DE2458739B2 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mittels Explosivschwei"ens, der neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mittels Explosivschweißens, der neben einer Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist, wobei die Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß sie ohne Hilfsmittel nicht als Blech mit einer der weiteren Metallschichten explosiv verschweißbar ist. ■'', Die einfachste Anordnung zum explosiven Plattieren ^"ebener Bleche zeigt Abb. 1. Eine mit Explosivstoff E 'beschichtete Metallplatte F(Flugplatte) eines Auflagewerkstoffes ist gegenüber einer Grundplatte G aus einem Basiswerkstoff in einem bestimmten Abstand und - der Neigung ά angeordnet (Abb. la). Die Einleitung der Detonation erfolgt an der Seite mit geringstem Abstand mittels Zünder Z Unter der Wirkung des hohen Detonationsdruckes D wird die Flugplatte F in Richtung der Grundplatte G beschleunigt Bei der mit hoher Geschwindigkeit Vp erfolgenden Kollision tritt eine Verschweißung zwischen beiden Platten auf. Maßgebend-hierfür ist, daß die Kollisionsgeschwindigkeit v* richtig ge wählt und auch der Winkel 0, unter dem die Kollision/erfolgt, einen kritischen Wert übersteigt (Abb. Ib). Die Kollisionsgeschwindigkeit v* darf auf

keinen Fall größer sein als 120% der Schallgewhwindig· keit im zu verschweißenden Werkstou. Der minimale Kollisionswinkel β richtet sich ebenfalls nach der Art der Metallpartner und liegt für die gebräuchlichsten Metalle bei ~ 7° bis 10°.

Zur Einstellung der für einen guten Verbund maßgebenden Plattierparameter ist d;e Kenntnis dos Zusammenhanges mit den Sprengstoffdaten Voraussetzung Bei der heute üblichen Plattenanordnung mit dem Ausstellwinkel λ - 0 ist die Kollisionsgeschwindigkeit V₁, durch die meistens bekannte Detonationsgeschwindigkeit Vd des Sprengstoffs gegeben und kann somit auch leicht eingestellt werden. Für den Kollisionswinkel β ist allein das Verhältnis aus der aufgewandten

Sprengstoffmenge und der Masse der Flugplatte maßgebend. Erst bei größeren Plattenabmessungen sind von dieser Regol abweichende Befunde zu berücksichtigen. Beim Explosivschweißen von großflächigen Behälter-

wandungen sind Blechstärken > 0,8 mm erforderlich. Der auf die Flugplatte aufgebrachte Sprengstoff biegt nämlich diese neben dem Eigengewicht durch seine zu. ätzliche Belastung weiter durch. Deshalb muß die Fiügplaue mit Abstandshaltern unterstützt werden,

welche den Schweißvorgang allerdings erheblich beeinträchtigen.

Diesem Umstand versucht bei dünnen Blechen ein Verfahren gerecht zu werdi i, das mit versteifenden Deckblechen arbeitet (DT-AS 15 27 509). Hierbei wird

die explosiv zu verschweißende Folie mit einer dicken Metallplatte zu einem Verbünd verklebt. Dieser Verbunt¹ wird dann als Flugplatte explosiv auf eine Grundplatte plattiert. Die stützende Metallplatte ~.iuß, da die dazwischenliegende Klebeschicht ein Versch m ßen verhindert hat, nach dem Plattiervorgang entfernt werden; sie ist wegen der aufgetretenen Verformungen für weitere Explos^!vverschweißungen verloren. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, diß streng auf einen guten Verbund geachtet werden mu3. Luftblasen

zwischen Folie und Metallplatte, die sich oft aufgrund der Wabspannungen (Blechdeckeleffekt) nicht vermeiden lassen, führen zu Rissen. Falten und/oder Spannungen im plattierten Blech. Andererseits sind die einzuset .enden Sprengstoff mengen unterkritisch. Eine

einwandfreie Detonation ist dann nicht mehr gewährleistet; Verwerfungen, Biegungen und aufgerissene Oberflächen sind meistens die Folge.

Der Anordnung liegt daher die Aufgabe zugrunde, beim Herstellen eines neben ehwTantaischicht weitere Metallschichten aufweisenden Verbundwerkstoffes mit tels Explosivschweißen die Nachteile der bisher bekannten Verfahren zu vermeiden, insbesondere in denjenigen Fällen, bei denen die Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß sie ohne Hilfsmittel nicht als

Blech mit einer weiteren Metallschicht verschweißbar ist

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte gelöst:

a) ein Tantalblech, dessen Dicke die zum Expiosivschweißen ohne Hilfsmittel erforderliche Mindest dicke überschreitet, wird mit einem Blech, das eine der weiteren Metallschichten bildet, zu einem Zwetechichtverbundmaterial verschweißt;

b) durch ein- oder mehrmaliges Auswalzen des Verbundmaterials wird die Dicke der Tantalschicht auf eine wesentlich unterhalb der bei Explosionsschweißen ohne Hilfsmittel erforderlichen Mindestdicke vermindert;

α) das ausgewalzte Verbundmateräal wird durch Explosionsschweißen mit einem weiteren Blech (Trägerschicht) zu einem großflächigen Mehrschichtverbundwerkstoff verbunden.

Es Ist zwar bekannt (vgl, DT-OS 15 27 580, Seiten 7 und 13), die Dicke eines durch Explosionsschweißen hergestellten Verbundwerkstoffes durch ein- oder mehrfaches Walzen bia zur gewünschten Querschnittsrnindcrung zu reduzieren, sogar starke Verringerungen sind möglich, z. B. von 10:1 oder mehr. (Vgl, auch Weinhold, »Plattierte Werkstoffe«, Leipzig 1952, Seiten Hund 15.)

Es ist ferner btkannt (vgl. Druckschrift der E, I. du

Pont de Nemours Ik Co, !nc »Recent advances in metal working with expltsives«, April 1962, Seite 11, Abs, 2), ein Mehrfachschichtmetall aus 16 abwechselnden Lagen von rostfreiem und gewöhnlichem Stahl mit einem einzigen Schuß herzustellen. Dies erfordert aber, daß alle Bleche die erforderliche Mindeststärke haben müßten, damit ohne Hilfsmittel ein Verbinden der einzelnen Bleche durch Explosionsschweißen möglich

'^-,würde. Es wäre auch außerordentlich schwierig und ^"aufwendig, bei einem großflächigen Merhschtchtver- ^r ^bundmatcria! die Schichtdicke z. B. des Tantalbleches durch Walzen so weit zu reduzieren, daß seine Dicke " schließlich geringer als die vorgenannte Mindeststärke ist, d.h. die Anwendung dieses Verfahrens bei der Placierung vorgeformter Behälter, die nac'. der Plattierung einem Wr.lzvorgang nicht mehr unterzogen werden können, ist nicht möglich.

Demgegenüber besteht die Erfindung in der Kombination der im Patentanspruch la) bis c) genannten «Maßnahmen, durch die es leichter möglich wird, einen Doppelschichtverbund zu walzen als einen großflächigen Mehrschichtverbund. Außerdem bietet der gewalz^r te Doppelschichtverbund den Vorteil, daß er mit einem !beliebigen Metallwerkstoff explosionsplattiert werden \ kann, der sich beispielsweise in seinen Materialeigenschaften erheblich von dem gewalzten Doppelschichtverbund unterscheidet

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels erörtert. Es zeigen:

A b b. 2 einen Querschnitt durch das Verbundmateria! (Tantal und Kupfer),

A b b. 3 einen Querschnitt durch das Verbundmaterial (Tantal und Kupter) nach dem Walzen,

Abb. 4 einen Querschnitt durch das auf eine Stahlschicht aufgeschweißte Verbundmaterial (Tantal und Kupfer).

Als Ausfuhrungsbeispiel ist ein Verbund von Tantal unil Kupfer gewählt

Tantal weist eine auch bei höheren Temperaturen hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, die nur mit der von Platin oder Gold zu vergleichen ist Zusammen mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Wärmeleitfähigkeit und guter Schweißbarkeit hat Tantal eine vielseitige Anwandung im chemischen Apparatebau, in der Verfahrenstechnik und in der Reaktortechnik gefunden.

Hochdruckapparate, in denen aus Korrosionsgründen Tantal eingesetzt werden muß, werden immer ausgekleidet und nie in selbsttragender Konstruktion gebaut Die Auskleidung kann als loses Hemd oder durch Explosivschweißen als Verbund hergestellt werden. Der phtüerte Verbund besitzt gegenüber der losen Auskleidung Vorteile, z.B. bei Temperaturwechselbeanspruchung, wenn die verbundenen Werkstoffe unterschiedliche Wörmedehnungskoeffizienten besitzen, und bei Apparaten, in denen auch Unterdruck auftreten kann. Aus Gewichtsgrfinden (Tantal hat ein spezifisches Gewicht von 16,6 p/cm³) und aue Kostengründen ist

man bestrebt, die Dicke der Tantalauflage möglichst dünn zu halten. Technisch gebräuchlich waren bisher Tantalauflagen von 0,8 bis 1,0 mm Stärke, bedingt durch die Grenzen, die durch das Verfahren beim normalen Explosivplattieren gesetzt sind.

ίο Gemäß der Erfindung ist nun aber ein Verbundmaterial herstellbar, welches ein- oder mehrmalig ausgewalzt ein ca. 1 mm starkes Kupfer-Biech mit 0,1 mm Tantal-Auflage ergibt. Dieses Halbzeug kann dann in derselben Weise weiter verarbeitet werden, wie massive Bleche, z. B, durch explosives Auf plattieren der Kupferseite auf Stahl, Die nur 0,1 mm starke Tantal-Auflage reicht für verfahrenstechnische Zwecke völlig aus.
Bei dem explosiven Schweißen von Tantal auf Kupfer hat es sich als günstig erwiesen, bei einer parallele! Anordnung der Metallplatten einen Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2700 m/s und eine Sprengstoffmenge vom 0,74fachen der Tantalplattenmasse einzusetzen.

In Abb. 2 ist die Bindezone nach dem Explosivschweißen von rekristallisertem Tantal auf Elektrolytkupfer wiedergegeben. Die Tatsache, daß keine intermediären Phasen im Verbund vorhanden sind, weist auf die Güte der Verbindungsschicht hin.

Der Tantal-Kupfer-Verbund konnte ohne Zwischenglühen einwandfrei gewalzt (A b b. 3) und auch tiefgezogen werden, unabhängig vom Tantal-Ausgangsmaterial. Man kann in Abb. 3 deutlich erkennen, daß die durch das Explosivschweißen gebildeten Wellenkämme beim anschließenden Walzen flachgedrückt und eingeebnet werden.

Der ausgewalzte Verbund mit einer Auflagestärke von ca. 0,1 mm Tantal wurde gerichtet und dann ohne Zwischenglühen auf eine 4,5 mm starke Stahlunterlage (St 37) explosiv aufgeschweißt. Auch hierbei wurde der ursprüngliche Tantal-Kupfer-Verhund in keiner Weise geschädigt A b b. 4 zeigt die beiden Verbindungszonen. Die Tantal-Kupfer-Schicht bleibt unverändert, während sich jetzt naturgemäß zwischen Kupfer und Stahl wieder eine ausgeprägte wellige Verbindungsschicht gebildet hat.

An dem Tantal-Kupfer-Verbund wurden im geschweißten Ausgangszustand und auch nach dem Walzen (Walzgrad 90%) Biegetests und Verdrillungs-

vercuche durchgeführt Dabei trau.n keine Materialtrennungen oder Anrisse in der Bindezone auf. Ebenfalls führten Temperaturwechielversuche zwischen 300⁰C unJ Eiswassertemperatur trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Tantal und Kupfer zu keinem Lösen des Verbundes.

Die Ergebnisse zeigen, daß Tantal sich sehr gut mit Kupfer explosiv verschweißen läßt Die Geftigeaufnahmen der Schweäßzor.en lassen die typischen wellenförmigen Bindezonen erkennen. Ohne Einfluß auf die Güte der Verschweißung und auf die anschließende Verformung ist das Herstellungsverfahren des Tantals. Das weichere elektronenstrahlgeschmolzene Material und das etwas härtere gesinterte Material können mit den gleichen Parametern auf Kupfer explosiv verschweißt

werden. Die Schweißverbindung weist in keinem Fall intermediäre Phasen auf. Die einwandfreie Bindung nach dem Explosivschweißen bleibt auch noch r ach einer ca. SO°/oigen Verformung des Tantal-Kupfer-Ver-

buhdes erhalten. Die durchgeführten Biegetests und Verdrillungsversuche zeigen keine Materialschädigungen in der Schweißzone.

Parallel an Tantal-Stahl durchgeführte Versuche haben auch für diesen Verbund ein gleiches Verhalten erbracht

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

1. Kostenersparnis durch. Explosivplattieren nur kleiner Flächen, durch Wegfall von zusätzlichen Schutzblechen bzw. notwendigen Abstandshaltern und durch eine wesentliche Verringerung der Tantal-Auflage,

2. vereinfachte Herstellung von großflächigen plattierten Behälterwandungen, »

3. höh'ere !sicherheit d^Bindung gegenüber dem Explosionsplattieren dünner Bleche. ':

* Die nach diesem Verfahren hergestellten Tantal-Kupferplattierten Stahl-Halbzeuge können in der^chemischen Industrie¹ vor allem in Hochdruckapparaten, Reaktionsgefäßen, Verdampfern und Wärmeaustauschern ,eingesetzt werden, wenn hohe Temperaturen und hohe Drücke für den Prozeßablauf notwendig sind. Tantal-Kupfer-Verbundstoffe mit einer sehr dünnen Tantal-Auflage werdenin der Elektrolyse verwendet.

Es ist selbstverständlich, daß die zum Verbinden der Apparate erforderlichen Rohrleitungen ebenfalls aus Tantal-Plattierungen hergestellt werden können. Nach diesem Verfahren können aber auch Werkstoffpaarungen ζ. B. von Platin, Gold, Silber, Niob, Titan mit anderen metallsichen Unter- und Zwischenlagen hergestellt und weitefverarbeitet'werden?" ^J "-'' - '""■·

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerk· _; itoffs mittels Explosivschweißens, der neben einer

Tantalschicht weitere Metallschichten aufweist,

-ijpbfi-i dia Dicke der Tantalschicht so gering ist, daß

!!ic ohne Hilfsmittel nicht als Blech mit einer der ^eiteren Metallschichten explosiv verschweißbar

• wt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:

, a) ein Tantalblech· dessen Dicke die zum Explosivschweißen oline Hilfsmittel erforderliche Mindestdicke überschreitet, wird mit einem Blech, das eine der weiteren Metallschiühten bildet, zu j einem Zweischichtenverbundmaterial ver-

* schweißt;

b) durch ein- oder mehrmaliges Auswalzen des Verbundmaterials wird die Dicke der Tantalschicht auf eine wesentlich unterhalb der bei Explosionsschweißen ohne HHfsmittel erforderliche Mindestdicke vemiindct;

c) das ausgewalzte Verbundmaterial wird durch Explosionsschweißen mit einem weiteren Blech (Trägerschicht) zu einem großflächigen Mehrschichtverbundwerkstoff verbunden,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus Kupfer von ca. 10 mm Dicke und das aufgebrachte Plattiermaterial aus Tantal von ca. 1 mm Dicke besteht und daß das Plattiermaterial unter Beibehalten eines Dickenverhältnisses von 1:10 durch auswalzen auf eine gewünschte Dicke von 0,1 mm gebracht und durch Explosivschweißen mit einer weiteren Trägerschicht aus Stahl verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Explosivschweißen von Tantal auf Kupfer bei paralleler Anordnung der beiden Metallplatten ein Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2700 m/s und eine Sprengstoffmenge vom 0J4fachen der Tantalplattenmasse eingesetzt wird.