DE2130421B2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbu ndmetallstreif ens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Verbu ndmetallstreif ens

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Description

Es ist z.B. aus den USA.-Patentschriften 16 54 509 und 21 97 274 bekannt, Verbundmetallstreifen dadurch herzustellen, daß ein Strom aus geschmolzenem Metall, das durch, einen Gasstrahl zu feinen Teilchen zerstäubt wird, auf eine metallische Unterlage geleitet wird.
Fin ähnliches Verfahren, bei dem aber die aufgesprühte Metallschicht wieder von der Metallunterlage gelöst wird, ist in der DT-OS 19 19 416 beschrieben. In diesen Druckschriften ist aber nichts über die Aufbringung einer Legierung aus zwei miteinander nicht mischbaren Metallen gesagt.
Ferner sind aus der DT-PS 12 80 517 und der DT-OS 58 296 Verfahren /um Aufsintern von Metall- oder 6S Legierungspulvern auf metallischen Unterlagen bekannt. Das Problem, eine Legierung aus zwei miteinander nicht mischbaren Metallen in flüssiger Form aufzubringen, ist in diesen Druckschriften nicht angesprochen.
Die GB-PS 10 83 003 beschreibt zwei Varianten /um Aufbringen von zwei flüssigen Metallen mit unterschiedlicher Dichte auf eine Metallunterlage. Nach der ersten Variante werden flüssiges Aluminium und Blei aus getrennten Spritzpistolen auf die Metallunterlage aufgespritzt. Die auf der Metallunterlage erstarrten Metallteilen sind nicht kleiner als die flüssigen Metallteilchen im Sprühstrahl, und ferner sind die Metallteilchen durch eine verhältnismäßig scharfe Phasengrenze voneinander getrennt, da die geschmolzenen Metallteilen beim Auftreffen auf die Metallunierluge schon so weit abgekühlt sind, daß keine Legierungsbildung mehr erfolgt.
Nach der zweiten Variante werden das Aluminium und das Blei in Form eines Verbunddrahtes einer einzigen Spritzpistole zugeführt. Wird ein solcher Verbunddraht in der Spritzpistole zum Schmelzen gebracht, so bilden sich zunächst zwei räumlich voneinander getrennte geschmolzene Metallpliasen aus. die sich etwas oberhalb des Schmelzpunktes noch nicht miteinander vermischen. Werden die beiden flüssigen Phasen verspritzt, so liegen wiederum nur mechanisch zerkleinerte Blei- und Aluminiumtröpfchen vor. Es ist nicht angegeben, daß die Metalle vor dem Verspritzen auf eine weit über dem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt werden sollen und wie lange die beiden Phasen im schmelzflüssigen Zustand gehalten werden sollen, so daß davon auszugehen ist, daß sich die beiden schmelzflüssigen Phasen nicht zu einer einzigen Phase vereinigt haben.
Nach dem Drahtspritzverfahren arbeitet auch das in »Schweißtechnik«, 1957, Heft 4, S. 122 und 123. erwühnte Verfahren, das zu einem verhältnismäßig groben Legierungsgefüge (Cu-Pb) führt.
Schließlich ist aus der DT-PS 3 07 406 ein Verfahren zur Herstellung von Metallüberzügen durch Aufschleudcrn von fein zerstäubtem flüssigem Metall auf das in einem Behälter befindliche Werkstück bekannt, wobei auch die Mctalldämpfe auf dem Werkstück abgeschieden werden sollen. Das Problem der Abscheidung von Legierungen aus zwei schlecht miteinander mischbaren Metallen ist jedoch in dieser Druckschrift nicht angesprochen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zwei Metalle mit unterschiedlicher Dichte, die im flüssigen Zustand mindestens teilweise unmischbar sind, so auf eine Metallunteriage aufzuspritzen, daß in der aufgesprühten, erstarrten Schicht das eine Metall in möglichst feiner Verteilung im Gefüge des anderen Metalls vorliegt. Zum Beispiel darf bei Metallen, wie Blei und Aluminium, das Blei nicht in verhältnismäßig großen Konglomeraten im Aluminiumgefüge vorliegen, da sonst die Festigkeil des Aluminiumgefüges beeinträchtigt wird. Es ist deshalb wichtig, das Blei möglichst fein im Aluminiumgefüge zu verteilen. Dieser Forderung steht die Schwierigkeit entgegen, daß die beiden Metalle (dies gilt auch für andere Metalle) im schmelzfliissigen Zustand dicht oberhalb der Schmelztemperatur nur sehr wenig miteinander mischbar sind, so daß zwei getrennte flüssige Phasen vorliegen. Es wurde gefunden, daß eine mechanische Vermischung der beiden flüssigen Metallphasen mit Hilfe eines Gassprühstrahles nicht ausreicht, um die erforderliche feine Verteilung des einen Metalls im Gefüge des anderen Metalls zu erreichen.
Die Erfindung beruht nun auf dem allgemeinen Ge-
danken, die beiden Metalle im schmelzflüssigen Zujtand auf eine solche Temperatur zu erhitzen, bei der eine Legierungsbildung erfolgt, d. h. das schwerere Metall sich im leichteren Metall möglichst weitgehend löst. Wird eine solche schmelzflüssige Legierung auf die Metallunterlage aufgespritzt, so 'cheidet sich das schwerere Metall beim Erstarren in feiner Verteilung im Gefüge des leichteren Metalls ab. da es wegen der kurzen Ersiarrungszeii keine Gelegenheit hat, s :h zu größeren Kiniglomeraten zusammenzuballen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallstreifens, wobei aus einem im schmelzilüssigen Zustand gehaltenen Metallvorrat ein Sl'om des geschmolzenen Metalls im freien Fall geführt und mindestens ein Gasstrahl auf den Strom gerichtet wird, um einen Sprühstrahl von Metallteilen zu bilden, der in Form einer Schicht auf einer metallischen llnterlageschicht abgeschieden wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in den Metailvorrat ein zweites Metall mit unterschiedlicher Dichte eingeleitet wird, wobei die beiden Metalle im flüssigen Zustand mindestens teilweise unmischbar sind, und daß die Metalle auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der sich mindestens ein Teil des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigen Dichte zu einer Legierung löst.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung mindestens eines Teils des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigeren Dichte dadurch bewirkt wird, daß aus einem Vorrat des geschmolzenen Metalls mit der höheren Dichte ein Strom dieses Metalls im freien Fall durch einen Vorrat und in einen aus diesem Vorrat im freien Fall austretenden Strom des geschmolzenen Metalls mit der niedrigeren Dichte geleitet wird.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung mindestens eines Teils des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigeren Dichte dadurch bewirkt wird, daß ein Teil des Metalls mit der höheren Dichte bsi erhöhter Temperatur im Vorrat des Metalls mit der niedrigeren Dichte /u einer geschmolzenen Legierung gelöst wird und daß aus einem Vorrat des geschmolzenen Metalls mit der höheren Dichte ein Strom dieses Metalls in freiem Fall durch den Vorrat und in einen aus diesem Vorrat im freien Fall austretenden Strom der geschmolzenen Legierung geleitet wird.
Vorzugsweise wird der Strom der geschmolzenen Legierung mit Hilfe einer Anzahl von Gasstrahlen zerstäubt, die in einem konzentrisch zu dem Strom angeordneten Ring auf den Strom gerichtet sind.
Als Zerstäubungsgas kann beispielsweise Stickstoff verwendet werden.
Der Metallvorrat befindet sich in einem beheizten Behälter mit einem Abfluß, durch den das geschmolzene Metall abfließt, um anschließend durch den Gasstrahl zerstäubt zu werden. Das zweite Metall mit unterschiedlicher Dichte, das in den Metallvorrat eingeleitet wird, kann aus einem beheizten Behälter mit einem 6.· Ausfluß zugeführt werden, wobei dieser Ausfluß in den Metallvorrat hineinragen kann. Die Strömung des zweiten Metalls kann durch ein Nadelventil geregelt werden.
Der aus dem Mctallvorrat austretende Sprühstrahl von Metallteilchcn trifft auf die bewegte metallische Llnterlageschicht auf, die vorzugsweise zuvor geätzt πΗργ mit einem Sandstrahlgebläse behandelt wurde.
Nach dem Aufbringen der zerstäubten Metallteilchen kann die metallische Unterlageschicht gewalzt werden, wobei in der Bewegungsrichtung der Unterlageschicht zweckmäßig mindestens ein Walzenpaar vorgesehen sein kann.
Nachstehend sind zwei Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung beschrieben, die einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herste'lung von Verbundmetallstreifen für Lager darstellt.
Nach der ersten Ausführungsform wird eine Aluminiumlegierung im Tiegel 1 im geschmolzenen Zustand gehalten, und zwar mit Hilfe des elektrischen Ofens 2. In einem kleineren, erhitzten Behälter 3 aus korrosionsbeständigem Stahl wird Blei in geschmolzenem Zus.and gehalten. Der Boden des Tiegels ist so geformt, daß er sich zu einer Düse 4 verjüngt, durch die ein Strom der Aluminiumlegierung in den Zerstäuber fließt. Das geschmolzene Blei fließt in einem dünnen Strom aus dem Behälter 3 durch ein Nadelventil 5, das durch Drehen des Knopfes 6 zur Regelung des Bleistromes verwendet werden kann. Der dünne Bleistrom fällt durch die flüssige Aluminiumlegierung, mit welcher er sich nicht vermischt, und wird auf Grund der Form des Bodens des Tiegels 1 und der Anordnung des Behälters 3 in die Düse 4 geleitet. Die vereinigten Metallströme werden beim Austritt aus der Düse 4 durch Stickstoffstrahlen 7, die aus dem Zerstäuberring 8 austreten, bei einem Druck von etwa 4,2 bis 10,5 atm zerstäubt. Die zerstäubten Teilchen aus Aluminiumlegierung und Blei werden auf einen vorbereiteten Unterlagestreifen 9 aus Stahl geleitet. Der Unterlagestreifen, der durch Reinigung und Ätzen oder durch Behandlung mit einem Sandstrahlgebläse vorbereitet wurde, wird durch die Walzen 10 kontinuierlich durch einen elektrischen Vorheizofen 11 mit einer geregellen Atmosphäre in die Zerstäubungskammer 12 unterhalb des Strahls der zerstäubten Teilchen geleitet. Der zerstäubte Strahl trifft auf die vorbereitete Oberfläche des Unterlagestrcifens 9 auf, wodurch sich die Teilchen abflachen und fest daran haften. Beim Durchgang des Streifens durch die Zerstaubungskammcr bildet sich auf dem Streifen ein dicker Niederschlag, der auf dem Walzenstuhl 10 gewalzt wird, wobei er sich verfestigt und wobei die Aluminiumlegierung fest mit dem Unterlagestreifen verbunden wird. Der Verbundstreifen tritt bei 13 aus und kann dann in an sich bekannter Weise auf Lagerschalen weiterverarbeitet werden. Bei Verwendung von Aluminium und gewissen anderen Legierungen muß die Luft aus der Zerstäubungs- und Abscheidungskammer ausgeschlossen werden, wenn eine Oxydation vermieden werden soll. Man läßt Stickstoff aus der Zerstäubungskammer 12 im Überschuß in die Hilfskammer 14 strömen, so daß der Streifen bis zur Berührungsstel-Ie mit den Walzen geschützt wird. Die verbrauchten Gase und die überschüssigen Teilchen werden bei 15 abgesogen. Nach dem Walzen ist der Niederschlag nicht mehr porös und kann an die Luft gebracht werden, ohne daß eine Verschlechterung der Eigenschaften eintritt. Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden, indem die Metalle so in den Ofen 1 und den Behälter 3 eingefüllt werden, daß ein konstantes Niveau aufrechterhalten bleibt. Obgleich die Austrittsdüse des Bleibehälters 3 in der Zeichnung unterhalb des Niveaus des flüssigen Aluminiums angeordnet ist, um eine Einkapselung des Bleis durch Aluminiumoxyd zu vermeiden, kann man den Düsenausiriit in einigen Fällen auch oberhalb der Oberfläche des flüssigen Metalls anordnen. Wird ein Metall mit einem hohen Schmelz-
punkt, wie Kupfer, verwendet, so ist diese Arbeitsweise vorteilhaft, insbesondere wenn die Metalloberfläche durch eine Schutzgasatmosphäre vor der Oxydation geschützt wird.
Obgleich man auch mit einem kalten Unterlagcsireifcn gute Ergebnisse erhalten kann, so ist es gewöhnlich vorteilhaft, den vorbereiteten Unterlagcstreifen vorzucrhilz.cn, bevor man ihn besprüht, damit innere Spannungen vermindert und die Festigkeit der Verbindung erhöht werden.
Auf die vorstehend angegebene Weise können Verbundwerkstoffe bequem, kontinuierlich und mit geringen Kosten hergestellt werden, und /war unter Verwendung von Metallkombinationen, bei denen zwei Phasen im flüssigen Zustand mindestens teilweise unmischbar sind und eine unterschiedliche Dichte haben.
Wird das Verfahren zum Zerstäuben und Aufsprühen von zwei miteinander nicht mischbaren flüssigen Metallen verwendet, so stellt man fest, daß jedes einzelne Metall eine gewisse Löslichkeit im anderen hat. Der Löslichkeitsgrad nimmt im allgemeinen mit der Temperatur zu. Werden also bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei der das System Aluminium-Blei als Beispiel gewählt ist, die beiden Metalle (25 Gewichtsprozent Blei, Rest Aluminium), bei einer Temperatur von etwa 75O°C aufgesprüht, so können etwa 3% Blei im Aluminium und etwa 1% Aluminium im Blei gelöst sein. Bei der Zerstäubung und Abscheidung entmischt sich das meiste Blei entweder in der flüssigen oder in der festen Phase, so daß es in Form von äußerst feinen Teilchen in der Aluminiummatrix vorliegt. Neben den sehr feinen, aus der Lösung ausgefallenen Bleitcilchen liegt eine viel größere Menge gröberer Teilchen, bestehend aus zerstäubten Blcitröpfchcn. verteilt in der Aluminiummatrix des Produktes vor.
Obgleich dieses Gefüge für die meisten Anwendungen völlig zufriedenstellend ist, ist es erstrebenswert, über die MikroStruktur des abgeschiedenen Materials eine vollständige Kontrolle zu haben, derart, daß die Menge des während des Abkühlens aus der Lösung ausfallenden Bleis im Verhältnis zu der zerstäubten Menge willkürlich variiert werden kann. Ein solches Verfahren steht nun zur Verfugung.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren ähnlich dem nach der ersten Ausführungsform unter Verwendung der gleichen Vorrichtung durchgeführt, wobei ein Lagermaterial erhalten wird, das aus Bleitcilchen in der Matrix einer Aluminiumlegierung auf einem Unterlagestreifen aus Stahl besteht. Bei dieser Ausführungsform wird die in dem Tiegel 1, der sich in eine Düse 4 am Boden verjüngt, enthaltene Aluminiumlegierung mit ungefähr derjenigen Menge Blei vorlegiert, die zum Ausfallen aus der Lösung während der Abkühlung auf Raumtemperatur erforderlich ist. Damit das Blei mit Sicherheit in der geschmolzenen Aluminiumlegierung gelöst bleibt, ist es notwendig, die Aluminiumlegierung auf einer Temperatur zu halten, die etwas oberhalb der Mischbarkeitskurve bei dieser Zusammensetzung liegt; ist es z.B. erwünscht, während des Abkühlens des Produktes auf Raumtemperatur 8% Blei aus der Lösung in der Aluminiumlegierung ausfallen zu lassen, so soll im Tiegel eine Temperatur von etwa 900 bis 950"C aufrechterhalten werden. Die Mindesttemperatur, die gewährleistet, daß das Blei im flüssigen Metall gelöst bleibt, ist für praktische Zwecke ausreichend, da bei höheren Temperaturen zusätzliche Schwierigkeiten infolge Auflösung des temperaturbeständigen Materials aultreten und höhere Kosten entstehen. Das zusätzliche Blei, das im Produkt in Form von gleichzeitig abgeschiedenen, zerstäubten Tröpfchen erforderlich ist (etwa 17 Gewichtsprozent). wird aus dem in der Mitte angeordneten Bleibchalter
s zugeführt, der mit einem Nadelventil versehen ist, durch das das Blei mit einer geregelten Geschwindigkeit in den Zerstäuber geleitet wird. Die Austrittsstellc der Austrittsdüse des Blcibcbaltcrs befindet sich unterhalb des Niveaus der geschmolzenen Aluminiumlcgierung in der Nähe der sich verjüngenden Austritlsöffnung des Tiegels. Auf diese Weise steht der Bleistrom mit dem Strom der heißen Aluminiumlegierung nur kurzzeitig in Berührung, wodurch eine weitere Auflösung des Bleis in der geschmolzenen Aluminiumlegierung auf ein Minimum herabgedrückt wird. In dem angegebenen Beispiel ist das Produkt aus etwa 8 Gewichtsprozent sehr fein verteiltem Blei und 17 Gewichtsprozent erslamen Bleitröpfchcn in einer Matrix der Aluminiumlegierung zusammengesetzt. Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden, indem das vorlegicrte Aluminium-Blei-Gemisch derart in den Tiegel und das Blei in den Behälter eingefüllt werden, daß konstante Niveaus beibehalten werden.
Durch Änderung der Temperatur der Aiuminiumlegierung in Verbindung mit dem Anteil des in Lösung gehaltenen Bleis und durch Einstellung der Zufuhr an flüssigem Blei zu der Zerstäubungsdüse kann man also Endprodukte erhalten, deren Struktur innerhalb des gesamten Bereichs zwischen dem einen Extremfall (das gesamte Blei liegt als äußerst feine Abscheidung vor, da es während der Abkühlung aus der Lösung ausgefallen ist) und dem anderen Extremfall (das gesamte Blei liegt in Form von zerstäubten Tröpfchen vor) liegt. Bei einem derart weiten Bereich für die Struktur des Produktes kann für jede bestimmte technische Anwendung das am besten geeignete Produkt verwendet werden.
Mit Hilfe der beschriebenen einfachen Vorrichtung erhält man eine axialsymmctrisehc Verstellung der Teilchen des Sprühstrahls; man kann aber auch die Form des Sprühstrahls zwischen der Form eines Kegels und der Form eines dicken Teilchenvorhangs modifizieren. Dies erreicht man am besten dadurch, daß man die Löcher oder Schütze, durch die das Zerstäubungsgas austritt, so anordnet, daß der Sprühstrahl der Teilchen abgeflacht wird. Eine weitere Modifizierung des Sprühstrahls der Teilchen kann dadurch erzielt werden, daß man Gas-Sekundärstrahlcn nach der ersten Zerstäubung auftreffen läßt.
Obgleich sich die Detailbeschreibung auf die Herstel-
lung von Lagermaterial bezieht, das aus Bleiteilchen ir der Matrix einer Aluminiumlegierung besteht, so kanr ein ähnliches Verfahren gleichermaßen auch auf viele andere metallische Systeme, z. B. Kupfer-Blei, ange wendet werden.
Manchmal ist es erwünscht, einen Unterlagestreifei aus Stahl mit einem Überzug zu versehen, bevor mat die aufgesprühte Schicht niederschlägt, um die Haftuni mit der Unterlage zu verbessern. Man kann hierfü einen Metallüberzug verwenden, der mit der Absehei dung verträglich ist und der vorzugsweise keine dicki spröde Zwischenschicht mit dem Stahl bildet. Im vot stehend angegebenen Beispiel kann ein Stahlstrcife dadurch mit einem Überzug versehen werden, daß ma ihn durch Eintauchen in Aluminium oder eine Alumin <\s umlcgierung. durch Auftragen eine«, entsprechende Pulvers oder durch Aufsprühen einer sehr dünnen Al' miniumschichl beschichtet, bevor man die cigcntlicl Legierung aufbringt.
Hierzu 1 Blatt Zeiclinimcen

Claims (4)

Patentansprüche: V^
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmelallstreifens, wobei aus einem im schmelzflüssigen Zustand gehaltenen Metallvorrat ein Strom des geschmolzenen Metalls im freien Fall geführt und mindestens ein Gasstrahl auf den Strom gerichtet wird, um einen Sprühstrahl von Metallteilchen zu bilden, der in Form einer Schicht auf einer metallisehen Unterlageschicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Metallvorrat ein zweites Metall mit unterschiedlicher Dichte eingeleitet wird, wobei die beiden Metalle im flüssigen Zustand mindestens teilweise unmischbar sind und daß die Metalle auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der sich mindestens ein Teil des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigen Dichte zu einer Legierung löst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung mindestens eines Teils des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigeren Dichte dadurch bewirkt wird, daß aus einem Vorrat des geschmolzenen Metalls mit der höheren Dichte ein Strom dieses Metalls im freien Fall durch einen Vorrat und in einen aus diesem Vorrat im freien Fall austretenden Si rom des geschmolzenen Metalls mit der niedrigeren Dichte geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung mindestens eines Teils des Metalls mit der höheren Dichte im Metall mit der niedrigeren Dichte dadurch bewirkt wird, daß ein Teil des Metalls mit der höheren Dichte bei erhöhter Temperatur im Vorrat des Metalls mit der niedrigeren Dichte zu einer geschmolzenen Legierung gelöst wird und daß aus einem Vorrat des geschmolzenen Metalls mit der höheren Dichte ein Strom dieses Metalls in freiem Fall durch den Vorrat und in einen aus diesem Vorrat im freien Fall austretenden Strom der geschmolzenen Legierung geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Stror" der geschmolzenen Legierung mit Hilfe einer Anzahl von Gasstrahlen zerstäubt wird, die in einem konzentrisch zu dem Strom angeordneten Ring auf den Strom gerichtet sind.
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