DE3626470A1 - Verfahren zum herstellen einer titanplattierten stahlplatte durch heisswalzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von titanplattierten Stahlplatten oder -blechen, welches sich durch wirtschaftliche Produktionskosten und hervorragende Plattierungseigenschaften auszeichnen.

Titanplattierter Stahl wird hauptsächlich durch Explosiv-Plattieren oder Heißwalzen hergestellt.

Beim Explosiv- oder Sprengplattieren wird das Deckmetall durch eine Explosion mit dem Grundmetall kalt verscheißt, wobei sich eine sehr gute Verbindung ergibt. Explosiv-Plattierverfahren sind jedoch schwierig und teuer, außerdem ist die Produktgröße relativ beschränkt.

Beim Heißwalzplattieren werden das Deckmetall und das Grundmetall durch Anwendung von Hitze und Druck miteinander verbunden. Dieses Verfahren wird bei der Herstellung von plattierten Stahlblechen oder -platten viel verwendet und eignet sich für die Massenproduktion. Bisher konnten mit diesem Verfahren jedoch keine mit Titan plattierten Stahlplatten hergestellt werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß Titan bei höheren Temperaturen sehr leicht mit Luft, aktiven Gasen sowie anderen Metallen reagiert, was zur Folge hat, daß sich auf der zu plattierenden Oberfläche beim Heißwalzen spröde Schichten bilden.

Bei der Herstellung von titanplattierten Stahlplatten durch Heißwalzen muß man daher eine Zwischenschicht zwischen dem Titan und dem Grundmaterial verwenden, um die Bildung von störenden Verbindungen an der Titan-Eisen-Grenzschicht zu verhindern. Für diese Zwischenschichten werden vorzugsweise Metalle verwendet, welche sowohl mit Titan als auch mit Eisen eine vollständige feste Lösung zu bilden vermögen. Es ist bekannt, Silber, Molybdän oder Vanadium in Form von Folien oder aufgesprühter Schichten als Zwischenschichtmaterialien zu verwenden. Diese Metalle sind jedoch kostspielig und die mit ihnen hergestellten titanplattierten Stahlplatten sind daher entsprechend teuer.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von titanplattierten Stahlplatten oder -blechen anzugeben, das eine ausgezeichnete Verbindung zwischen dem Titan und dem Grundmetall gewährleistet und sich durch niedrige Herstellungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Plattieren durch Heißwalzen, wobei als Zwischenschichtmaterial ein billiges Oxid des Molybdäns oder Vanadiums verwendet werden, so daß der Materialaufwand und damit die Kosten entsprechend niedrig sind.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung geht man von Brammen oder Platten des Grundmetalls und des Deckmetalls aus. Dann wird mindestens eine der beiden miteinander zu verbindenden Oberflächen des Grundmetalls und des Deckmetalls mit Molybdän- und/oder Vanadiumoxid mit einer Flächendichte von vorzugsweise 20 bis 300 m/m² beschichtet. Zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen wird dann ein Vakuum von mindestens 13,3 Pa (10^-1 Torr) erzeugt, und die Plattenanordnung wird dann auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des Oxids zuzüglich 50°C und 1050°C erhitzt und heiß gewalzt. Das wesentlichste Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines billigen Oxids des Mo oder V, also insbesondere MoO₃ oder V₂O₅. Der Schmelzpunkt des Molybdäntrioxids ist 795°C und des Vanadiumpentoxids ist 690°C. Wenn die Anordnung auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als der Schmelzpunkt des Oxides ist, schmilzt die Zwischenschicht aus MoO₃ oder V₂O₅ und bildet einen gleichmäßigen geschmolzenen Film, der die überzogene Oberfläche reinigt. Bei der weiteren Erhitzung wird das Zwischenschicht-Oxid durch das Titan der Deckmetallschicht reduziert und auf der inneren Oberfläche der Titanplatte und/oder der Eisenplatte schlägt sich Molybdän oder Vanadium nieder, was beim Heißwalzplattieren als Zwischenschichtmaterial wirkt. Das entstehende Titanoxid bildet eine feste Lösung mit dem Titan; wenn jedoch die Oxidbeschichtung auf eine Flächendichte von 20 bis 300 g/m² beschränkt wird, treten bei der Verbindung keine Probleme auf.

Das Molybdän- oder Vanadinoxid wirkt, wie gesagt, auf der Oberfläche des Deckmetalles als schmelzendes Flußmittel und hat die beiden Funktionen, die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen und als Zwischenschichtmaterial die Bildung von störenden Verbindungen an der Grenzschicht zwischen den Metallen zu verhindern. Die angegebenen Grenzen für das Ausmaß der Beschichtung, den Luftdruck und die Erhitzungstemperatur ergeben ein Optimum dieser beiden Funktionen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur zur Herstellung einer titanplattierten Stahlplatte zeigt.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können als Grundmetall irgendwelche handelsüblichen Stähle verwendet werden, z. B. Kohlenstoffstähle, niedrig legierte Stähle und dergleichen. Hinsichtlich der Konfiguration bestehen keine Grenzen, soweit diese nicht durch die Anlagen für die Erhitzung und das Walzen gesetzt werden.

Als Deckmetall können Platten aus reinem Titan oder irgendwelchen Titanlegierungen verwendet werden. Für die Abmessungen gilt das gleiche wie für das Grundmetall.

Die miteinander zu verbindenden Oberflächen des Grundmetalls und des Deckmetalls werden zur möglichst weitgehenden Entfernung von Oxidschichten durch Schleifen, Sandstrahlen oder andere Verfahren gereinigt. Anschließend wird die für die Verbindung vorgesehene Oberfläche des Grundmetalls und/oder des Deckmetalls mit Molybdänoxid, z. B. MoO₃ oder Vanadinoxid, z. B. V₂O₅ beschichtet.

Hinsichtlich dieser Oxide, wie MoO₅ und V₂O₃ bestehen keine speziellen Bedingungen; für die Beschichtung sind jedoch im allgemeinen Pulver am besten geeignet. Die Flächendichte der Beschichtung ist vorzugsweise größer als 20 g und kleiner als 300 g pro m² der Plattierfläche der Platten oder Bleche.

Wenn die Flächendichte der Beschichtung unter 20 g liegt, bildet sich im allgemeinen keine gleichmäßige geschmolzene Schicht aus MoO₃ oder V₂O₅, so daß die Zwischenschichtmaterialien (Mo oder V) im Produkt ungleichmäßig verteilt sind. Wenn andererseits die Schichtdicke 300 g/m² übersteigt, tritt eine übermäßige Oxidation der Titanplatte und Absorption von Sauerstoff in ihr auf, so daß nichtplattierte Bereiche auftreten und die Oxidation auf der Oberfläche des plattierten Materials merklich wird. Außerdem nimmt die Härte des Plattierungsmaterials und des plattierten Materials an der Grenzschicht zu und die plattierte Stahlplatte läßt sich schlechter weiterverarbeiten.

In Vorbereitung zum Walzen werden die Platten des Grund- und des Deckmetalles nach Reinigung ihrer Oberflächen und Beschichtung vorzugsweise an ihren vier Seiten verschweißt und der Druck zwischen den zu verbindenden Flächen wird durch Auspumpen auf weniger als 13,3 Pa (10^-1 Torr) verringert. Wenn der Druck höher als etwa 13,3 Pa ist, wird das MoO₃ oder V₂O₅ nicht genügend reduziert, so daß nichtkontaktierte Teile entstehen.

Die in der beschriebenen Weise vorbereitete Plattenanordnung wird ann auf eine Temperatur erhöht, die zwischen dem Schmelzpunkt des verwendeten Oxids zuzüglich 50°C und höchstens etwa 1050°C liegt, und gewalzt, wobei man eine titanplattierte Stahlplatte erhält. Der Grund, warum die Anordnung 50°C über den Schmelzpunkt erhöht werden soll, besteht darin, daß bei niedrigeren Temperaturen die Gefahr besteht, daß sich die geschmolzene Oxidschicht nicht gleichmäßig verteilt, so daß sich eine entsprechende ungleichmäßige Verteilung der Zwischenschichtmaterialien (Mo, V) in der plattierten Stahlplatte ergibt. Wenn man andererseits die genannte obere Grenze von 1050°C überschreitet, bildet sich eine geschmolzene Schicht aus einer niedrig schmelzenden Titan-Eisenlegierung, und die Grenzschicht wird spröde, so daß die Formgebung des plattierten Materials schwieriger wird und die Festigkeit der Verbindung leidet.

Hinsichtlich der Endtemperatur beim Walzen und des Reduktionsverhältnisses bestehen keine speziellen Grenzen; das Reduktionsverhältnis beträgt jedoch vorzugsweise etwa 5.

MoO₃ und V₂O₅ sind nur beispielsweise genannt, man kann selbstverständlich auch andere Oxide des Mo oder V, deren Schmelztemperatur höchstens etwa 1000°C beträgt, verwenden.

Beispiele

Die Ausgangsmaterialien waren eine Grundmetallplatte aus Stahl SM50 mit den Abmessungen 50 × 200 × 250 mm und eine Deckmetallplatte aus reinem Titan mit den Abmessungen 10 × 140 × 190 mm. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen waren durch Feinfräsen (Oberflächengüte ∇∇) bearbeitet.

Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Ausgangsanordnung, bei der 1 die Grundmetallplatten, 2 die Deckmaterialplatten, 3 ein Zwischenmaterial und 4 eine Beschichtung aus MoO₃ oder V₂O₅ bedeuten.

Für die Beschichtung aus MoO₃ oder V₂O₅ wurde pulverförmiges Oxid in Wasser suspendiert und auf die Oberfläche der aus reinem Titan bestehenden Deckmetallplatte aufgebracht. Nach dem völligen Trocknen der Oxidschicht wurden die Platten aufeinandergelegt und der Zwischenraum wurde auf einen Druck von weniger als 13,3 Pa (10^-1 Torr) evakuiert. Die Platten wurden dann auf eine Temperatur zwischen 830 und 1000°C erhitzt und auf eine Dicke von 24 mm heißgewalzt, um eine plattierte Stahlplatte zu erhalten. Die Reduktionsrate betrug etwa 10% pro Stich und die endgültige titanplattierte Stahlplatte hatte eine Dicke von 12 mm (10 mm Grundmetall + 10 mm Deckmetall). Der Plattierungsgrad wurde mit einem Ultraschall-Fehlermeßgerät gemessen und die Scherfestigkeit wurde durch einen Schertest bestimmt. Die Verarbeitbarkeit des titanplattierten Stahles wurde durch einen Biegetest bestimmt.

In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften von titanplattierten Stahlplatten für verschiedene Plattierungsbedingungen aufgeführt. Die Proben 1 und 2 wurden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, die Proben 3 bis 8 sind Vergleichsproben. Man sieht, daß bei Verwendung der richtigen Mengen von MoO₃ oder V₂O₅ ein Plattierungsgrad und eine Verarbeitbarkeit erreicht werden, die denen entsprechen, die bei Verwendung einer Folie aus reinem Molybdän als Zwischenschicht erhalten werden, und daß die Produkte, die mit einer Beschichtung aus MoO₃ oder V₂O₅ hergestellt wurden, hinsichtlich der Scherfestigkeit überlegen sind. Die Vergleichsproben, die mit einer Beschichtung aus MoO₃ oder V₂O₅ hergestellt wurden, zeigen, wie wichtig die Bedingungen hinsichtlich der richtigen Beschichtungsmenge, der Vakuumbehandlung und der Walzbedingungen sind, um die angestrebten Resultate zu erhalten.

die obigen Ausführungen galten für ein symmetrisches Plattieren; die Erfindung läßt sich jedoch auch beim unsymmetrischen Plattieren von Platten anwenden.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren werden also Oxide des Molybdän oder Vanadiums zwischen das Grundmetall und das Deckmetall eingebracht, wobei mit bestimmten Beschichtungsmengen und Erhitzungstemperaturen sowie unter Vakuum gearbeitet wird, so daß die Oxide als Zwischenmaterial zu wirken vermögen und man titanplattierten Stahl mit ausgezeichneter Plattierungsfestigkeit bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten erhält.

Tabelle

Herstellungsbedingungen und Produkteigenschaften

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen einer titanplattierten Stahlplatte durch Heißwalzen, bei welchem eine Grundmetallplatte aus Eisenmetall und eine Deckmetallplatte aus Titan oder Titanlegierung durch Heißwalzen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der miteinander zu verbindenden Flächen des Grundmetalls und Deckmetalls mit mindestens einem Oxid des Mo oder V mit einer Flächendichte von 20 bis 300 g/m² überzogen wird; daß der Zwischenraum zwischen den zu verbindenden Flächen auf einen Druck von unter 13,3 Pa (10^-1 Torr) evakuiert wird und daß die Platten zum Heißwalzen auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des Oxids zuzüglich 50°C und 1050°C erhitzt werden.