DE2227185C2 - Verfahren zum Plattieren einer Platte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf wenigstens einer Seite mit einer Platte aus Titan oder einer Titanlegierung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren zum Plattieren einer Platte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf wenigstens einer Seite mit einer Platte aus Titan oder einer Titanlegierung-

Die Verwendung von Plattier- oder Kompositmetallen als Baumaterialien ist in den letzten Jahren eine weitverbreitete Praxis geworden. Derartige plattierte Materialien- bestehen aus einem Grundmetall, das gewöhnlich verhältnismäßig preiswert ist, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus einem zweiten Metall plattiert oder aufgebracht ist, das gewisse erwünschte Eigenschaften, z. B. eine hohe Korrosions- oder -»5 Oxidationsfestigkeit, besitzt, die für das Grundmetall nicht charakteristisch sind. In den meisten Fällen ist das die Plattierschicht bildende Metall wesentlich kostspieliger als das Grundmetall, auf das es aufgebracht wurde. Eine beachtliche wirtschaftliche Ersparnis wird daher durch die Verwendung einer dünnen Schicht statt einer dicken Schicht des kostspieligen Metalls erzielt. In anderen Fällen sind wiederum die Oberflächeneigenschaften des Grundmetalls nicht angemessen, obgleich selbst viele seiner anderen Eigenschaften, wie z. B. ">°> leichtes Gewicht, gute elektrische Leitfähigkeit usw. für den Anwendungszweck außerordentlich erwünscht sein können. In einem derartigen Fall ist es üblich, das Grundmetall mit einem Metall zu plattieren, dessen Oberfläche für den besonderen Anwendungszweck, wo es Korrosionsfestigkeit, Abriebfestigkeit usw. verleihen kann, besser geeignet ist.

Andere Vorteile der Verwendung von plattierten Metallen ergeben sich aus der Tatsache, daß häufig das die gewünschte Korrosionsfestigkeit oder andere Eigenschaft besitzende Metall die notwendige Zugfestigkeit, thermische Eigenschaften oder Druckfestigkeit vermissen läßt, um es als solches für Anwendungsgebiete einzusetzen, wo Belastungen auftreten. Neben der Wirtschaftlichkeit, die die Verwendung des weniger teuren Metalls möglich macht,- stellt seine strukturelle Festigkeit und Starrheit, die es dem Kompositsystem verleihen kann, einen bedeutendes und wertvollen Faktor bei Baukonstruktionen dar.

Die besondere Kombination von Titan und Aluminium verringert die Gesamtmaterialkosten bei einer deratigen Konstruktion gegenüber der Verwendung von reinem Titan. Sie behält die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Titans bei, während sie die Elektro- und Wärmeleitfähigkeit verbessert und das Gesamtgewicht herabsetzt.

Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Bindung eines Metalls an die Oberfläche eines anderen, um eine vielschichtige Kompositkonstruktion zu erhalten. Jedes dieser Verfahren hat jedoch gewisse Nachteile, wenn mit Titan plattiertes Aluminium erwünscht ist Die US-PS 32 33 312 verwendet Explosiwerfahren zur Herstellung dieser Kombination, während die US-PS 31 73 202 die Verwendung eines Flammsprühverfahrens beschreibt

Aus der Zeitschrift »Metall Treatment and Drop Forging«, Sept 1954, Seiten 430 bis 432 ist ein Verfahren zur Plattierung von Aluminium mit Titan bekannt, bei dem zunächst die zu verbindenden Oberflächen gereinigt und von Oxiden befreit, dann die Aluminiumplatte und die Titanplatte vorerhitzt und schließlich die gereinigteE Oberflächen unter einem Walzendruck, der ausreichte, um die Oberflächen zu vereinigen, in kurzzeitigen Kontakt gebracht wurden. In diesem bekannten Verfahren wurden Vorerhitzungstempe.yaturen von 525 bis 575° C angewendet, und die Plattenstärke sollte beim Walzen um 80% reduziert werden, wobei angegeben ist, daß diese Zahl von 80% aufgrund von Erfahrungen beim Kaltpreßschweißen beträchtlich vermindert werden könnte. Für den speziellen Fall, in dem eine Aluminiumlegierung verwendet wurde, wurde eine Nachbehandlung durch Wärmebehandlung bei 510⁰C, Abschrecken in heißem Wasser und Altern bei 175"C durchgeführt, um optimale Eigenschaften der Aluminiumlegierung zu erzielen. Dabei ist angegeben, daß eine solche Nachbehandlung für den Verbund nicht schädlich war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den bisherigen Verfahren sicheres, einfacheres wirtschaftlicheres und wirkungsvolleres Verfahren zum Plattieren einer Platte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf wenigster^ einer Seite mit einer Platte aus Titan oder einer Titanlegierung be^reitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man mit dem Vorerhitzen eine Temperatur von 316 bis 454* C erreicht und durch das Walzen eine Reduktion der vereinigten Platte um 7 bis 15% bewirkt und sodann die kombinierte Platte zur Ausbildung der Bindung bei einer Temperatur von 260 bis 621⁰C nacherhitzt.

Überraschenderweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren unter wesentlicher Energieeinsparung gegenüber dem bekannten Verfahren mit einer Reduktion der Platienstärke beim Walzen um nur 7 bis 15% ein ausreichend fester Verbund zwischen Aluminium und Titan erreicht. Es war darüberhinaus nicht vorauszusehen, daß dierser Verbund durch Nacherhitzen bei 260 bis 621 ° C verbessert wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nacheinander die folgenden vier

Verfahrensstufen durchgeführt: (1) Entfernen des Oxids und aller Fremdstpffe von der Oberfläche des Aluminiums und der zum Plattieren verwendeten Titanplatten; (2) Vorerhitzen der beiden Meialle auf 316 bis 454°C; (3) Kontakt der gereinigten Oberflächen der beiden Metalle unter Druck, so daß die Plattenstarke um 7 bis 15% reduziert wird; und (4) Nacherhitzen der erhaltenen Verbundplatten bei 260 bis 62t°G Die Vorerhitzung wird manchmal unter Druck vorgenommen. Vorzugsweise wird die Reduktion zweistufig erzielt, wobei in der ersten Stufe nur eine Reduktion von 0,5 bis 2% bewirkt wird und die restliche Reduktion in der zweiten Stufe erfolgt. Es ist erforderlich, daß diese beiden Stufen schnell aufeinander folgen, so daß die Temperatur der beiden gewalzten Platten nicht unter einen erwünschten Wert abfällt. Falls diese Reduktionen nicht innerhalb einiger Sekunden aufeinander folgen können, dann ist es erwünscht, die Platte zwischen den Reduktionen ernaü auf eine Temperatur in einem Bereich, der bis etwa 55°C.von der ursprünglichen Vorwärmetemperatur abweicht, zu erhitzen, bevor die zweite Reduktion durchgeführt wird. Die gewünschte Reduktion kann in der Walzstufe in einjm Durchgang oder in mehr als zwei Durchgängen unter Erzielung guter Ergebnisse durchgeführt werden. Für das Nacherhitzen wird eine Temperatur von 427 bis 538° C bevorzugt

Die Entfernung des Oxids von der Oberfläche der Aluminiumplatte wird vorzugsweise durch Behandlung mit Drahtbürsten, Schleifen, chemische Reinigung oder Ätzen oder Kontaktschleifen erzielt Es können auch andere Reinigungsverfahren zar Anwendung kommen. Das Reinigen der TitanoberfFäche kann in gleicher Weise durch Abbürsten mit Drahtbüs .ten, Kontaktschleifen oder durch chemisches Ätzen mit entsprechenden Säuregemischen vorgenommen werden. Das Abschleifen wird im allgemeinen bevorzugt, da es billiger und zur Erzielung der erwünschten Ergebnisse wirkungsvoll ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einem Metall-Verbundkörper, der aus einer Aluminiumplatte von unterschiedlicher Stärke, die einseitig oder doppelseitig mit Titan plattiert ist, besteht Titan wird entweder mit einer Oberfläche »wie gewalzt« oder mit einer chemisch behandelten Oberfläche in vergütetem oder gehärtetem Zustand (Bearbeitung oder Niederschlag) bezogen und in allen Fällen wie vorstehend beschrieben abgeschliffen. Normalerweise werden derartige Metallplatten während der Bearbeitung mit Oberflächenölen und Filmen unterschiedlicher Natur sowie mit Oxiden ·ίο überzogen. Es ist notwendig, daß diese Schichten und Oxide entweder vom Lieferanten der Platte oder von dem Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens entfernt werden. Das Abschleifen der Oberflächen wird vorzugsweise mit einem mit Schleifmittel einer Teil-55 chengröße von 289 μπι beschichteten Papier- oder Textilband mittels einer dafür geeigneten Maschine vorgenommen. Es kann auch feineres oder gröberes Schleifmittel mit Erfolg verwendet werden. Der Aiuminiumanieil des Verbundkörpers kann entweder aus nicht getempertem, praktisch reinem Aluminium (Reinheitsgrad 99% und darüber) oder einer beliebigen Legierung im kaltgehärteten oder getemperten Zustand bestehen. Zwar brauchen viele der unteren Aluminiumlegierungen vor der Plattierung nicht mit reinem Aluminium überzogen zu werden, jedoch werden bei hochlegierten Materialien, die flüchtige nicht-haftende Oxide, wie z. B. Zinkoxid oder brüchige feuerfeste Oxide, wie z.B. Magnesiumoxid oder Siliciumdioxid bQden, die zu plattierenden Oberflächen dadurch von diesen Materialien befreit, daß man die Aluminiumlegierung mit hochreinem Aluminium, gewöhnlich mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99%, plsttiert. Dieses Vorplattieren der Aluminhimlegierungen mit hochreinem Aluminium in einer Schichtstärke, die 5 bis 10% der Gesamtstärke der Aluminiumplatte ausmacht, v.;rd gewöhnlich vom Aluminiumlieferanten vorgenommen. Der Grund für die Aufbringung von hochreinem Aluminium auf die Oberfläche von Aluminiumlegierungen liegt darin, daß einige Elemente, wie z.B. Magnesium, Silicium und Zank, auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung, in der sie enthalten sind. Oxide bilden und daß diese Oxide von Nachteil für die Bindung sind.

Die vorbehandelten Oberflächen werden vor dem Vorerhitzen miteinander in Kontakt gebracht Wenn die Vorwärmstufe ziemlich ausgedehnt und bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur innerhalb des angegebenen Temperaturbereichs durchgeführt wird, kann es erwünscht sein, den Kontakt der umgebenden Atmosphäre (gewöhnlich Luft) mit den zu bindenden Oberflächen auf ein Minimum zu halten, um das Entstehen von verunreinigenden Oxid- oder Nitridschichten zu reduzierea Nach entsprechender Vorbehandlung wird die Kombination auf 316 bis 454° C vorerhitzt Die erhitzten Metalle werden dann aufeinandergepreßt, so daß eine Reduktion der Plattenstärke um 7 bis 15% eintritt Vorzugsweise wird diese Reduktion in einem Walzwerk bewirkt

Vorzugsweise wird zur Erzielung der gewünschten Reduktion zweimal gewalzt, wobei im ersten Durchgang nur eine sehr leichte Reduktion von 0,5 bis 2% bewirkt wird. Jedoch wird eine gute Bindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in einem als auch in zwei Durchgängen erzielt.

Nach der Walzenbehandlung wird der Verbundkörper bei 260 bis 621° C nacherhrtzt Em bevorzugter Temperatur- und Zeitzyklus für die Nacherhitzung liegt zwischen 427 und 538° C und 0,1 bis 1,0 Std. Die erhaltene Festigkeit der Bindung wird anhand eines Abziehtests gemessen. Abziehfestigkeiten von mehr als 1752 N/cm werden erhalten.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Metall-Verbundkörper findet seine hauptsächliche Anwendung bei elektrochemischen Verfahren als Wärmeaustauscher und Boiler, als Tief temperaturbehältcr und als Bauelement in der Flugzeug- und Raumschiffindustrie. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es keine besonderen oder ungewöhnlichen Anlagen oder Vorsichtsmaßnahmen erfordert, so daß es wirtschaftlich ist und außerdem einen Verbundkörper von großer Festigkeit ergibt.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 1

Ein erfolgreiches Plattieren von 3,18 mm starken nicht getempertem, praktisch reinem Aluminium (Reinheitsgrad 99% und darüber) mit 0,41 mm starkem Titan (Reinheitsgrad 99% und darüber) wurde nach dem folgenden Verfahren erzielt. Das Aluminium wurde zuerst mittels einer Bandschleifmaschine mit Sandpapier (Teilchengröße des Schleifmittels = 289 um) so geschliffen, daß eine durchschnittliche Rauhigkeit der Oberfläche von 5,08 bis 8.13 μπι erzielt wurde. Die Titanplatte wurde in gleicher Weise abgeschliffen und

dann nut der vorbehandeiten Alummtumoberflache in Kontakt gebracht. Die beiden. Metallplatten wurden ?n den Sehen und der Vorderkante punktgeschweißL Die Kombination wurde dann auf 360 bis 399°C vorerhitzt und dann bei 360⁰C bis zu einer Reduktion von 10% wann gewalzt. Dann wurde die Kombination 30 Minuten bei 538° C nacherhitzt. Diese Behandlung führte zu einer ausgezeichneten Bindung mit einer Abziehfesügkeit von 289,1 bis 381,9 N/cm.

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Beispiel 2

Nach dem Verfahren des Beispiels 1 wurde Titan mit einer Stärke 1,14 mm auf 635 mm starkes Aluminium plattiert. Die Nacherhitzungszeit wurde· auf 1 bis 2 Stunden erhöht. Die Abziehfestigkeit lag bei 280,4 bis 350,4 N/cm.

Beispiel 3

Eine geglühte Titanlegierung mit einem Gehalt von 6 Teilen Aluminium und 4 Teilen Vanadin pro 100 Teile Titan und einer Stärke von 1,02 mm wurde nach den. Verfahren des Beispiels 1 auf 3,18 mm starkes Aluminium plattiert, jedoch wurde 1 bis 2 Stunden bei 593°C nacherhitzt. Die Abziehfesügkeit lag bei über 525,6 N/cm.

Beispiel 4

Nach den vorstehenden Verfahren wurden die nachstehenden plattierten Metallprodukte erhalten.

	Tl (R1) -9')%+) 0,41 mm	Ti (R -99%+) 1,60 mm	Oberfläche.	Ti-Leg.2) 1,02 mm	Ti (R = 99%+) 0,41 mm	-	KJ	QO
Hergestellter	-Al (R - 99%+) 6,35 mm	-Al (R "99%+) 6,35 mm		-Al (R = 99%+) 3,18 mm	-AI(R = ·«%+) 3,18 mm	Ti (R-99%+) 0,51 mm	K)
Verbundkörper	Ti (R -99%+) 0,41 mm	Ti (R = 99%+) 1,60 mm		Ti-Leg. 1,02 mm	Ti (R = 99%+) 0,41 mm	-Al (R = 99%+) 3,18 mm
	0,114	0.335		0,391	0,204	Ti (R = 99%+) 0,51 mm	_k
Verhältnis					0,242	OO
Titan : Aluminium	14 135 · 104(L'))	26 615· 104 (L)	54 126 · 104 (L)	20 961 · 104(L)		Oi
Spezifische.Zugfestig keit N/m2	9 308· 10"(L3))	17 238· 104 (L)	50 540 · ΙΟ4 (L)	14 824· 104 (L)	16 410· 104(L)
AUI I) llf III Streckgrenze (2% Ver					10 549· 104 (L)
längerung), N/m2	31 (L'))	37(L)	19(L)	30(L)
Dehnung bei 50,8 mm, %	1,52	1,54	1,07	1,41	39(L)
/W Verhältnis Zugfestig					1,55
keit : Streckgrenze	2 931	3316	3 380	3 076
Dichte, kg/m3	4,823 · 10"	8,026 · 104	16,014 · 104	6,814 · 104	3 124
Verhältnis Zugfestig					5,253 · 104
keit : Dichte,
N Jig_
m2'm3	16,992	13,10	11,81	15,264
Wärmeleitfähigkeit,					14,688
W 4)
mK
Elektr. Widerstand
nOhm-cm bei 20° C	9,1	20,7	68,7	13,7
gemessen durch Stärke	3,14	4,25	4,72	3,60	15,8
gemessen parallel zur					3,76
Oberfläche	1 X Stärke	1 X Stärke	0,5 x Stärke	2 x Stärke
Geringster zufrieden	gebrochen bei 85°	gebrochen bei 115°	gebrochen bei 65°	bei 180°	1 x Stärke
stellender Biegeradius					bei 180°
') R - Reinheitsgrad.		2) Tl-Leg. » Legierung mit Oehuit von 6 Teilen Al und 4 Teilen V pro 100 Teile Ti.
	3) L - Lttngsprobe.
4) Gemeasen an der iiußeren

Beispiel 5

Platten aus geglühtem Titanmetall mit einer Stärke von 0,51 mm und 3,!8 mm starkem Aluminium (Reinheitsgrad 99% und darüber) wurden durch Schleifen der Oberflächen mit einer Bandschleifmaschine (Teilchengröße des Schleifmittels = 289 μπι) vorbereitet.

Di« Platten wurden 6V₂ Minuten in einem Luftzirkulationsofen gehalten, dessen Temperatur bei 427°C gehalten wurde. Sie erreichten in dhsem Zeitraum 37 ΓC. Dann wurden sie verbunden, um das Aluminium auf beiden Seiten mit einer Titanschicht zu plattieren. Dies wurde durch Walzen bis zu einer Gesamtreduktion der Dicke von etwa 10% erreicht, wobei zwei Walzendurchgänge vorgenommen wurden. Der erste Durchgang wurde so gehalten, daß die Dicke etwa

I '/₂% reduziert wurde. Nach der Bindung wurden die Platten nacherhitzt, wobei die nachfolgenden Zeiten und Temperaturen unter Erzielung der angegebenen Bindefestigkeiten angewandt wurden.

Nachwärmzeit,	Behandlungs-	Bindefestigkeit,
Min.	temperalur, 0C	N/cm d. Breite
10	427	140,1
20	427	166,3
60	427	192,7
10	482	192,7
20	482	288,9
60	482	323,9
60	538	358,9

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum' Plattieren einer Platte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf wenigstens einer Seite nut einer Platte aus Titan oder einer Titanlegierung, bei dem zunächst die zu verbindenden Oberflächen gereinigt und von Oxiden befreit, dann die Aluminiumplatte und. die Titanplatte vorerhhzt und schließlich die gereinigten to Oberflächen unter einem Walzendruck, der ausreicht, um die Oberflächen zu vereinigen, in kurzzeitigen Kontakt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Vorerhitzen eine Temperatur von 316 bis 454°C erreicht und durch das Walzen eine Reduktion der vereinigten Platte um 7 bis 15% bewirkt und sodann die kombinierte Platte zur Ausbildung der Bindung bei einer Temperatur von 260 bis 621 ° C nacherhitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Nacherhitzen bei 427 bis 538° C durchführt.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reduktion in zwei oder mehr Walzstufen durchführt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in der ersten Walzstufe eine Reduktion von 0,5 bis 2% erzielt.