DE2057855A1 - Verfahren zum Herstellen von Laengen eines Mehrschichtverbundes aus UEbergangseinsatzmaterial - Google Patents

Description

DipJ-Chem. W. ROCKER Dipl.-lng. S. LEINE

PATENTANWÄLTE 3HANNOVER Burckhardtstraß· 1

24. November 1970

KAISER ALUMINUM & CHEMICAL CORPORATION

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Verfahren zum Herstellen von Längen eines Mehrschicht-Verbundes aus Übergangseinsatzmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Längen eines relativ dicken Mehrschichtverbundea aus Übergangseinlagematerial, das sich inabesondere zum Verbinden von Stahl und anderen Eisenwerkstoffen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen duroh herkömmliche SohmelzBchweißverfahren eignet. Der Ausdruck ••Aluminium" wird hiernach als Gattungsbegriff einschließlich der Aluminiumlegierungen verwendet.

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Beim Aufbau sowie bei der Verwendung von kälteerzeugenden und elektrischen Leitern hat es sich oft als wünschenswert erwiesen, Stahl und andere Eisenwerkstoffe mit Aluminium zu verbinden. Normalerweise sind mechanische Verbindungen zwischen Aluminium und Eisenstoffen wegen der zwischen diesen Werkstoffen auftretenden Spaltkorrosion nicht erwünscht. Das Schweißen der Eisenstoffe mit Aluminium auf dem Wege der üblichen Schmelzschweißverfahren ist aufgrund der Bildung von Zwischenmetallverbindungen wie AlPe₃. an den Grenzflächen zwischen dem Aluminium und den Eisenstoffen nicht gefragt, wodurch sich eine äußerst spröde Bindung zwischen dieaen Stoffen ergibt»

Um die in Zusammenhang mit dem mechanischen und durch Schweißen erzielte Verbinden von Eisen und Aluminium auftretenden Probleme zu vermeiden, wurde der Übergangseinsatz geschaffen, der als ein Mehrschichtverbund mit verhältnismäßig dicker Eisenschicht auf der einen und mit verhältnismäßig dicker Aluminiumschicht auf der anderen Seite ausgebildet ist. Die Eisenseite kann mit dem Eisenglied und die Aluminiumseite mit dem Aluminiumglied schmelzgeschweißt werden.

Das Verbundmaterial muß selbst so beschaffen sein, daß es zur Aufrechterhaltung der bajulichen Integrität zwischen den mit dem Verbundstoff verschweißten Eisen- und Aluminiumgliedern ausreichende Festigkeit besitzt« Bisherige Verfahren zum Ausbilden dieses Übergangseinsatzmaterials, z.B. geschmolzenes Aluminium auf ein Eisenteil zu gießen, waren im allgemeinen nicht zufrieden-

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stellend, weil sich an der Grenzfläche zwischen dem Eisen- und dem Aluminiumteil große Mengen von intermetallischen Verbindungen bildeten, die eine dem Verschweißen eines Eisenmit einem Aluminiumglied gleich spröde Bindung ergaben. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß das mit einem Eisenstück im Preßschmelzverfahren verschweißte Aluminiumstück einen Verbund eingeht, in dem die Bildung intermetallischer Verbindungen an der Grenzfläche zwischen den beiden Metallen im wesentlichen vermieden wird. Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, einen derartigen Übergangseinsatz ohne die Bildung von großen Mengen intermetallischer Verbindungen an der Grenzfläche herzustellen, und zwar durch explosives und einwalzendes Binden. Der durch das Preßschmelzverfahren zwisohen einem Aluminium- und einem Eisenstück hergestellte Verbund stellt eine fehlerfreie metallurgische Preßschweißverbindung zwischen den beiden Werkstoffen dar. Obwohl mit den nachstehenden Ausführungen keine Beschränkung beabsichtigt ist, wird angenommen, daß die während des Verbundwalzens des Aluminiums mit dem Bisenteil auftretende Längung und Verformung den dünnen Oxydfilm sowohl auf dem AIu^- minium- als auch auf dem Bisenteil fragmentiert, wodurch eine innige gegenseitige Metallberührung zustandekommt, um eine einwandfreie metallurgische Preßschweißverbindung zu ergeben. Die Verbundgrenzfläche zeichnet sich durch hohe Festigkeit aus, die im wesentlichen so groß ist wie das Aluminiumteil, und weist uurch das Fehlen von intermetallischem AlFe, einen geringen spezifischen Widerstand auf. Im Explosionsverbundverfahren bewirkt augenscheinlich der aus dem Auftreffbereich mit hoher

Geschwindigkeit kommende Düsenstrom, daß die sich auf den in

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Verbund zu bringenden Oberflächen befindlichen Oxyde oder Oberflächenverunreinigungen fragmentiert und entfernt werden.

Die bekannten Verbundwalzverfahren, die nur darin bestehen, daß die verschiedenen Bauelemente lose und sandwichartig zusammengefügt werden, um dann durch Walzen geführt zu werden, sind von Nachteil, weil eine seitliche Relativverschiebung der unterschiedlichen Bauelemente während des Walzvorganges auftritt, wodurch die auslaufenden Enden des Sandwiches sich fischschwanzartig ausbreiten. Durch diese Wirkungsweise muß die Länge des auszuwalzenden Werkstoffes in engen Grenzen gehalten werden.

Die seitliche Auslenkung oder Auswanderung wird hauptsächlich durch die mehr auf der einen als auf der anderen Seite auftretende differentielle Verringerung des Aluminiumgliedes verursacht. Hierdurch erfährt eine Seite des Aluminiumgliedes eine längere Ausdehnung als die andere und erzeugt eine senkrechte Krümmung oder seitliche Auslenkung des Aluminiumgliedes in bezug auf das Eisenglied. Durch die senkrechte Verkrümmung des Aluminiumgliedes wird dieses Glied in bezug zum Eisenglied verschoben, wodurch die Ausrichtung weiterhin in Mitleidenschaft gezogen wird, weil der Teil des Aluminiumgliedes, unter den das Eisenbauelement nicht zu liegen kommt, nicht wesentlich durch den Walzvorgang reduziert wird. Hierdurch ergibt sich das sogenannte fischschwanzartige Auseinandergehen, durch das der Prozentsatz der Ausbeute an Übergangseinsatzmaterial wesentlich herabgesetzt wird und wodurch die herstellbare Stücklängengröße stark begrenzt ist.

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Es ist Zielsetzung der Erfindung, ein verbessertes ¥erbundwalzverfahren zu schaffen, in dem große Längen von Übergangseinsatzmaterial bis zu 7»5 ^m oder darüber hinaus verbunden werden können, ohne daß dabei die bekannten Schwierigkeiten der seitlichen Auslenkung der Aluminiumglieder auftreten.

Nach der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Herstellen eines relativ dicken Mehrschichtverbundes, das gekennzeichnet ist -* durchι

A. Auswählen eines gesonderten Eisenplattenbauelementes, eines gesonderten Aluminiumplattenbauelementes und zweier aus Aluminium bestehender Seitenstäbe, wobei die Aluminiumplatte i. wesentlich größere Verformbarkeit aufweist als das Eisenbauteil bei Verbundtemperatur und

ii.im wesentlichen so breit ist wie die zusammengesetzte Breite der Eisenbauteile und der AluminiumSeitenstäbe,

und die Aluminiumseitenstäbe im wesentlichen die gleiche Verformbarkeit aufweisen wie die Aluminiumplatte, und zwar von einer Breite, die wenigstens deren Dicke entsnricht,

B. Säubern der aufeinandertreffenden Oberflächen der Bauteile,

C. Vorbereiten einer Mehrschicht-Vorverbundeinheit, die aus

der zur Eisenplatte im wesentlichen längs- und querverlaufend ausgerichteten Aluminiumplatte besteht, deren Kanten im wesentlichen zu einem gleichwertigen Betrag über die Kanten des Eisenbauteile hinausragen und deren Seitenstäbe an der Stirnseite des eich streokenden Teils der Aluminiumplatte

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neben dem Eisenbauteil derart befestigt ist, daß während der Verbundtemperatur ein zwischen 0,125cm und 1,25 cm liegender Spalt zwischen jedem Seitenstab und dem Eisenplattenbauteil besteht, wobei die Dicke der Seitenstäbe so bemessen ist, daß jeder Seitenstab von der Stirnseite der Aluminiumplatte bis zur Höhe der abgewandten Fläche des Eisenplattenbauteils verläuft,

D. Erhitzen der Mehrschicht-Vorverbundeinheit bis auf eine zwischen ungefähr 240 und 540 C liegenden Temperatur und

E. einstufige Reduktionsbehandlung der Einheit oder Anordnung, wobei das plastisch mehr verformbare Bauteil wenigstens um 12 io in der Dicke reduziert wird, um ein Übergangseinsatzmaterial zu ergeben, das eine Eisen- und eine Aluminiumseite von ausreichender Stärke aufweist, um im Schmelzschweißverfahren bearbeitet werden zu können.

Die beim Verbund aufeinandertreffenden Oberflächen werden Torzugsweise mit einem Schleifreinigungsmittel und durch Absanden gereinigt, worauf dann die Bauteile zu einer Mehrschicht-Vorverbundeinheit zusammengefügt werden. Daraufhin werden die Vorverbundeinheiten bis auf wenigstens 240 C jedooh unterhalb der Temperatur erhitzt, bei der eine der Legierungen in den flüssigen Zustand übergeht. Normalerweise müssen die Einheiten jedoch bis über 540 G erhitzt werden. Bei den niedrigeren Temperaturen ist der Unterschied zwischen der Warmhärte des Aluminiumbauteils neben dem Eisenbauteil und des Bisenbauteils normalerweise

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nicht hinreichend groß genug, um eine adequate Verformung des Aluniniumba.,teils zu ermöglichen, so daß sich ein fester metallurgischer Preßschweißverbund ergibt. Bei den höheren Temperaturen besteht die Tendenz zur Bildung einer verhältnismäßig dicken Oxydschicht auf den aufeinandertreffenden Oberflächen, wodurch die Wirksamkeit des Verbundes vermindert wird. Es ist vorzuziehen, die Mehrschichteinheiten so bald wie möglich nach Erreichen der Walztemperatur im Verbundwalzverfahren zu bearbeiten. Es hat sich hierbei herausgestellt, da;i normalerweise die Mehrschichteinheit wegen der Bildung von großen Mengen von Oxyden auf den Werkstoffoberflächen nicht über eine Stunde hinaus bei Walzverbundtenrneratur gehalten werden sollte. Hiernach wird die Einheit in einem einmaligen Durchgang gewalzt, um einen festen Preßverbund zu ergeben. Um zu erreichen, daß die über eine Flächeneinheit reichende Verbindung eine große Festigkeit aufweist - zum Unterschied zu der Verkleidung oder Umhüllung, die pro Flächeneinheit nur eine sehr kleine Festigkeit besitzt - , muß das neben dem Eisenbauteil liegende Aluminiumbauteil, gleichviel ob es sich um eine Verbundschicht oder um eine Deckolatte handelt, wenigstens um 12$, vorzugsweise ,iedoch um einen Betrag zwischen 20$ und 50$ verformt werden, um einen wirksamen Verbund zu bilden. Obgleich mehrmaliges Durchlaufen des Walzwerkes beabsichtigt ist, sollte ,jedoch ein einmaliger Durchgang eine Reduzierung des benachbart zum Eisenbauteil liegenden Aluminiumbauteils um wenigstens 12$ erzielen.

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Falls der Übergangseinsatz in Tragfestigkeit bestätigenden Einsatz kommt, muß das Aluminiumbauteil normalerweise ziemlich kräftig ausgebildet sein. Um jedoch einen festen Verbund zwischen dem Aluminum- und dem Eisenbauteil zu erreichen, muß ein großer Härtegradunterschied bei der Walzverbundtemperatur bestehen. Mit Aluininiumlegierungen von großer Festigkeit wie die der ΫΟΟΟ und 2000er Serien (Kennzahlen der Aluminium Association) liegt der Warmhärtegrad im allgemeinen nicht hinreichend tiefer als der des Eisenbauteils, um beide durch Walzverbund zu vereinigen. Deshalb ist es ratsam, ein Aluminiummaterial von wesentlich größerer Verformbarkeit zwischen der starken Aluminiumlegierung und dem Eisenbauteil einzulegen. Angemessene Beispiele derartiger Aluminiumwerkstoffe mit größerer Verformbarkeit stellen die Legierungen 1100 und 3003 dar. Die weiche oder mehr verformbare Zwischenschicht muß anfangs wenigstens 0,5 mm dick sein, um einen wirksamen metallurgischen Verbund zu ergeben. Falls der Übergangseinsatz als elektrischer Leiter verwendet werden soll, z.B. als Anodenstabanordnung in Aluminium-Reduktionszellen, dann ist die Leitfähigkeit und nicht die Festigkeit von größerer Bedeutung. In diesem Falle besteht gewöhnlich nicht die Notwendigkeit für eine widerstandsfeste Aluminiumlegierung, und es ist demzufolge nur erforderlich, eine Legierung wie 5003 und 1100 von hoher Leitfähigkeit in Verbindung mit dem Eisenwerkstoff zu verwenden.

Die Punktion des Obergangeeinsatzes besteht nach den vorausgehenden Darlegungen in der Erleichterung, die Aluminiumseite

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des Einsatzes mit einem Aluminiumbauteil und die Eisenseite des Einsatzes mit dem Eisenbauteil im Schmelzschweißverfahren zu verbinden. Notwendigerweise muß die Dicke oder Stärke der Aluminiumseite und der Eisenseite des Übergangseinsatzes dick genug sein, um geeignete Werkstoffe für den Schmelzschweißvorgang zu haben. Im allgemeinen sollte die für die 'Verbundgrenzfläche zwischen dem Aluminiumbauteil und dem Bisenbauteil normale Stärke wenigstens 1 cm nach durchgeführtem Verbundwalzen betragen, obgleich die Bauteile auch dünner sein können, wenn die notwendigen Vorsichtsmaßregeln während des Walzvorganges getroffen werden, um eine Bildung von intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche des Eisenbauteils und des daran anliegenden Aluminiums zu vermeiden.

Es werden hiernach einige Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt. Es zeigern

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorverbund-Mehrschichteinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Pig. 2 einen Schnitt eines anderen Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. 3 und 4 einen Querschnitt weiterer Ausführungsbeispiele nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Draufsicht der fischschwanzartigen Spreizung, die bei herkömmlichen Verbundwalzverfahren auftritt und

Fig. 6 und 7 Draufsichten von Segmenten der Mehrschichteinheit beim Durohgang zwischen den Walzen, wobei

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to

die beim Auswalzen entwickelten Kräfte idealisiert dargestellt sind. Die Fig. 6 gibt den unter abgeglichenen Bedingungen und Fig. 7 den unter unabgeglichenen Bedingungen durchgeführten Walzvorgang wieder.

Fig. 1 stellt eine Mehrschichteinheit dar zum gleichzeitigen Herstellen durch Verbundwalzen zweier Längen aus Übergangseinsatzmaterial. Hierbei besteht die Einheit aus den Deck- und Bodenplatten 1, zwischen denen die Bisenschichten 2 liegen, die eine geringere Breite aufweisen als die Deckplatten 1, so daß ein länglicher Grenzraum, der mit den Bezugszeichen A und B gekennzeichnet ist, zwischen den Platten 1 auf jeder Eisenseiten oder -schichten 2 gelassen wird. Der äußerste Teil jedes Grenzraumes wird mit einem Seitenstab 3 gefüllt, der vorzugsweise durch Schweißen bei 4 mit der Unter- oder Innenseite des üermäßig ausgeweiteten oberen Teils und der Oberseite des unteren Teils der Deckplatten 1 befestigt ist. Ein Zwischenraum oder Spalt 5 bleibt zwischen den Seitenstäben 3 und den Eisenschichten 2 bei Walverbundtemneratur bestehen. Weiche Aluminiumzwischenschichten 6 sind zwischen den Deckplatten 1 und den Eisenschichten 2 eingelegt. Da während des Verbundwalzvorganges die Eisenschichten 2 nicht miteinander verbunden werden, ergibt es sich, daß die beschriebene Mehrschichteinheit gleichzeitig zwei Längen Übergangsmaterial liefert, die als dreischichtig angesehen werden können. Zusätzlich wird die Einheit - weil beide Längen einander gegenüber liegen - vertikal ausgeglichen und rollt sich deshalb beim Verlassen der Walzen nicht in vertikaler Richtung auf. Aus diesen Gründen ist die in Fig. 1 gezeigte Mehrschichteinheit

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den in Pig. 3 und 4 mit gleichen Bezugszeichen gezeigten Ausbildungen vorzuziehen.

Die Mehrschichteinheit der Fig. 2 stellt aus den gleichen für Fig. 1 in Anspruch genommenen Gründen gleichfalls ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Diese Anordnung unterscheidet sich von der in bezug auf Fig. 1 beschriebenen nur durch das Weglassen der Zwischenschichten 6 und kann so beschrieben werden, da4 sie zwei Längen aus zweischichtigem Übergangseinsatzmaterial liefert.

Das in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeisniel stellt im wesentlichen die Häufte des in bezug auf Fig. 1 beschriebenen dar, wobei die Höhe der Seitenstäbe 3 entsprechenderweise reduziert ist, so daß deren obere Flächen im wesentlichen mit der Oberfläche der Eisenschicht 2 planparallel verläuft. Gleichermaßen stellt auch die Ausführungsform der F₁-g. 4 im wesentlichen die Hälfte des in bezug auf Fig. 2 beschriebenen dar. Obgleich die Ausführungsbeispiele der Figuren 3 und 4 nicht vertikal abgeglichene Mehrschichteinheiten sind und nur eine Länge aus Übergangseinsatzmaterial liefern, stellen sie tatsächlich brauchbare Ausführungsformen der Erfindung dar.

In allen Ausführungsformen der Erfindung müssen die Seitenstäbe im wesentlichen so verformbar sein wie die Aluminiumdeckplatten. Zusätzlich müssen die Seitenstä^be eine Breite von wenigstens der gleichen Bemessung wie deren Dicke, Vorzugsweise jedoch eine größere Breite aufweisen. Hinzu kommt, daß

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- is, ~

die Dicke der Seitenstäbe gleich oder geringfügig über der Dicke der Eisenschicht beim Ausbilden des Zweischicht-Verbundes liegen sollte und daß beim Ausbilden des Dreischicht-Verbundes die Dicke der weichen Zwischenschicht gleich oder geringfügig größer bemessen sein sollte. YiTie nachstehend noch zu erläutern sein wird, sollten sich die Seitenstäbe nicht mehr als 0,3 cm über die Kante der Aluminiumdeckplatte, noch die Aluminiumdeckplatte sich mehr als 0,3 om über die Seitenstäbe hinaus erstrecken. Die gegebenenfalls verwendete Zwischenschicht sollte wesentlich dünner sein als sowohl die Eisenschicht als auch das feste Aluminiumbauteil, unter allen Umständen sollte sie jedoch dicker als 0,5 ae sein.

In den bereits beschriebenen bekannten Walzverbund-Übergangseinsatzstoffen gab es hauptsächlich aufgrund der seitlichen Auslenkung des Aluminiumteils in bezug zum Eisenteil beim Verbundwalzverfahren eine prozentual geringfügige Ausbeute. Dieses seitliche Auslenken des Aluminiumteils beruht auf der differentiellen Längung zwischen den Seiten des Aluminiumteils. Hierfür gibt es mehrere Gründe. Es kann z.B. die Aluminiumdeckplatte von Rand zu Rand an Dicke zunehmen und dann beim Walzen derselben sich der dickere Rand mehr ausdehnen als der dünnere Rand, wodurch sich die Aluminiumdeckplatte relativ zum Eisenteil in Richtung auf den dünneren Rand verschiebt. Diese Verschiebung relativ zum Eisenteil (das normalerweise nur eine geringfügige Verringerung in der Dicke erfährt) verursacht, daß sich der Rand der Aluminiumdeokplatte weiter über den Rand des Eisenteils hinaus erstreckt. In diesem Falle nimmt die Aus-

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lenkung zu, da das sich über den Rand des Eisenteils erstreckende Aluminium nur geringfügig reduziert wird, wodurch sich der in Fig. 5 gezeigte Spreizeffekt ergibt. Weitere Paktoren, wie die Beschaffenheit des Stahlteils mit zunehmender Dicke von einem Rand zum anderen, rufen die gleiche Wirkung hervor, da sich die über dem dicken Rand des Stahlteils befindliche Fläche der Aluminiumdeckplatte während des Walzvorganges mehr ausdehnt als die Fläche der Deckplatte über dem inneren Rand des Eisenteils, wodurch die seitliche Auslenkung und schließlich das Bintßten der oben erwähnten Spreizwirkung begünstigt werden.

Es hat sich herausgestellt, daß die Zusammenstellung der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Mehrschichteinheiten unter Verwendung der dort gezeigten Seitenstabbauweise diese seitliche Auslenkung im wesentlichen unterbindet und es demzufolge ermöglicht, daß größere Längen aus ÜbergangseinsBbzmaterial hergestellt werden können. Die Seitenstäbe wirken jedoch nicht nur dahingehend, die relative Bewegung zwischen den verschiedenen Bauteilen der Mehrschichteinheit physikalisch zu beschränken. Es wird angenommen, daß beim Yerbundwalzen mit den Ausführungsbeispielen der Erfindung seitlich Kräfte auf beiden Seiten der Mehrschichteinheit dadurch erzeugt werden, daß der Abschnitt C der Deckplatte (siehe Fig. 2) die Tendenz hat, sich während des Walzvorganges mehr als Abschnitt A und B der Deckplatten auszudehnen, d.h. daß beim Eintreten der Baueinheit in den Walzspalt die Walzkräfte den Abschnitt C der Deckplatte mehr als die Abschnitte A und B und den Abschnitt A mehr als den

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Abschnitt B zur Ausdehnung bringen. Beim Verlassen der Walzen wird jedooh der führende oder Vorderrand der Mehrschichteinheit im wesentlichen geradlinig verlaufen.

Es wird angenommen, daß im Walzspalt die Dehnung des Abschnitts C der Deckplatte den Abschnitt B streckt. Gleichermaßen trägt die Dehnung von Abschnitt A auch zur Strefckung von Abschnitt B bei, jedoch nur bis zur Länge von A. Hinzu kommt, daß die Dehnung von Abschnitt C über Abschnitt B wirksam werden muß, um den Abschnitt A bis auf die im wesentlichen gleiche Länge wie Abschnitt C zu strecken. Es ist zu bemerken, daß die Dicke von Abschnitt B nicht reduziert wird durch das normale Walzwerk sondern durch die Längung dieses Abschnittes, die durch Abschnitte A und C erzielt wurde. Die aufgrund der Streckung dieser Abscnnitte während des Walzvorganges in den Abschnitten A, B und C (in Fig. 6 schematisch dargestellt) erzeugten Zugkräfte bilden die Kraftvektoren V mit den Komoonenten V. in Walzrichtung und den Komponenten V_ in der zur Walzbewegung quer verlaufenden Richtung. Diese Kraftvektoren bestehen jedoch nur im Walzspalt. Bei abgeglichenen Walzbedingungen, d.b. unter Bedingungen, bei denen keine seitlichen Auslenkungen der Aluminiumdeckplatte relativ zum Eisenbauteil hervorgerufen werden, haben die Kraftvektoren auf beiden Seiten der Mehrschichteinheit gleiche Größe (Fig. 6). Jedoch herrschen in der Praxis unabgeglichene Kräfte vor (siehe Fig. 7)> weshalb der Schichtaufbau nach der Erfindung selbsttätig sich abgleichende Bedingungen schafft, was nachstehend noch beschrieben wird. Wenn z.B. die zwischen die Walzen eintretende Aluminiudeckplatte eine

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veränderliche Dicke aufweist, die von links nach rechts zunimmt, tendiert das dickere Teil der über dem Eisenteil liegenden Decknlatte dazu, gestreckt zu werden, und zwar mehr als die dünneren Teile der über dem Bisenteil liegenden Deckplatte. Wie bereits erwähnt, würde sich hierdurch die Deckplatte relativ zum Eisenteil in der Richtung des dünneren Randes der Deckplatte bewegen, wodurch sich der Spalt zwischen dem Seitenstab und dem Eisenteil auf der linken Seite der Mehrschicliteinheit vergrößern würde. Durch diesen vergrößerten Spalt ninrat das Zugkraftdifferential zwischen den Abschnitten C und B zu, weil der Abschnitt B im Vergleich zum Abschnitt C nur sehr geringfügig in seiner Dicke vermindert (und gestreckt) wird, wodurch der Kraftvektor auf der linken Seite zunimmt. Diese relative Bewegung vermindert auch noch den Spalt auf der rechten Seite, wodurch der Kraftvektor auf der rechten Seite vermindert wird. Das Kraftvektordifferential der linken und der rechten Seite erzeugt eine Biegebewegung im Walzenspalt, wodurch die üluminiund^ckplatte und die Seitenstäbe nach rechts bewegt werden, um somit die Tendenz auszugleichen, daß sich das Material nach links bewegt. Mehrere Faktoren beeinflussen die Größe der Kraftvektoren, z.B. können eine zunehmende Abnahme der Dicke, niedrigere Temperaturen und stärkere Aluminiumlegierun.^en die Größe der sich ergebenden Kraftvektoren erhöhen. Es hat sich herausgestellt, daß die Transversalkomponenten der Kraftvektoren beim Verbundwalzen einer stabilen Aluminiumlegierung (7039) mit einem Stahlteil ausreichend groß waren, die 7039 Deckplatte beim Eintritt in den Walzspalt zu biegen. In einigen Fällen ist bei zu großem Spalt, bei zu niedriger Temperatur, oder

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zu hoher Warmhärtung der Aluminiumdecknlatte das in Längsrichtung zwischen dein Abschnitt G und dem Abschnitt B der Deckplatte bestehende Differential der Zugkräfte groß genug, die Aluminiumdeckplatte längs der Kante des Eisenteils abzuscheren. Diese Scherungstendenz kann durch eine Zunahme in der Dicke der Seitenstäbe bis zu einem Betrag von lOfo der Dicke des Eisenteils und der weichen Zwischenschicht auf ein Mindestmaß beschränkt werden, wenn die Dreifachschicht hergestellt werden soll.

Während der Verbundwalztemperatur kann der SOaIt oder der räumliche Abstand zwischen den Seitenstäben und dem Eisenteil mindestens ca. 0,125 bis ca. 1,25 cm betragen. Ein Mindestmaß von 0,125 cm ist erforderlich, um die Ausgleichsbewegung und das Zustandekommen ausreichender Kraftvektoren zu ermöglichen, um die sich selbst abgleichenden Verhältnisse der Mehrschicht einheit aufrechtzuerhalten. Bei einem wesentlich über 1,25cm liegenden räumlichen Abstand weisen die in Längsrichtung wirkenden Zugkräfte derart hohe #erte auf, daß es zur Scherung der Deckplatte im Randbereich des Eisenteils kommt.

Beim Zusammensetzen der Vorverbund-Mehrschichteinheit bis zu einer Breite von ca. 300 cm brauchen die Seitenstäbe nur gegen die Seiten des Eisenteils in Stellung gebracht und dann mit den Aluminiumlegierungs-Deckplatten verschweißt zu werden. Beim Erhitzen der Einheit auf Verbundwalztemperatur reicht das

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zwischen dem E^senteil und der Aluminiumdeckplatte bestehende Wärmeausdehnungsdifferential aus, einen Spalt bis zu 0,8 cm zu bilden·

Wenn die Ränder der Seitenstange mehr als 0,3 cm über die Ränder der Deckplatte hinauslaufen oder umgekehrt, ist das Differential der zwischen den Rändern der Deckplatte und den Seitenstäben während des Walzvorganges (aufgrund der nicht verkleinerten gestreckten Teile) erzeugten längsgerichteten Zugkräfte groß genug, um die die Seitenstäbe und die Deckplatte verbindenden Schweißstellen aufzubrechen. Wenn einmal die Schweißstellen aufgebrochen sind, geht die Randkontrolle verloren und die fischschwanzartige Spreizung tritt ein.

Im allgemeinen beeinflußt die Zusammenstellung der verschiedei en Bauteile nicht die Wirkung des Verbundwalzverfahrens j nur insoweit diese Zusammenstellung die Warmhärte der beteiligten Werkstoffe beeinflußt. Somit kann ein weiter Bereich von Aluminiumlegierungen und Bisenwerkstoffen im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Die endgültige Verwendung des Übergangseinsatzes könnte jedoch in bezug auf die einzelnen Bestandteile eine Einschränkung der Zusammenstellung erfahren. Z. B. würde die Aluminiumdeckplatte, um nach herkömmlichen Verfahren widBam durch Schmelzschweißen verbunden zu werden, normalerweise weniger als 30^ Kupfer aufweisen dürfen. Demzufolge wird eine stark kupferhaltige Aluminiumlegierung normalerweise nicht als Deckplatte Verwendung finden. Dennoch fällt es in den Rahmen der Erfindung einen Übergangseinsatz zu schaffen, der aus einer

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eine große Menge Kupfer aufweisenden Aluminiumdeckplatte besteht, z.B. einer Deckplatte der Legierung 7075 oder 2024» wobei dann eine mechanische Verbindung zwischen der Aluminiumseite des Übergangseinsatzes und dem Aluminiumteil hergestellt werden kann.

Der kritische Faktor in der Ausbildung des dreischichtigen Verbundes liegt in der Verformbarkeit der weichen Zwischenschicht in bezug sowohl auf das E^ senteil als auch auf die Aluminiumdeckplatte bei Verbundwalztemperatur. Geeignete Zwischenschichten sind die Legierungen 1100 und 3OO3 (nach der Bezeichnung der Aluminium Association of America), obgleich die Zusammenstellung nicht derart begrenzt sein muß. Es ist zu bemerken, daß die bei der Herstellung eines festen Verbundes mit der Dreischichteinheit in Betracht kommenden Schwierigkeiten nicht zwischen der weichen Zwischenschicht und dem Eisenbauteil sonder zwischen der Aluminiumdeckplatte und der Zwischenschicht auftreten, weil bei höheren Temperaturen der Unterschied in der Verformbarkeit zwischen der Zwischenschicht und der Aluminiumdeckplatte geringfügig sein mag. Dies bedeutet, daß die nicht verbunden Flächen im Übergangseinsatzmaterial eher zwischen den beiden Aluminitunbauteilen als dem Eisenteil und der Zwischenschicht liegen werden. Im allgemeinen treten beim Verbundwalzen der Zweischichteinheit wegen des hohen Warmhärtegefälles zwischen dem Aluminiumteil und dem Eisenteil bei Verbundwalztemperaturen keine Probleme auf.

Es hat sioh herausgestellt, daß beim Verbundwalzen von unlegierten Stahlsorten, insbesondere von Schmiedestahlsorten bei höheren Temperaturen, d.h. über 315 C, die Stahlteile eine große Menge Oxyde an deren Oberflächen bilden, woduroh das Ausmaß des zwsch en

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dem unlegierten Stahlteil und dem Aluminiumteil herzustellenden Verbundes stark eingeschränkt wird. Jedoch wird es bei niedrigeren Temperaturen schwierig, die Dicke des Aluminiumteils zu mindern, ohne gleichzeitig die Dicke des Stahlteils in beträchtlichem Umfang ebenfalls herabzusetzen. Wie bereits oben erwähnt muß zum Herstellen eines metallurgischen Preßschweißverbundes ein beträchtlicher Unterschied in der Verformbarkeit zwischen den verschiedenen Bauteilen bei Verbundtemperatur bestehen. Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, daß bei unlegiertem Stahl, insbesondere bei Schmiedestahl, eine weiche Zwischenschicht, vorzugsweise eine mehr als 99»0$ Aluminium aufweisende Legierung, z. B. der Kennzahl 1100, verwendet werden sollte.. Die Temperatur sollte zwischen 204° C und 288 C, vorzugsweise zwischen 2j53 und 260 ö liegen. Es kann sich als wünschenswert erweisen, einen unlegierten Stahl mit einem rostfreiem Stahl zu verwenden, um dem Problem der Oxydation aus dem Wege zu gehen, das in Verbindung mit der Verwendung von unlegiertem Stahl auftritt« In diesem Falle wurde die Oberfläche des rostfreien Stahls mit dem Aluminiumteil in Berührung kommen. Bei Verbundwalzen von rostfreiem Stahl mit Aluminium wird die Verbundtemperatur vorzugsweise über 315 C , jedoch unter dem Schmelzpunkt des Legierungsbestandteils, d.h. normalerweise unter 540 G gehalten. Schmiedestahl, hochkohlenstoffhaltige Stahlsorten und dgl. sind für Eisenbauteile geeignet, sie sind also nicht auf rostfreie Stahlsorten beschränkt. Beiden Temperaturen und in Verbindung mit der erfindungsgemäß in Betracht kramenden Reduktion zeigen die Eisenbauteile keine Tendenz, während des Walzvorgangs miteinander einen Verbund einzugehen.

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Tabelle I

CD CO CO

OO

to cn co

Bei spiel ir.	Zustand	(D Deckplatten IB D (cm)	102	1,6	(2) Zwischen schicht (cm) LBD	92	92	0,35	Kernplatten (cm) LBD	92	0,65	Vorwalz- tempe- ratur 0C	WaIztem peratur 0O	Reduktion in % d.neben dem Eisenbauteil liegenden Schicht
1	zu Be ginn	375	102	1,3	366 92	E.A.i 92	92	0,25	366	92	0,6	436,67 436,67	353,33 353,33	20 % 20 1o
2	nach dem Walzen	465	102	1,6	K.A. 92	366	92	0,35	397	92	0,65	436,67	353,33	36 #
3	zu Be ginn	375	102	1,1	366	K.A.	92	0,2	366	92	0,55	436,67	325,56	30 %
4	nach dem Walzen	513	102	1,6	366		0,35	437	92	0,65	436,67	381,11	43 #
5	zu Be ginn	375	> 102	1,0	K. A.		0,25	366	?2	0,55	436,67	395,0	20 1o
nach dem Walzen	513,	102	2,15		0,35	470	92	0,65
zu Be ginn	375	102	1,35		0,2	366	92	0,5
nach dem Walzen	600	102	1,9		467,5	92	0,65
zu Be ginn	366	102	1,5		356	92	0,6
nach dem Walzen	460	389,5

7»

to σ> co

pBei- Sspiel JNr. t	Zustand	(1) Deckplatten LBD (cm)	102	1,9	(2) Zwischen schicht (cm) LED	(3 Kernplatten (cm LB D	92	0,95	Vorwalz- tempe- ratur oc	Walztem peratur	Reduktion in io d .neben dem Eisenbauteil· liegenden Schiohi
6	zu Be ginn	375	102	1,45		366	92	0,8	408,89	336,67	25 %
7	nach dem Walzen	506	102	1,9		437	92	0,95	408,89	356,11	27 %
8	zu Be ginn	375	102	1,4		366	92	0,9	408,89	386,67	23 $
na ob dem Walzen	488	102	1,9		420	92	0,95
zu Be sinn	375	102	1,45		366	92	0,8
nach dem Walzen	486		42-15

(1) Die Aluminiumdeckplatten der Beispiele 1 bis 4 bestanden aus der Legierung 7039 und die Deckplatten der Beispiele 5 bis 8 aus der Legierung 3003.

(2) Die Aluminiurazwiscbenschicht bestand aus der Legierung 1100.

(3) Die Kernplatten waren aus rostfreiem Stahl 304 gefertigt.

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Die Tabelle I zeigt SOezifische Beispiele mehrerer Ausführungs-"beisniele der Erfindung. Die Beispiele 1 bis einschließlich 4 stellen das in Fig.l gezeigte Ausführun;gsbei3oiel und die Beispiele 5 bis einschließlich 8 das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel dar. In jedem Beispiel wurden die aufeinandertreffenden Oberflächen der verschiedenen Bauteile in Vorbereitung auf das Verbundwalzen zuerst mit einem Schleifreinigungsmittel gereinigt und abgesandet. Die Mehrschichteinheit wurde zusammengestellt, indem die Aluminium- und die Stahlplatte so angeordnet wurden, daß das Stahlteil in bezug zur Aluminiumplatte zentriert wurde, wobei gemäß der Beispiele 1 bis 4 die Zwischenschicht mit dem Stahlbauteil in Ausrichtung gebracht wurde. Die üeitenstäbe, die die gleiche Zusammensetzung wie die Aluminiumdickplatte aufwiesen, wurden neben dem Stahlbauteil zwischen die beiden Aluminiumdeckplatten gebracht und dann unter Verwendung standartisierter GMA-Verfahren in einer Entfernung von jeweils 30 cm über der Länge der Mehrschichteinheit mit den Deckplatten verschweißt» Um eine leichtere Handhabung zu gewährleisten, wurden die Eisenstäbe mit den führenden und auslaufenden Enden der Mehrschichteinheit verschweißt, die dann auf die angegebene Temperatur erhitzt und hiernach zum Terbund gewalzt wurden. Die Differenz zwischen der Anfangs tem~nera tür und der eigentlichen beim Verbundwalzen herrschenden Temperatur ist auf das Zurückhalten der Halbzeuge vor dem Walzvorgang zurückzuführen. In allen Beispielen war die Wiedergewinnung groß, mit Ausnahme von Beispiel 3, das dennoch gegenüber bekannten Verfahren eine beträchtlich höhere

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Ausbeute ergab. In Beispiel 5» i*¹ dem eine Aluminiumrilatte von relativ hoher Festigkeit verwendet und bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zum Verbund gewalzt wurde, trat auf der Deckplatte beim Hindurchlaufen zwischen den Walzen längs der Stahlteilkante in der letzten Hälfte der Mehrschichteinheit eine Scherung auf, so daß nach dem Abscheren der Seitenstäbe vom restlichen Teil der Mehrschichteinheit jegliche Randkontrolle verloren ging und die besagte fischschwanzartige Spreizung auftrat. Nach dem Verbundwalzen wurden die Mehrschichteinheiten zur Nivellierung gestreckt und die Ränder gestutzt, um die Seitenstäbe und die nicht in Verbund gebrachten Teilstücke längs der Stahlteilkante zu entfernen. Die zwei Platten aus Übergangseinsatzmaterial wurden dann herausgetrennt und zur gewünschten Übergangseinsatzform zurechtgeschnitten.

Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit der Herstellung von Übergangseinsatzmaterial besenrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung für den metallurgischen Verbund von Aluminium mit Eisenmaterial ungeachtet der endgültigen Verwertung des Verbundmcterials verwendet werden kann. Darüber hinaus richtet sich die Erfindung hauptsächlich auf die Ausbildung von relativ dickem Verbundmaterial, d.h. einem Verbundmaterial mit einer Stärke ü ber 1,25 cm.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   A. Auswählen eines gesonderten Eisenülattenbauelementes, eines gesonderten AluminiumOlattenbauelementes und zweier aus Aluminium bestehender Seitenstäbe, wobei die Aluminiumiolatte i. wesentlich größere Verformbarkeit aufweist als das Eisenbauteil bei Verbundtemperatur und

   ii. im wesentlichen so breit ist wie die zusammengesetzte Breite der Eisenfeauteile und der Aluminium-Seitenstäbe, und die Aluminium-Seitenstäbe im wesentlichen die gleiche Verformbarkeit aufweisen wie die Aluminiumplatte, und zwar von einer Breite, die wenigstens deren Dicke entspricht,

   B. Säubern der aufeinandertreffenden Oberflächen der Bauteile,

   C. Vorbereiten einer liehrschicht-Vorverbundeinheit, die aus der zur Eisenplatte im wesentlichen längs- und qnerverlaufend ausgerichteten Aluminiumplatte besteht, deren Kanten im wesentlichen zu einem gleichwertigen Betrag über die Kanten des Eisenbauteils hinausragen und deren Seitenstäbe an der Stirnseite des sich streckenden Teils der Aluminiumplatte neben dem Eisenbauteil derart befestigt ist, daß während der Verbundtemperatur ein zwischen 0,125 cm und 1,25 cm liegender Spalt zwischen jedem Seitenstab und dem Eisenpiattenbauteil besteht, wobei die Dicke der Seitenstäbe so bemessen ist,

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   daß jeder Seitenstab von der Stirnseite der Aluminiumplatte bis zur Höhe der abgewandten Fläche des Eisenplattenbauteils verläuft,

   D. Erhitzen der Mehrschicht-Torverbundeinheit bis auf eine zwischen ungefähr 24O und 540 C liegenden Temperatur und

   E. einstufige Reduktionsbehandlung der Einheit oder Anordnung, wobei das plastisch mehr verformbare Bauteil wenigstens um 12^c/o in der Dicke reduziert wird, um ein Übergangseinsatzmaterial zu ergeben, das eine Eisen- und eine Aluminiumseite von ausreichender Stärke aufweist, um im Schmelzschweißverfahren bearbeitet werden zu können.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eisen- und Aluminiumplatte in der Vorverbund-Mehrschichteinheit ein Aluminium-Verbundbauteil von wenigstens 0,5 nun Dicke eingeschoben wird, das dünner als die Eisen- oder Aluminiumplatte und wesentlich mehr plastisch verformbar ist als jedes der Eisenbauteile bei Verbundtemperatür, so daß das Ver^Jaundbauteil das die größere Verformbarkeit aufweisende Bauteil darstellt, welches wenigstens eine 12?Sige Reduktion seiner Stärke in einem einzigen Arbeitsvorgang erfährt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß das mehr plastisch verformbare Bauteil eine Reduktion zwischen

   und 50$ seiner Stärke erfährt.

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4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß awei Vorverbund-Mehrschichteinheiten mit den Eisenbauteilen in einander gegenüberstehender Ausrichtung überlagert sind, um einen plattenförmigen Kern zu bilden, wobei die Aluminiumplatten auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns angeordnet und derart abgewandelt sind, daß zwei Aluminiumseitenstäbe von einer solchen Dicke verwendet werden, daß sie zwischen den gegenüberliegenden Innenflächen des gestreckten Teils der Aluiainiumplatten verlaufen, mit denen sie verbunden sind, so daß sich jeweils zwei auf jeder Seite des Kerns befinden und die gesamte Einheit einen Einstufen-Reduktionsvorgang ausgesetzt wird, in dem das plastisch mehr verformbare Bauteil jeder Einheit um wenigstens 12^ seiner Stärke reduziert wird, um gleichzeitig zwei Platten aus Übergangseinsatzmaterial zu schaffen, das eine Eisenseite und eine Aluminiumseite aufweist, die für das Schmelzschweißen die ausreichende Stärke besitzen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das plastisch mehr verformbare Bauteil jeder Anordnung oder Einheit in seiner Stärke um einen zwischen 20 und 50?^ liegenden Betrag reduziert wird.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisen- und Aluminiumplatten nach dem Einstufen-Reduktionsvorgang jeweils eine Mindeststärke von 1 cm haben.

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7. 7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch das Herstellen von verhältnxsmäßig dicken Verbundmaterial nach den in den Figuren 1 bis 4 aufgezeichneten Merkmalen.
8. 8. Verbundmaterial verhältnismäiaig großer Stärke, gekennzeichnet durch das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche»

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