DE2821408B2

DE2821408B2 - Mehrschichtiger Metallwerkstoff

Info

Publication number: DE2821408B2
Application number: DE19782821408
Authority: DE
Inventors: John B. McMurray Wash. Ulam
Original assignee: CLAD METALS Inc CANONSBURG PA US
Current assignee: CLAD METALS Inc CANONSBURG PA US
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE2821408A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Metallwerkstoff mit einer Kernschicht mit einer Schicht auf Aluminiumbasis und mindestens einer an die Schicht auf Aluminiumbas:: gebundenen Edelstahlschicht, wobei die Kernschicht den größten Teil der Dicke des Metallwerkstoffs bildet.

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 dabei 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 Kuchgegeuständen ist nämlich das Problem aufgetreten, daß Nahrungsmittel an der Oberfläche haften bleiben, wenn sie rhitzt 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 Aluminiumbasis 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

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Kernschicht aus einer Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und mindestens einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht

Die Kernschicht besteht somit nicht nur aus der Schicht auf Aluminiumbasis wie beim Stand der Technik, sondern weist zusätzlich eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf. Die Kupferschicht kann sich als Kupferkern zwischen zwei Aluminiumschichten befinden. 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 dasw föhn, ein Anhaften öer NahTOnj^pttei an c|er Oberfläche des Stahls W vermindern, Der erf|n<iHngsgem8ße Werkstoff ist hinsichtlich der Verhinderung des Ankleben? mit PTFE beschichteten Gegenständen praktisch gleichwertig.

Dies zeigen die folgenden Versuchsergebnisse; Dje zu testenden Materialien wurden in Form einer Bratpfanne mit einen Durchmesser von -25,4 cm verwendet Unter jede Pfanne wurde ein einziger Gasbrenner, der , 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 der Pfanne auf und beschrieb einen Kreis mit einem Durchmesser von 7,6 cm. 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 gemesse nen Temperaturen sind in der beigefügten Figur grafisch 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 einem 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 Nahrungsmit-

telfreisetzungseigenschaften 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 Mehlmen^en wurden durch Abfallenlassen entfernt Dann wurden die beim Erhitzen der Pfanne auftretenden Farben beobachtet. Hierzu wurde die Pfanne auf den oben beschriebenen beheizten Bereich autgebracht 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 Wärmekonzeptration ist, desto dunkler verbrannt war das Aussehen des Mehls. Pfannen aus Metall mit hoher Leitfähigkeit ergaben auf der Mehloberfläche nur eine

geringe oder keine Hjtzeyerfärbung,

In der nachfolgenden TaMIe sind die erhaltenen Ergebnisse zuswnmpngesteHt, Pas Material der Pfannen hat eine durchschnittliche Dicke von 0,32 cm. Pie Picke wich jedoch von diesem Durchschnittswert manchmal etwas ab. Pie nachfolgend angegebenen VersMchsergebnisse sind daher auf die Purchschnittsdikke von 0,32 cm korrigiert.

Werkstoff

Farbs«ssehen t|es Mehls Entfernungszejt

1. Cu/Al/ES (032 cm dick)

Z PTFE-beschichtetes Al (0,32 cm dick)

3. Al (0,32 cm dick)

4. ES-plattiertes Al (0,32 cm dick)

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

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

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

8. PorzeHanbeschichteter Stahl (0,22 cm dick)

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

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

Pie 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 Pie genauen Zusammensetzungen dieser Aluminiumlegierungen sind beispielsweise »Metals Handbook, Ninth Edition, Volume 2«, Seite 45, Tabelle 1, herausgegeben von der American Society for Metals, 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 gif 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 kaltgebunden. Sodann wird gegebenenfalls eine Wärmenachbe* handlung 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 427⁰C erhitzt und entweder in einem Durchlauf 20 bis 70% 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 zwiiohen den angrenzenden Schichten der Metalle stattfinden kann. Dieser Diffusionsvorgang bewirkt eine Erhöhung der Bindefestigkeit zwischen den drei unähnlichen Metallen and 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 3/1⁰C 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/Alumi nium-Verbundkörper wird sodann auf de Aluminium oberfläche oder den Aluminiumoberflächen abgeschliffen und als Kernschicht für die Edelstahlaufschicht verwendet In dieser Stufe wird die Zusammenstellung von Kernschicht und Edelstahlschicht erneut auf etwa

in 149 bis 427° C erhitzt und einer ersten Querschnittsverminderung von 2 bb 5% und sodann einer zweiten Querschnittsverminderung im Bereich von 5 bis 25% unterworfen. Alternativ kann die Zusammenstellung in ein?m einzigen Querschnittsverminderungsdurchlauf von etwa 20 bis 70% querschnittsvermindert werden.

Das Produkt wird sodann bei c:wa 371 °C wärniebehan-

delt, um eine Vergütung und Diffusion, wie oben beschrieben, zu bewirken.

Bei einer dritten Alternative v/erden ein oder zwei

Bleche bzw. Platten von Aluminium mechanisch gereinigt, auf 149 bis 427° C 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 zweist'tfig eine Querschnittsverminderung durchgeführt. Das Vorprodukt aus Aluminium und Kupfer kann gegebenenfalls wärmebehandelt 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 auf 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, damit 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 prozellanisiert 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, angehefetet werden sollen. Auch hier werden wiederum hohe Wärmeübertragungseffekte erhalten.

Die obige Beschreibung der Erfindung war in erster Linie auf Pfannen 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 \~n Wichtigkeit ist und wo eine Beständigkeit gegenüber Verfärbung, Oxidation etc. gewünscht 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% querschnittsvermindert, 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 Edelstahlblechen vom Typ 304 mit einer Dicke von 0,025 cm gebracht, wobei der Edelstahl gegen die gereinigten Aluminiurnoberflächen gebracht wurde. Die Zusammenstellung

in wurde auf 371^eC erhitzt und durch ein Walzwerk geleitet, um die Dicke auf 0.17 cm zu vermindern. Sodann wurde durch ein zweites Walzwerk geleitet und zu einer Dicke von 0,18 cm querschnittsvermindert. Das resultierende Produkt wurde sodann eine genügende

Γι Zeit lang auf 371 "C 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 I, und Bratpfannen tiefgezogen.

.'ο Wenn es gewünscht wird, eine Oberfläche aus Edelstahl und eine andere aus Kupfer zu haben, dann besteht das Vorprodukt aus einem kupferbeschichteten Aluminiummaterial, wobei die gleichen Verfahrensweisen, wie oben beschrieben, angewendet werden.

Beispiel 2

Ein Kupferblech mit 0,025 cm wurde durch Abschleifen gereinigt und zwischen zwei abgeschliffene Aluminiumbleche mit 0,32 cm vom Typ 3003 gelegt. Die Metalle

in wurden auf 232°C erhitzt. Es erfolgte ein erster Walzendurchlauf 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 37 Γ C wiedererhitzt, damit eine

ij Diffusion zwischen den Metallschichten stattfinden konnte. Das Endprodukt wurde zu Rohlingen zerschnitten und diese wurden zu Backöfen mit 4,75 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

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. Zwei Edelstahlbleche vom Typ 304 mit einer Dicke von jeweils 0,025 cm

so wurden durch Abschleifen gereinigt und auf jede Seite der Aluminiumbleche aufgebracht Die Zusammenstellung wurde auf 371 °C erhitzt und durch ein Walzwerk geleitet, um die Dicke auf 030 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 I tiefgezogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Mehrschichtiger Metallwerkstoff mit einer Kernschicht mit einer Schicht auf AJuminrombasis und mindestens einer an die Schicht auf AIumHHUmbasis gebundenen Edelstahlschicht, wobei die Kernschicht den größten TejJ der Dicke des Metallwerkstoffs bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht aus einer Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und mindestens einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht