DE2114852A1

DE2114852A1 - Metallverbundkörper auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE2114852A1
Application number: DE19712114852
Authority: DE
Inventors: Tadashi Toshima Tokio; Kuniya Keiichi; Tamamura Takeo; Hitachi; Nemoto (Japan). M
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-03-27
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1971-11-04
Also published as: DE2114852C3; FR2083615B1; JPS5411257B1; DE2114852B2; FR2083615A1; US3837931A; GB1326494A

Description

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DA - 4228

Beschreibung zu der Patentanmeldung^

der Firma
HITACHI LIMITED
1-5-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

betreffend
Metallverbundkörper auf Sisenbasis

Priorität: 27. März 1970, Nr. 25277/70, Japan

Die Erfindung betrifft neuartige Metallverbundkörper, die in gruppenförmiger oder bündelartiger Anordnung von einem Basismetall verschiedene Gefügebestandteile enthalten, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Produkte,

Die Entwicklung von glasfaserverstärkten Kunststoffen, bei denen durch die Glasfaserverstärkung Nachteile, wie geringe Festigkeit und schlechte Elastizität von Kunststoff verbessert werden, hat nun ein Stadium erreicht, in dem diese Kunststoffe einen festen Platz als technische Materialien einnehmen.

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Dieser faserverstärkte Kunststoff zeigt jedoch schlechte Hitzebeständigkeit, so daß die obere Grenze der Anwendungstemperatür gewöhnlich bei einem niedrigen Wert, wie etwa 300° C, liegt.

Andererseits besteht in letzter· Zeit ein großes Bedürfnis " für die Entwicklung von faserverstärktem Metallverbundmaterial, das als Basis ein Metall enthält, und die Bestrebungen der Industrie sind auf die Entwicklung dieses ^ neuen Produkts gerichtet. Das bei der Entwicklung einer solchen faserverstärkten Metallverbundstruktur erstrebte Ziel ist eine verbesserte mechanische festigkeit und eine eindrucksvolle Erhöhung der Hitzebeständigkeit, im Vergleich mit faserverstärktem Kunststoff.

Voraussetzungen für die Entwicklung solcher faserverstärkten Metallverbundmaterialien sind die Existenz von Methoden zur industriellen Herstellung von Metallfaden und eine Methode zum Herstellen eines metallischen^Verbundinä'terials unter * Verwendung solcher Fäden. Zweifellos wird durch ein erfolgreiches Herstellungsverfahren, das industriell und technisch geeignet ist, der .veg für faserverstärkte Metallverbundma±-&a?i-alien geebnet-s—— -- "'

Insofern hat der Erfolg der technischen Herstellung von Whiskers und feinen Metallfaden hoher Festigkeit die Möglichkeit gegeben,.die industrielle und technische

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Verwendung von Metallfaden zu planen und es wurde ständig versucht, ein industriell geeignetes Verfahren zum Herstellen von metallischem Verbundmaterial unter Verwendung dieser Metallfaden zu schaffen.

Nach der bis heute veröffentlichten Literatur über faserverstärktes Metallverbundmaterxal wurden bereits zahlreiche Versuche unternommen, bei denen beispielsweise eine .Einfließmethode oder Infiltrationsmethode, eine Pulvermethode, eine Diffusions-Verbindungsmethode oder eine Methode der elektrolytischen Abscheidung angewendet wurde. Die am häufigsten angewendeten dieser bekannten Methoden sind die Infiltrationsmethode, bei der ein mit Fäden gefülltes Rohr in ein Metallbad getaucht und geschmolzenes Metall in den evakuierten oberen Abschnitt des Rohrs eingesaugt wird, und die Diffusions-Verbindungsmethode, bei der Metallfaden zwischen Metallplatten eingelegt und danach unter Hitze und Druck verbunden werden. Das so hergestellte faserverstärkte metallische Verbundmaterial hat „gegenübgr faserverstärktem Kunststoff die Vorteile, daß die geringe Festigkeit und schlechte Elastizität des Basismetalls ausreichend durch die Metallfäden ausgeglichen werden und daß weit höhere Hitzebeständigkeit erzi.e^^~~w±lπi■■_ΐ^*α^_L·Jbei faserverstärktem Kunststoff.

Es ist daher selbstverständlich, daß die Entv/icklung dieser faserverstärkten Metallverbundmaterialien ein neues technisches Gebiet eröffnet, das sich vollständig von den

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konventionellen Methoden zum Verbessern der Eigenschaften unterscheidet,·, die auf dem legieren von Metallen basieren.

Es ist dabei auch unvermeidlich, daß schwierige Probleme auftreten. So führen bei faserverstärktem Metallverbundmaterial die Unterschiede des Haftvermögens und des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Basismetall und Fäden zu Schwierigkeiten, so daß die praktische Anwendung dieser Materialien auf spezielle Kombinationen beschränkt ist. Auch können die Eigenschaften des erzielten Materials nicht besser sein, als das Ergebnis der Kombination der Eigenschaften der betreffenden Bestandteile. Ferner sollte nicht außer acht gelassen werden, daß künstlich hergestellte Whiskers oder hochfeste feine Fäden sehr teuer sind.

Diese Tatsachen bedingen, daß durch ein erfolgreiches Variieren der Eigenschaften von Metallfaden in Kombinationen aus Basismetall und Fäden das Anwendungsgebiet merklich erweitert wird. Außerdem würde das Entwickeln einer Methode, bei der die Verwendung von teuren Whiskers oder hochfesten feinen Metallfaden unnötig ist, einen Weg für die Ausbildung eines vollständig neuen Typs eines Metallverbundmaterials eröffnen, das nicht den Beschränkungen des üblichen faserverstärkten Metallverbundmaterials unterliegt.

Hauptziel der Erfindung ist daher ein neuartiges Metallverbundmaterial auf Eisenbasis, in dem die Eigenschaften

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der in dem Basismetall enthaltenen Elemente variiert werden. Auf diese Weise sollen die oben angegebenen Forderungen erfüllt werden.

Weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen dieser Metallverbundkorper.

Durch die Erfindung wird außerdem bezweckt, die Verwendung von Elementen zu ermöglichen, die in verschiedenen Konfigurationen hergestellt wurden.

Die erfindungsgemäßen Metallverbundmaterialien auf Eisenbasis können im wesentlichen dadurch erhalten werden, daß den Gefügebestandteilen, die durch Reaktion zwischen dem Basismetall und dem mit diesem reaktiven Elementen entstehen bestimmte Ausrichtung gegeben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen dieser Metallverbundkorper umfaßt im wesentlichen folgende Stufen: Einbringen von gegenüber dem Basismetall reaktiven Elementen in ein Metall auf Bisenbasis, wobei sie unter Ausschluß von Sauerstoff gehalten werden, und Umsetzen dieser Elemente durch Wärmeeinwirkung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls.

Obwohl gegenwärtig Eisen- und Stahlmaterialien das breiteste industrielle Anwendungsgebiet besitzen, wurden bisher wenig

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Versuche unternommen, faserverstärktes Metallverbundmaterial zu verbessern,· weil es nicht möglich war, Pasern aufzufinden, die in wirksamer Weise zum Verstärken von Eisen und Stahl geeignet waren. Das Verbessern der Festigkeit dieses ^Materials beschränkte sich bisher auf die Auswahl von Legierungselementen und von Wärmebehandlungsbedingungen.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Herstellung solcher Metallverbundkörper auf Eisenbasis ist es, daß das Prinzip einer Strukturuinwandlung angewendet wird. In einer typischen Ausführungsform der Erfindung wird in einer JSisenbasis hoher Festigkeit eine Martensitstruktur mit bestimmter Ausrichtung gebildet, wobei die Festigkeit des Martensit enthaltenden Produkts beibehalten wird und die Sprödigkeit des Martensits durch die Zähigkeit des als Grundmaterials vorliegenden Eisens kompensiert wird. '

Um diese Merkmale in dem faserverstärkten Metallverbundmaterial, das erfindungsgemäß hergestellt werden soll, zu verwirklichen, wird zunächst der spröde Martensit in Form einer Faser ausgebildet. Zu diesem Zweck können erfindungsgemäß feinpulverisierter Kohlenstoff, Folie, Papier oder dergleichen verwendet werden. Die hier verwendeten Fasern müssen nicht notwendigerweise V/hiskers oder feste, feine Metallfaden sein. Das erfindungsgemäß verwendete, einfache, faserbildende Material selbst kann schwach oder zerbrechlich sein.

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Die Festigkeit von durch Umsetzen von Eisen und Kohlenstoff gebildetem Martensit ist nicht so gering, wie die von gewöhnlichem, legiertem Stahl, sondern kanndem theoretischen Eigenwert angenähert werden. Daraus ist verständlich, daß die als Pulver oder Folie eingesetzten Elemente wirksam in der später ausführlicher "beschriebenen V/eise angewendet werden können.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Figur 1 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang von Zugfestigkeit und Kohlenstoffgehalt von gewöhnlichen! martensitischem legiertem Stahl zeigt.

Figur" 2 ist eine graphische Darstellung, die den Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die 0,6 %-Fließspannung für legierten Eisen-Nickel-Kohlenstoff-Stahl zeigt. Figur 3 ist eine graphische Barstellung, die den Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Dehnung und dem Kohlenstoffgehalt von martensitisehem Kohlenstoffstahl darstellt, und

in Figuren 4 bis 10 sind in perspektivischer Ansicht Ausführ ungs form en der erfindungsgemäßen Metallverbundmaterialien dargestellt.

Figur 1 zeigt die Zugfestigkeit von legiertem Allzweckstahl mit Martensitstruktur nach einer Temperung bei

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200° C, im Vergleich mit dem Kohlenstoffgehalt. Da diese legierten Stahlmaterialien ohne Rücksicht auf ihre Elastizität ausgebildet werden, zeigen sie außerordentlich, geringe Werte für die prozentuale Dehnung. Zu Vergleichszwecken sind entsprechende Daten auch für Kohlenstoffstahl angegeben; diese Daten sind jedoch angenommene Werte, die als inhärente Eigenschaften von Kohlenstoffstahl betrachtet werden. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Zugfestigkeit von Martensit proportional der Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes verbessert wird.

In Figur 2 sind die Ergebnisse von mit legiertem Eisen-Nickel-Kohlenstoff-Stahl als Beispiel durchgeführten Versuchen zur Bestimmung der Fließspannung von martensitischem Stahl gezeigt. Die 0,6 $-Fließspannung (der Quotient, der durch Dividieren der Belastung (kg) ,bei der eine bleibende Dehnung von 0,6 $ eintritt, durch die ursprüngliche Querschnittsfläche (mm) des parallelen Teils bei der Zugprüfurig oder Druckbelastungsprüfung erhalten wird) ist auf der Ordinate aufgetragen, während der Gehalt an Kohlenstoff und Nickel auf der Abszisse angegeben ist.

In Figur 2 zeigt die Kurve 1 die Fließspannung unter Druck, die bei der Druckbelastungsprüfung nach 3-stündiger Alterungsbehandlung bei 0° C beobachtet wurde und Kur.ve 2 die Zugfließspannung, die in einer Zugprüfung erhalten wurde, ohne daß eine Alterungsbehandlung durchgeführt worden war.

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Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Zugfestigkeit stetig erhöht wird., bis'der Kohlenstoffgehalt den viert von 0,6 % erreicht.

Es wird daher festgestellt, daß die Festigkeit von Martensit

zu
proportional einer Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes verbessert wird, bis dieser Kohlenstoffgehalt den Grenzwert von 0,5 bis 0,6 ia erreicht. Oberhalb dieses Werts ist jedoch keine weitere Verbesserung zu erwarten.

Dieses Tatsache wird sichtlich durch Figur 3belegt, in der die Zugfestigkeit und prozentuale Dehnung der drei Prüfkörper aus martensitischem Kohlenstoffstahl mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten in Abhängigkeit von der Te^mP^erunS^s-t^emP^eratur dargestellt sind. In Figur 3 zeigen die Kurven 3 und 3 a Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,34 $, der mit Öl gehärtet wurde, mit einem Beginn bei 850° C, die Kurven 4 und 4 a stehen für Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,65, der mit Öl gehärtet wurde, beginnend bei 850° G,und die Kurven 5 und 5 a wurden mit Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,99 % und Wasserhärtung von 750° C an erhalten. Die Kurven 3, 4 und 5 zeigen die Zugfestigkeit, während durch die Kurven 3 a, 4 a und 5 a die prozentuale Dehnung dargestellt wird.

Die Ergebnisse der Figur 3 zeigen, daß die Zugfestigkeit von Kohlenstoffstahl ziemlich niedrig ist, wenn der Kohlenstoffgehalt bis zu etwa 1 ^a/o beträgt. Im Hinblick darauf, daß

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grundsätzlich Festigkeit und Dehnung gegensätzliche Faktoren sind, müßte jedoch praktisch die Zugfestigkeit von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,99 Ϋ°, der" die niedrigste prozentuale Dehnung zeigt, unter den Kurven 3, 4 und 5 die höchsten Werte zeigen. Tatsächlich besitzt dieser Stahl jedoch nur eine so niedrige Zugfestigkeit, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß ein zu starker Anstieg des Kohlenstoffgehaltes die Erscheinung des vorzeigen Bruches bewirkt, die es unmöglich macht, die wahre Zugfestigkeit zu erreichen.

Aus diesen Gründen war es auf dem Gebiet der Eisenlegierungen nicht möglich, die wirkliche Festigkeit von Martensit mit einem hohen Kohlenstoffgehalt zu erreichen und selbst Maraging-Stahl (maraging steel), der ein repräsentatives Beispiel für hochfesten Martensitstahl darstellt,

hat eine niedrige Zugfestigkeit von weniger als 200 kg/mm .

In den erfindungsgemäßen Metallverbundmaterialien wird jedoch die destruktive Energie durch das zähe Eisen-Grundmaterial absorbiert, so daß, selbst wenn örtlicher Bruch verursacht würde, dieser Bruch sich nicht über das gesamte Metallverbundmaterial erstreckt, sondern nur stufenweise fortschreiten kann. Es ist daher möglich, die ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften von Hartensit, der einen Überschuß an Kohlenstoff enthält, auszunützen.

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Die Erfindung weicht außerdem von der herkömmlichen Auffassung von faserverstärktem Metallverbundmaterial ab, wonach es erforderlich ist, zuerst die martensitischen Fäden, die äußerst schwierig auszubilden sind, herzustellen, denn erfindungsgemäß sollen zur Verstärkung, die Martensitteilchen dienen, die durch Reaktion zwischen dem ülisen-Basismaterial und dem eingeführten Kohlenstoff gebildet wurden. Diese technischen Schwierigkeiten werden daher umgangen. Ferner erbringt die Verwendung einer Umsetzung zwischen der Eisenbasis und Kohlenstoff den Vorteil, daß das eingearbeitete Element als solches aus schwachen Fäden bestehen kann oder in Form eines Pulvers oder einer Folie angewendet werden kann« Es sollte jedoch beachtet werden, daß bei Verwendung von Pulver oder Folie die Martensit-Gefügebestandteile ausgerichtet sein müssen.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht deshalb darin, daß das in das Basismetall eingetragene Element durch Reaktion mit der Basis ein Bestandteil dieser Basis wird und daß infolgedessen ein metallisches Produkt erzielt wird, das dieselbe Struktur wie eine Legierung besitzt.

In einem Metallverbundmaterial, in dem nicht-unterbrochene Fasern in einer Richtung angeordnet sind, wird die durchschnittliche Zugfestigkeit S^ dieses Materials, wenn eine Zugkraft in Faserrichtung einwirkt, durch die folgende Formel dargestellt:

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d_{c f} v_{f +} ^_1n v_n. d_fv_{f +} o'_mO-V

in der G^ die Zugfestigkeit der Pas er, <s> _m die inhärente Zugfestigkeit des Basismetalls, GT'_m die Belastungsspannung des Basismetalls beim Bruch, des Metallverbundmaterials und V_f und V die Volumenanteile von Pasern und Basismetall bedeuten.

Nach einem Beispiel werden die Martensit-Gefügebestandteile mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 fo in einer Ferritbasis } in der Weise ausgebildet, daß der· Martensitanteil 70 f> (in einer Ausführungsform) und 50 $ (in einer· anderen Ausführungsform) des gesamten Metallverbundmaterials ausmacht» Wie bereits erwähnt, wird beim Erreichen des Kohlenstoff— gehaltes von 1 fo in martensitischem Kohlenstoffstahl die Erscheinung des vorzeitigen Bruches hervorgerufen und daher die wahre Zugfestigkeit nicht erzielt. Wie jedoch aus der Zugfestigkeit von Martensit mit niedrigem Kohlenstoffge- halt (0,1 bis 0,6 fo)geschlossen werden kann, muß die Zugfestigkeit von Martensit mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 % etwa 320 kg/mm nach einer Temperung bei 200° C betragen. In entsprechender Weise wird abgeschätzt, daß die Zugfestigkeit von Ferrit etwa 31 kg/mm beträgt. Die Spannung 6^ des Basismetalls, das heißt Ferrit, beim Bruch des Metallverbundmaterials kann daher auf etwa 14

bis 17 kg/mm geschätzt werden.

Durch Einsetzen dieser Schätzwerte in die vorher gegebene

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Formel werden folgende Ergebnisse erzielt: Wenn der Voltunenanteil der Martensitstruktur 0,7 beträgt, so ist

c = 320 xOJ+ 15x0,3 = 228,5 kg/mm². Wenn dieser Volumenanteil 0,5 beträgt, so gilt

c = 320 χ 0,5 + 15 x 0,5 = 167,5 kg/mm². Diese Ergebnisse verdeutlichen, daß selbst dann, wenn das als Grundmaterial oder Basis vorliegende Eisen niedrige Festigkeit besitzt, dies durch die Martensitstruktur ausgeglichen wird und ein hochfestes Produkt erzielt werden kann. Die elastischen Eigenschaften, wie Dehnung oder Kontraktion, werden gut ergänzt durch das als Basis vorliegende Eisen, so daß das erfindungsgemäße Produkt mit hoher Festigkeit außerdem eine ausgezeichnete Zähigkeit besitzt.

Aus den nachstehend gegebenen Beispielen ist ersichtlich, daß die in der Weise berechnete Zugfestigkeit praktisch mit den tatsächlich gemessenen Werten der Zugfestigkeit des Metallverbundprodukts übereinstimmt und daß somit die wirkliche Zugfestigkeit des Martensits erreicht wird.

Nachstehend werden die angewendeten wesentlichen Verfahrensschritte zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Metall verbundkörper im einzelnen beschrieben.

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Aus Figur 4, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, ist ersichtlich, daß in einer Metairbasis 1 Rillen 2 ausgebildet werden und in diese Rillen in der in Figur 5 gezeigten Weise Elemente 3 gelegt werden, die mit dem Basismetall reagieren können. Die Bildung der Rillen 2 in der Metallbasis 1 kann durch Anwendung einer beliebigen geeig-. neten konventionellen mechanischen Methode erfolgen, wie beispielsweise durch Einkerben (marking-off). Es ist auch möglich, ein Photoätzverfahren anzuwenden, das gewöhnlich für Halbleiter-Vorrichtungen verwendet wird. Vorzugsweise ψ wird die Tiefe der Rillen 2 nicht zu groß gewählt, denn die Rillen zu tief sind, so werden sie nicht entfernt und verbleiben als Hohlräume, selbst wenn sie nach oder während der Herstellung der Metallverbundkörper gewalzt werden. Das Vorliegen solcher Hohlräume verursacht eine Verminderung der F_estigkeit.

Diese Rillen werden in ausreichender Anzahl vorgesehen, so daß der erforderliche Volumenanteil der darin angeordneten Elemente gewährleistet wird. Wenn diese Rillen in regelmässiger Folge nur in einer Richtung vorgesehen werden, so tritt die Veränderung der Eigenschaften durch Reaktion zwischen der Metallbasis und den Elementen sichtlich nur in einer Richtung auf, während in ,der Richtung senkrecht zu dieser Richtung praktisch keine Wirkung ersichtlich ist, so daß erforderlichenfalls entsprechende Rillen auch in der Querrichtung vorgesehen werden können.

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Nachdem in der angegebenen Weise die erforderliche Anzahl von Rillen in der Metallbasis erzeugt wurde, werden die mit dem Basismetall reaktionsfähigen Elemente 3 in die Rillen eingelegt. Es ist zu bemerken, daß die so in ihrer Lage angeordneten Elemente unter Bildung von Oxyd, wie beispielsweise CO oder CO₂ oxydiert werden, wenn sie direkt in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt werden, so daß das gewünschte Ergebnis nicht erzielt werden kann.

Es ist daher erforderlich, die Wärmebehandlung nach dem dichten Verschließen der Rillen 2 durchzuführen, so daß sie frei von Sauerstoffeinwirkung bleiben. Nach einer vorteilhaften Maßnahme dafür wird eine weitere Metallbasis 1 A in enge Berührung mit der Oberfläche der Metallbasis 1 gebracht, in der die Rillen 2 ausgebildet werden. Diese .ausführungsform ist in Figur 4 gezeigt. Zur industriellen Anwendung ist es erforderlich, die Metallbasen zur Herstellung eines Verbundkörpers aufeinander zu stapeln, so daß diese Maßnahme sich als außerordentlich wirksam erweist. Auch wenn die Metallbasen in mehreren Schichten aufeinandergestapelt werden, ist es wünschenswert, die Rillen an den Endflächen durch Schweißen oder Loten dicht abzuschließen.

In einer in Figur 6 gezeigten anderen Ausführungsform werden in der Metallbasis 1 Löcher 4 vorgesehen und die mit dem Basismetall reaktionsfähigen Elemente 3 werden in diesen Löchern angeordnet. Die Löcher können in einfacher V/eise unter Verwendung eines Bohrers oder anderer ähnlicher

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Vorrichtungen ausgebildet werden. Da es schwierig ist» von Anfang an enge köcher auszubilden, ist es vorteilhaft, zu- · erst vergleichsweise weite Löcher asu bilden und danach die Metallbasis 1 durch Walzen eu strecken, wodurch die Löcher kleiner werden. Ss ist außerdem zweckmässig, wie in Figur ? gezeigt ist, die mit dem Basismetall reaktiven Elemente 3 in bestimmter Ausrichtung direkt auf der Oberfläche einer flachen, plattenförmigen Metallbasis 1 anzuordnen und sie in dieser Form reagieren zu lassen« In diesem Fall kann die Oxydation der Elemente 3 vermieden werden, indem weitere Metallbasen 1 A, 1 B, 1 0 in gleicher Weise verwendet werden, wie in der Ausführungsform, bei der Rillen 2 in der Metallbasis vorgesehen sind. Bei Verwendung von Elementen in Form einer Folie oder eines Stoffes werden diese Elemente, wie in Figur 8 gezeigt ist, abwechselnd mit den Metallbasen 1 übereinandergestapelt. Bei Verwendung von Kohlenstoff kann gewöhnliches Papier verwendet werden, das dann carbonisiert wird.

Ee 1st außerdem möglich» ein mit dem Basismetall reaktionsfähiges Element 3 in jeder der rohrförmigen Metallbasen 1 anzuordnen, wie in Figur 9 gezeigt ist. Wenn mehrere dieser rohrförmigen Basen oder Grundkörper zu einem Stlick miteinander verbunden werden sollen, werden sie zuerst in geeigneter Weise gebündelt, so daß die einander berührenden Flächen miteinander verschmolzen werden, wie in der Figur gezeigt ist. Danach werden sie einem Walzvorgang unterworfen,

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um die Rillen zu entfernen und sie zu einer Platte zu verformen. ...

Wenn die reaktionsfähigen Elemente in die Metairbasis eingebracht werden, ist es auch möglich, zusammen mit diesen reaktionsfähigen Elementen weitere Elemente einer anderen Art einzulegen. Ein Beispiel für diesen Fall ist in Figur 10 dargestellt, in der die Elemente 3 und 3 A in den in der Metallbasis 1 ausgebildeten Rillen 2 angeordnet sind. Beide Elemente 3 und 3 A können die Elemente sein, die mit dem Basismetall oder miteinander reagieren. Selbstverständlich kann als Clement 3 A auch je in Element verwendet werden, das weder mit dem Basismetall noch mit dem Element 3 reagiert. In diesem Fall werden hochfeste feine Fäden bevorzugt.

Wenn in der angegebenen .//eise Elemente verschiedener Arten^ gemeinsam angeordnet werden, ist es möglich, wenn die Elemente 3 A zur Reaktion mit dem Basismetall 1 oder mit den ■^lementen 3 befähigt sind, überraässige Piffusion der Elemente 3 in die Metallbasis einzuschränken.

Wenn Martensitpartikeln in einer iSisenbasis vorliegen sollen, wird vorher eine Basis aus einer Eisen-Kohlenstoff-legierung hergestellt und reines Eisen in bestimmter Ausrichtung darin verteilt und die Anordnung einer Wärmebehandlung

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unterworfen. Die Menge des zugegebenen reinen Eisens_r das mit deni Kohlenstoff in der Basis umgesetzt wird, ist außerordentlich gering, so daß es zu Perrit reduziert wird, während das Basismetall in Martensit umgewandelt wird.·'

iVenn reines Eisen in bestimmter Ausrichtung beispielsweise . in einer Chrom-Nickel-Stahlbasis mit 18 ?S Chrom und 8 i° Nickel, die eine stabile Austenitstruktur aufweist, verteilt wird und diese Basis einer Hitzebehandlung unterworfen Wird, so werden Nickel und Chrom in der Basis in der Nachbarschaft des reinen Eisens verdünnt und in einen Bereich mit raartensitiseher Struktur übergeführt, während der von dem reinen Eisen entfernt liegende Bereich in Form von Austenit verbleiben kann.

Der genaue Temperaturbereich der Wärmebehandlung und die Dauer des Erhitzens kann in Abhängigkeit von der Dicke und Zusammensetzung der Metallbasis und dem Anteil der in der Basis eingeschlossenen Elemente schwanken. Grundsätz- W lieh kann der erfindungsgemäße Zweck jedoch erreicht werden, wenn die Temperatur oberhalb der unteren Grenztemperatur liegt, bei der das Basismetall und die Elemente sich umsetzen. -

Wird beispielsweise 1 $> Kohlenstoff enthaltender Martensit durch Umsetz-en von-reinem Eisen und Kohlenstoff erzeugt,

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so wird die Wärnebehandlung vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 770 bis 850° C durchgeführt. Durch Erhöhung der Temperatur bei der Wärmebehandlung wird die Diffusion der Elemente in die Basis gefördert, so daß die Dauer des Erhiteens entsprechend abgekürzt werden kann, wenn gewünscht wird, die -Temperatur der Wärmebehandlung noch mehr zu erhohen.

Beispiel 1

Auf der Oberfläche einer 5 mm dicken, 100 mm breiten und 200 ma langen Platte aus reinem Elsen wurden in Abständen von etwa 2 ran durch Eindrücken (marking-off) 0,1 mm tiefe und breite Rillen ausgebildet. In diesen Rillen wurden Kohlenstoffasern verteilt. Die verwendeten Kohlenstoffasern waren feine Fäden, die keine hohe Festigkeit aufwiesen, sondern als solche schwache Fasern darstellten. Die Fäden wurden als endlose Fäden ohne Bruchstellen angeordnet. Die Menge der Kohlenstoffasern wurde so gewählt, daß in einem * Volueanteil von 50 i» Martensit mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 % gebildet wurde.

Danach wurde eine Metallplatte mit der gleichen Größe wie die Platte aus reinem Eisen auf die mit den Rillen versehene Oberfläche der letzteren Platte aufgelegt und nach dem Verschweißen des Randes mit Wolfranelektro^en in Inertgas

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(TIG-Schweißen) wurde die gesamte Anordnung einem Heißwalzvorgang unterworfen. Durch das Heißwalzen wurde die Platten— anordnung auf eine Dicke von etwa 5 mm abgeflacht. Nach dem · falzen"wurde die Anordnung auf 800° 0 erhitzt, um die Reaktion zwischen der Basis aus reinem Eisen und den Kohlenstofffasern hervorzurufen und wurde während 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Danach wurde Bie durch Eintauchen in v/asser abgekühlt. Dann wurde die gesamte Anordnung einer weiteren !Temperaturbehandlung bei 200° C unterworfen, um die Zähigkeit der Platte aus reinem Eisen und des gebildeten Martensits zu verbessern*

Danach wurden aus dem erhaltenen Metallverbundkörper Proben für die Prüfung der Zugfestigkeit entnommen und diese Proben einer Prüfung zum Bestimmen der. Zugfestigkeit und der prozentualen Dehnung unterworfen. Die Proben wurden in der Weise entnommen, daß die Bestimmung der Festigkeit in der Richtung ermöglicht wurde, in der die martensitischen Gefügebestand-* teile ohne Unterbrechung angeordnet waren. Die Zugfestigkeit betrug 150 kg/mm und die prozentuale Dehnung 15 $>. Diese Ergebnisse stimmten gut mit den berechneten Werten überein, die aus der Formel zum Berechnen der durchschnittlichen Zugfestigkeit eines metallischen VerbundmateriaIb, das nicht unterbrochen in einer Richtung angeordnete Fäden enthält, für den Fall erhalten wurde, daß eine Zugkraft in Richtung der Fäden einwirkt.

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. Beispiel 2

Bohrungen mit -de™ Durchmesser von 2 mm wurden mit Hilfe eines Bohrers zentral ("bezogen auf.die Dicke) in einer 10 mm dicken, 100 mm breiten und 200 mm langen Platte aus reinem Eisen ausgebildet. 20 dieser Bohrungen wurden unter gleichen Abständen in der Längsrichtung der Platte ausgebildet.

Dann wurden die in Beispiel 1 verwendeten Kohlenstofffäden in diese Bohrungen eingebracht und die Platte danach in einer Argonatmosphäre einem Kaltwalζvorgang unterworfen, wobei die Platte auf eine Dicke von etwa 7 mm abgeflacht wurde. Die Menge der Kohlenstoffasern wurde so eingestellt, daß Martensit mit einem Gehalt an 1 ^ Kohlenstoff in einem Volumanteil von 70 $ vorliegt. Danach wurden 3 Teile gleicher Verbundmetallplatten, die' in der gleichen Weise hergestellt worden waren, in Schichten darauf aufgestapelt und nach dem Abdichten des Randes durch TIG-Schweißen wurde die gesamte Anordnung in einer Argonatmosphäre heiß gewalzt, um die Gesamtdicke auf 5 mm zu vermindern. Das erzielte Metallverbundmaterial wurde während 30 Minuten auf 800° C erhitzt und dann in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in Wasser abgekühlt. Danach wurde das Produkt einer weiteren Temperungsbehandlung bei 200° C unterworfen. Die Zugfestigkeit und die prozentuale Dehnung in Längsrichtung des Produkts betrugen 20$ kg/mm beziehungsweise 14 %*

t f

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Beispiel.. 3 KohlenstoffeBern wurden in 20er Reihen unter gleichem

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Abstand voneinander auf einer 0,2 mm dicken, 100 mm breiten und 200 mm langen Platte aus reinem Eisen angeordnet. Dann wurde eine weitere Platte aus reinem Eisen mit den gleichen Abmessungen auf diese Reihen von Kohlenstoffasern gelegt und auf dieser Platte wurden weitere 20 Reihen von Kohlenstoffasern angeordnet, auf die wieder eine derartige Platte gelegt wurde. In dieser Weise wurde ein Schichtkörper mit insgesamt 30 Lagen ausgebildet, wobei jede lage aus einer reinen Eisenplatte und 20 Reihen von darauf angeordneten Kohlenstoffaden bestand. Schließlich wurde die Oberfläche der obersten Reihen von Kohlenstoffasern mit einer Platte aus reinem Eisen bedeckt und die gesamte Anordnung unter Vakuum heiß gewalzt, um die Gesamtdicke auf 2 mm zu vermindern.

Die Anordnung wurde danach unter den in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Bedingungen einer Behandlung durch Abschrecken und Temperung unterworfen. Die Menge der Kohlenstoffasern wurde so gewählt, daß Martensit mit einem Gehalt an 1 ^ Kohlenstoff in einem Anteil von 70 Volumprozent der gesamten Struktur vorliegt.

Das auf diese Weise erzielte Metallverbundmaterial hatte eine Zugfestigkeit von 208 kg/mm und eine prozentuale Dehnung von 15 $*-.

Beispiel 4

Ein netzartiges Gewebe aus Kohlenstoffaden mit Maschen-Öffnungen von 5 mm wurde auf die Oberfläche einer 3 mm

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dicken, 100 mm breiten und 200 mm· langen Basis aus reinem Eisen gelegt, um eine Struktureinheit auszubilden. Diese . Einheitsstrukturen wurden in 10 Schichten aufeinandergelegt. Schließlich wurde die oberste Fläche mit einer Platte aus reinem Eisen bedeckt und die gesamte Anordnung in einer Argonatmosphäre heiß gewalzt, bis eine Gesamtdicke von 8 mm erreicht war.

Die Menge des Kohlenstoffgewebeß wurde so gewählt, daß Martensit mit einem Gehalt an 1 Ji Kohlenstoff in einem Anteil von 50 Volumprozent der gesamten Struktur vorliegt. Danach wurden Behandlungen durch Abschrecken und Tempern, beginnend bei 800° C, in der in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Weise durchgeführt.

Die Ergebnisse des Zugtests zeigten, daß das erhaltene Produkt eine Zugfestigkeit von 120 kg/mm und eine prozentuale Dehnung von 14 $> hatte.

Beispiel 5

Auf die Oberfläche einer 3 mm dicken, 100 mm breiten und 200 mm langen Platte aus reinem Eisen wurde Japanpapier gelegt und es wurden 5 Lagen aus dieser Kombination in Schichten aufeinandergestapelt. Die oberste Fläche wurde mit einer Platte aus reinem iDisen bedeckt und danach die gesamte Anordnung unter Erhitzen in einer Argonatmosphäre dem Druckschweißen unterworfen, wodurch die Gesamtdicke auf 7 mm

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vermindert wurde. Der Anteil des Papiers wurde so eingestellt, daß 1.5έ Kohlenstoff enthaltender Martensit in einem · Anteil von 50 Volumprozent vorlag, wobei in Betracht gezogen wurde, daß etwa 50 i° des Papiers.zum Kohlenstoffgehalt beitragen. Nach 30-minütigem Erhitzen-auf 800° C wurde der Verbundkörper einer Behandlung durch Abschrecken mit Wasser und Tempern unterworfen. Das erzielte Produkt hatte eine Zugfestigkeit von 125 kg/mm und eine prozentuale Dehnung von 14 %.

Beispiel 6

Ein Gemisch aus pulverisiertem Kohlenstoff und reinen Eisenfäden (in einem solchen Mischungsverhältnis, daß der Anteil an Martensit mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 $ 50 Volumprozent annimmt) wurde in ein Rohr aus reinem Eisen eingeführt, dessen Außendurchmesser 8 mm, dessen Innendurchmesser 2 mm und dessen Länge 200 mm betrug. Fach dem Verschließen der Jänden durch TIG-Schweißen wurde dieses Rohr einem Warmziehvorgang unterworfen, wobei der Außendurchmesser auf 1 mm vermindert wurde.

Dann wurden 7, dieser Metallverbundrohre zu einem Bündel vereinigt, die einander berührenden Flächen durch TIG-Schweißen miteinander verschweißt und das Eündel danach durch Heißwalzen in die Form einer Platte übergeführt, deren Gesamtdicke etwa 1 mm betrug. Der so erhaltene Metallverbundkörper hatte eine Zugfestigkeit von 151 kg/mm und eine prozentuale Dehnung von 14,4 9^. ' *

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Beispiel 7

In einer 5 mm dicken, 100 mm "breiten und 200 mm langen Basisplatte_r die aus einer Eisenlegierung mit einem Gehalt an 5_f4 ^cß> Nickel "bestand, wurden in Abständen von etwa 2 mm in der Längsrichtung etwa 0,1 mm tiefe und "breite Rillen durch Eindrücken ausgebildet und dann Kohlenstoffäden in diese Rillen gelegt. Die Menge der Kohlenstoffäden wurde so gewählt, daß Martensit mit einem Gehalt an 1 $ Kohlenstoff in einer Menge von 70 Volumprozent vorliegt. Dann wurde eine Platte der gleichen Zusammensetzung mit den gleichen Abmessungen wie die Basisplatte auf die Oberfläche der Basisplatte gelegt, in der die Rillen ausgebildet waren und nach dem TIG-Verschweißen des Randes wurde die gesamte Anordnung einem Heißwalzvorgang unterworfen. Die Plattendicke wurde durch das. falzen auf 5 mm verringert. Danach wurde die Verbundstruktur auf 850° C erhitzt, während 30 Minuten bei dieser Temperatur belassen, dann durch Eintauchen in Wasser abgekühlt und schließlich einer Temperungsbehandlung bei 200° C unterworfen.

Das dadurch erzielte Metallverbundprodukt hatte eine Zugfestigkeit von etwa 215 kg/mm und eine prozentuale Dehnung von 11,6 $i.

Wie aus den vorliegenden Beispielen ersichtlich ist, hat das erfiniungsgemäße Metallverbundmaterial, das durch Verteilen von Kohlenstoff in einer Sisenbasis und Umsetzen der Bestandteile durch Hitzebehandlung unter Bildung von

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Martensit-Gefügebestandteilen mit "bestimmter Ausrichtung entsteht, höhere Zugfestigkeit und Zähigkeit. , als gewöhnlicher Kohlenstoffstahl oder legierter Stahl, da die Festigkeitseigensehaften durch den Martensit zustande kommen, während die Zähigkeit auf das als Basis vorliegende Eisen zurückzuführen ist. Es ist außerdem ersichtlich, daß diese Wirkungen nicht durch einfaches Einschließen von Kohlenstoffasern in der Eisenbasis erzielt werden, sondern daß sie "bedingt sind durch die Bildung von Gefügebestandteilen mit anderen Eigenschaften, das heißt durch Martensitteilchen, die durch Reaktion zwischen diesen Kohlenstoffasern und der Eisenbasis entstehen.

Nachstehend werden in beispielhafter V/eise verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angegeben:

1) Die Erfindung umfaßt ein Metallverbundmaterial aus einer Metallbasis und mit dieser Basis reaktiven Elementen, die in einer bestimmten Richtung endlos angeordnet sind und mit dem umgebenden Basismetall durch eine Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts umgesetzt worden sind, so daß sieh Gefügebestandteile ausgebildet haben;

2) ein Metallverbundmaterial aus einer Metallbasis und mehreren verschiedenen Elementen, wovon mindestens eines mit dem Basismetall reaktionsfähig ist. Diese Elemente sind endlos in einer bestimmten Richtung angeordnet und wurden

. durch eine thermische Behandlung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls mit dem benachbarten

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Basismetall umgesetzt, wobei sich mehr als ein bündelförmi-. ger Gefügebestandteil gebildet hat;

3) ein Metallverbundmaterial aus einer Metallbasis und mit dieser reaktiven Elementen, die in Rillen angeordnet sind, welche mit bestimmter Ausrichtung in dieser Metallbasis vorgesehen sind, und die durch Hitzebehandlung unter Sauerstoffausschluß mit der Metallbasis umgesetzt worden sind, wobei sich ein Bündel ausgerichteter Gefügebestandteile gebildet hat;

4) ein Metallverbundmaterial aus einer Metallbasis und damit reaktiven .Elementen, die in Bohrungen angeordnet sind, welche in der Metallbasis mit bestimmter Ausrichtung vorgesehen sind und die mit dem benachbarten Basismetall durch Hitzebehandlung unter sauerstofffreien Bedingungen umgesetzt worden sind, wobei sich ein Bündel von Gefügebestandteilen gebildet hat;

5) ein Metallverbundmaterial, das aus einer Schichtstruktur aus mehreren Metallbasen und mit diesen reaktionsfähigen Elementen besteht. Dabei sind diese Elemente und die Metallbasen abwechselnd in Schichten aufgestapelt und die angegebenen Elemente wurden durch Hitzebehandlung unter Sauerstoffausschluß mit den angrenzenden Bereichen der Metallbasen umgesetzt, wobei eine Gruppe von Gefügebestandteilen gebildet wurde. .

Pur das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Metallverbundkörpers oder Metallverbundmaterials ist es wesentlich, daß innerhalb einer Metallbasis in bestimmter Ausrichtung und in nicht unterbrochenem Verlauf die mit

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dieser Metallbasis reaktiven Elemente angeordnet werden und . nach dem Abdichten dieser Elemente unter Ausschluß von Sauerstoff dieses Basismetall und die Elemente durch eine Hitzebehandlung umgesetzt werden. Diese Hitzebehandlung wird bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls vorgenommen.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Metallbasis verschiedene Arten von Elementen, wovon mindestens eines mit dem Basismetall reaktionsfähig

^ ist, in nicht unterbrochenem Verlauf in einer gegebenen Ausrichtung angeordnet und nach dem sauerstoffdichten Abschließen der Elemente dieses Basismetall und die Elemente durch Hiteebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt.

In einer anderen vorteilhaften AusfUhrungsform werden in einer Metallbasis in bestimmter Ausrichtung Rillen angeordnet und darin die mit dieser Metallbasis reaktionsfähigen EIemente ausgerichtet angeordnet. Nach dem Abschließen dieser

. Elemente gegenüber Sauerstoff werden das Basismetall und die Elemente durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt*

Eb ist außerdem vorteilhaft, in dem Basismetall mit bestimmter Ausrichtung Bohrungen vorzusehen, in welchendie mit der Metallbasis reaktiven Elemente ausgerichtet angeordnet werden. Nach dem dichten Verschließen der Bohrungen, so daß die Elemente unter oauerstoffabschluß gehalten werden, setzt man das Basismetall und die Elemente durch

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Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts um.

Zur Herstellung eines Schichtmaterials werden auf der Oberfläche einer Metallbasis in endloser Anordnung in bestimmter Ausrichtung Elemente angeordnet, die mit dem Basismetall reaktionsfähig sind und diese Metallbasen und Elemente abwechselnd in zahlreichen Schichten aufgestapelt. Nach dem dichten Abschließen dieser Elemente gegenüber Sauerstoffeinwirkung werden die Elemente mit dem Basismetall durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt.

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In dieser Beschreibung wurden zwar als vorteilhafte Ausführungsformen-Metallverbundkörper auf Eisenbasis angegeben, die unter Verwendung von Kohlenstoff hergestellt wurden; es wurde jedoch gefunden, daß ganz allgemein Elemente verwendet werden können, die mit dem als Basismetall verwendeten Eisen gegenseitige Löslichkeit aufweisen und die Fähigkeit haben, eine ^f <£ -Umwandlung hervorzurufen, wenn das Basismetall Eisen abgekühlt wird.

Derartige Elemente sind W, Cr, Si, V, Mo, Ti, Be, Cu, P, S, Ni und deren Kombinationen. In den vorgenannten Elementen können P und S zum Verbessern der Bearbeitbarkeit des Basis-

metalls Eisen und W, Cr, Si, V, Mo, lib und Ti zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften des Eisen-Basismetalls verwendet werden.

So wurden beispielsweise mehrere Rohre aus Pe mit 5 % Ni hergestellt, deren Bohrungen mit Wolframpulver gefüllt wurden, Die Rohre wurden straff gebündelt und durch Drehen mitein- ander vereinigt. Danach wurden sie einer Wärmebehandlung unter Bedingungen unterworfen, bei denen Wolframatome in das Eisen-Basismetall diffmdierten. Anstelle des Wolframpulvers kann feiner Draht oder Fäden aus Wolfram oder Molybdän verwendet werden, die in weitem Umfang auf dem Gebiet der konventionellen Verbundmaterialien eingesetzt werden.

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Claims

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Patentansprüche

. 1. Metallverbundkörper auf Eisenbasis, gekennzeichnet durch einen Grundkörper aus Eisen oder einer Eisenlegierung und in diesem Grundkörper in bestimmter Richtung orientierte Gefügebestandteile, die dae Produkt der Reaktion bei erhöhter Temperatur zwischen Eisen und einem mit
Eisen reaktionsfähigen Element darstellen, das zum Hervorrufen einer |f~- oC-ümwandlung befähigt ist.
2. Metallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß die orientierten Gefügebestandteile das Produkt der Reaktion zwischen Eisen und
einem metallischen Element darstellen.
3. Metallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die orientierten Gefügebestandteile durch Reaktion zwischen Eisen und Kohlenstoff entstanden sind und eine martensitische Struktur darstellen, die- feine Körner von Carbiden der Metallatome enthält.
4. Metallverbundkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die orientierten Gefügebestandteile aus zahlreichen Streifen bestehen, die in dem Eisen-Basismetall in der Walzrichtung vorliegen.
5. Metallverbundkörper nach Einspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet , daß er aus mehreren Schichten

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von aufeinandergestapelten Strukturen "besteht, die je aus einem Eisen-G-rundkÖrper und den darin orientierten Gefügebestandteilen "bestehen.
6. Verfahren zum Herstellen eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 5, dad-urch gekennzeichnet, daß man in oder auf mindestens einer Platte aus Eisen oder einer Eisenlegierung in bestimmter Orientierung ein mit Eisen reaktionsfähiges Element, das zum

" Hervorrufen einer V- (^-Umwandlung befähigt ist, anordnet und durch 7/ärmebehandlung unter SäuerstoffausSchluß die Umsetzung zwischen dem Element und dem Eisenmetall durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Oberfläche der Platte mit Rillen versieht, in diesen Rillen das mit Eisen reaktionsfähige Element anordnet und die Platte mit einer zweiten Platte überdeckt, bevor man die Wärmebehandlung durchführt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit Eisen reaktionsfähige Element in Form von Fasern einsetzt.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß man als mit Eisen reaktionsfähiges Element Kohlenstoff verwendet.

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10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, dadurch g e k e n'n- zeichnet, daß man den Kohlenstoff in Form eines Kohlenstoff enthaltenden Materials einsetzt.

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