DE1900273B2 - Verfahren zum herstellen eines mehrschichtigen metallkoerpers aus eienm stahlpartner und einem aluminiumpartner durch sprengplattieren - Google Patents

Description

geraden Bindung deshalb bevorzugt, weil hier eine 2500 bis 1400 m/sec nicht das Ausmaß an direkter

größere Zwischenlläche vorliegt. Aluminium-Siahl-Bindimg bei Aufschlagwinkeln bis

Schließlich ist aus der deutschen Auslegeschrift etwa 20 . Weiler läßt sich die bevorzugte wellige I 22') 821 (USA.-Patentschrift 3 137 937) ein Verfahren Bindung mit in Bereichen unmittelbarer Metall-/um Herstellen von mehrschichtigen Metallkörpern 5 Metall-Bindung eingebetteten Inseln \oi, Schmelze bekanntgeworden, wobei die Partner im Abstand zwischen Aluminium und Stahl bei Kollisionsge- \.ineinander angeordnet sind und mit Hilfe eines schwindigkeiten unter 2500 m/sec bei Aufschlagdetonierenden Sprengmittels verbunden werden sollen. winkeln des Aluminiums auf Stahl nicht erreichen.
Der Abstand beträgt dort mindestens 25 am. die In der niederländischen Offenlegungsschrift 6614929 Detonationsgeschwindigkeit des Sprengmittels min- io (deutsche Offenlegungsschrift 1 577 108) sind zwei destens 1200 m/sec. jedoch weniger als 120% der Beispiele zur Sprengplattierung von Stahl und Alu-Schallgeschwindigkeit des Metalls in dem System mit minium gegeben. In beiden Fällen erhält man bei der höchsten Sehallgeschwindigkeit. Das Sprengmittel einer Kollisionsgeschwindigkeit von unter 2500 m/sec erstreckt sich über den zu verbindenden Bereich der eine gerade Bindungszone. Der Stahl und der Aluheiden Partner und liegt auf einem dieser entweder 15 miniumwerkstoff hatten hohe Festigkeit (d. h. über unmittelbar oder über eine Pufferschiclu auf. Die 4220 kg/cm² bzw. 1200 kg/cm² — Stahl in normali-Zündung erfolgt derartig, daß die Detonationsfront siertem Zustand — vor der Verbindung), oder der Kollisionsbereich der beiden Partner über Da jedoch die Ver< .ndweikstoffe aus Aluminium diese fortschreitet. Mit diesen Vprfahrensbedingungen und Stahl in zunehmendem Maße technische Beläßt sich eine ganze Anzahl von Werkstoffkombina-20 deutung als Zwischenstücke bei Konstruktionen und tioi.en einwandfrei verbinden. Es zeigte sich jedoch elektrischen Systemen erlangten, erwuchs die Aufgabe, bald, daß es bestimmte Werkstoffkombinationen gibt, ein Verfahren zum Herstellen von Aluminium-Stahldie an der Zwischenlläche beim Sprengplattieren zu· Verbundwerkstoffen mit hohem Anteil an Metall-Au*bildung von spröden, intermetallischen Verbin- Metall-Bindung und geringem Schmelzgehalt bereitdungen oder Phasen neigen. a_ä zustellen.

Wie oben bereits erwähnt, führen derartige inter- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen metallische Verbindlirgen in einer einheitlichen eines mehrschichtigen Metallkörpers aus einem Stahl-Schmelzschicht innerhalb der Verbindungszone zu partner mit einer Streckgrenze in normalisiertem einer Verschlechterung der Bindung und auch zu Zustand bis etwa 4220 kg/cm² und einem Aluminiumeiner wesentlichen Erschwerung der Umformarbeit 30 partner mit einer Streckgrenze bis etwa 1200 kg/cm² derartiger durch Sprengplattieren erhaltenen Pro- vor dem Plattieren durch Sprengplattieren führt zu dukte einem Verbundkörper, der über zumindest 90% der

Wie oben bereits angedeutet, ist es gerade beim Zwischenfläche Stahl—Aluminium durch eine i.n Sprengplattieren derartiger Systeme mit großer Gefahr wesentlichen diffusionslose, wellenförmige, metalluran der Ausbildung versprödender, intermetallischer 35 gische Bindung, die zumii.dest zu 70% aus einei Verbindungen von wesentlicher Bedeutung, daß in direkten Aluminium-Stahl-Bindung und im übrigen der Bindungszone ein möglichst hoher Anteil an aus periodisch im Abstand angeordneten Inseln von direkter Metall-Metall-Bindung vorliegt. Nach der erstarrter Schmelze besteht, verbunden ist. Bei diesem niederländischen Offenlegungsschrift 6 614 929 (nicht Verfahren ist der eine Partner im Abstand und parallel vorveröffentlichte USA.-Patentschrift 3 397 444; 40 oder unter einem Winkel von < 5~ über dem anderen nicht vorveröffentlichte deutsche Offenlegungsschrift Partner angeordnet. Er ist von einer Sprengmittel-1 577 108) lassen sich üie aus der deutschen Auslege- schicht überdeckt und wird durch Zünden der Sprengschrift 1 229 821 (USA.-Patentschrift 3 137 937) und mittelschicht mit einem bestimmten Aufschlagwinkel der USA.-Patentschrift 3 264 731 (nicht vorveröffent- und einer Kollisionsgeschwindigkeit von zumindest lichte deutsche Offenlegungsschrift 1 527 577) be- 45 1200 m/sec, jedoch weniger als 120% der Schallkannten Verfahren so verbessern, daß man Verbund- geschwindigkeit des Partners mit der höchsten Schallwerkstoffe erhält, die an der Bindungszone eine mini- geschwindigkeit zur Verbindung gebracht, male Menge von verfestigter Schmelze aufweisen Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch und daher hinsichtlich der Festigkeit und Duktilität gekennzeichnet, daß die beiden Partner mit einem besser sind. Bei diesem Verfahren werden die Metali- 50 Aufschlagwinkel von etwa 14 bis 25' unter Einhaltung partner zu Anfang in einem Winkel von weniger einer Kollisionsgeschwindijkeit von etwa 2500 bis als 10". vorzugsweise etwa 0 . angeordnet, worauf 3400 m/sec verbunden werden. Bevorzugt wird eine sie bei einem gewissen Aufschlagwinkel und einer Kollisionsgeschwindigkeit von zumindest etwa 2600 m/ Geschwindigkeit, die unier der Geschwindigkeit see eingehalten. Es ist besonders zweckmäßig, die liegt, bei welcher große Mengen an erstarrter Schmelze 55 Verbindung mit einem Aufschlagwinkel von höchstens in der Zwischenfläche erzeugt werden, kollidieren, 20 durchzuführen. Als Aluminiumpartner eignet sich z. B. Aufschlagwinkel bis etwa 20° und Kollisions- besonders eine Aluminiumlegierung mit weniger als geschwindigkeit etwa 1400 bis 2500 m/sec. Die er- 2,1 Gewichtsprozent Magnesium + Silicium. Der haltenen Produkte einschließlich der aus Stahl und Abstand der parallel zueinander angeordneten Partner Aluminium sind über 90% ihrer Zwischenfläche 60 liegt ^!nsbesondere bei etwa dem 1- bis 6fachen der gebunden und haben einen geringen Schmelzgehalt. Dicke des von der Sprengmittelschicht überdeckten Es wurc¹? jedoch gefunden, daß das technisch Partners aus Aluminium. Die Sprengmittelschicht wichtige System Aluminium—Stahl sich in zweierlei weist etwa das 0,2- bis 3fache dessen Gewicht je Hinsicht von vergleichbaren, anderen Metallkombina- Flächeneinheit auf. Es hat sich als zweckmäßig ertionen unterscheidet. Bei der üblichen Situation, d. h., 65 wiesen, daß der mit der Sprengmittelschicht überwenn Aluminium auf Stahl plattiert wird, erhöht deckte Partner aus Aluminium die Kanten des anderen nämlich sinkende Kollosionsgeschwindigkeit inner- Partners um mindestens die 2fache Dicke des Alumihalb des beispielhaft genannten Bereichs von etwa niumpartners überragt.

5 6

Unter »im wesentlichen diffusionslos« im mehr- plötzliche Belastungen außerordentlich widerstandsschichtigen Metallkörper oder Verbundwerkstoff (ohne fähig, so daß sie beim Meißeltest nicht getrennt einer weiteren Behandlung) sind Bindungen zu ver- werden können. Diese Produkte lassen sich auch sehr stehen, bei welchen an der Zwischenfläche und deren stark verformen, ohne daß Bindungsfehler auftreten, angrenzenden Bereichen keine graduelle Änderung 5 Wie sich die Bindung von durch Explosionsder Zusammensetzung feststellbar ist, wie das sonst plattierung hergestellten Akiminium-Stahl-Werkbei Produkten der Fall ist. bei deren Herstellung stücken mit der Kollisionsgeschwindigkeit ändert, Diffusionen stattfinden. Werden die erfindungsgemäß geht besonders klar aus F i g. 1 hervor. Die dort erhaltenen Verbundwerkstoffe mit einer Elektronen- aufgetragenen Werte wurden ermittelt beim Explosonde oder an Hand von Mikrophotographien von io sionsplattieren einer 1.27 cm dicken Schicht aus Schliffen mit einer Auflösung bis 0,2 μιτι untersucht, Aluminiumwerkstoff auf eine 3.81 cm starke Stahlso wird keinerlei Diffusion in der Zwischenfläche schicht, wobei die Schichten vor dem Plattierungsfeslgestellt. Vorgang im wesentlichen parallel angeordnet und ihr

Die »erstarrte Schmelze« ist ein Gemisch aus den Abstand und die Sprengladung so gewählt waren,

ursprünglichen Metallen, d. h. der Metalle der 15 daß ein Aufschlagwinkel im konstant bleibenden

Aluminium- und Stahlschicht, sowie deren inter- Zustand des Plattierungsvorganges von etwa 18 bis

metallischen Verbindungen. Die Zusammensetzung 20° aufrechterhalten wurde. Die Kurve in F i g. 1

dieses Gemisches ist im wesentlichen einheitlich, d. h. wurde erhalten durch Auftragen der Kollisions-

im wesentlichen homogen, und zwar innerhalb jeder geschwindigkeiten — das ist die Detonationsgeschwin-

»Schmelztasche oder -insel«. 20 digkeit des Sprengstoffes, da die Metallplatten an-

Die »Kollisionsgeschwindigkeit« ist die Geschwin- fänglich parallel angeordnet waren — auf der Abszisse

digkeit, mit der die Front bzw. der Bereich der Kolli- und % direkte Metall-Metall-Bindung auf der Ordi-

sion über die zu verbindenden Stahl- und Aluminium- nate. Ziemlich genau bei 2500 m/sec erfolgt ein

teile fortschreitet. Der »Aufschlagwinkel« ist der abrupter Anstieg der Metall-Metall-Bindung, verbun-

Winkel zwischen der Stahl- und Aluminiumschicht bei 25 den mit einem Übergang von der im wesentlichen

der Kollision. geraden oder unregelmäßigen Bindungszone zu einer

Der Ausdruck »Aluminium«, wie er hier in bezug ausgesprochen welligen. Eine für diese Geschwindig-

auf die unmittelbar an die Stahlschicht gebundene keit charakteristische Bindungszone ist in F i g. 2

Metallschicht verwendet wird, umfaßt sowohl reines dargestellt, und zwar an Hand einer Mikrophoto-

Aluminium wie Aluminiumlegierungen mit minde- 30 graphie eines Schliffbildes in 6,6facher Vergrößerung

stens 85 Gewichtsprozent Al. an einem Schnitt senkrecht zum Verbundmaterial

Mit dem Ausdruck »Stahl« werden hier, falls nicht und parallel zum Fortschreiten der Detonation in

anders angegeben. Kohlenstoff stähle und niedrig Richtung von rechts nach links. Fig. 2 A ist eine

legierte Stähle, d. h. Stähle mit einem Gehalt von 50fache Vergrößerung eines Ausschnitts des in F i g. 2

weniger als 5 Gewichtsprozent Legierungselementen, 35 gezeigten Schliffbildes. Wie am besten aus F i g. 2 zu

bezeichnet. ersehen ist. würde eine Senkrechte durch die meisten

An Hand der Figuren soll die Erfindung näher Punkte der Zwischenfläche lediglich durch Aluminium

erläutert werden. und Stahl führen, d. h., es liegt eine Metall-Metall-

F i g. 1 ist ein Diagramm, in dem % Metall-Metall- Bindung vor. An einigen wenigen Stellen würde die

Bindung im Bereich der Zwischenfläche gegen die 40 Senkrechte durch Aluminium, erstarrte Schmelze

Kollisionsgeschwindigkeit aufgetragen ist: in und Stahl laufen, hier erfolgt die Bindung also über

F i g. 2 und 2 A sind Mikrophotographien von eine Insel aus erstarrter Schmelze. Ein Bereich von

Schliffbildern einer welligen Bindungszone in er- erstarrter Schmelze ist durch die überlappende Stahl-

findungsgemäß hergestellten Aluminium-Stahl-Ver- schicht völlig eingekapselt und daher in der Berüh-

bundwerkstoffen gezeigt. 45 rungsfläche nicht anwesend. Der Anteil an Metall-

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Metall-Bindung wird errechnet, indem die Gesamt-

Schicht aus Aluminium mit einer Streckgrenze bis länge der ununterbrochenen welligen Zwischenfläche

etwa 1200 kg/cm² mit einer Schicht aus Stahl, dessen und der Längen der kleinen Abschnitte in der Zwi-

Streckgrenze in normalisiertem Zustand bis 4220 kg/ schenfläche mit einer Berührung von Aluminium

cm² beträgt, metallurgisch verbunden, indem man 50 und Schmelze ermittelt werden. Die Differenz zwischen

mit Hilfe eines Sprengmittels z. B. die Aluminium- der Gesamtlänge der welligen Fläche und der Summe

schicht so gegen die Stahlschicht treibt, daß sie fort- der Längen der Schmelzabschnitte, geteilt durch dit

schreitend mit einer Geschwindigkeit von etwa Gesamtlänge der Zwischenfläche. ergibt die angege

2500 bis 3400 m/see unter einem Auf jchlagwinkel bene % Metall-Metall-Bindung,

von etwa 14 bis 25"■ aufeinanderprallen. Die Ex- 55 Die minimale Kollisionsgeschwindigkeit für Wellen

plosionsplattierung von Aluminium und Stahl führt bildung steigt etwas mit abnehmendem Aufschlag

bei den erfindungsgemäß einzuhaltenden Kollisions- winkel, d. h.. die unterbrochene Übergangslinie ii

geschwindigkeiten und Aufschlagwinkeln zu einer dem Diagramm der F i g. 1 wird nach rechts vei

mindestens 90%igen Bindung in Form einer im schoben, wenn der Aufschlagwinkel unter 18 bis 20

wesentlichen diffusionslosen welligen Bindungszone. 60 sinkt. In der Regel steigt die Mindestgeschwindigke

in welcher mindestens etwa 70% einer direkten für Wellenbildung im wesentlichen linear von etw

Metall-Metall-Bindung vorliegen, d. h.. in mindestens 2500 auf etwa 2900 m/sec. wenn der Aufschlagwinb

etwa 70% der Bindungszone liegt eine Verbindung von 20^c auf etwa 14⁼ abnimmt. Es ist darauf zu achtel

von Metall auf Metall ohne dazwischenliegender daß bei den erfindungsgemäß eingehaltenen Aufschk]

erstarrter Schmelze vor. Infolge der weitgehenden 65 winkeln und Kollisionsgeschwindigkeiten letzte

Aluminium-Stahl-Bindung erweisen sich die erfin- immer für eine wellige Bindungszone ausreich«

dungsgemäß erhaltenen Produkte gegenüber Scher- müssen,

und Zuebeanspruchung als duktil und sind gegen Bei Kollisionsgeschwindigkeiten in der Nähe d

Minimums für die Wellenbildung ist der Anteil an Schmelze in der Zwischenfläche am geringsten und daher der Anteil an Metall-Metall-Bindiing am höchsten. Bei diesen Geschwindigkeiten sind die Schmelzbereiche durch die überlappenden Wellen beinahe vollkommen in die Stahlschichi eingekapselt. Unter gewissen Umständen ist dieser Einschluß vollständig; in der Zwischenfläche ist dann keine Schmelze ε ehr vorhanden, d. h., die Schmelze läßt sich auch ii lOOOfacher Vergrößerung nicht mehr feststellen. IVenn die Kollisionsgeschwindigkeit erhöht wird, lleigt der Anteil an Schmelze in der Zwischenfläche. Ims eine Geschwindigkeit (etwa 3400 m/sec) erreicht Ist, bei der der Anteii an Metali-Metall-Bindung •nter etwa 70°/₀ sinkt (Fig. 1). Diese Maximalteschwindigkeit ist auch dann etwa gleich, wenn die Mindestgeschwindigkeit für Wellenbildung über 1500 m/sec liegt.

Für die erfindungsgemäßen Aluminium-Stahl-Systeme werden Kollisionsgeschwindigkeiten von etwa i500 bis 3400 m/sec angewendet, weil man so einen lohen Anteil an direkter Aluminium-Stahl-Bindung trhält. Dies führt zur betten Duktilität der Bindung. t>a außerdem die direkte Aluminium-Stahl-Bindung kaum einen meßbaren elektrischen Übergangswiderstand aufweist, ist sie sehr brauchbar zur Anwendung In elektrischen Systemen, z. B. Verbindungsteile. Einerlei, ob die Hauptforderung an den mehrschichtigen Metallkörper seine Festigkeit oder Leitfähigkeit gestellt ist, sind in jedem Fall Verbindungen mit mindestens etwa 90°/„ direkter Aluminium-Stahl-Bindung am zweckmäßigsten; aus diesem Grund soll die Kollitionsgeschwindigkeit vorzugsweise nicht allzuweit von der minimalen Geschwindigkeit für die Ausbildung einer welligen Bindungszone liegen. Wenn beispielsweise diese minimale Geschwindigkeit für Wellenbildung etwa 2500 m/sec beträgt, soll die Kollisionsgeschwindigkeit vorzugsweise 2900 m see nicht übertchreiten. Um die Ausbildung von Wellen sicherzustellen, verwendet man vorzugsweise einen solchen Sprengstoff, daß die berechnete Kollisionsgeschwindigkeit mindestens etwa 100 m/sec über dieser Minimalgeschwindigkeit für Wellenbildung liegt, d. h.. die bevorzugte Mindest-Kollisionsgeschwindigkeit beträgt etwa 2600 m set.

Aber auch innerhalb des erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereiches für die Kollisionsgeschwindigkeit ist der Aufschlagwinkel, unter dem die Aluminiumlind Stahlplatten kollidieren, von großer Bedeutung. *JEs muß ja — wie erwähnt ■— in jedem Fall eine wellige Bindungsfiäche gewährleistet sein. Unter etwa 14^: ist Jedoch, unabhängig von der angewandten Kollisionsgeschwindigkeit, die Wellenbildung schwierig. Für eine gegebene Stärke der Aluminiumplatte steigt der Aufschlagwinkel bei steigender Flächenladung und kann mit zunehmendem Anfangsabstand oder -winkel Sin Maximum erreichen. Anders ausgedrückt, steigt der Aufschlagwinkel mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit des Aluminiums. Der einzuhaltende maximale Aufschlagwinkel wird teilweise durch die gewünschte Größe der Wellen bestimmt, wobei die Weilengröße mit dem Aufschlagwinkel ansteigt. Der in der Praxis anzuwendende maximale Aufschlag-Kinkel ist daher derjenige, über dem die Amplitude «ler gebildeten Wellen größer als gewünscht ist. Da Außerdem die Wellengröße mit steigender Kollisicnsgeschwindigkeit (innerhalb des erfindungsgemäß einzuhaltenden Bereichs) zunimmt, so sol! für eine maximale wünschenswerte Wellengröße der maximale Aufschlagwinkel bei steigender Kollisionsgeschwindigkeit kleiner werden.

In jedem Fall sollte der Aufschlagwinkel nicht mehr als etwa 25 betragen, da höhere Winkel oft zu deutlichen Kanteneffekten und unregelmäßigen Bindungen führen. Auch treten dann Schmelzbereiche in einem so großen Volumen auf, daß sich diese nachteilig auf die Bindungsfestigkeit auswirken. Oft

ίο beruht dies auf einem bei der Erstarrung der Schmelze durch Schrumpfen gebildeten Lunker. Die besten Resultate werden erreicht, wenn der Atifschlagwinkel im konstant bleibenden Gebiet zwischen etwa 14 und 20" liegt. Der Aufschlagwinkel kann mit Hilfe von Framing-hochfrequenzkinematographischen Aufnahmen ermittelt werden (W. A. Allen und C. L. Mr C rar y, »Review of Scientific Instrumentst, Bd. 24, S. 165 bis 171 ,1953)).
Um die in dem vorliegenden Verfahren bei dei

ίο bevorzugten parallelen Anordnung zweckmäßigen AufschJagwinkel zu erreichen, verwendet man im allgemeinen eine Sprengladung, deren Gewicht etwa das 0,2- bis 3fache Gewicht der mit Hilfe von Sprengstoff aufzuplattierenden Schicht ist. Der Abstand soll das 1- bis 6fache der Stärke der Plattierungsschicht betragen. Die Sprengladung ist das Sprengmittelgewicht je Flächeneinheit, nicht mitgerechnel irgendwelche nichtexplosiven Bestandteile, die ir einem Sprengmittel vorhanden sein können.

Eine Stahlschicht kann auf einer oder auf beiden Seiten mit Aluminium plattiert werden, und zwar in zwei Stufen oder gleichzeitig. Der Aluminiumwerkstofl kann Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium seiti und hat vor der Plattierung eine Streckgrenze vor nicht mehr als etwa 1200 kg cm². Wenn eine Aluminiumlegierung verwendet wird, so sind die Legierungselemente nicht kritisch, jedoch werden Aluminiumlegierungen mit weniger als 2.1 Gewichtsprozent

Magnesium — Silicium bevorzugt. Die erfindungsgemäß aufzuplattierenden Aluminiumteile könner angelassen, teilweise angelassen oder gehärtet se'n wichtig ist jedoch nur die Streckgrenze unmittelbai vor der Verbindung.

Nach dem Plattieren liegt die Streckgrenze de-Aluminiums wesentlich höher, wohl in erster Linie infolge eiiier Verformungshärtung in und um di, Bindezone. Diese Streckgrenze wird gewöhnlich au: der Brinell-Härte an der Außenseite der Aluminiumschicht ermittelt.

Die Streckgrenze des anzuwendenden Stahlwerk-Stoffs im normalisierten Zustand soll 4220 kg/cm^; nicht überschreiten. Man verwendet einen Kohlen stoffstahl oder niedriglegierten Stahl mit weniger al:

5 Gewichtsprozent Legierungselementen. Die Art dei Legierungselemente ist unwesentlich, es kommt nui darauf an. daß ihre Menge und die Streckgrenze dei Stahls innerhalb der obigen Grenze liegen. Der Stah kann zur Zeit des Plattierens normalisiert oder anee lassen, jedoch vorzugsweise normalisiert sein. Nacr dem Plattieren ist die Streckgrenze der Stahlschich im wesentlichen unverändert, da nur eine gerings Verformungshärtung in einem sehr engen Bereich dei Bindungszone (etwa 1,3 bis 1,8 mmi erfolgt.

Für zweischichtige Produkte verwendet man irr allgemeinen Aluminium- und Stahischichten eine: Stärke von zumindest etwa 3,18 mm: das Plattbrer von dünneien Schichten ist möglich, wird aber seltei

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durchgeführt, für die meisten Anwendungen dient eine Stahlschicht mii einer Stärke vun zumindest etwa 12.7 mm. In der Praxis wird die Stärke der zu plattierenden Aluminiumschicht normalerweise etwa 50 mm nicht überschreiten.

Wenn <}'", als Ausgangsrnaterial dienenden Aluminium- und Slahlschichten die obigen Anforderungen hinsichtlich Streckgrenze und Zusammensetzung nicht erfüllen, ist es schwierig, feine wellenförmige Bindung zu erreichen wird aber eine gebildet, so ist meist zuviel erstarrte Schmelze enthalten. Der Grund hierfür ist unbekannt, es ist jedoch anzunehmen, daß der Widerstand der Metalle gegen die Wellenbindung zu einer Wärmeentwicklung führt, die ihrerseits eine größere Menge an Schmel/e bewirkt, wenn die Gehaltsgrenzen für die Legierungselemente und die Streckgrenze überschritten werden. Es sei betont, daß diese Grenzen nur für die unmittelbar aufeinanderzubindenden Stahl- und Alurniniumschichten gelten und nicht aber für Schichten von verschiedenen Metallen, die gegebenenfalls auf die Außenseite der Aluminium- und, oder Stahlschicht plattiert werden sollen. So kann z. B. die ein< Seite der Stahlplatte mit einer Aluminiumschicht verbunden werden, welche die obigen Anforderungen erfüllt, und die andere Seite mit hochlegiertem Stahl, z. B. rostfreiem Stahl; oder es kann die eine Seite der Aluminiumschicht mit einer Schicht aus dem oben beschriebenen Kohlenstoffstahl «der niedriglegierten Stahl und die andere Seite mit einer Aluminiumlegierung verbunden werden, deren Streckgrenze über 1200 kg cm² liegt. In derartigen Fällen können die drei Metallpartner gleichzeitig plattiert oder zunächst zwei und der dritte dann auf das zweischichtige Material aufgebracht werden.

I:in zusätzliches f rfordernis für die Bildung einer wellenförmigen Bindung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die beiden Platten progressiv oder fortschreitend miteinander kollidieren müssen. Mit anderen Worten kann z. B. die Aluminiumschicht unmittelbar durch den Sprengstoff oder mittelbar mit Hilfe einer durch Sprengkraft vorgetriebene Platte aufplattiert werden. Diese Arbeitsweise gibt bei den erhrdupgsgemäß angewandten Kollisionsgeschwindigkeiten und Aufschlagwinkeln nient nur die oben beschriebenen wellenförmigen Verbindungen mit geringem Schmelzgehalt, sondern verbraucht im allgemeinen auch die geringste Menge an Sprengstoff, ohne daß die Biiidungsqualität leidet, da die Masse der Aluminiumschicht je Flächeneinheit normalerweise wesentlich geringer ist als die der Stahlschicht. Obgleich auch die Stahlschicht aufplattiert werden kann, ist es doch praktischer, den Stahlwerkstoff abzustützen und die Aluminiumplatte mit Hilfe von Sprengkraft aufzuplattieren.

Die Metallpartner können zu Anfang parallel und im Abstand voneinander oder unter einem Winkel von weniger als 5 angeordnet werden. Größere Winkel sind anwendbar, führen aber normalerweise zu nicht einheitlichen Verbindungen, wenn Metallschichlen aus handelsüblichen Werkstoffen piaitie-t werden. Eine im wesentlichen parallele Anordnung wird wegen der leichteren Durchführung und der einheitlichen Bindezone bevorzugt. Auf die aufzuplattierende Metallschicht wird eine Sprengmittelschicht aufgelegt und diese so gezündet, daß die Detonation im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der betreffenden Metallschicht fortschreitet. Bei parallelen Metallschichten entspricht die kollision* geschwindigkeit der Detonationsgeschvvindigkeit de; SprengmiUels. Man wendet z. B. ein Sprengmitte mit einer De'onationsgeschwindigkeit von etwa 2i0( bis 3400 m see an. Geht man von im Winkel auge ordneten Schichten aus. können Sprengmiitel mi¹ höheren Detonationsgischwindigkciten verwendet werden, da in diesem Fall die notwendige Kollisionsge schwindigkeit dun;h Wahl des Anfangswinkels und

ίο oder des Ladungsgewicht erreicht werden kann.

Für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbare Sprengmittel sind ι. B. in der Deutschen Offeulegungsschrift 1 577 108 teschrieben. Sie sollen vorzugsweise über jede Kante d«x Metallschicht, auf der die Sprengmittelschicht aufliegt, um mindestens die 2fai:he und gewöhnlich bis zu der 4.5fachen Materialstärke überstehen Hierdurch wird verhindert, daß an den Kanten die Bindung unzureichend ist und man über die gesamte Schicht maximale Bindung erhält. Es ist besonders bevorzugt, an allen Kanten der atifzuplattierenden Aluminiumschicht zusätzlich Ansätze. Vorsprünge oder Laschen vorzusehen, um die Verdünnung dieser Kanten beim Anlaufen des Plattierungsvorganges zu verringern. Diese Ansätze sollten gleiche Dichte und Stärke wie die Aluminiumschicht und eine Breite haben, die etwa dem Abstand entspricht, mit welchem der Sprengstoff über die zu plattierende Schicht überhängt.
Die zum Ziind>:n der Sprengmittelschichten, zur Abstützung der zur Plattierung vorbereiteten Anordnung, zur Vorbereitung der Metalloberflächen und zur sonstigen Beeinflussung des Plattierungsprozesses angewandte Te-chnik ist in den eingangs erwähnten Offenlegungs- bzw. Auslegeschriften beschrieben.

Wirksame Mittel zur Aufrechterhaltung des Abstandes sind in der LSA.-Patentscrtrift3205574 (nicht vorveröffentlichte deutfche Patentschrift I 261 379) und der USA.-Patentschrift 3 360 o48 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Verbindung von Aluminium- und Stahlwerk stoffen jeder Form. z. B. platten- oder rohrförmigen, anwenden Es gestattet somit die Herstellung von Altimmium-Stahl-Verbundwerkstoffen in Form von Platten. Blechen. Bändern. Stäben. Stangen. Rohren usw.; bevorzugt sind Verbundwerkstoffe nut Zwischenflächen von mindestens etwa 0.1 m·. imsbcsoiidcrs ebene Produkte.

Die erfindungsgemäß hergestellten Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffe sind brauchbar ;ils Vcrbindungsstücke in Konstruktionen und in tier Elektrotechnik, wo Al'jminium-Stahl-Verbindiingen erforderlich sind. Die erfindungsgenia'ß erhaltenen mehrschichtigen Metallkörper sind überall dort besonders wertvoll, wo die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen, z. B. beim Schweißen von Aluminium auf Stahl, verhindert werden muß: es braucht daher nur noch die Aluminiumseite des mehrschichtigen Metallkörpers mit dem Aluminium-Bauteil und die Stahlseite mit dem Stahl-Bauteil verbunden werden.

Dies gilt besonders für zweischichtige Gegenstände aus Aluminium mit einer Streckgrenze (vor dem Plattieren) <1200 kg/cm² mit Kohlenstoff- oder niedriglegiertem Stahl. Soll der Anschluß der Aiuminiumseite an ein Bauteil aus einer Aluminiumlegierung mit einer Streckgrenze >1200kg,'cm² erfolgen, kann es im Interesse einer maximalen Festigkeit an der Schweißstelle wünschenswert sein, ein dreischichtiges Verbindungsstück zu verwenden, vvel-

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rhes auf der Aluminiiimseite des zweischichtigen Materials noch eine hochfeste Aluminiumlegierung aufweist.

Die Werkstoffe können als Verbindungsstücke in jeder beliebigen Weise verwendet werden, z. B. als Verbindung von Aluminiumsammeischienen und stabförmigen Stahlkathoden. Eine typische Anwendung sind z. B. Zwischenteile im Schiffbau zur Verbindung lies Aluniiniumaufbaus mit dem Stahldeck. Dabei Ivird die Stahlseite auf einen Stahlrahmen aufgelchweißt, der seinerseits auf das Stahldeck aufgelchweißt wird; die Aluminiumseite kann direkt an (lern Aluminiumaufbau angeschweißt werden. Zwitchenteile können auch verwendet werden, um Itählerne Deckaufbauten, z. B. Poller, auf einem Aluminiumdeck zu befestigen. Beim Bau von Eisenbahntankwagen können die Zwischenglieder des Aluminiumtanks mit dem Stahlchassis zur Verbindung verwendet werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Die angegebene Kollisionsgeschwindigkeit ist bei paralleler Anordnung der zu verbindenden Teile die gemessene Detonationsge^chwindigkeit des Sprengmittels. Die Ermittlung der Metall-Metall-Bindung in Prozent ist im Rahmen der Beschreibung der F i g. 2 und 2 A angegeben.

Beispiele I bis 7

Auf eine abgestützte Stahl-Grundplatte — 45.7 -' 61 cm — wurde eine gleich große Aluminiumplatte in einem Abstand und parallel aufgelegt und auf der Außenseite der Aluminiiimplatte eine Sprengmittelschicht angeordnet. Die Zündung des Sprengmittels erfolgte von der Mitte der kurzen Kante aus. Bei jedem Beispiel wurden an der Aluminiumschicht Kantenansätze der gleichen Zusammensetzung und Stärke angewandt, die Bieile war das 4fache der Stärke, an allen vier Kanten der Aluminiumschicht waren die Ansätze angepunktet, die Sprengmittelschicht überdeckte die Aluminiumsc'vcht und die Ansätze. Das Sprengmittel war ein Granulat von 80% Ammoniumnitrat und 2O°/o Trinitrotoluol und

ίο 35 bis 55°/₀ des Gesamtgewichtes Natriumchlorid. Das Natriumchlorid innerhalb dieses Mengenbereiches diente zur Einstellung der gewünschten Kollisionsgeschwindigkeit.

Aus der Tabelle sind Einzelheiten über die Metallwerkstoffe, den Abstand zwischen den zu verbindenden Teilen, die Sprengstoff ladung, die Kollisionsgeschwindigkeit, den Aufschlagwinkel und die Art der erhaltenen Verbindung ersichtlich. Die für Aluminium und Stahl angegebenen Streckgrenzen sind ihre tatsächlichen Streckgrenzen vor der Plattierung. Die Stahlplatten waren normalisiert, das Aluminium entsprach der angegebenen Spezifikation (Aluminium-Association). Sämtliche Produkte sind über mehr al: 90°/₀ der welligen Zwischenfläche verbunden, könner an der Bindungszone nicht mit dem Meißel getrenn werden und zeigen beim Zugversuch einen Ver formungsbruch. Die Verbundwerkstoffe weisen in dei Bindezone Scher- und Zugfestigkeiten über denen de: schwächeren Plattierungspartners auf. Messungen de:

elektrischen Widerstandes an aus den Plattierungs produkten geschnittenen Stäben ergaben, daß bein Übergang des Stromes durch die Verbundzone in wesentlichen keine Widerstandserhöhung auftritt.

	Sor^G	Aluminium	i Streckgrenze	Sorte	Stahl	i Streckgrenze
Beispiel		! Dicke	: kg/cm2		Dicke	kg/cm -
	1100-H12	cm	I 840	C 1008 '[	cm	2250
1	1100-H12	I 1.27	: 840	C 1008	3.81	! 2250
2	6061-O	2.54	: 560	C 1008	3λ1	2250
3	1100-H14	! 1.27	1200	C 1008	3.81	2250
4	1100-H14	j 1.27	1200	A-212-B** .	3.81	3450
5	3003-O	I 0.477	420	C 1008	15,25	2250
6	1100-H12	i 1.27	840	C 1008	3.81	2250
7	2.54		3.81

A-516-Grade70.

Beispiel	Abstand	Sprengladung	Kollisions geschwindigkeit	Aufschlagwinkel	Direkte Binduns Al-Stahl
	cm	kg/cm2*	m see		Γ. /η
1	3,81	73.20	2520	18	98
2	5.72	117.12	2650	16	98
3	.3,81	78.08	2710	16	94
4	5.38	58.56	2S5O	17.5	92
	2.54	43.92	3020	17.5	85
	3.81	73.20	3160	16	77
7	6.35	102.48	3300	16.2	75

* einschließlich Gewicht des Natriumchlorids.

Qualitativ gleiche Verbundwerkstoffe erhält man. wenn die Anordnung der beiden Platten vor dem Plattieren in einem geringen Winket (2^:) stattfand, jedoch an den einander näher liegenden Kanten der Platten der genannte Abstand eingehalten wurde.

Auch dreischichtige Werkstoffe (Aluminium/Stahl/ Aluminium) entsprechender Qualität werden erhalte wenn man an jeder Seite einer Stahlplatte eine AI miniumplatte und auf jeder Aluminiumplatte ei Schicht aus gleichem Sprengmittel anordnet und c beiden Schichten gleichzeitig an den entsprechend' Stellen zündet.

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Beispiel 8

Mit Hilfe des in den Beispielen 1 bis 7 beschriebenen Verfahrens wurde eine 40 χ 80 χ 0,64 cm Aluminiumplatte (110Ü-H14) auf eine ebenso große, jedoch 12,8 mm starke Stahlplatte (ASTM A-516-GR55) mit einer Streckgrenze von 2670 kg/cm² aufgebracht. Die Kollisionsgeschwindigkeit betrug 3060 m/sec, der Aufschlagwinkel 19°.

Das so erhaltene Verbundmaterial war über mehr als 90% der Zwischenfläche durch eine wellenförmige Verbindung gebunden, wobei die unmittelbare Bindung Aluminium—Stahl etwa 85% betrug, Das Produkt ließ sich in der Verbindungszone mit dem Meißel nicht trennen und zeigte im Zugversuch Verformungsbruch. Die Scher- und Zugfestigkeit an der Bindungsstelle waren höher als die entsprechenden Werte des Aluminiums vor dem Plattieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. ordneten Inseln von erstarrter Schmelze besieht.

   verbunden ist, bei welchem Verfahren der im Absland I. Verfahren zum Herstellen eines mehrschich- und parallel oder unter einem Winkel von weniger tigen Metallkörper^ aus einem Siahlpartner mit als 5 über dem anderen Partner angeordnete und einer Streckgrenze in normalisiertem Zustand bis 5 mit einer Sprengmittelschicht überdeckte eine Partner etwa 4220 kg/cm- und einem Aluminiumpartner durch Zünden der Sprengmittelschicht mit einem mit einer Streckgrenze bis etwa 1200 kg/cm-, der bestimmten Aufschlagwinkel und einer Kollisionsiiber zumindest 90% der Zwischenfläche Stahl— geschwindigkeit von zumindest 1200 m/sec, jedoch Aluminium durch eine im wesentlichen diffusions- weniger als 120% der Schallgeschwindigkeit des lose, wellenförmige, metallurgische Bindung, die io Partners mit der höchsten Schallgeschwindigkeit verzumindest zu 70% aus einer direkten Aluminium- bunden wird.

   Stahl-Bindung und im übrigen aus periodisch irr Es sind verschiedene Verfahren zum Spreng-

   Abstand angeordneten Inseln von erstarrter plattieren gleicher oder unterschiedlicher Werkstoffe Schmelze besteht, verbunden ist, bei welchem bekanntgeworden. Es wurden an vielen Stellen die bei Verfahren der im Abstand und parallel oder unter 15 der Sprengplattierung auftretenden Phänomene unter- einem Winkel von weniger als 5⁼ über dem anderen sucht und theoretische Deutungen der unterschied-Partner angeordnete und mit einer Sprengmittel- liehen Bindungsarten gesucht, schicht überdeckte eine Partner durch Zünden Mit Hilfe dieser bekannten Verfahren lassen sich

   der Sprengmittelschicht mit einem bestimmten drei Arten von metallurgischen Bindungszonen er-Aufschlagwinkel und einer Kollisionsgeschwindig- 20 halten:

   keil von zumindest 1200 m see jedoch weniger als j _{Direkte Me}t_all-Metall-Bindung_:

   120% der Schallgeschw.nd.gken des Partners _{2 eine einheitliche} Schmelzschicht;

   nut der höchsten Schallgeschwindigkeit verbun- 3 _{ejne Mischung aus diesen} beiden Arten, ange-

   den wird, d a dur ch g e k e η η ζ e 1 c h η e t, _{Qldmt jn ejnem WeIlenmuster}.

   daß mit einem Aufschlagwinkel von etwa 14 bis 25

   25 unter Einhaltung einer Kollisionsgeschwindig- »Direkte Metall-Metall-Bindung« heißt, daß die

   keit von etwa 2500 bis 3400 m/sec verbunden Metallteile an ihren ζueinandergtkehrten Flächen wird. miteinander so verbunden sind, daß in der Zwischen-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- fläche keine Schicht aus einer verfestigten Schmelze leichnet, daß unter Einhaltung einer KoHisions- 30 vorliegt. Unter «einheitliche Schmelzschicht« versteht geschwindigkeit von mmi? dest etwa 2600 m/sec man eine Verbindungszone, bei der die Metallteile verbunden wird. über eine Zwischenschicht aus verfestigter Schmelze
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch von im wesentlichen homogener Zusammense'zung gekennzeichnet, daß mit einem Aufschlagwinkel gebunden sind und somit im wesentlichen zwei von höchstens 20 verbunden wird. 35 Zwischenflächen vorliegen. Wie aus einem Schnitt
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch senkrecht zur Zwischenfläche und parallel zur Detonagekennzeichnet. daß ein Aluminiumpartner aus tionsrichtung zu erkennen ir,t, ergibt sich im dritten reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung Fall die wellenförmige Bindezone dadurch, daß mit weniger als 2,1 Gewichtsprozent Magnesium bestimmte Bereiche von verfestigter Schmelze sich -r Silicium mit dem Stahlpartner verbunden 40 periodisch wiederholend im Abstand zwischen Beivird. reichen einer direkten Metall-Metall-Bindung wie
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch Inseln oder Taschen verteilt sind. Dies bedeutet, daß gekennzeichnet, daß ein Abstand der parallel zu- ohne Rücksicht auf den Typus der Bindung bei «inander angeordneten Partner von etwa dem 1- durch Sprengplattierung erhaltenem Verbundmaterial lis 6fachen der Dicke des von der Sprengmittel- 45 im wesentlichen keine Diffusion an irgendeiner lchicht überdeckten Partners eingehalten und Zwischenfalle erfolgt.

   •ine Sprengmittelschicht von etwa dem 0.2- bis Bei allen zu verbindenden Metallteilen führt die

   !fachen dessen Gewichts je Flächeneinheit ver- Schmelzschichtbindung zu einem Produkt von hoher Sendet wird. Scherfestigkeit; bei Metallsystemen, die duktile Le-
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5. dadurch 50 gierungen bilden, ergibt diese Bindungsart ein Pro-

   Sekennzeichnet. daß vor dem Zünden der von dukt, das sich sehr weitgehend umformen läßt. Wenn er Sprengmittelschicht überdeckte Partner die allerdings spröde Legierungen oder intermetallische Kanten des anderen Partners um mindestens die Phasen gebildet werden, muß eine eventuell gebildete !fache Dicke überragt. Schmelzschicht extrem dünn sein (z. B. 'ΊΟμπι, vor-

   55 zugsweise <1 μηι), wenn das Produkt die zum Um-

   formen notwendigen Eigenschaften aufweisen soll.

   Auch die Plattierungsschicht oder die Auflage muß dann verhältnismäßig dünn sein, d. h., ihre Dicke

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen muß <3,2 mm betragen. Aus diesem Grunde ist bei eines mehrschichtigen Metallkörpers aus einem Stahl- 60 Metallsystemen, die spröde Legierungen oder spröde partner mit einer Streckgrenze in normalisiertem intermetallische Verbindungen bilden, ein Bindungs-Ztistand bis etwa 4220 kg/cm² und einem Aluminium- typ zu bevorzugen, bei dem in großem Ausmaß die partner mit einer Streckgrenze bis etwa 1200 kg/cm², direkte Metall-Metall-Bindung besteht und darin.ien der über zumindest 90% der Zwischenfläche Stahl— isolierte Inseln von Schmelzen vorliegen. Dies ist Aluminium durch eine im wesentlichen diffusionslose, 65 einer der Gründe, warum die wellenförmige Bindung wellenförmige, metallurgische Bindung, die zumindest mit einem Hauptanteil an Metali-Metall-Bindung zu 70% aus einer direkten Aluminium-Stahl-Bindung bevorzugt wird. Die wellenförmige Bindungszone ist und im übrigen aus periodisch im Abstand ange- im allgemeinen auch gegenüber der im wesentlichen