von eutektisohen oder anderen Verbindungen zwischen dem Schutzmaterial und dem Aluminium oder Ilsen, abgesehen von<sn weiter unten angeführten Ausnahmen, ferner konnte nach längeren Versuchen bei erhöhten Temperaturen keine degradierende Interdiffusion festgestellt werden. Das Material der Zwischenschicht passt sich der Form der Messerkante an und wird bei der Herstellung der Verbindung entsprechend verformt, die durch die Büokextrusion des Aluminiums gekennzeichnet ist.If the compounds according to the invention are to be used at higher temperatures, for example at more than 340 0, or at such lower temperatures at which the formation of aluminum-iron intermetallic compounds during hot pressing » should be avoided, a diffusion protective layer can be used for this purpose. The material of this intermediate layer can be applied to one or the other link (preferably on the tess edge of the actuator) using conventional methods, e.g. Electroplating, vacuum deposition, or vapor deposition etc., and a film can also be used. As an example of protective cover materials, the following are cited: tantalum, Tungsten, molybdenum, miobium, chromium, gold, silver and nickel or a combination of two or more of these elements · Preferred are niobium, tantalum and chromium. The diffusion material is with applied to a layer thickness of approximately 0.005 to 0.075 ■ * j and prevents contact between the aluminum and the steel and thus the formation of intermetallic compounds. Farther there is no formation of eutectic or other compounds between the protective material and the aluminum or Ilsen, apart from the exceptions listed below, also no degrading interdiffusion could be found after longer tests at elevated temperatures. The material the intermediate layer adapts to the shape of the knife edge and is deformed accordingly when the connection is made, which is characterized by the office extrusion of aluminum.

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Die Aluminium- und Eieenflachen werden durch Pressen bei erhöhten Temperaturen unter Verwendung der herkömmlichen Einrichtungen mit einander vereinigt, wobei zuvor die Flächen entfettet werden. Hiernach wird die Messerkante des aus Stahl bestehenden Gliedes gehont, während die entsprechende Fläche des aus Aluminium bestehenden Gliedes z.B. mittels Sandpapier oder einer Drahtbürste abgeschliffen wird. Die Teile werden dann in Ateton, Alkohol oder dergleichen abgespult, und das Diffusions- h schutzmaterial, wenn ein solches verwendet wird, wird auf den Stahl aufgetragen, oder es wird zwischen die mit einander zu verbindenden flächen eine Folie eingelegt. Die mit einander zu verbindenden Glieder werden in eine Spannvorrichtung eingespannt und werden bei erhöhter Temperatur unter Druck gesetzt.The aluminum and iron surfaces are united by pressing at elevated temperatures using conventional equipment, the surfaces being degreased beforehand. Then the knife edge of the link made of steel is honed, while the corresponding surface of the link made of aluminum is abraded with sandpaper or a wire brush, for example. The parts are then unwound in Ateton, alcohol or the like, and the diffusion h protective material if such is used, is applied to the steel, or it is placed between the surfaces to be joined to each other with a film. The links to be connected are clamped in a jig and are pressurized at an elevated temperature.

Die Temperatur, der Druck und die Zeit können innerhalb weiter Grenzen veränderlich sein und stehen so mit einander in Beziehung, dass kürzere Bearbeitungszeiten durch höhere Drücke oder höhere Temperatmren auegeglichen werden können und umgekehrt. Die besonderen Bedingungen hängen in gewissem Maße von den Eigenschaften des Aluminiums und der eisenhaltigen Metalle ab. Beispielsweise kann Aluminium oder eine wenig feste Aluminiumlegierung mit Stahl bei einer niedrigeren Temperatur und/oder bei einem niedrigeren Druck verbunden werden als Aluminiumlegierungen mit einer größeren Festigkeit. Wie sich gezeigt hat, ist eine Temperatur von ungefähr 400 - 63O0G bei einer Belastung des Querschnitte· des Alumlniumgliedes in dessen nicht spitz zulaufendem Abschnitt von mindestens ungefähr 1400 kg/cm2 für eine Zeit von ungefähr 3-30 Minuten allgemein befriedigend. Verbindungen mit hoher Güte können bei höheren Belastungen oberhalb von ungefähr The temperature, pressure and time can vary within wide limits and are related to one another in such a way that shorter processing times can be compensated for by higher pressures or higher temperatures and vice versa. The particular conditions depend to a certain extent on the properties of the aluminum and ferrous metals. For example, aluminum or a low-strength aluminum alloy can be bonded to steel at a lower temperature and / or at a lower pressure than aluminum alloys with a greater strength. As has been shown, a temperature of about 400 - 63O 0 G at a loading of the cross-sections of the Alumlniumgliedes · in its non-tapering section of at least about 1400 kg / cm 2 for a time of about 3-30 minutes generally satisfactory. Connections with high quality can at higher loads above approximately

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ungefähr 2450 kg/cm2 hergestellt werden, obwohl hierbei keinabout 2450 kg / cm 2 can be produced, although here none

Vorteil ersielt wird.Advantage is obtained.

Die beim Heißpressen zu bevorzugende Temperatur hängt, von der Festigkeit des Aluminiums ab, bei der das Aluminium während der Bückextrusion über dem spitzxulaufenden Glied aus eisenhaltigem Material eine gute Fließfähigkeit aufweist. Z.B. kann mit der Aluminiumlegierung XAFOO1 im Temperaturbereich von 480 - 6200G eine Verbindung hergestellt werden und mit anderen Aluminiumlegierungen wie z.B. Type 6063 bei einer niedrigen Temperatur von ungefähr 4250C. Die obere Temperatur, bei der eine Verbindung hergestellt werden kann, wird von der gewählten besonderen Diffusion88chutzsohioht begrenzt und soll unter derjenigen Temperatur liegen, bei der ein lutektikum zwischen dem Aluminium und dem Schutzmaterial besteht. Die einzigen, zurzeit bekannten Schutzmaterialien, die innerhalb des obengenannten Temperaturbereichs Sutektika bilden, sind Gold (Al-Au, 525°C) und Silber (Al-Ag, 5660C), so dass mit diesen Metallen eine Verbindung unterhalb dieser Temperaturen hergestellt wird.The preferred temperature for hot pressing depends on the strength of the aluminum, at which the aluminum has good flowability during the bridging extrusion over the pointed member of ferrous material. For example, a connection can be made with the aluminum alloy XAFOO1 in the temperature range of 480 - 620 0 G and with other aluminum alloys such as Type 6063 at a low temperature of approximately 425 ° C. The upper temperature at which a connection can be made is determined by the selected special diffusion protection and should be below the temperature at which there is a lutectic between the aluminum and the protection material. The only currently known protective materials that form within the above temperature range Sutektika are, gold (Al-Au, 525 ° C) and silver (Al-Ag, 566 0 C), so that a connection below these temperatures with these metals .

Das resultierende Verbundglied kann dann direkt den Umweltsbedingungen ausgesetzt werden, z.B. wenn das Glied nach WegfaU der Belastung in die ümgebungsluft gebracht wird. Obwohl nach der Herstellung der Verbindung kein besonderes Abkühlungsverfahren befolgt zu werden braucht, ist es vorzuziehen, die Verbindung unter Belastung auf eine Temperatur von nicht mehr als mindestens ungefähr 315°C abzukühlen, um eine Bildung von Bissen oder Sprüngen als Folge der Spannungen an der Zwischenfläohe aufgrund unterschiedlicher thermischer Expansion der Bestandteile gering zu halten. Die Verbindung wird dann aus derThe resulting composite link can then be directly exposed to environmental conditions, such as when the link is exposed to Removal of the pollution is brought into the ambient air. Even though no special cooling procedure needs to be followed after the connection is made, it is preferable to use the Cool the compound under stress to a temperature not exceeding at least about 315 ° C to allow formation of Bites or cracks as a result of the tension on the intermediate surface due to the different thermal expansion of the components to be kept low. The connection is then made from the

BADOR,G,NAL 009815/0908BADOR, G, NAL 009815/0908

Einspannvorrichtung herausgenommen und auf die Umgebungetemperatur abkühlen gelassen. Z.B. kann die Verbindung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5,5°O/min auf etwa 1500O abgekühlt werden und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,75°G/min. auf die Baumtemperatur. Das Heißpressen wird so durchgeführt, dass eine Oxydation der Zwischenflache der Verbindung vermieden wird, Hierzu ist im allgemeinen erforderlich, dass die Herstellung der Verbindung in einer inerten Umgebungeluft, z.B. im Vakuum oder in einem inerten Gas, z.B. Argon durchgeführt wird. fferden die beiden Bauelemente so zusammengesetzt, dass eine Oxydation an der Zwischenfläche verhindert wird, so kann die Herstellung der Verbindung an der Luft erfolgen.Jig removed and allowed to cool to ambient temperature. For example, the compound can be cooled to about 150 0 O at a rate of about 5.5 ° O / min, and preferably at a rate of about 2.75 ° G / min. on the tree temperature. The hot pressing is carried out in such a way that oxidation of the intermediate surface of the connection is avoided. For this purpose, it is generally necessary that the production of the connection is carried out in an inert ambient air, for example in a vacuum or in an inert gas, for example argon. If the two components are put together in such a way that oxidation at the interface is prevented, the connection can be made in air.

Die Fig.3 zeigt eine Einrichtung zum Herstellen von Verbindungen zwischen rohrförmigen Gliedern aus eisenhaltigen Materialien und Aluminium. Die beiden Bauteile 2 und 4 aus Aluminium und einem eisenhaltigen Material werden in die Heißpreeseinrichtung 8 eingesetzt und von einer äußeren Matrize 10 und einem auf einem Sockel 14 ruhenden inneren Dorn 12 radial festgehalten. Die Pressform ist aus gehärtetem Schnellerbeiteetahl (AISI Type T1 oder dergleichen) hergestellt. Die Anordnung wird von einer die Pressform umgebenden Induktionsspule 16 erhitzt, und es wird von einer senkrecht auf das Bohr 2 aus nichtrostendem Stahl einwirkenden hydraulischen Presse der zur Herstellung der Verbindung erforderliche Druck ausgeübt. In die Matrize 10 und den Dorn Xd sind die Thermoelemente 20 eingelassen, mit denen die Temperatur während des Heißpressen reguliert werden kann. Diese Einrichtung wird in ein Gehäuse eingesetzt, in dem die Luft oder die Atmosphäre itontrolliert werden kann (nicht dargestellt).3 shows a device for producing connections between tubular members made of ferrous materials and aluminum. The two components 2 and 4, made of aluminum and a ferrous material, are inserted into the hot press device 8 and held in place radially by an outer die 10 and an inner mandrel 12 resting on a base 14. The mold is made of hardened high-speed steel (AISI type T1 or similar). The arrangement is heated by an induction coil 16 surrounding the press mold, and the pressure required to produce the connection is exerted by a hydraulic press acting perpendicularly on the stainless steel bore 2. The thermocouples 20, with which the temperature can be regulated during the hot pressing, are embedded in the die 10 and the mandrel Xd. This device is placed in a housing in which the air or atmosphere can be controlled (not shown).

009815/0908 BAD0RIGINAUJ ^009815/0908 BAD0RIGINAU J ^

Bei einer Ausführungsform wird eine solche Betorte mit Argon ausgespült und mit Hilfe einer mechanischen Vakuumpumpe vor dem Heißpressen evakuiert.In one embodiment, such a bed is flushed out with argon and evacuated with the help of a mechanical vacuum pump before hot pressing.

Nachstehend werden einige Beispiele für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gegeben.Some examples of the implementation of the method according to the invention are given below.

B e i s ρ i e 1 I B e is ρ ie 1 I

Es wurde ein Bohr stranggepresst aus einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von ungefähr 6% in einer Aluminiummatrix dispergiertem Al2O, (von The Aluminum Company of America unter der Bezeichnung JCAF001 vertrieben) und mit einem Außendurchmesser von 49 mm, einer Wandstärke von 3 mm und mit einer Länge von 76 mm. Ss wurde ein Bohr mit den gleichen Abmessungen aus nichtrostendem Stahl der Type 304 hergestellt und an dem einen finde mit einer doppelten Messerkante versehen, die mit der Waagerechten einen Winkel von 60° bildete. Die beiden Bauteile wurden durch Entfetten für die Herstellung einer Verbindung vorbereitet, wobei die Messerkante des Stahlgliedes nasegehont und die Verbindungsfläche am Aluminiumglied abgeschliffen wurde, wonach die Bauteile mit Alkohol abgespült wurden. Auf die Messerkante des Stahlgliedes wurde durch Elektroplattieren ein Belag aus Ghrom mit einer Stärke von 0,0075 mm aufgebracht. Die rohrförmigen Bauteile wurden dann in die in der Fig.3 dargestellte Heißpresseinrichtung eingesetzt und unter Vakuum bei einer Temperatur von 5380O bei einer Belastung von 2100 kg/qcm des Aluminiumrohrquerschnittes 10 Minuten lang zusammengepresst ua£ mit einander verbunden. Die Verbindung wurde unter Belastung feel einer Temperatur von ungefähr 930O in d©r Betort« alt ein*.-* l ^:^i, A drill was extruded from an aluminum alloy containing approximately 6% Al 2 O dispersed in an aluminum matrix (sold by The Aluminum Company of America under the designation JCAF001) and having an outside diameter of 49 mm, a wall thickness of 3 mm and with a length of 76 mm. A drill hole with the same dimensions was made from stainless steel of type 304 and provided on one side with a double knife edge which formed an angle of 60 ° with the horizontal. The two components were prepared for the production of a connection by degreasing, the knife edge of the steel link being nose-honed and the connecting surface on the aluminum link abraded, after which the components were rinsed with alcohol. A coating of chromium with a thickness of 0.0075 mm was applied to the knife edge of the steel link by electroplating. The tubular elements were then inserted into the position shown in Figure 3 the hot pressing means and under vacuum at a temperature of 538 0 O at a load of 2100 kg / the aluminum pipe cross-section square centimeter for 10 minutes compressed inter alia £ with interconnected. The connection was made under stress at a temperature of about 93 0 O in the Betort «old a * .- * l ^: ^ i,

009815/0908009815/0908

ί\ 7 7101ί \ 7 7101

Geschwindigkeit von ungefähr 2,75°C/min abgekühlt, danach aus der Betörte herausgenommen und auf Baumtemperatur abkühlen gelassen. Cooled rate of about 2.75 ° C / min, then off the beguiled one took out and allowed to cool down to tree temperature.

Die Überprüfung und die Auswertung der Verbindung zwischen der Aluminiumlegierung und dem nichtrostenden Stahl beruhten auf der Bestimmung der Durchlässigkeit für Helium, auf langdauernden ieοthermischen Wärmebehandlungen, auf wiederholten thermischen Behandlungen in verschiedenen Medien, auf Druck- und Zugprüfungen und auf metallographiechen Untersuchungen von Querschnitten der Verbindungsstelle.The examination and evaluation of the connection between the aluminum alloy and the stainless steel were based on the determination of the permeability for helium, on long-term thermal heat treatments, on repeated thermal treatments in various media, on compression and tensile tests and on metallographic investigations of cross-sections the connection point.

Ss wurden isothermische Wärmebehandlungen durchgeführt in Luft und im Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 34-3 51O0C ungefähr 1ΟΟΟ-25ΟΟ Stunden lang,um das Ausmaß und die Wirkung einer Diffusionswechselwirkung an der Zwischenflache der Verbindungestelle zu bestimmen. Unter Benutzung verschiedener Srhitzungs- und Kühlmittel wurden periodische Untersuchungen durchgeführt. Beispielsweise wurden die Verbindungen in vielen Arbeitsfolgen (z.B. 10 - 1000 Mal) in Luft auf 4000O erhitzt und in Wasser auf die Baumtemperatur abgeschreckt oder an der Luft auf die Baumtemperatur abkühlen gelassen. line Verbindung wurde 13 Mal der Behandlung in Luft und Wasser unterworfen, ohne undicht zu werden, und andere Verbindungen blieben für Helium undurchlässig nach einer hundertmaligen Abkühlung τοη 4000C auf die Baumtemperatur .Ss were isothermal heat treatment carried out in air and in vacuum at a temperature of about 51O 0 C 34-3 about 1ΟΟΟ-25ΟΟ hours to the extent and effect to determine a diffusion interaction at the intermediate surface of the Verbindungestelle. Periodic examinations were carried out using various heating and cooling agents. For example, the compounds were heated to 400 0 O in air in many work sequences (eg 10-1000 times) and quenched to the tree temperature in water or allowed to cool to the tree temperature in the air. line compound was subjected to the treatment in air and water 13 times without becoming leaky, and other compounds remained impermeable to helium after cooling τοη 400 0 C to the tree temperature one hundred times.

Bach der isοthermischen Wärmebehandlung und nach den periodischen WärmeUntersuchungen wurden Untersuchungen auf die Durchlässigkeit für Helium durchgeführt. Die Verbindungen waren allgemein fi.it Helium undurdiäeeig, und wenn eine DurchlässigkeitBach's iso-thermal heat treatment and after the periodic heat investigations, investigations were carried out on the permeability for helium. The connections were generally impervious to helium, and if permeability

0 09815/09080 09815/0908

festgestellt werden konnte, so war sie sehr gering und lag in der Größenordnung von 1O"7 cm5/eec (STP) für Helium. Bei Druckunter Buchungen wurde Argon als Druckmittel benutzt. Die Temperaturuntersuchungen erstreckten sich von der Baumtemperatur aus bis zu 4150G, und der Druck bis zum Ausfall betrug 57,75 bis 99»75 fcg/qcm (gemessen) bei geschätzten Umfangsspannungen τοη 469 - 1876 kg/qcm. Die Untersuchungen auf Zugfestigkeit wurden bei Baumtemperatur, bei 3430C und bei 40O0C an Längsaegmenten der Verbindungsstelle durchgeführt. Schließlich wurden einige Verbindungen bei Baumtemperatur und bei einer Belastung τοη 1400 - 2100 kg/qcm untersucht sowie einige weitere Verbindungen bei Temperaturen yon 3430C und bei 4000C mit einer Belastung von ungefähr 350 - 840 kg/qcm. Metallographische Untersuchungen, die nach den verschiedenen Wärmebehandlungen an Querschnitten der Verbindungsstellen dtftmgeführt wurden, zeigten einen innigen Kontakt an der Zwlechsafläcbt zwisefat» dem nichtrostenden Stahl und der Aluminiumlegierung« Ie hatten sich keine intermetallischen Verbindungen gebildet.could be established, it was very low and was of the order of 1O "7 cm 5 / eec (STP) of helium. In pressure bookings argon was used as the pressure medium. The temperature studies ranged from the tree temperature of up to 415 0 G and the pressure to failure was 57.75 to 99 »75 fcg / sq cm (measured) at an estimated hoop stresses τοη 469 -. 1876 kg / sq cm the tests for tensile strength were carried out at tree temperature at 343 0 C and 40O 0 C. performed Längsaegmenten the junction Finally, some compounds in tree temperature, and τοη under a load 1400 -. 2100 kg / sq cm investigated as well as some other compounds at temperatures yon 343 0 C and 400 0 C with a load of about 350 - 840 kg / sq cm. Metallographic examinations carried out on the cross-sections of the connecting points after the various heat treatments did not show intimate contact at the intermediate surface between the two comforting steel and the aluminum alloy «Ie, no intermetallic compounds had formed.

Die Untersuchungen der fertigen Verbindungen zeigten, dass zwischen dem nichtrostenden stahl und dem Aluminium sehr gute, kräftige und sickerdichte Verbindungen hergestellt wurden, die widerstandsfähig waren gegen wiederholte themisohe Belastungen und gegen langdauernde ie0thermische Wärmebehandlungen sowie gegen die Einwirkung von hohen Gasdrücken. Hierdurch wurde die Eignung solcher Verbindungen von Bauelementen aus nichtrostendem Stahl und aus Aluminium für einen Betrieb unter schweren Bedingungen festgestellt.The examinations of the finished connections showed that there is a great deal between the stainless steel and the aluminum good, strong and seepage-proof connections were made that were resistant to repeated thematic stresses and against long-term thermal heat treatments as well against the effects of high gas pressures. This made the suitability of such connections of components made of stainless Steel and aluminum determined to operate in severe conditions.

00 9 815/090800 9 815/0908

BeliDiel IIBeliDiel II

Ee wurde dae Verfahren des Beispiels I angewendet mit der Ausnahme, dass keine Einlage aus Schutzmaterial verwendet und die Verbindung bei einer Temperatur von 51O0G und unter Ausübung eines Druckes von 2205 kg/qcm des Aluminiumrohrquerschnittes während 10 Minuten hergestellt wurde. Die fertige Verbindung wurde überprüft, wie im Beispiel I beschrieben, und wies die gleiche hohe Güte auf.Ee was dae procedure of Example I is used except that no insert uses of protective material and the compound at a temperature of 51O 0 G and while exerting a pressure of 2205 kg / sq cm of the aluminum pipe cross-section for 10 minutes was prepared. The finished connection was tested as described in Example I and had the same high quality.

Beispiel IIIExample III

Ss wurde das Verfahren des Beispiele I angewendet mit der Ausnahme, dass eine 0,025 ■* starke Tantalfolie als Schutzschicht verwendet und die Verbindung bei einer Temperatur von 5650C und bei einem Druck von 2100 kg/qcm des Aluminiumrohrquerschnittes innerhalb von 10 Minuten hergestellt wurde.Ss, the procedure of Examples I is used except that a 0.025 ■ * strong tantalum foil as a protective layer used and the compound at a temperature of 565 0 C and at a pressure of 2100 kg / sq cm of the aluminum pipe cross-section within 10 minutes was prepared.

Beispiel IVExample IV

Ie wurde das Verfahren des Beispiels I angewendet mit der Ausnahme, dass ein Glied der Verbindung aus Aluminiummetall und das ander· Glied aus nichtrostendem Stahl bestand, das mit einer einen Winkel von 3O0 umfassenden Messerkante versehen war, und dass als Schutzmaterial eine 0,05 ■» starke Niobiumfolie verwendet wurde. Die Verbindung wurde bei einer Temperatur von 5370O und unter einem Druck von 2100 kg/qcm des Aluminiumrohrquerschnittes innerhalb von 10 Minuten hergestellt.Ie, the procedure of Example I is used except that a member of the compound of aluminum metal, and the other · member made of stainless steel was, which was provided with a an angle of 3O 0 comprehensive knife edge, and that as a protective material, a 0.05 ■ »strong niobium foil was used. The connection was established within 10 minutes at a temperature of 537 0 O and under a pressure of 2100 kg / qcm of the aluminum pipe cross-section.

Die vorstehend angeführten Beispiele sollen nur zur Erläuterung der Erfindung dienen und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar.The examples given above are only intended to illustrate the invention and do not represent any restriction of the invention.

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Patentansprüche 009815/0908 - ν ^' Claims 009815/0908 - ν ^ '

Claims (1)

PatentansprücheClaims 1) Verfahren zum Verbinden von aua Aluminium und aus eisenhaltigen Materialien bestehenden Gliedern mit einander, dadurch gekennzeichnet, das«1) Method of joining aua aluminum and ferrous Materials existing members with each other, characterized by the " (a) an dem aus dem eisenhaltigen Material bestehenden Glied eine spitz zulaufende Kante vorgesehen wird, dass(a) A tapered edge is provided on the ferrous material link such that (b) das aus dem eisenhaltigen Material bestehende Glied an dessen spitz zulaufender Kante mit dem aus Aluminium bestehenden Glied in Berührung gebracht wird, und dass(b) the link consisting of the ferrous material at its tapered edge with the link consisting of aluminum Member is brought into contact, and that (c) die beiden mit einander in Berührung stehenden Glieder bei einer erhöhten Temperatur und unter Ausübung eines Druckes und unter Auschluss der Luft an der Zwischenfläche mit einander verbunden werden.(c) the two members in contact at an elevated temperature and under the application of pressure and with the exclusion of air at the interface with each other get connected. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Temperatur ausreicht, um ein Fließen des Aluminiums über die genannte spitz zulaufende Kante su bewirken. 2 ) Method according to claim 1, characterized in that said temperature is sufficient to cause the aluminum to flow over said pointed edge su. 3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte spitz zulaufende Kanu di· Form einer Meteerkante aufweist*3) Method according to claim 1, characterized in that the aforementioned tapering canoe di · shape of a mete edge having* Verfahren naohAnepruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung bei einer Temperatur von ungefähr 400 - 65O0O hergestellt wird. ; ;, : ..·,..,.-Method according to Claim 1, characterized in that the connection is established at a temperature of approximately 400-65O 0 O. ; ;, : .. ·, .., .- BAOORfQfMAtBAOORfQfMAt vnwHAL 009815/090 0 vnwHAL 009815/090 0 5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasb die Verbindung unter Ausübung eines Druckes von mindestens ungefähr 1400 kg/cm2 hergestellt wird.5) The method according to claim 1, characterized in that the connection is established by exerting a pressure of at least approximately 1400 kg / cm 2 . 6) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Verbindung innerhalb einer Zeitperiode von drei bis dreißig kinuten durchgeführt wird.6) Method according to claim 1, characterized in that the connection is completed within a period of three to thirty minutes. 7) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass7) Method according to claim 1, characterized in that die Verbindung bei einer Temperatur von ungefähr 400 - 65O0Gthe compound at a temperature of about 400-65O 0 G ρ unter einer Belastung von ungefähr 1400 - 2430 kg/cm innerhalb einer Zeitperiode von drei bis dreißig Minuten in einer inerten Atmosphäre hergestellt wird.ρ under a load of approximately 1400 - 2430 kg / cm within a period of three to thirty minutes in an inert atmosphere. 8) Verfahren sum Vereinigen eines aus Aluminium bestehenden Gliedes mit einem aus eintm eisenhaltigen Material bestehenden Glied, dadurch gekennzeichnet, dass8) Method of combining an existing one made of aluminum Link with a link consisting of a ferrous material, characterized in that (a) an dem aus dem eisenhaltigen Material bestehenden Glied eine spitz zulaufende Kante vorgesehen wird, dass(a) A tapered edge is provided on the ferrous material link such that (b) zwischen dem aus Aluminium bestehenden Glied und der spitz zulaufenden Kante des aus dem eisenhaltigen Material bestehenden Gliedes eine dünne Schicht eines Diffusionsechutzmaterial* angeordnet wird, das aus mindestens einem Metall der die Metall· Tantal, Niobium, Chrom, Gold, Silber, nickel, Wolfram und Molybdän umfassenden Klasse besteht, und dass(b) between the aluminum link and the pointed edge of the ferrous material A thin layer of a diffusion protection material * is arranged, which consists of at least one metal of the metal tantalum, niobium, chromium, gold, silver, nickel, Tungsten and Molybdenum comprehensive class, and that (c) die genannten beiden Glieder bei eingelegtem Diffueionaechutzmaterial bei einer erhöhten Temperatur und unter Druck mit(c) the two mentioned links with inserted diffusion protection material at an elevated temperature and under pressure with einander in Eingriff gebracht «erden, bis eine sickerdichte Verbindung zwischen den beiden Gliedern hergestellt worden ist.engaged with each other until a leak-proof connection has been established between the two links. 0 0 9 815/0908 " BAD 0BlGINAL^ö;if: aM 0 0 9 815/0908 " BAD 0BlGINAL ^ ö; if: aM 9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daee die Temperatur und der DrucJc ausreicht, um ein Fließen des Aluminiums über die genannte spitz zulaufende Kante zu bewirken, und dass die genannte Temperatur unterhalb der Temperatur der , eutektischen Formation zwischen dem Aluminium und dem Diffusionsschutzmaterial liegt.9) Method according to claim 8, characterized in that daee the temperature and pressure are sufficient to allow the aluminum to flow to effect over said pointed edge, and that said temperature is below the temperature of, eutectic formation between the aluminum and the diffusion protection material lies. 10) Verfahren' nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Diffusionsschutzschicht aus der die Metalle Tantal, Niobium und Chrom umfassenden Klasse gewählt wird.10) method 'according to claim 8, characterized in that the material for the diffusion protection layer from which the metals Tantalum, niobium and chromium comprehensive class is selected. 11) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte spitz zulaufende Kante die Form einer Messerschneide aufweist, die mit der Waagerechten einen Winkel von ungefähr 60 - 75° bildet.11) Method according to claim 8, characterized in that said pointed edge is in the form of a knife edge which forms an angle of approximately 60 - 75 ° with the horizontal. 12) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Glied aus nichtrostendem Stahl und das andere Glied aus einer Aluminiumlegierung besteht, die im wesentlichen ungefähr 4-8 Gew»% Al2Oz enthält, das in einer Aluminiummatrix diepergiert ist, und dass die genannten Glieder bei einer Temperatur von ungefähr 480 - 6200G und unter einer Belastung von ungefähr 1750 - 2450 kg/cm2 während einer Zeitperiode von ungefähr 3-30 Minuten in einer inerten Atmosphäre mit einander verbunden werden.12) The method according to claim 8, characterized in that the one link consists of stainless steel and the other link consists of an aluminum alloy which essentially contains approximately 4-8% by weight of Al 2 Oz, which is dispersed in an aluminum matrix, and that the said members at a temperature of about 480-620 0 G and under a load of about 1750 - 2450 kg are connected / cm 2 during a time period of about 3-30 minutes in an inert atmosphere with each other. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die fertige Verbindung unter Belastung langsam auf eine Temperatur abgekühlt wird, die ungefähr 315°C nicht übersteigt, und dass danach die Belastung aufgehoben und die verbindung auf die Haum- A method according to claim 12, characterized in that the finished connection is cooled slowly under load to a temperature not exceeding approximately 315 ° C, and that thereafter the load released and the connection to the Haum- 009815/0908009815/0908 Baumtemperatur ohne nettere Begulierungen der Temperatur und des Druckes abkühlen gelassen wird.Tree temperature without nicer notifications of the temperature and the Pressure is allowed to cool. 14) Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen rohrförmigen Gliedern, die aus Stahl und einer Aluminiumlegierung bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass14) Method of establishing a connection between tubular members made of steel and an aluminum alloy, characterized in that (a) an dem einen Ende dee Stahlrohres eine Messerschneide vorgesehen wird, dass(a) a knife edge is provided at one end of the steel tube will that (b) eine 0,005 - 0,075 starke Lage eines Diffusionsschutzmetalls zwischen dem Aluminiumglied und der Messerschneide des Stahlgliedes eingelegt wird, dass(b) a 0.005-0.075 thick layer of anti-diffusion metal between the aluminum link and the knife edge of the steel link is inserted that (c) als Diffusionsschutzmetall mindestens ein Metall aus der die Metalle Tantal, niobium, Chrom, Gold, Silber, nickel, Wolfram und Molybdän umfassenden Gruppe gewählt wird, dass(C) as diffusion protection metal, at least one metal from the the metals tantalum, niobium, chromium, gold, silver, nickel, Tungsten and molybdenum comprehensive group is chosen that (d) die genannten beiden Glieder bei einer Temperatur von ungefähr 400 - 6500O jedoch bei einer unterhalb der eutektischen Formationstemperatur des Aluminiums und des Metalls der .Diffusionsschutzschicht liegenden Temperatur mit einander in Berührung gebracht werden, dass(d) said two members at a temperature of about 400 - 650 are brought 0 O but at a temperature below the eutectic formation temperature of the aluminum and the metal of the .Diffusionsschutzschicht temperature with each other in contact that (e) auf die genannten beiden Glieder eine Belastung von ungefähr 1750 - 2450 kg/cm2 während ungefähr 3-30 Minuten in einer inerten Atmosphäre ausgeübt wird, und dass(e) a load of about 1750-2450 kg / cm 2 is applied to said two members for about 3-30 minutes in an inert atmosphere, and that (f) die hergestellte Verbindung unter Belastung auf eine Temperatur von nicht höher als ungefähr 3150G mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,75 - 5,5°ö/«iin abgekühlt wird, wonach die Belastung aufgehoben und die Verbindung ohne weitere Begulierung der Temperatur und des Drucke» auf die Umgebungstemperatur abkühlen gelassen wird.(f) the established connection is cooled under load to a temperature of not higher than approximately 315 0 G at a rate of approximately 2.75 - 5.5 ° ö / «iin, whereupon the load is released and the connection is closed without further adjustment of the Temperature and pressure »is allowed to cool to ambient temperature. 009815/0908009815/0908 Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen rohrförmigen Gliedern, von denen das eine Glied aus nichtrostendem Stahl und das andere Glied aus einer Aluminiumlegierung besteht, die ungefähr 4 - 8 % Al2O3 enthält, das in einer Aluminiummatrix dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dassA method of making a connection between tubular members, one of which is made of stainless steel and the other of which is made of an aluminum alloy containing approximately 4-8 % Al 2 O 3 dispersed in an aluminum matrix, characterized in that (a) das eine Ende dee Stahlrohres zu einer Messerschneide zugeschliffen wird, dass(a) one end of the steel tube ground to a knife edge will that (b) auf die Messerschneide durch Elektroplattieren ein dünner Belag aus Chrom erzeugt wird, dass(b) A thin layer of chrome is produced on the knife edge by electroplating (β) das Aiuminiumglied mit der Messerschneide des aus nichtrostendem Stahl bestehenden Gliedes in Berührung gebracht wird, dass(β) the aluminum link with the knife edge of the stainless steel Steel existing link is brought into contact with that (d) die genannten Glieder im Vakuipt bei einer {Temperatur 70η ungefähr 535°C und unter einer Belastung von ungefähr(d) the mentioned links in vacuo at a {temperature 70η about 535 ° C and under a load of about 2100 kg/csr während einer Zeitperiode von ungefähr 10 Minuten mit einander verbunden werden, und dass2100 kg / csr for a period of approximately 10 minutes be connected to each other, and that (e) die hergestellte Verbindung unter Belastung auf mindestens 1500C mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,75 - 5,5°C/min. abgekühlt wird, wonach die Belastung aufgehoben und die ä Verbindung ohne weitere Begulierungen auf die Umgebungstemperatur abkühlen gelassen wird.(e) the compound prepared under load to at least 150 0 C at a rate of about 2.75 to 5.5 ° C / min. is cooled, after which the load lifted and the like compound is allowed to cool without further Begulierungen to the ambient temperature. 009815/0908009815/0908 -Ai --Ai - LeerseiteBlank page
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