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Plattiertes Metallprodukt
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Die Erfindung betrifft plattierte Metallprodukte mit mehreren Komponenten
und Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere ein plattiertes
Produkt mit einem Kupferkern, Aluminium und Edelstahl.
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Die Verwendung laminierter oder plattierter Metallprodukte aus drei
Schichten oder weniger ist bekannt. So sind z.B. Gegenstände aus Edelstahl mit einer
Kupferbodenschicht bekannt und auch Edelstahigegenstände mit einem Aluminiumkern.
Diese Produkte sind seit einiger Zeit verfügbar und sie werden im weiten Ausmaß
zur Herstellung von Kochgeräten verwendet. Eines der Hauptprobleme dieser bekannten
Materialien besteht darin, daß sie nicht dazu imstande sind, eine rasche und gleichmäßige
Wärmeübertragung über die gesamte Fläche der Pfanne zu ergeben. Diese bekannten
Materialien sind zwar im allgemeinen weitaus besser als Einzelschichtmetalle, sie
sind jedoch immer noch weit davon entfernt, perfekt zu sein.
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Durch die Erfindung wird nun ein neues plattiertes Metallprodukt zur
Verfügung gestellt, das sich auf einem mit Kupfer plattierten Aluminiumkern oder
einem Kupferkern zwischen zwei Aluminiumschichten aufbaut, der mit einer oder mehreren
Schichten von Edelstahl plattiert ist. Durch das neue Produkt werden die grundlegenden
Probleme der oben beschriebenen Materialien des Standes der Technik überwunden.
So verteilt das neue, erfindungsgemäße Material die Wärme rascher und gleichförmig.
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Weiterhin wird das Problem einer unsichtbaren Oxidation von Kupfer,
wenn dieses als Kern verwendet wird, bei den bekannten, kupferplattierten Edelstahlgegenständen
überwunden. Die erfindungsgemäßen Materialien haben im Vergleich zu bekannten Produkten
aus mit Edelstahl plattiertem Aluminium eine überlegene Wärmeverteilung. Die erfindungsgemäßen
Materialien vereinigen die einzigartigen thermischen Eigenschaften von Kupfer und
Aluminium mit den Korrosions- und Abriebbeständigkeitseigenschaften von Edelstahl.
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Eine einzigartige und völlig überraschende Eigenschaft der erfindungsgemäßen
Metallprodukte und der daraus hergestellten Kochgegenstände ist ihre Fähigkeit,ein
Anhaften der Nahrungsmittel an der Oberfläche zu vermindern. 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
in der Vergangenheit schon Überzüge aus Teflon und anderen Kunststoffen verwendet
worden. Das erfindungsgemäße Material ist hinsichtlich der Verhinderun des Anklebens
mit Teflon beschichteten Gegenständen praktisch gleichwertig.
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Es wurden Tests durchgeführt, um die verschiedenen thermischen Eigenschaften
vieler Metalle zu bestimmen, die zur Herstellung solcher Geräte verwendet werden.
Diese Tests wurden durchgeführt, um Unterschiede hinsichtlich der Fähigkeit, Wärme
gleichmäßig zu übertragen, festzustellen. Folgendes Testverfahren wurde angewendet,
um Materialien, die für solche Gebrauchsgegenstände verwendet werden sollen, zu
testen: Unter jeden Gegenstand wurde eine einzige gasbeheizte Wärme quelle, die
ähnlich wie ein Bunsenbrenner ausgestattet war, gebracht. Die Menge des für den
Brenner verfügbaren Gases wurde konstant gehalten. Die Flamme traf direkt auf die
Mitte des Außenbodens des Gegenstandes auf und kam damit in einen kreisförmigen
Kontakt von 7,6 cm. Thermopaare wurden an die Innenmitte der Pfanne so angebracht,
daß sie sich zu dem Außenrand in Teilschritten von 1,27 cm mit Einschlu# bis zu
der Seitenwand erstreckten. Alle Gegenstände hatten eine ähnliche Gestalt, d.h.
die Gestalt einer Brat- bzw. Grillpfanne mit 25,4 cm. Die Ergebnisse der Temperaturen
aM Punkt des Auftreffens sind in der beigefügten Figur dargestellt, die die Ergebnisse
grafisch darstellt.
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Die ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften von festen Aluminium-;
Kupfer/Aluminiumplattierung-Edelstahl-; Ede lstahlplattierung-Aluminium/Kupferkernprodukten
und von
kupfer-2-schichtigen, edelstahlplattierten Aluminiumprodukten
ist zu beachten. Da Kupfer eine äußerst gute thermische Leitfähigkeit hat, die im
allgemeinen als 100% angesehen wird,ist die Fähigkeit dieses Metalls, Wärme zu übertragen,
gut bekannt.
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Aluminium im reinen Zustand nimmt im allgemeinen den zweiten Rang
bei der Wärmeübertragung 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-PSen 2
718 690 und 2 758 368 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.
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Eine direkte Errechnung der Prozentmengen jedes Metalls, das im Querschnitt
eines plattierten Metallprodukts verwendet würde, welches möglicherweise für Kochgeräte
geeignet wäre, in Kombination mit der prozentualen thermischen Leitfähigkeit, bezogen
auf Kupfer, würde diejenigen Wärmeübertragungswerte ergeben, die notwendig sind,um
die thermische Leitfähigkeit des plattierten Metallprodukts, wie gebunden, zu bestimmen.
Die Dicke oder Masse des Metalls, die in dem Körper eines Gegenstandes verwendet
wird, ist ebenfalls von Wichtigkeit, wenn das Kochverhalten in Betracht gezogen
wird.
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Für diesen Anwendungszweck wird daher eine minimale Dicke von 1,2
mm empfohlen.
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Es wurden Tests durchgeführt, um die Nahrungsmittelfreisetzungseigenschaften
von verschiedenen Materialien zu bestimmen. Gegenstände mit ähnlichen Dimensionen
wurden auf einen mit Gas oder elektrisch beheizten Bereich aufgebracht, der ein
in der Mitte angeordnetes Thermopaar enthielt, das dazu
imstande
war, die genaue Mitte des Außenbodens des Gegenstandes zu berühren. Die Innenseite
des Gegenstandes wurde durch leichtes Überziehen mit Kochöl vorbereitet. Sodann
wurde Mehl auf die Oberfläche des Gegenstandes, die mit dem Kochöl bedeckt war,aufgesprüht.
überschüssige Mehlmengen wurden durch Abfallenlassen entfernt. Der resultierende
dünne Mehlüberzug auf der Oberfläche des Gegenstandes wurde dann hinsichtlich der
Farbe beobachtet. Der Gegenstand wurde auf den Brenner mit dem Thermostat gegeben
und es wurde erhitzt, indem die Brennereinstellung auf 177 0c eingestellt wurde.
Die Gegenstände wurden 2,5 Min. lang erhitzt und sodann von dem Brenner weggenommen.
Es wurde versucht, das erhitzte Mehl von der Oberfläche des Gegenstandes zu entfernen,
indem der Gegenstand unter eine Leitung von Wasser mit einem Druck von 2,5 kg/cm²
gebracht wurde. Zum Spülen wurde eine Wassertemperatur von ungefähr 43,30C angewendet.
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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 Wärmekonzentration ist, desto dunkler verbrannt war das Aussehen des
Mehls. Gebrauchsgegenstände aus Metall mit hoher Leitfähigkeit ergaben auf der Mehloberfläche
nur eine geringe oder keine Hitzeverfärbung. Untenstehend sind die Ergebnisse, die
bezüglich einer gleichförmigen Grundlage mit einer Dicke von 0,32 cm korrigiert
worden sind, aufgeführt.
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Produkt Farbaussehen Entfernungsdes Mehls zeit 1.Cu/Al/ES (0,32 cm
dick) cremefarben 22 Sek.
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2.teflonbeschichtetes Al (0,32 cm dick) cremefarben 23 Sek.
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3.All0,32 cm dick) crernefarben 25 Sek.
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4.ES-plattiertes Al (0,32 cm dick) cremefarben 29 Sek.
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5.ES/Al/Cu/Al/ES (0,28 cm dick) creir#farben 33 Sek.
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6.ES/Al/ES (0,28 cm dick) lohfarben 37 Sek.
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7.ES Al Boden (0,035 ES/0,090 Al) lohfarben-braun 48 Sek.
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8. Porzellanbeschicht. Stahl (0,22 cm dick)lohfarben-braun 39,4 Sek.
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9.ES Kohlenstoffstahl (Eisenkern) (0,14 cm dick)dunkelbraun 63,0 Sek.
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10 Hochtemperaturglas dunkelbraun 105 Sek.
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Die Nahrungsmittelfreisetzungseigenschaften von Edelstahl/ Aluminium/Kupfer-Gegenständen
waren gegenüber allen anderen Metall- und Glasoberflächen weit überlegen. Die Freisetzungseigenschaften
von synthetischen Oberflächen werden mit der Dicke verbessert und sie waren gleich,als
eine Dikke von 0,32 cm Aluminium verwendet wurde. Gegenstände mit gleicher Dicke
aus Kupfer/Aluminium/Edelstahl zeigten Freisetzungseigenschaften, die besser waren
als mit Teflon beschichtetes Aluminium gleicher Dicke. Gegenstände aus Edelstahl,
Aluminiumkupfer, Aluminium, Edelstahl lagen im gleichen Bereich wie mit Teflon beschichtetes
Aluminium. Die hervorragenden thermischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen plattierten
Metalle werden hierin beschrieben. Diese'Eigenschaft ist für die Überlegenheit der
erfindungsgemäßen Metallkombinationen äußerst wichtig.
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Durch die Erfindung wird mit Aluminium plattiertes Kupfer zur Verfügung
gestellt, bei dem das Aluminium auf einer oder beiden Seiten des Kupfers aufplattiert
sein kann. Das mit Aluminium plattierte Kupfer oder das mit einem Kupferkern versehene
Aluminium kann sodann mit Edelstahl auf einer oder beiden Seiten des Aluminiums
plattiert werden.
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Das 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, 30Q4, plattiert
ist. Alle Elemente des zusammengesetzten Produkts werden vorzugsweise gereinigt
und an ihren Oberflächen konditioniert, indem diese abgeschliffen werden, um alle
Oxide zu entfernen. Diese Maßnahme kann bei Edelstahl weggelassen werden, muß jedoch
bei Aluminium durchgeführt werden. Vorzugsweise kann das Produkt in der Weise hergestellt
werden, daß man einen zusammengesetzten Vorkörper von Aluminium und Kupfer bildet,
wobei die Vorbindung eine Kupferplattierung auf einer Seite von Aluminium oder Aluminium
auf beiden Seiten eines Kupferkerns
sein kann. Sodann wird eine
Edelstahlplattierung auf eine oder beide Seiten des Aluminiums gebunden. Diese vorgebildete
Plattierung oder der vorgebildete Kern wird vorzugsweise gereinigt und an der Aluminiumoberfläche
oder den Aluminiumoberflächen konditioniert, indem geschliffen oder mit einem Draht
gebürstet wird oder eine geeignete mechanische Methode angewendet wird, um alle
Oxide zu entfernen.
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Diese Maßnahme kann jedoch bei Edelstahl weggelassen werden. Bei dieser
Durchführung wird das mit Aluminium plattierte Kupfer oder der mit Aluminium plattierte
Kupferkern in der oben beschriebenen Weise gereinigt und unter Druck, beispielsweise
durch eine starke Querschnittsverminderung von 40 bis 80%, in einem oder mehreren
Durchläufen durch eine Walzenmühle kaltgebunden. Sodann wird gewünschtenfalls eine
Wärmenachbehandlung durchgeführt, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den
Schichten zu erhöhen. Die vorgebildete Plattierung oder der vorgebildete Kern,bestehend
aus Aluminium und Kupfer, wird mit dem Edelstahl auf eine Temperatur von etwa 149
bis 4270C erhitzt, in einem Durchlauf 20 bis 70% querschnittvermindert oder alternativ
bis zu 5% in einem Walzenstand querschnittvermindert, worauf sich eine Querschnittverminderung
von 10 bis 25% in einem zweiten Walzenstand anschließt. Sodann wird auf etwa 316
bis 4270C, , vorzugsweise 3710r 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.
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Als zweite Alternative kann das Produkt in der Weise hergestellt werden,
daß man eine zusammengesetzte Vorplattierung oder einen Vorkern aus Aluminium und
Kupfer bildet und sodann die Edelstahlplattierung auf eine oder beide Seiten der
Aluminiumoberfläche aufbringt. Bei diesem Vorgehen werden die Aluminium- und Kupferplatten
bzw. -bleche abgeschliffen
und konditioniert, miteinander in Kontakt
gebracht, auf 149 bis 371 0C erhitzt und einer Querschnittverminderung von 30 bis
70% unterworfen. Der zusammengesetzte Vorkörper aus Aluminium und Kupfer kann nacherhitzt
werden, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den Schichten zu erhöhen. Der
resultierende Kupfer/Aluminium-Verbundkörper wird sodann auf der Aluminiumoberfläche
oder den Aluminiumoberflächen abgeschliffen und als Plattierung oder Kern für die
Edelstahlaufplattierung verwendet. In dieser Stufe wird die Zusammenstellung von
Plattierung oder Kern und Edelstahl erneut auf etwa ** 149 bis 4270C erhitzt/und
sodann einer zweiten Querschnittverminderung im Bereich von 5-25% unterworfen. Alternativ
kann die Zusammenstellung in einem einzigen Querschnittsverminderungsdurchlauf von
etwa 20-70% querschnittvermindert werden. Das Produkt wird sodann bei etwa 371 0C
wärmebehandelt, um eine Vergütung und Diffusion, wie oben beschrieben, zu bewirken.
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Bei einer dritten Alternative werden ein oder zwei Bleche bzw.
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Platten von Aluminium mechanisch gereinigt, auf 149 bis 4270C erhitzt
und mit einer oder beiden Oberflächen eines Bleches oder einer Platte von Kupfer
mit Raumtemperatur in Kontakt gebracht. Sodann wird in der oben beschriebenen Weise
entweder einstufig oder zweistufig eine Querschnittverminderung durchgeführt. Der
vorgebildete, zusammengesetzte Körper aus Aluminium und Kupfer kann gewünschtenfalls
wärmebehandelt werden, um die Festigkeit der Vereinigung zwischen den Komponenten
zu erhöhen. Diese Plattierung und dieser Kern wird sodann zwischen Bleche bzw. Platten
von Edelstahl gebracht und es wird nach den oben angegebenen Verfahrensweisen querschnittvermindert
und vergütet.
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Bei einer vierten Alternative sieht man die Herstellung einer vorgebildeten
Aluminiumplattierung 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 vorgebildeten Körpers aus Aluminium und Kupfer auf
einer oder beiden Seiten mit Edelstahl ** ,vorzugsweise einer ersten Querschnittsverminderung
von 2-5% unterworfen
unter Anwendung einer Schwerquerschnittverminderungsstufe
von 30-70% in einem oder zwei Durchläufen. Der resultierende, zusammengesetzte Körper
aus Edelstahl, Kupfer und Aluminium wird sodann, wie im Zusammenhang mit der Alternative
1 beschrieben, wärmebehandelt.
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Bei einer fünften Alternative werden alle Elemente, d.h. Kupfer, Aluminium
und Edelstahl, des zusammengesetzten Körpers vorzugsweise gereinigt und an ihren
freigelegten Oberflächen durch Abschleifen konditioniert, um alle Oxide zu entfernen.
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Dies kann jedoch bei Edelstahl wegfallen. Die Teile werden gesondert
erhitzt oder sie werden nach dem Erhitzen zusammengebracht. Es wird auf eine Temperatur
von etwa 149 bis 4270C 20-70% in einem Durchlauf oder alternativ bis zu etwa 5 %
in einem Walzenstand und sodann in einem zweiten Walzenstand 10-25% querschnittvermindert.
Hierauf wird auf etwa 316 bis 4270C (vorzugsweise 371 0C) wiedererhitzt, damit eine
Diffusion zwischen den angrenzenden Metallschichten stattfinden kann. Der Diffusionsvorgang
bewirkt eine Erhöhung der Bindefestigkeit zwischen den drei verschiedenen Metallen.
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Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.
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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 50-65% querschnittvermindert, um sie
miteinander zu verbinden. Die 0,18 cm dicke Vorform des mit Aluminium plattierten
Kupfers wurde auf der Aluminiumoberfläche durch Abschleifen gereinigt und sodann
in Kontakt mit zwei Edelstahlblechen vom Typ 304 mit einer Dikke von 0,025 cm gebracht,
wobei der Edelstahl gegen die gereinigten Aluminiumoberflächen gebracht wurde. Die
Zusammenstellung von Metallen wurde auf 371 0c erhitzt und durch eine
Walzmühle
geleitet, um die Dicke auf 0,17 cm zu vermindern.
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Sodann wurde durch eine zweite Walzenmühle geleitet und zu einer Dicke
von 0,18 cm querschnittvermindert. Das resultierende Produkt wurde sodann eine genügende
Zeit lang auf 371au wiedererhitzt, damit eine Diffusion zwischen den angrenzenden
Metallschichten in den gesamten Trennflächen stattfinden konnte. Das endvergütete
Produkt wurde zu Kochgeräten, beispielsweise Soßenpfannen mit 2,85 1, und Grillpfannen
tiefgezogen.
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Wenn es gewünscht wird, eine Oberfläche aus Edelstahl und eine andere
aus Kupfer zu haben, dann besteht die Vorform aus einem kupferplattierten Aluminiummaterial,
wobei die gleichen Verfahrensweisen, wie oben beschrieben,angewendet werden.
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Beispiel 2 Ein Kupferblech mit 0,025 cm wurde durch Abschleifen gereinigt
und zwischen zwei abgeschliffene Aluminiumbleche mit 0,32 cm vom Typ Alclad 3003
gelegt. Die Metalle wurden auf 232 0C erhitzt. Es erfolgte ein erster Walzdurchlauf
mit einer Querschnittsverminderung von etwa 2% und sodann wurde in einem Enddurchlauf
zu einer Dicke von etwa 0,28 cm verwalzt. Das gewalzte Produkt wurde auf 371 0C
wiedererhitzt, damit eine Diffusion zwischen den Metallschichten stattfinden konnte.
Das Endprodukt wurde zu Rohlingen zerschnitten und diese wurden zu niederländischen
öfen mit 4,75 1 tiefgezogen.
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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.
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Beispiel 3 Ein Kupferblech mit einer Dicke von 0,025 cm wurde mit
einer Drahtbürste durch Abschleifen gereinigt und sodann zwischen
zwei
Aluminiumbleche vom Typ 1100 jeweils mit einer Dicke von 0,19 cm gelegt. Auch diese
wurden durch Abschleifen gereinigt.
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Zwei Edelstahlbleche vom Typ 304 mit einer Dicke von jeweils 0,025
cm wurden durch Abschleifen gereinigt und auf jede Seite der Aluminiumbleche aufgebracht.
Die Zusammenstellung wurde auf 371) C erhitzt und durch eine Walzmühle geleitet,
um die Dicke auf 0,30 cm zu vermindern. Das resultierende Produkt wurde sodann eine
genügende Zeit auf 371°C wiedererhitzt, daß eine Diffusion zwischen angrenzenden
Metallschichten an den Trennflächen erfolgen konnte. Das fertig vergütete Produkt
wurde zu Kochgefäßen, beispielsweise Soßenpfannen und Grillpfannen bzw. Bratpfannen,
mit 2,85 1 tiefgezogen.
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Die erfindungsgemäßen Materialien können auf vielerlei Art und Weise
für Kochgeräte verwendet werden. So kann z.B.ein fünfschichtiges Material, bestehend
aus einem Kupferkern, der auf jeder Seite mit Aluminium plattiert ist, das seinerseits
auf beiden Seiten mit Edelstahl überzogen ist, dazu verwendet werden, um Kochgefäße
herzustellen, die die gewünschten Eigenschaften von Edelstahl auf den freigelegten
Oberflächen haben, die jedoch eine gleichförmige Wärmeübertragung aufweisen, die
bislang bei allen bekannten Materialien nicht erhältlich war.
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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.
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Schließlich kann ein dreischichtiges Material nach den oben beschriebenen
Verfahrensweisen hergestellt werden, das eine Kupferschicht hat, die auf einer Seite
mit einem Aluminiumkern überzogen ist und die eine Schicht von Edelstahl, gebunden
an die Aluminiumoberfläche, aufweist, wodurch ein Produkt erhalten wird, das zu
Kochgeräten verformt werden kann, welche eine äußere Kupferoberfläche für dekorative
und Wärmeübertragungszwecke haben, und eine andere äußere Oberfläche aus Edelstahl
mit einem Aluminiumkern.
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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. gewünscht wird.
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Ende der Beschreibung.
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