DE2114852C3

DE2114852C3 - Verfahren zum Herstellen eines Metallkörpers

Info

Publication number: DE2114852C3
Application number: DE2114852A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Kuniya; Tadashi Tokio Nemoto; Takeo Tamamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-03-27
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1975-03-20
Also published as: DE2114852B2; DE2114852A1; GB1326494A; US3837931A; FR2083615B1; JPS5411257B1; FR2083615A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines neuartigen Metallkörpers, der in gruppenförmiger oder bündelartiger Anordnung von dem Basismetall verschiedene Gefügebestandteile enthält.

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.

Dieser faserverstärkte Kunststoff zeigt jedoch schlechte Hitzebeständigkeit, so daß die obere Grenze der Anwendungstemperatur gewöhnlich bei einem niedrigen Wert, wie etwa M)0° 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 Entwicklungdiescs neuen Produkts gerichtet. Das bei der Entwicklung einer solchen faserverstärkten Metallverbunditruktur 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 Methoden zur industriellen Herstellung von Metallfaden und eine Methode zum Herstellen eines metallischen Verbundmaterials unter Verwendung solcher Fäden.

Daher hat der Erfolg der technischen Herstellung von Whiskers und feinen Metallfaden hoher Festigkeit die Möglichkeit gegeben, die industrielle und technische 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 Metallverbundmaterial wurden be-

>o reits 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

»5 häufigsten angewendeten dieser bekannten Methoden sind die Infiltrattonsmethode, bei der ein mit Fäden gefülltes Rohr in ein Metallbad getaucht und geschmolzenes Metall in den evakuierten oberen Abschnitt des Rohre eingesaugt wird und die Diffusions-Verbindungsmethode, bei der Metallfaden /wischen Metallplatten eingelegt und danach unter Hitze und Druck verbunden werden. Das so hergestellte faserverstärkte metallische Verbundmaterial hat gegenüber faserverstärktem Kunststoff die Vor-

teile, daß die geringe Festigkeit und schlechte Elastizität des Basismetalls ausreichend durch die Metallfaden ausgeglichen werden unci daß weit höhere Hitzebeständigkeit erzielt wird, als bei faserverstärktem Kunststoff.

3" Eines dieser bekannten Verfahren wird in der deutschen Patentschrift 749 669 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Fasern eines bestimmten Werkstoffes in ein Grundmetall eingearbeitet und durch nachfolgende thermische Behandlung wird das Basismetall geschmolzen und die Fasern auf diese Weise eingebettet.

Es ist daher selbstverständlich, daß die Entwicklung dieser faserverstärkten Metallverbundmaterialien ein neues technisches Gebiet erölrnet, das sich vollständig von den konventionellen Methoden zum Verbessern der Eigenschaften unterscheidet, die auf dem Legieren von Metallen basieren.

Fs ist dabei auch unvermeidlich, daß schwierige Probleme auftreten. So führen bei faserverstärktem Metallvcrbundmaterial 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

5" können die Eigenschaften des erzielten Materials nicht besser sein als das Ergebnis der Kombination der Eigenschaften deir betreffenden Bestandteile Ferner sollte nicht außer acht gelassen werden, daü künstlich hergestellte Whiskers oder hochfeste feine Fäden sehr teuer sind.

Obwohl gegenwärtig Eisen- und Stahlmaterialiei das breiteste industrielle Anwendungsgebiet besitzen wurden bisher wenig Versuche unternommen, faserverstärktes Metallverbundmaterial zu verbessern, weil es nicht möglich war, Fasern aufzufinden, die in wirksamer Weise zum Verstärken von Eisen und Stahl geeignet waren. Das Verbessern der Festigkeit diese; Materials beschränkte sich bisher auf die Auswahl vor Legicrur.gselementen und von Wärmebehandlungs-

bedingungen.

Es bestand daher ein Bedürfnis, neuartige Kombinationen aus Basismctaü und einem darin orientierter Verstärkungsmaterial ?u schaffen, die ein erweiterte·

Anwendungsgebiet haben und zu deren Herstellung die Verwendung von teuren Whiskers oder hochfesten feinen Metellfäden unnötig ist.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, das die Herstellung solcher Metallkörper in einfacher Weise und ohne Verwendung teurer Metallfaden ermöglicht.

Es konnte nun gefunden werden, daß sich diese Aufgabe dadurch lösen läßt, daß ein mit Eisen reaktionsfähiges Element, welches die y-α-Umwandlung verursacht, in einen Grundkörper aus Eisen in bestimmter Orientierung eingeführt wird und durch thermische Behandlung unter Ausschluß von Sauerstoff und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls eine Martensitstruktur ausgebildet wird. Im Gegensatz zu den bekannten Metallverbundkörpern, in welchen intakte Metallfasern in einem Basismetall angeordnet sind, werden erfindungsgemäß Metallkörper hergestellt, in denen die anfänglich eingebrachten Fasern oder Folien mit dem Eisen umgesetzt werden und zur Ausbildung einer Martensitstruktur an Stelle des eingebrachten Elements führen.

Es war zwar bereits bekannt, daß sich unter der Einwirkung mechanischer Bearbeitungsverfahren in einem Grundmetall die Verunreinigungen zellenförmig orientieren können (E. Bickel »Die metallischen Werkstoffe des Maschinenbaues« Springer-Verlag, 1953, Seiten 76 und 77). Ferner war auch bekannt, die Umwandlung von y-Eisen in <r-Eisen durch den Zusatz bestimmter Elemente zu fördern (USA.-Patentschrift 3118 761). Daraus ist jedoch nicht ersichtlich, daß mit Hilfe spezieller Verfahrensmaßnahmen eine gezielte orientierte Martensitstruktur in einem Grundmetall ausgebildet werden kann, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Metallkörpers, der in gruppenförmiger oder inindelartiger Anordnung von dem Basismetall verschiedene Gefügebestandteile enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in oder auf mindestens einer Platte aus Eisen oder einer Eisenlegierung in bestimmter Orientierung ein mit Eisen reaktionsfähiges Element, das zum Hervorrufen der Umwandlung von y- in a-Eisei« befähigt ist, anordnet und durch thermische Behandlung bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls unter Sauerstoffausschluß die Umsetzung zwischen dem Element und dem Baaismetall unter Ausbildung einer Martensitstruktur du.chfuhrt.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Herstellung solcher Metallkörper auf Eisenbasis ist es, daß das Prinzip einer Strukturumwandlung angewendet wird. In einer typischen Ausführungsform der Erfindung wird in einer Eisenbasis hoher Festigkeil 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 Grundmaterial vorliegenden Eisens kompensiert wird.

Um diese Merkmale in dem faserverstärkten Metallmaterial, das erfindungsgemäß hergestellt werden soll, zu verwirklichen, wird zunächst der spröde Martensit in Form ein?r Faser ausgebildet. Zu diesem Zweck können erftndungsgemäß feinpulverisierter Kohlenstoff, Folie, Papier od. dgl. verwendet werden. Die hier verwendeten Fasern müssen nicht notwendigerweise Whiskers oder feste, feine Metallfäden sein.

Das erfindungsgemäß verwendete, einfache, faserbildende Material selbst kann schwach oder zerbrechlich sein.
Die Festigkeit von durch Umsetzen von liisen und

Kohlenstoff gebildetem Martensit ist nicht so gering wie die von gewöhnlichem, legiertem Stahl, sondern kann dem theoretischen Eigenwert angenähert werden. Daraus ist verständlich, daß die als Pulver oder Folie eingesetzten Elemente wirksam in der später

ίο ausführlicher beschriebenen Weise angewendet werden können.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Fig. I eine graphische

Darstellung, die den Zusammenhang von Zugfestigke·· und Kohlenstoffgehalt von gewöhnlichem martensitischem legiertem Stahl zeigt.

Fi g. 2 ist eine graphische Darstellung, die den Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die 0,6-%-Fließ; pannung für legierten Eisen-Nickel-Kohlenstoff-Stahl zeigt.

Fi g. 3 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Dehnung und dem Kohlenstoffgehalt von martensitischem Kohlenstoffstahl darstellt, und

;n Fig. 4 bis 10 sind in perspektivischer Ansicht Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Metallverbundmaterialien dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Zugfestigkeit von legiertem AIl-

3" /weckstahl mit Martensitstruktur nach einer Temperung bei 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 prozen-

tuale 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 Fig. 2 sind die Ergehnisse von mit legiertem Eisen-Nickel-Kohienstoff-Stahl als Beispiel durchgeführten Versuchen zur Bestimmung der Fließspannung von martensitischem Stahl gezeigt. Die 0,6-9r-Fließspannung (der Quotient, der durch Dividieren der Belastung (kg), bei der eine bleibende Dehnung von 0,6^f eintritt, durch die ursprüngliche Querschniltsflache (mm-) des parallelen Teils bei der Zugprüfung oder Druckbelastungsprüfung erhalten wird) ist auf der Ordinate aufgetragen, während eier Gehalt in Kohlenstoff und Nickel auf der Abszisse angegeben ist.

In F ι g. 2 zeigt die Kurve 1 die Fiießspannung unter

Druck, die bei der Druckbelastungsprüfung nach 3stündiger Alterungsbehandlung bei 0° C beobachtet wurde, urto Kurve 2 die Zugfließspannung, die in einer Zugprüfung erhallen wurde, ohne daß eine Alterungsbehandlung durchgeführt worden war.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Zagfestigkeit stetig erhöht wird, bis der Kohlenstoffgehalt den Wert von 0,6% erreicht.

Es wird daher festgestellt, daß die Festigkeit von Martensit proportional zu einer Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes verbessert wird, bis dieser Kohlenstoffgehalt den Grenzwert von 0,5 bis 0,6% erreicht. Oberhalb dieses Werts ist jedoch keine weitere Verbesserung zu erwarten.

Diese Tatsache wird sichtlich durch F i g. 3 belegt, in der die Zugfestigkeit und prozentuale Dehnung der drei Prüfkörper aus martensitischem Kohlenstoffstahl mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten in Abhängigkeit von der Temperungstemperatur dargestellt sind. In Fig. 3 zeigen die Kurven 3 und 3a Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,34%, der mit Ol gehärtet wurde, mit einem Beginn bei 850° C, die Kurven 4 und 4a stehen für Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,65, der mit öl gehärtet wurde, beginnend bei R50° C, und die Kurven 5 und 5 a wurden mit Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,99% und Wasserhärtung von 750° Can erhalten. Die Kurven 3, 4 und 5 zeigen die Zugfestigkeit, während durch die Kurven 3a, 4a und 5a die prozentuale Dehnung dargestellt wird.

Die Ergebnisse der Fig. 3 zeigen, daß die Zugfestigkeit von Kohlenstoffstahl ziemlich niedrig ist, wenn der Kohlenstoffgehalt bis zu etwa 1 % beträgt. Im Hinblick darauf, daß grundsätzlich Festigkeit und Dehnung gegensätzliche Faktoren sind, müßte jedoch praktisch die Zugfestigkeit von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,99%, 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 vorzeitigen 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/mm².

In den erfindungsgemäöen 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 Festigkeitseigensrhaften von Martensit, der einen Überschuß an Kohlenstoff enthält, auszunützen.

Die Erfindung weicht außerdem von der herkömmlichen Auffassung von faserverstärktem Metallverbundmaterial ab, wonach es erforderlich ist, zuerst die martensitischen Faden, die äußerst schwierig auszubilden sind, herzustellen, denn erfindungsgemäß sollen zur Verstärkung die Martensitteilchen dienen, die durch Reaktion zwischen dem Eisen-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-Gef ügebestandteile 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 a_c dieses Materials, wenn eine Zugkraft in Faserrichtung einwirkt, durch die folgende Formel dargestellt:

°. = "Μ + o_mV_m = O₁V, + σ' (1-K,)

in der o, die Zugfestigkeit der Faser, a_m die inhärente Zugfestigkeit des Basismetaiis, a'_m die Belastungsspannung des Basismetalls beim Bruch des Metallverbundmaterials und V. und V_n die Volumanteile von Fasern und Basismetall bedeuten.

»5 Nach einem Beispiel werden die Martensit-Gefügebestandteile mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 % in einer Ferritbasis in der Weise ausgebildet, daß der Martensitanteil 70% (in einer Ausführungsform) und 50% (in einer anderen Ausführungsform) des gesam-

ten Metallverbundmaterials ausmacht. Wie bereits er-

. wähnt, wird beim Erreichen des Kohlenstoffgehaltes von 1 % in martensitischem Kohlenstoffstahl die Erscheinung des vorzeitigen Bruches hervorgerufen und daher die wahre Zugfestigkeit nicht erzielt. Wie je-

^a5 doch aus der Zugfestigkeit von Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,1 bis 0,6%) geschlossen werden kann, muß die Zugfestigkeit von Martensit mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 % etwa 320 kg/ mm² nach einer Temperung bei 200° C betragen. In

entsprechender Weise wird abgeschätzt, daß die Zugfestigkeit von Ferrit etwa 31 kg/mm² beträgt. Die Spannung &_m des Basismetalls, das heißt Ferrit, beim Bruch des Metallverbundmaterials kann daher auf etwa 14 bis 17 kg/mm² geschätzt werden.

Durch Einsetzen dieser Schätzwerte in die vorher gegebene Formel werden folgende Ergebnisse erzielt: Wenn der Volumanteil der Martensitstruktur 0.7 beträgt, so ist

c = 320 x 0,7 + 15 x 0,3 = 228,5 kg/mm².

Wenn dieser Volumanteil 0,5 beträgt, so gilt

r = 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 dafi das erfindungsgemäße Produkt mit hoher Festigkeit außerdem eine ausgezeichnete Zähigkeit besitzt. • i?r u" ^nacnstenend gegebenen Beispielen ist ersichtlich, daß die in der Weise berechnete Zugfestigkeit praktisch mit den tatsächlich gemessenen Werter der Zugfestigkeit des Metallverbundprodukts übereinstimmt und daß somit die wirkliche Zugfestigkeil des Martensits erreicht wird.

Nachstehend werden die angewendeten wesentli »ο chen Verfahrensschritte zur Ausbildung der erfrn dungsgemäßen Metallverbundkörper im einzelner beschrieben.

Aus Fig. 4, die eine Ausführungsform der Erfin dung zeigt, ist ersichtlich, daß in einer Metallbasis 1 Rillen 2 ausgebildet werden und in diese Rillen in dei in Hg. 5 gezeigten Weise Elemente 3 gelegt werden die mit dem Basismetall reagieren können. Die BiI dung der Rillen 2 in ά.-τ Metallbasis I kann durch An

Wendung einer beliebigen geeigneten konventionellen mechanischen Methode erfolgen, wie beispielsweise durch Einkerben (marking-off). Es ist auch möglich, ein Photoätzverfahren anzuwenden, das gewöhnlich für Hy-föleiter-Vorrichtungen verwendet wird. Vorzugsweise wird die Tiefe der Rillen 2 nicht zu groß gewählt. Wenn 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 Festigkeit.

Diese Rillen werden in ausreichender Anzahl vorgesehen, so daß der erforderliche Volumanteil 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.

Nachdem in der angegebenen Weise die erforderliche Anzahl von Rillen in der Metallbasis erzeugt wurie. werden die mit dem Basismetall reaktionsfähigen Elemente 3 in die Rillen eingelegt. Es ist zu bemerken, daß die so in ihrer I^age 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 1A in enge Berührung mit der Oberfläche der Metallbasis 1 gebracht, in der die Rillen 2 ausgebildet werden. Diese Ausführungsform ist in Fi g. 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 Löten dicht abzuschließen.

In einer in Fi g. 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 Weise unter Verwendung eines Bohrers oder anderer ähnlicher Vorrichtungen ausgebildet werden. Da es schwierig ist, von Anfang an enge Löcher auszubilden, ist es vorteilhaft, zuerst vergleichsweise weite Löcher zu bilden und danach die Metallbasis 1 durch Walzen zu strecken, wodurch die Löcher kleiner werden. Es ist außerdem zweckmäßig, wie in F i g. 7 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 dieeer Form reagieren zu lassen. In diesem Fall kann die Oxydation der Elemente 3 vermieden werden, indem weitere Metallbasen IA, IB, IC in gleicher Weise verwendet wenden wie in der Ausführungsform, bei der Rillen 2 in der Metaltbasis vorgesehen sind. Bei Verwendung von Elementen in Form einer Folie oder eines Stoffes werden diese Elemente, wie in Fig. 8 gezeigt ist, abwechselnd mit den Metallbasen 1 übereinandergestapelt. Bei Verwendung von Kohlenstoff kann gewöhnliches Papier verwendet werden, das dann carbonisiert wird.

Eine plattenf örmige Metallbasis, in der das mit dem Eisen reaktive Element in orientierter Anordnung vorliegt, kann ferner wie folgt erhalten werden: das reaktionsfähige Element 3 wird in jeder der rohrförmigen Metallbasen 1 angeordnet, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Wenn mehrere dieser rohrförmigen Basen oder Grundkörper zu einem Stück miteinander verbunden werden sollen, werden sie zuerst in geeigneter Weise gebündelt, so daß die einander berührenden

'5 Flächen miteinander verschmolzen werden, wie in der Figur gezeigt ist. Danach werden sie einem Walzvorgang unterworfen, um die Rillen zu entfernen und sie zu einer Platte zu verformen.

Wenn die reaktionsfähigen Elemente in die Metallbasis eingebracht werden, ist es auch möglich, zusammen mit diesen reaktionsfähigen Elementen weitere Elemente einer anderen Art einzulegen. Ein Beispiel für diesen Fall ist in Fig. 10 dargestellt, in der die Elemente 3 und 3/4 in den in der Metallbasis 1 ausge-

*5 bildeten Rillen 2 angeordnet sind. Beide Elemente 3 und 3/1 können die Elemente sein, die mit dem Basismetall oder miteinander reagieren. Selbstverständlich kann als Element 3/4 auch ein 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 Weise Elemente verschiedener Arten gemeinsam angeordnet werden, ist es möglich, wenn die Elemente 3^4 zur Reaktion mit

dem Basismetall 1 oder mit den Elementen 3 befähigt sind, übermäßige Diffusion der Elemente 3 in die Metallbasis einzuschränken.

Wenn Martensitpartikel in einer Eisenbasis 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 unterworfen. Die Menge des zugegebenen reinen Eisens, das mit dem Kohlenstoff in der Basis umgesetzt wird, ist außerordentlich gering, so daß es zu Ferrit reduziert wird, während das Basismetall in Martensit umgewandelt wird.

Wenn reines Eisen in bestimmter Ausrichtung beispielsweise in einer Chrom-Nickel-Stahlbasis mit 18%

so Chrom und 8% Nickel, die eine stabile Austenitstruk-. tür aufweist, verteilt wird und diese Basis einer Hitzebehandlung unterworfen wird, so werden Nickel und Chrom in der Basis in der Nachbarschaft des reiner Eisens verdünnt und in einen Bereich mit martensiti scher Struktur übergeführt, während der von dem rei nen Eisen entfernt liegende Bereich in Forai von Aus tenit verbleiben kann.

Der genaue Temperaturbereich der Wärmebe Handlung und die Dauer dts Erhitzern kann in Ab

hängigkeit von der Dicke und Zusammensetzung de Metallbasis und dem Anteil der in der Basis einge schlossenen Elemente schwanken. Grundsätzlicl kann der erfindungsgemäße Zweck jedoch erreich werden, wenn die Temperatur oberhalb der untere

«5 Grenztemperatur liegt, bei der das Bastsmetall un die Elemente sich umsetzen.

Wird beispielsweise 1 % Kohlenstoff enthaltende Martensit durch Umsetzen von reinem Eisen uti

509612/li

Kohlenstoff erzeugt, so wird die Wärmebehandlung 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 Erhitzeiis entsprechend abgekürzt werden kann, wenn gewünscht wird, die Temperatur der Wärmebehandlung noch mehr zu erhöhen.

Beispiel 1

Auf der Oberfläche einer 5 mm dicken, 100 mm breiten und 200 mm langen Platte aus reinem Eisen wurden in Abständen von etwa 2 mm durch Eindrükken (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 Volumanteil von 50% Martensit mit einem Kohlenstoffgehalt von I^ 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 Wolframelektroden in Inertgas (TIG-Schweißen) wurde die gesamte Anordnung einem Heißwalzvorgang unterworfen. Durch das Heißwalzen wurde die Plattenanordnung auf eine Dicke von etwa 5 mm abgeflacht. Nach dem Walzen wurde die Anordnung auf 800° C erhitzt, um die Reaktion zwischen der Basis aus reinem Eisen und den Kohlenstoffasern hervorzurufen, und wurde während 30 Minuten bei dieser Temperatur gt tauchen in Wi

samte Anordnung einer weiteren Temperaturbehandlung bei 200° C nnterworfen, 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 Gefügebestandteile ohne Unterbrechung angeordnet waren. Die Zugfestigkeit betug 150 kg/tnm^rund die prozentuale Dehnung 15%. Diese Ergebnisse stimmten gut mit den berechneten Werten überein, die aus der Formel zum Berechnen der durchschnittlichen Zugfestigkeit eines metallischen Verbundmaterials, das nicht unterbrochen in einer Richtung angeordnete Fäden enthält, für den Fall erhalten wurde, daß eine Zugkraft in Richtung der Fäden einwirkt.

Beispiel 2

Bohrungen mit dem Durchmesser von 2 mm wurden mit Hilfe eines Bohrers zentral (bezogen auf die Dicke) in einer 10 mm dicken, 100 rrtp* 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 Kohlenstoffäden in diese Bohrungen eingebracht und die Platte danach in einer Argonatmosphäre einem KaIt-

gehalten. Danach wurde sie durch Ein-/asser abgekühlt. Dann wurde die ge- walzvorgang unterworfein, 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 Argionatmosphäre heiß gewalzt, um die Gesamtdicke auf 5 mm zu vermindern. Das erzielte Me tall verbund material wurde während 30 Minuten auf 800° C erhitzt und dann in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in Wasser abgekühlt.

»5 Danach wurde das Produkt einer weiteren Temperungsbehandlungbei 200° C unterworfen. Die Zugfestigkeit und die prozentuale Dehnung in Längsrichtung des Produkts betrugen 205 kg/mm² bzw. 14%

" Beispiel 3

Kohlenstoffasern wurden in 20er Reihen unter gleichem Abstand voneinander auf einer 0,2 mm dikken, 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 derar-

tige 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 Kohlenstoffäden 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 unem Anteil von 70 Voium prozent der gesamten Struktur vorliegt.

Das auf diese Weise erzielte MetallverbundmaterU! hatte eine Zugfestigkeit von 208 kg/mm³ und eine

prozentuale Dehnung von 15%.

Beispiel 4

Ein netzartiges Gewebe aus Kohlenstoffäden mii Maschenöffnungen von 5 mm wurde auf die Oberflä ehe einer 3 mm dicken, 100 mm breiten und 200 mn langen Basis aus reinem Eisen gelegt, um eine Struk tureinheit auszubilden. Diese Einheitsstrukturei wurden in 10 Schichten aufeinandergelegt. Schließücl wurde die oberste Fläche mit einer Platte aus reinen Eisen bedeckt und die gesamte Anordnung in eine: Argonatmosphäre heiß gewalzt, bis eine Gesamtdicfo von 8 mm erreicht war.

„P^ie Menge des Kohlenstoffgewebes wurde so ge wählt, daß Martensit mit einem Gehalt an 1% Koh lenstoff in einem Anteil von 50 Volumprozent der ge samten Struktur vorliegt. Danach wurden Behandlun

schriebenen „_M1 „,„,„,

Die Ergebnisse des Zugtests'zeigten. daß das erhal

tene Produkt eine Zugfestigkeit von 120 kg/mm² und eiiie prozentuale Dehnung von 14% hatte.

Beispiel 5

Auf die Oberfläche einer 3 mm dicken, 1(K) mm breiten und 200 nun langen Platte aus reinem Eisen wurde Japanpapier gelegt und es wurden 5 La gen aus dieser Kombination in Schichten aufeinandergestapelt. Die oberste Fläche wurde mit einer Platte aus reinem Eisen bedeckt und danach die &™^mi?™°[^a _m nung unter Erhitzen in einer Argonatmosphare dem Druckschweißen unterworfen, wodurch die= Gesamtdicke auf 7 mm vermindert wurde Der Anteil des Papiers wurde so eingestellt, daß 1 % Kohlenstoff enthaltender Martensit in einem Anteil von 50 Volumprozentvorlag, wobei in Betracht gezogen wuj*. JJ* Stm 50% del Papiers zum Kohlenstoff ggehah tajj gen. Nach 30minütigem Erhitzen auf 800 Cwmoe de. Verbundkörper einer Behandlung durch Ab- _ac schrecken mit Wasser und Tempern unterworfen Das

erzielte Produkt hatte eine Zugfestigkeit von 125 kg/ mm² und eine prozentuale Dehnung von 14 A.

Beispiel 6 as

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 1"««"^«*™^ 2 mm und dessen lunge 200 mm betrug. Nach dem Verschließen der Enden durch TIG-Schweißeivwurde dieses Rohr einem Warmziehvorgang ""«"™™": wobei der Außendurchmesser auf 1 mm vermindert

iirrlp '

Dann wurden 7 dieser Metal^rbundwhre zu «- nem Bündel vereinigt, die einander te'uhrendenHa chen durch TIG-Schweißen miteinander verschwe^ und das Bündel danach durch Heißwalzen in die Form

einer Platte übergeführt, deren Gesamtdicke!etwa 1 mm betrug. Der so erhaltene Metallverbundkorpe. hatte eine Zugfestigkeit von 151 kg/mm² und eine prozentuale Dehnung von 14,4%.

Beispiel 7

Inemer 5 mm dicken. 100 mm breiten und200mm langen Basisplatte, die aus einer Einlegierung mit einem Gehalt an 5,4% Nickel bestand, wurden in Ab ständen von etwa 2 mm in der Lw^Jgg.^ 0,1 mm tiefe und breite Rillen durch Ε'^ηα™£^. gebildet und dann Kohlenstoffaden in diese Rillen ge legt. Die Menge der Kohlenstoffaden wu de so ge wählt, daß MVtensit mit ^eine%^G _v ^h _of' ™ ¹^ Kohlenstoff in einer Menge von ^.Y⁰·""¹^"! vorliegt. Dann wurde eine Platte der gleichen Zusam mensetzung mit den gleichen Abmessungen wie_ die Basisplatte auf die Oberfläche der Basspiattegetegt, in der^ die Rillen ausgebildet waren.undnatfn*™ TIG-Verschweißen des Randes wurde die,gesamte Anordnung einem Heißwalzvorgang »J«™**; Die Plattendicke wurde durch das Walzen ad5 mm verringert. Danach wurde die Verbundsttuktur «α 850° C erhitzt, während 30 Minuten bei terT» peratur belassen, dann durch Eintauchenim Wasser abgekühlt und schließlich einer Temperungsbehand lung bei 200° C unterworfen.

Das dadurch erzielte Metallverbundprodukt hatte

eine Zugfestigkeit von etwa 215 kg/mm² und eine prozentuale Dehnung von 11,6%.

Wie aus den vorliegenden Beispielen ersichtlich ist, hat das erfindungsgemäße Metallverbundmatenal, das durch Verteilen von Koh'enstoff in einer geenbasis und Umsetzen der BestandteiSe durch Hitzebehandlung unter Bildung von Martensit-Gefugebestandteilen mit bestimmter Ausrichtung entsteht, höhere Zugfestigkeit und Zähigkeit, als gewöhnlicher Kohlenstoffstahl oder legierter Stahl, da die Fesdgkeitseigenschaften durch den Martensit zustande kommfn, während die Zähigkeit auf das als Basis vorlieRende Eisen zurückzuführen ist. Es ist außerdem ersichtlich, daß diese Wirkungen nicht durch einfaches Einschließen von Kohlenstoffasern m der Eisenbasis erzielt werden, sondern daß sie bedingt sind durch die Bildung von Gefügebestandteilen mit anderen Eigenschaften, d. h. durch Martensitteilchen, die durch Reaktion zwischen diesen Kohlenstoffasern und der ι Eisenbasis entstehen.

Nachstehend werden in beispielhafter Weise verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angege-

hen*

Die Erfindung umfaßt ein Metallverbundmate-' rial 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 sich Gefügebestandteile ausgebildet haben;

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 Basismetall umgesetzt, wobei sich mehr als ein bündelförmiger Gefügebestandteil gebildet hat;

τ, ein Metallverbundmateri^ 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 Metallbas* umgesetzt worden sind, wobei sich ein Bündel ausgerichteter Gefügebestandteile gebildet hat;

ein Metallverbundmaterial aus einer Metallbasis und damit reaktiven Elementen, die in Bohrungen angeordnet sind, welche in der Metallbasi? mit bestimmter Ausrichtung vorgesehen sind umi die mit dem benachbarten Basismetall durch Hitzebehandlung unter sauerstofffreien Bedin gungen umgesetzt worden sind, wobei sich eit Bändel von Gefügebestandteilen gebildet hat:

ein Metallverbundmaterial, das aus eine Schichtstruktur aus mehreren Metallbasen um mit diesen reaktionsfähigen Elementen besteht Dabei sind diese Elemente und die Metallbasei abwechselnd in Schichten aufgestapelt und di angegebenen Elemente wurden durch Hitzebe handlung unter Sauerstoffausschluß mit den an grenzenden Bereichen der Metallbasen umge setzt, wobei eine Gruppe von Gefügebestandtei len gebildet wurde.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herste!

len eines Meialiverbundkörpers oder Metallyerbundmaterials ist es wesentlich, daß innerhalb einer MetaJlbtsw in bestimmter Ausrichtung und in nicht unterbrochenem Verlauf die mit 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 vorgenom- men.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Metallbasis verschiedene Arten von Elementen, wovon mindestens eines mit dem Basismetall reaktionsfähig ist, in nicht unter- '5 brochenem Verlauf in einer gegebenen Ausrichtung angeordnet und nach dem sauerstoffdichten Abschließen der Elemente dieses Basismetall und die Elemente durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform werden in einer Metallbasis in bestimmter Ausrichtung Rillen angeordnet und darin die mit dieser Metallbasis reaktionsfähigen Elemente ausgerichtet angeordnet. Nach eem Abschließen dieser Elemente *5 gegenüber Sauerstoff werden das Basismetall und die Elemente durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt.

Es ist außerdem vorteilhaft, in dem Basismetall mit bestimmter Ausrichtung Bohrungen vorzusehen, in weichen die mit der Metallbasis reaktiven Elemente ausgerichtet angeordnet werden. Nach dem dichten Verschließen der Bohrungen, so daß die Elemente unter Sauerstoffabschluß gehalten werden, setzt man das Basismetall und die Elemente durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts um.

Zur Herstellung eines Schichtmatenals werden auf der Oberfläche einer Metallbasis in endloser Anordnung «Tbestunmter Ausrichtung Elemente angeord-Srtdie mit dem Basismetali reaktionsfähig sind, und & Äbasea und Elemente abwechselnd in zahlreichenSchichten aufgestapelt. Nach dem dichten Abschließen dieser Elemente gegenüber Sauerstof -eirSkungwerdendie Elemente mit dem Basismetall durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts umgesetzt.

In dieser Beschreibung wurden zwar als vorteilhafte Ausführungsformen Metallverbundkörper auf Eisenbaus angegeben, die unter Verwendungen KoWenstoff befgestellt wurden; es wurde jedoch gefunden, daß ßanz allgemein Elemente verwendet werden können die mit dem als Basismetali verwendeten Eisen creeenseitige Löslichkeit aufweisen und die Fähigkeit haben eine γτ± α -Umwandlung hervorzurufen, wenn das Basismetal! Eisen abgekühlt wird

Derartige Elemente sind W, Cr, Si, V, Mo, Ti, Bc, Cu P S Ni und deren Kombinationen. In den vorgenannten Elementen können P und S zum Verbessern der Bearbeitbarkeit des Basismetalls Eisen und W. Cr Si V Mo Nb und Ti zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften des Eisen-Basismetalls verwendet werden.

So wurden beispielsweise mehrere Rohre aus he mit 5% Ni hergestellt, deren Bohrungen mit Wolframpulver gefüllt wurden. Die Rohre wurden straff gebündelt und durch Drehen miteinander vereinigt. Danach wurden sie einer Wärmebehandlung unter Beding'ingen unterworfen, bei denen Wolframatome in das Eisen-Basismetall diffundierten. An Stelle des Wolframpulvers kann feiner Draht oder Faden aus Wolfram oder Molybdän verwendet werden, die in weitem Umfang auf dem Gebiet der konventionellen Verbundmaterialien eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

2 Π4852 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Metallkörpers, der in gruppenförmiger oder bündelartiger Anordnung von dem Basismetall verschiedene Gefügebestandteile enthält, dadurch 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 der Umwandlung von y- in α-Eisen befähigt ist, anordnet und durch thermische Behandlung bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Basismetalls unter Sauerstoffausschluß die Umsetzung zwischen dem Element und dem Basismetall unter Ausbildung einer Martensitstruktur durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit Eisen reaktionsfähige Element in Form von Fasern einsetzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß man als mit Eisen reaktionsfähiges Element Kohlenstoff verwendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kohlenstoff in Form eines KohlenMoff enthaltenden Materials einsetzt.