DE2550703C2

DE2550703C2 - Mehrschichtiges Metallprodukt

Info

Publication number: DE2550703C2
Application number: DE19752550703
Authority: DE
Inventors: John B. Canonsburg Pa. Ulam
Original assignee: CLAD METALS Inc CANONSBURG PA US
Current assignee: CLAD METALS Inc CANONSBURG PA US
Priority date: 1975-08-22
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1985-12-12
Also published as: CA1031513A; JPS5226344A; BE835419A; CH607555A5; DE2560625C2; DE2550703A1; JPS5947664B2; AU8572975A

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Metallprodukt mit einer Kernschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und mindestens einer Außenschicht aus rostfreiem Stahl.

Mehrschichtige Metallwerkstoffe aus drei Schichten oder weniger sind bekannt, so z. B. Werkstoffe aus

Edelstahl und Kupfer und auch aus Edelstahl und Aluminium. Sie werden zur Herstellung von Kochgeräten

verwendet Eines der Hauptprobleme dieser bekannten Werkstoffe besteht darin, daß sie keine ausreichend rasche und gleichmäßige Wärmeübertragung über die gesamte Fläche des Kochgeschirrs, z. B. einer Pfanne, ergeben. Die mehrschichtigen Werkstoffe sind im allgemeinen weitaus besser als Einzelschichten. Bei allen metallischen Kochgegenständen ist nämlich das Problem aufgetreten, daß Nahrungsmittel an der Oberfläche

haften bleiben, wenn sie erhitzt werden. Um dies zu verhindern, sind bisher Überzüge aus PTFE und anderen Kunststoffen verwendet worden.

Aus der DE-OS 16 79 090 sind mehrschichtige Metallwerkstoffe mit einer Kernschicht auf Aluminiumbasis

und einer an die Schicht auf Aluininiumbasis gebundenen Edelstahlschicht der eingangs beschriebenen Art bekannt. Mehrschichtige Metallwerkstoffe werden weiterhin auch in der DE-PS 1 10 786 und in der DE-OS 23 13 210 beschrieben. Aus der DE-AS 16 21 320 ist fernerhin ein Verfahren zum haftfesten Verbinden von Aluminium mit rostfreiem Stahl durch Walzplattieren bekannt

In der US-PS 34 90 126 ist ein Metallprodukt beschrieben, das aus einem Blech aus rostfreiem Stahl besteht,

das auf einer Seite eine dünne Schicht von Nickel aufweist, wodurch diese Seite eine optisch ansprechende weiße

Farbe erhält. Auf der anderen Seite des rostfreien Stahlblechs befindet sich eine Schicht aus wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer. Dieses Metallprodukt besteht daher aus einem inneren Stahlkern mit Kupfer an einer

Außenseite und einer dünnen Nickelschicht an der anderen Außenseite.

Aus der US-PS 33 52 005 geht hervor, daß einander ähnliche Metalle wie z. B. aus rostfreiem Slal.l und

gewöhnlicher Stahl in einem Roll- oder Walzprozeß als Folge ihres ähnlichen Verformungswiderstandes nicht wirkungsvoll miteinander verbunden werden können. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird eine dünne Aluminiumschicht zwischen rostfreiem Stahl und gewöhnlichem Stahl angebracht, da nunmehr eine Bindung infolge der unterschiedlichen Verformungswiderstände möglich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Metallwerkstoff der eingangs beschriebenen Art so a uszugcstalten, daß er verbessert für die Herstellung von Kochgeräten verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Aluminiumschicht aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwischen der Kernschicht und jeder Außenschicht vorhanden ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist nur eine Außenschicht aus Edelstahl vorgesehen, wobei beide Seiten der Kernschicht eine Aluminiumschicht aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht jede Aluminiumschicht aus Aluminium vom Typ 1100,3003 oder 3004 und weist eine Beschichtung aus Aluminium vom Typ 1145 auf.

Es hat sich gezeigt, daß der neue Werkstoff die Wärme rascher und gleichförmiger verteilt als der Werkstoff nach dem Stand der Technik. Weiterhin wird das Problem einer unsichtbaren Oxidation von Kupfer, wenn dieses als Kern verwendet wird, bei den bekannten kupferplattierten Edelstahlgegenständen überwunden.

Überraschend hat sich ferner gezeigt, daß der Werkstoff bei Kochgegenständen dazu führt, ein Anhaften der Nahrungsmittel an der Oberfläche des Stahls zu vermindern. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist hinsichtlich der Verhinderung des Anklebens mit PTFE beschichteten Gegenständen praktisch gleichwertig.
Dies zeigen die folgenden Versuchsergebnisse:

Die zu testenden Materialien wurden in Form einer Bratpfanne mit einem Durchmesser von 25,4 cm verwendet. Unter jede Pfanne wurde ein einziger Gasbrenner, der ähnlich wie ein Bunsenbrenner ausgestattet ist, ||

gebracht. Die Menge des für den Brenner verfügbaren Gases wurde konstant gehalten. Die Flamme traf direkt f|

auf die Mitte des Außenbodens der Pfanne auf und beschrieb einen Kreis mit einem Durchmesser von 7,6 cm. |j;

;.o Am Innenboden der Pfanne wurden entlang des Durchmessers mehrere Thermoelemente in Abständen von ■·■';

1,27 cm bis zu der Seitenwand angeordnet. Die mit diesen Thermoelementen gemessenen Temperaturen sind in u

der beigefügten Figur graphisch dargestellt. ^;'^:

Kupfer hat eine äußerst gute thermische Leitfähigkeit, die als 100% angesehen wird. Aluminium in reinem Zustand nimmt im allgemeinen den zweiten Rang bei der Wärmeleitung ein. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 75% von derjenigen von Kupfer. Gußeisen, das ebenfalls für Kochgeräte verwendet wird, hat ungefähr 16,6% der thermischen Leitfähigkeit von Kupfer, während Kohlenstoffstahl, wie er als Kern bei edelstahlplattierten Kohlenstoff-Stahlprodukten gemäß den US-PS 27 18 690 und 27 58 368 verwendet wird, 15,1% der Leitfähigkeit von reinem Kupfer besitzt. Ein Edelstahl vom Typ 304 (18% Chrom, 8% Nickel) hat ungefähr

3,83% der thermischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Keramische Materialien, die glasähnlich sind, sind Widerstände für eine thermische Überleitung und sie haben Leitfähigkeiten von ungefähr 1 % von derjenigen von reinem Kupfer.

Es wurden Tests durchgeführt, um die Nahrungsmittelfreisetzungseigenschaften von verschiedenen Werkstoffen zu bestimmen. Pfannen mit ähnlichen Abmessungen wurden auf einen mit Gas oder elektrisch beheizten Bereich aufgebracht, in dessen Mitte ein Thermoelement angeordnet war, das genau die Mitte des Außenbodens der Pfanne berührte. Die Innenseite der Pfanne wurde durch leichtes Überziehen mit Bratöl vorbereitet Sodann wurde Mehl auf die mit dem Bratöl bedeckte Oberfläche der Pfanne aufgesprüht Überschüssige Mehlmengen wurden durch Abfallenlassen entfernt Dann wurden die beim Erhitzen der Pfanne auftretenden Farben beobachtet Hierzu wurde die Pfanne auf den oben beschriebenen beheizten Bereich aufgebracht und die Brennereinstellung wurde auf 177° C eingestellt Die Pfanne wurde 2,5 min lang erhitzt und sodann weggenommen. Es wurde versucht, das erhitzte Mehl von der Oberfläche der Pfanne zu entfernen, indem die Pfanne unter eine Leitung von Wasser mit einem Druck von 2,5 kg/cm² gebracht wurde. Zum Spülen wurde eine Wassertemperatur von ungefähr 433° C angewendet Die Zeit zur Entfernung des Mehls durch diesen Spülprozeß wurde aufgezeichnet Die Klebbeständigkeit wurde als direkte Beziehung zu der Entfernungszeit durch die Wasserspülung genommen. Die Farbe des Mehls wird durch die Wärmekonzentration beeinträchtigt Je größer die Wärmekonzeittration ist, desto dunkler verbrannt war das Aussehen des Mehls. Pfannen aus Metall mit hoher Leitfähigkeit ergaben auf der Mehloberfläche nur eine geringe oder keine Hitzeverfärbung.

In der nachfolgenden Tabelle sind die erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt. Das Material der Pfannen hat eine durchschnittliche Dicke von 032 cm. Die Dicke wich jedoch von diesem Durchschnittswert manchmal etwas ab. Die nachfolgend angegebenen Versuchsergebnisse sind daher auf die Durchschnittsdicke von 0,32 cm korrigiert

Werkstoff

Farbaussehen des Mehls	Entfernungszeit
cremefarben	22 s
cremefarben	23 s
cremefarben	25 s
cremefarben	29 s
cremefarben	33 s
lohfarben	37 s
lohfarbenbraun	48 s
lohfarbenbraun	39,4 s
dunkelbraun	63,0 s
dunkelbraun	105 s

1. Cu/Al/ES (0,32 cm dick)

2. PTFE-beschichtetes Al (0,32 cm dick)

3. Al (0,32 cm dick)

4. ES-plattiertes Al (032 cm dick)

5. ES/Al/Cu/Al/ES (0,28 cm dick)

6. ES/AI/ES (0,28 cm dick)

7. ES-Al-Boden (0,035 ES/0,090 Al)

8. Porzellanbeschichteter Stahl (0,22 cm dick)

9. ES- Kohlenstoffstahl (Eisenkern) (0,14 cm dick) 10. Hochtemperaturglas

Die Nahrungsmittelfreisetzungseigenschaften von Edelstahl/Aluminium/Kupfer-Pfannen waren gegenüber allen anderen Metall- und Glasoberflächen weit überlegen.

Das bei der Erfindung verwendete Aluminium kann im wesentlichen reines Aluminium z. B. vom Typ 1100, 3003,3004, sein oder eine Aluminiumlegierung. Vorzugsweise wird ein Aluminium, beispielsweise vom Typ 1145, verwendet, das als Schichtplattierung auf eine oder beide Seiten von Aluminium, beispielsweise vom Typ 1100, 3003,3004, Plattiert ist. Die genauen Zusammensetzungen dieser Aluminiumlegierungen sind beispielsweise in »Metals Handbook«, 9 th Ed, Vol. 1, S. 917, Tabl 2, herausg. von American Society for Metals, 1969, angegeben. Bei der Herstellung des mehrschichtigen Werkstoffs werden die Materialien — so weit nötig — gereinigt und die Oberflächen werden abgeschliffen, um alle Oxide zu entfernen. Diese Maßnahme kann bei Edelstahl weggelassen werden, muß jedoch bei Aluminium durchgeführt werden. Vorzugsweise kann der Werkstoff in der Weise hergestellt werden, daß man ein Vorprodukt aus Aluminium und Kupfer bildet, wobei das Vorprodukt eine Kupferschicht auf einer Seite von Aluminium oder Aluminium auf beiden Seiten einer Kupferschicht sein kann. Sodann wird eine Edelstahlschicht auf eine oder beide Seiten des Aluminiums aufgebracht. Die vorgebildete Kernschicht wird soweit nötig gereinigt und die Aluminiumoberflächen werden von Oxiden befreit, indem sie z. B. abgeschliffen oder mit einem Draht gebürstet werden. Diese Maßnahme kann jedoch bei Edelstahl weggelassen werden. Bei dieser Durchführung wird das mit Aluminium plattierte Kupfer oder die mit Aluminium plattierte Kupferkernschicht in der oben beschriebenen Weise gereinigt und unter Druck, beispielsweise durch eine starke Querschnittsverminderung von 40 bis 80%, in einem oder mehreren Durchläufen durch ein Walzwerk kultgebunden. Sodann wird gegebenenfalls eine Wärmenachbehandlung durchgeführt, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den Schichten zu erhöhen. Die vorgebildete Kernschicht, bestehend aus Aluminium und Kupfer, wird mit dem Edelstahl auf eine Temperatur im Bereich von etwa 149 bis 427°C erhitzt und entweder in einem Durchlauf 20 bis 79% oder alternativ zunächst bis zu 5% in einem Walzwerk und dann 10 bis 25% in einem zweiten Walzwerk querschnittsvermindert. Sodann wird auf etwa 316 bis 427°C, vorzugsweise: 371⁰C, erhitzt, damit eine Diffusion zwischen den angrenzenden Schichten der Metalle stattfinden kann. Dieser Diffusionsvorgang bewirkt eine Erhöhung der Bindefestigkeit zwischen den drei unähnlichen Metallen und bewirkt auch ein bestimmtes Ausmaß einer Spannungsminderung. Das resultierende Produkt kann leicht zu Kochgeräten tiefgezogen werden.

Als zweite Alternative kann das Produkt in der Weise hergestellt werden, daß man eine Vorkernschicht aus Aluminium und Kupfer bildet und sodann die Edelstahlschicht auf eine oder beide Seiten der Aluminiumoberfläche aufbringt. Bei diesem Vorgehen werden die Aluminium- und Kupferplatten bzw. -bleche abgeschliffen, miteinander in Kontakt gebracht, auf 149 bis 371°C erhitzt und einer Querschnittsverminderung von 30 bis 70%

unterworfen. Das zusammengesetzte Vorprodukt aus Aluminium und Kupfer kann nacherhitzt werden, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den Schichten zu erhöhen. Der resultierende Kupfer/AIuminium-Verbundkörper wird sodann auf der Aluminiumoberfläche oder den Aluminiumoberflächen abgeschliffen und als Kernschicht für die Edelstahlaufschicht verwendet In dieser Stufe wird die Zusammenstellung von Kernschicht und Edelstahlschicht erneut auf etwa 149 ois 427° C erhitzt und einer ersten Querschnittsverminderung von 2 bis 5 % und sodann einer zweiten Querschnittsverminderung im Bereich von 5 bis 25% unterworfen. Alternativ kann die Zusammenstellung in einem einzigen Querschnittsverminderungsdurchlauf von etwa 20 bis 70% querschnittsvermindert werden. Das Produkt wird sodann bei etwa 371°C wärmebehandelt, um eine Vergütung und Diffusion, wie oben beschrieben, zu bewirken.

Bei einer dritten Alternative werden ein oder zwei Bleche bzw. Platten von Aluminium mechanisch gereinigt, auf 31Q bis 371°C erhitzt und mit einer oder beiden Oberflächen eines Bleches oder einer Platte von Kupfer bei Raumtemperatur in Kontakt gebracht Sodann wird in der oben beschriebenen Weise entweder einstufig oder zweistufig eine Querschiüttsverminderung durchgeführt Das Vorprodukt aus Aluminium und Kupfer kann gegebenenfalls v/ärmebehandelt werden, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den Komponenten zu erhöhen. Dieser Kern wird sodann zwischen Bleche bzw. Platten von Edelstahl gebracht und es wird nach den oben angegebenen Verfahrensweisen querschnittsvermindert und vergütet

Bei einer vierten Alternative sieht man die Herstellung einer vorgebildeten Aluminiumschicht auf einer oder beiden Seiten des Kupfers durch eine Kalt- oder Heißbindung, wie im Zusammenhang mit der ersten Alternative erläutert, vor. Sodann erfolgt eine Kaltbindung dieses Vorprodukts aus Aluminium und Kupfer auf einer oder beiden Seiten mit Edelstahl unter Anwendung einer Schwerquerschnittsverminderungsstufe von 30 bis 70% in einem oder zwei Durchläufen. Der resultierende mehrschichtige Werkstoff aus Edelstahl, Kupfer und Aluminium wird sodann, wie im Zusammenhang mit der Alternative 1 beschrieben, wärmebehandelt

Bei einer fünften Alternative werden alle Elemente, d. h. Kupfer, Aluminium und Edelstahl, des mehrschichtigen Werkstoffs soweit nötig gereinigt und die freien Oberflächen werden abgeschliffen, um alle Oxide zu entfernen. Dies kann jedoch bei Edelstahl wegfallen. Die Teile werden gesondert erhitzt und nach dem Erhitzen zusammengebracht Es wird bei einer Temperatur von etwa 149 bis 427° C 20 bis 70% in einem Durchlauf oder alternativ bis zu etwa 5% in einem Walzwerk und sodann in einem zweiten Walzwerk 10 bis 25% querschnittsvermindert Hierauf wird auf etwa 316 bis 427°C (vorzugsweise 371°C) wiedererhitzt daRiit eine Diffusion zwischen den angrenzenden Metallschichten stattfinden kann. Der Diffusionsvorgang bewirkt eine Erhöhung der Bindefestigkeit zwischen den drei verschiedenen Metallen.

Ein vierschichtiges Material mit einem Kupferkern, der auf jeder Seite mit Aluminium überzogen ist, und einer äußeren Schicht von Edelstahl ist sehr gut dazu geeignet, um Kochgefäße herzustellen, die nach dem Formen auf der freigelegten Aluminiumoberfläche porzellanisiert oder beschichtet werden sollen oder als Scheiben verwendet werden sollen, die an den Boden von Gegenständen, die in herkömmlicher Weise aus einem festen oder plattierten Material hergestellt worden sind, angeheftet werden sollen. Auch hier werden wiederum hohe Wärmeübertragungseffekte erhalten.

Die obige Beschreibung der Erfindung war in erster Linie auf Kochgeräte abgestellt da dies das Gebiet ist bei dem die größten Mengen solcher Metalle verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Produkte können jedoch für eine große Vielzahl von technischen Anwendungszwecken eingesetzt werden, wo die Wärmeübertragung von Wichtigkeit ist und wo eine Beständigkeit gegenüber Verfärbung, Oxidation etc. gewünsch t wird.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert

Beispiel 1

Ein Kupferblech mit einer Dicke von 0,025 cm wurde mit einer Drahtbürste abgeschliffen und zwischen zwei Aluminiumbleche des Typs 1100 jeweils mit einer Dicke von 0,19 cm, die ebenfalls abgeschliffen worden waren, gebracht. Das Kupfer und das Aluminium wurden ungefähr 50 bis 65% querschn'-"5vermindert, um sie miteinander zu verbinden. Das 0,18 cm dicke Vorprodukt des mit Aluminium beschichteten Kupfers wurde auf der Aluminiumoberfläche durch Abschleifen gereinigt und sodann in Kontakt mit zwei Blechen aus rostfreiem Stahl vom Typ 3004 mit einer Dicke von 0,025 cm gebracht, wobei der Edelstahl gegen die gereinigten Aluminiumoberflächen gebracht wurde. Die Zusammenstellung wurde auf 371°C erhitzt und durch ein Walzwerk geleitet, um die Dicke auf 03 cm zu vermindern. Das resultierende Produkt wurde sodann eine genügende Zeit lang auf 37 Γ C wiedererhitzt, damit eine Diffusion zwischen den angrenzenden Metallschichten in den gesamten Trennflächen stattfinden konnte. Das endvergütete Produkt wurde zu Kochgeräten, beispielsweise Soßenpfannen mit

31 und Bratpfannen tiefgezogen.

Beispiel 2

Ein Kupferblech mit 0,025 cm wurde durch Abschleife·! gereinigt und zwischen zwei abgeschliffene Aluminiumbleche mit 0,2 cm vom Typ 3003 gelegt. Die Metalle wurden auf 232° C erhitzt und man reduziert den Querschnitt durch ein Walzwerk auf 70%. Dieses Verbundprodukt wird durch Abschleifen gereinigt, worauf auf jede Seite ein Blech aus rostfreiem Stahl einer Dicke von 2,5 cm aufgebracht wird. Die Zusammenstellung wird

auf 371⁰C erhitzt. Es erfolgte ein erster Walzendurchlauf mit einer Querschnittsverminderung von etwa 2% und sodann wurde in einem Enddurchlauf zu einer Dicke von etwa 1,8 mm verwalzt. Das gewalzte Produkt wurde auf 371°C wiedererhitzt, damit eine Diffusion zwischen den (Vietallschichten stattfinden konnte. Das Endprodukt wurde zu Rohlingen zerschnitten und diese wurden zu Backöfen mit 5 I tiefgezogen.

Wenn es gewünscht wird, eine Oberfläche aus Edelstahl und eine andere aus Aluminium oder Kupfer zu haben, dann können die gleichen Verfahrensweisen, wie oben beschrieben, angewendet werden.

Beispiel 3

Es werden Vorprodukte hergestellt, bestehend aus einem Verbundprodukt aus Aluminium an Kupfer auf einer oder beiden Seiten des Kupfers, wobei die Metalle ohne Einwirkung von Wärme aneinander gebunden werden durch Querschnittsverminderung auf etwa 80% und anschließendes Erhitzen des Produktes zur Steigerung der Festigkeit zwischen den Metallen. Die Bedingungen sind die gleichen wie in Beispiel 2 beschrieben. Man bringt ein Blech aus rostfreiem Stahl auf eine oder beide Seiten des Vorprodukts, erhitzt und walzt, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben.

Wo es gewünscht ist, daß die eine Oberfläche aus rostfreiem Stahl und die andere aus Aluminium besteht, werden die gleichen Arbeitsgänge befolgt, wie oben dargelegt.

Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Metallprodukt für Kochgeräte in mannigfacher Weise und vielen Kombinationen verwendet werden kann. Beispielsweise kann man ein fünfschichtiges Metallprodukt, bestehend aus einem Kupferkern, der auf jeder Seite mit Aluminium beschichtet ist, das wiederum auf beiden Seiten mit rostfreiem Stahl beschichtet ist, dazu benutzen, um Kochgeräte herzustellen, die auf den außen liegenden Oberflächen die erwünschten Eigenschaften des rostfreien Stahls besitzen, jedoch eine Einheitlichkeit der Wärmeübertragung aufweisen, wie sie bei keinem der bisherigen Materialien erreichbar war. Ein vierschichtiges Metallprodukt mit einem Kupferkern, der auf jeder Seite mit Aluminium beschichtet ist und eine äu3tre Schicht aus rostfreiem Stahl besitzt, ist sehr gut geeignet für die Herstellung von Kochgefäßen, die z. B. auf der offenliegenden Aluminiumoberfläche mit Porzellan überzogen werden können oder die als Scheiben verwendet werden, die an die Böden von Geschirren befestigt werden können, die herkömmlicherweise aus festem bzw. beschichtetem Metall hergestellt sind. Hier werden wiederum die Wirkungen hoher Wärmeübertragung erreicht. Schließlich gibt ein dreischichtiges Metallprodukt mit einer Kupferschicht, die auf der einen Seite mit Aluminium beschichtet ist und eine Schicht aus rostfreiem Stahl auf der Aluminiumoberfläche gebunden hat, ein Produkt, das zu Kochgeräten geformt werden kann, die zu dekorativen Zwecken eine äußere Schicht aus Kupfer aufweisen, wobei auch die Wärmeübertragungseigenschaften verbessert sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrschichtiges Metallprodukt mit einer Kernschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und mindestens einer Außenschicht aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumschicht aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwischen der Kernschicht und jeder Außenschicht vorhanden ist

2. Mehrschichtiges Metallprodukt nach Anspruch 1, bei dem nur eine Außenschicht aus Edelstahl vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Seiten der Kernschicht eine Aluminiumschicht aufweisen.

3. Mehrschichtiges Metallprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aluminiumschicht aus Aluminium vom Typ 1100,3003 oder 3004 besteht und eine Beschichi ung aus Aluminium vom Typ 1145 aufweist