DE3912581A1

DE3912581A1 - Verfahren und vorrichtung zum kaltwalzen von verbundblechen

Info

Publication number: DE3912581A1
Application number: DE3912581A
Authority: DE
Inventors: Kinji Saijo; Tsukasa Fujimura; Kazuo Yoshida
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1990-10-18
Also published as: GB9220079D0; US4896813A; GB8908979D0; GB2259033A; FR2646173A1; GB2230979A; FR2646173B1; GB2230979B; CA1334522C; GB2259033B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vor richtung zur Herstellung von Verbundblechen (Zweilagenblechen), welche ein hohes Haftvermögen haben, bei denen ein Kaltreduk tionswalzen im Vakuum ohne Erwärmung mit geringem Reduktions grad vorgenommen wird.

Es wurden viele Herstellungsverfahren zum Plattieren einer Mehrzahl von unterschiedlichen Metallen mit anderen unter schiedlichen Metallen entwickelt, wie 1) Warmwalzen, 2) Kalt walzen, 3) Explosionsplattieren, 4) eine Kombination der er wähnten Verfahren unter Anwendung eines Einsatzmetalls, 5) Löten, 6) Schweißen und 7) unter Verwendung von organischen Klebstoffen. Von diesen Verfahrensweisen sind die unter 1), 2) und 3) genannten Verfahrensweisen kontinuierliche Verfahrens weisen zum Plattieren eines Metallblechs mit einem anderen Metallblech, bei denen man eine feste Metallbindung erzielt.

Beim Warmwalzen zum Plattieren eines Stahls mit einem unähn lichen Metall ist es erforderlich, eine Erwärmung auf Tem peraturen über 800°C vorzunehmen, so daß es unmöglich ist, eine Plattierung mit einem Metall herzustellen, das einen Schmelzpunkt kleiner als 800°C hat. In vielen Fällen ent stehen bei der Kombination von unähnlichen Metallen dicke, spröde intermetallische Legierungen oder intermetallische Verbindungen bei einer hohen Walztemperatur, die zu einer schlechten Formbarkeit des Verbundblecherzeugnisses führen. Die restlichen Oxidfilme in der Verbindungsgrenzfläche führen verschiedentlich zu Verbindungsmängeln, und die während der Erwärmung gebildeten Oxidfilme verschlechtern das äußere Erscheinungsbild der Oberfläche.

Beim Kaltwalzen ist eine Reduktion von mehr als 50% bei einem Stich erforderlich, um eine feste Bindung bei einer heterogenen Metallkombination zu erzielen. Daher ist eine Wärmebehandlung nach dem Walzen erforderlich, um die Umform barkeit bzw. Duktilität des Erzeugnisses wieder zu erhalten. Die Formbarkeit wird jedoch durch die intermetallischen Ver bindungen verschlechtert, die während der Wärmebehandlung entstehen.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde das Kaltreduk tionswalzen bei niedrigem Reduktionsgrad hinsichtlich der Anwendung ausprobiert, bei dem die zu verbindenden Metall flächen zuvor gereinigt wurden, um das schwache Haftvermögen zu verbessern. Bei der japanischen Patentanmeldung, offen gelegt unter der No. Sho. 59-92 186 beispielsweise wird das Produkt aus dem Sauerstoffanteil der Atmosphäre (schwach oxidierende oder nicht-oxidierende Atmosphäre), unter der die Metalle zu verbinden sind, mittels Strahlentzündung oder Drahtbürsten gereinigt bzw. entfernt, und dann erfolgt das Walzen. Die vom Reinigen bis zum Walzen benötigte Zeit muß innerhalb eines gewissen Bereiches gesteuert werden. Bei diesem Verfahren ist es aber schwierig, die Absorption der Gasmoleküle oder Atome, abgesehen vom Sauerstoff, wie Koh lenwasserstoff, auf den gebürsteten und gereinigten Metall oberflächen zu verhindern.

Die japanische Patentanmeldung, offengelegt unter der No. SHO. 61-2 86 078 beschreibt Metallflächen, die mittels eines Ionenstrahlbeschusses vor dem Kaltwalzen gereinigt werden. Der Ionenstrahlbeschuß jedoch bringt gewisse Schwierigkeiten bei der Anwendung auf das Plattieren in industriellem Maß stab mit sich: (1) Der Strahldurchmesser ist zu klein; (2) die Ätzrate ist unzulänglich; (3) die Ätzeffizienz neigt infolge der Aufladung durch die Ionenstrahlen zu niedrigen Werten, da viele der Oxidfilme auf der Metalloberfläche Insulatoren sind; (4) eine 50%ige Reduktion zum Plattieren und eine Diffusionswärmebehandlung sind erforderlich; und (5) eine Ionenstrahlpistole ist teuer. Daher ist dieses Verfahren für Plattierungsanlagen, die mit hoher Geschwin digkeit arbeiten und für breite Verbundbleche bestimmt sind, ungeeignet.

Ein Verfahren mit einer Niederdruckverbindung bei Raum temperatur, bei dem es sich nicht um ein Verfahren zur Her stellung eines Metallverbundbleches handelt, wurde entwickelt. Bei diesem Verfahren werden die zu verbindenden Metallflächen der Ionenstrahlbeschuß gereinigt und dann mittels Preß schweißen unter ultrahohem Vakuum bei Raumtemperatur ver bunden (offengelegte japanische Patentanmeldung No. Sho. 54-1 24 853). Dieses Verfahren ist für die industrielle An wendung nicht geeignet, da es hierbei wesentlich ist, daß das Druckschweißen unter einem ultrahohen Vakuum (üblicher weise von niedriger als 10^-8 Torr) ausgeführt wird, um eine Verschlechterung der gereinigten Flächen zu vermeiden.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung von Verbundblechen (Zweilagen blechen) durch Reduktionskaltwalzen mit niedrigem Reduktions grad unter Vakuum bei Raumtemperatur bereitzustellen, welche sich mit Hilfe von verfügbaren industriellen Techniken ver wirklichen lassen. Auch bezweckt die Erfindung, ein Ver fahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels denen Verbundbleche sich herstellen lassen, die eine feste Ver bindung und eine gute Formbarkeit haben, sowie frei von Verbindungsmängeln, wie einer spröden Legierung, oder kontaminierendem Gas und Oxide in der Verbindungsgrenzfläche sind. Ferner sollen nach der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mittels denen Ver bundbleche mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen mit anderen unähnlichen Metallen kombiniert werden können, wobei eine derartige Verknüpfung bei üblichen Verfahren Schwierigkeiten bereitet. Beispielsweise können die zu ver bindenden Metalle zu hart sein, um eine ausreichende Reduk tion zur Vereinigung der Metalle zu erzielen, oder es kann schwierig sein, die durch das Kaltwalzen erzeugten Spannun gen aufzuheben, da die Wärmebehandlungstemperatur bzw. Anlaßtemperatur eines der Metalle größer als die Schmelz temperatur des anderen ist. Beispiele hierfür sind die Kombination von Pb und Fe und amorphem Eisen und poly kristallinem Aluminium.

Nach dem erfindungsgemäßen Plattierungsverfahren wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Metallen mit anderen Metallen mit Hilfe des Kaltwalzens unter Vakuum von 1 × 10^-6 bis 1 × 10^-3 Torr bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 300°C miteinander verbunden, nachdem eine Reinigungsvorbe handlung in einer Vakuumkammer vorgenommen worden ist, wobei die Reinigungsvorbehandlung ein Hochfrequenzbeschußätzen in einem Inertgas von 1 × 10^-4 bis 1 × 10^-1 Torr ist. Die zwischen der an Masse liegenden und zu verbindenden Metall elektrode und der Gegenelektrode auftretende Glimmentladung bei dem Anliegen der Hochfrequenzenergie ist eine Frequenz von 1 bis 50 MHz vorgesehen, und der Bereich der Metall kathode, der in einem Glimmentladungsplasma freiliegt, ist kleiner als 1/3 der Anode, die zur Masse isoliert ist.

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung an, die Hochfrequenz beschuß-Ätzeinheiten hat, wobei jede Einheit eine Metallband- Halteelektrode und eine Ätzkammer umfaßt, die als eine Gegen elektrode dient, deren Ränder in der Nähe der Halteelektrode liegen aber die Kammer hiervon isoliert ist. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Kaltwalzeinheit, die das geätzte Metall band aus den Ätzeinheiten aufnimmt. Die Ätzeinheiten und die Kaltwalzeinheit sind in einer evakuierten Kammer ange ordnet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Blechplattieren,

Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1 in Teilschnittdarstellung,

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht einer Ätz kammer, die in Fig. 1 gezeigt ist,

Fig. 3A eine schematische Ansicht einer üblichen Ätzvorrichtung mittels Hochfrequenz-Ionenbeschuß,

Fig. 4 ein Bild zur Verdeutlichung des Oxidfilms, der von dem Aluminiumblech aufgetragen über der Ätzzeit entfernt wird,

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht des T-Ablöse-Haftvermögen-Versuchs,

Fig. 6 ein Bild zur Verdeutlichung des Haftvermögens der Stahl- und Aluminiumbleche, aufgetragen über der Ätz tiefe des Aluminiums,

Fig. 7 ein Bild zur Verdeutlichung der Luftzutritts zeit, aufgetragen über der Stärke des Vakuums in der Walz einheit um die verschiedenen Haftvermögenwerte zu erzielen,

Fig. 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Haft vermögens, aufgetragen über der Dickenreduktion des Kalt walzens,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Fe/Al-Ver bundblechs,

Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Al/amorphen Metall-Verbundblechs und

Fig. 11 eine Tabelle zur Verdeutlichung der Prüf resultate bei den verschiedenen Verbundblechen nach der Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden die Metallbänder 20 A, 20 B, die zu verbinden sind, von den Ablaufhaspeln 3 A, 3 B abge zogen und um die Elektrodenwalzen 6 A, 6 B geführt, welche jeweils einen Teil haben, der zur Ätzkammer 22 freiliegt, in der die Bänder durch Ionenbeschuß beim Ätzen aktiviert werden. Die Metalle werden dann in der Walzeinheit 2 in einer Vakuumkammer 1 kaltgewalzt, und das vereinigte Verbundmetall 19 wird auf die Aufwickelhaspel 5 aufgewickelt.

Es ist zweckmäßig, die Ablaufhaspeln 3 A, 3 B und die Auf wickelhaspel 5 in der Vakuumkammer 1 anzuordnen. Bei einer Großanlage, bei der große Metallbunde gehandhabt werden, sollten diese außerhalb der Vakuumkammer aus Kostengründen angeordnet werden. In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, ein zufriedenstellendes Luftschleusensystem zu verwenden.

Eine Druckeinheit 18 für die Reduktionswalzen ist in der Walzeinheit 12 vorgesehen. Die Vakuumkammer 1 ist auf einen Bereich von 1 × 10^-6 bis 1 × 10^-3 Torr evakuiert und wird bei einem solchen Vakuum mit Hilfe einer großen Vakuumpumpe gehalten. Bei diesem Beispiel ist die Druckeinheit 18 ein Ölzylinder, der von luftdichten, flexiblen Balgteilen mantelförmig umgeben ist, welche mit einer luftdichten Leitung mit einem hydraulischen System und einer Steuerein heit 8 verbunden sind, die außerhalb der Vakuumkammer 1 vor gesehen ist. Eine übliche Zustell-Andrückeinheit kann auch bei der Erfindung verwendet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sind die Rotorwellen 4 A, 4 B der Ablaufhaspel 3 A, 3 B über Vakuumdichtungen 12 A, 12 B mit Bremsen 11 A, 11 B für den Gegenzug verbunden. Der Motor antrieb kann auch für die Ablaufhaspeln vorgesehen sein. Die Aufwickelhaspel 5 wird durch den Haspelantriebsmotor 15 A angetrieben. Die Drehwelle 13 ist mit dem Motor 15 A über Vakuumdichtungen 12 C der Vakuumkammer 1 verbunden.

Die Verbindungswalzen werden mit Hilfe eines Motors 15 B mit regelbarer Drehzahl angetrieben. Die Walzenantriebswelle 14 ist mit dem Motor 15 B über Vakuumdichtungen 12 D in der Vakuumkammer 1 verbunden. Die länglichen Wellen 16 A, 16 B der Metallhalteelektroden 6 A, 6 B haben Durchgangsöffnungen für Kühlwasser, und sie sind mit dem Drehgelenk 17 A, 17 B für die Wasserkühlung über Vakuumdichtungen 12 E, 12 F der Vakuum kammer 1 verbunden. Die Führungswalze und weitere Einrich tungen zur Handhabung der Bänder sind in dieser Figur weg gelassen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Gegenelektrode 26 elektrisch mit der Ätzkammer 22 verbunden und sie ist durch eine luftdichte Isolatorpackung 23 von der Vakuum kammer 1 isoliert. Der Bereich jeder Metallhalte-Walzen elektrode 6 A, 6 B, der zu der Ätzkammer 22 freiliegt, bei dem es sich um effektiven Ätzbereich (Elektrode A) handelt, sollte kleiner als 1/3 des gesamten innenseitigen Flächen bereichs der Gegenelektrode 26 und der Ätzkammer 22 (Elek trode B) sein. Da die während des Hochfrequenzklimment ladungsplasma-Ionenbeschußätzens anliegende Vorspannung von dem Verhältnis der Fläche der Entladeelektroden und der kleinen Elektrode, die die Kathode wird, abhängig ist, sollte der Kathodenbereich (Elektrode A) kleiner als 1/3 der Anodenfläche (Elektrode B) sein. Eine kleinere Kathode ist wirksamer, und eine Kathode, die etwa 1/3 des Bereichs der Anode hat, ermöglicht ein ausreichendes Ätzen. Ein zweckmäßiger Kathodenbereich ist kleiner als 1/10 des Anodenbereichs.

Die Metallhaltewalzelektrode 6 A, 6 B sollte aus den nach stehenden Gründen an Masse gelegt sein. Bei der üblichen Ausführungsform der Anlage zum Ätzen mittels Hochfrequenz ionenbeschuß, die in Fig. 3A gezeigt ist, ist die Hoch frequenzenergie zwischen der Ätzkammer 62, die als eine Anode an Masse gelegt ist, und dem Ätzmaterial, das sich auf der kleinen Kathode 60 befindet, angelegt, die elektrisch von der Masse isoliert ist.

Beim Ätzen mit der üblichen Anlage ist es wesentlich, daß eine hohe Spannung an eine große Fläche des Metallbandes angelegt wird. In diesem Fall müssen alle Teile, die in Be rührung mit dem Band kommen, wie das Walzgerüst, die Haspeln, Führungen usw. gegenüber der Masse mittels Isola toren isoliert sein, die einer Spannung von einigen kV standhalten müssen. Dies läßt sich jedoch nur mit Schwierig keiten bei industriellen Herstellungsanlagen verwirklichen. Daher schlägt die vorliegende Erfindung vor, daß das Metall band unter der Bedingung geätzt werden sollte, daß die Metalle mit Masse potential verbunden sind.

Die Metallhalteelektroden 6 A, 6 B sind wassergekühlt und umgeben von Magneten 7, die einen Magnetronbeschuß ermög lichen. Während die Metallhalteelektroden 6 A, 6 B Rotations körper sind, sind die Magnete 7 in einer gewissen Richtung festgelegt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und die Magnet kraftlinien 50, 51 bleiben in einer gewissen Richtung. Das Beschußätzen tritt hauptsächlich an dem Bereich 52, 53 auf, der durch die Magnetkraftlinien in der Bandbreitenrichtung gesehen umschlossen ist. Daher werden die Metallbänder 20 A, 20 B, die zu verbinden sind, gleichmäßig über die Breite und die Länge hinweg geätzt,wenn das Band durch die Ätzeinheit mit einer konstanten Geschwindigkeit durchläuft. Eine zu sätzliche an Masse gelegte Vakuumpumpe 25 ist an der Ätz kammer 22 unter Verwendung einer Isolierpackung 24 angebracht. Die Hochfrequenzenergie wird der Gegenelektrode 26 in der Ätzkammer 22 über das Kabel 27 zugeführt. Argongas wird über das Isolierrohr 30 und die Gaseinlaßeinheit 29 in die Ätzkammer 22 eingeleitet. Der Abstand von der Metallhalte elektrode 6 A, 6 B zu den Rändern 31 der Ätzkammer 22 liegt innerhalb eines Bereiches von 1 bis 4 mm, wobei dieser Bereich innerhalb des Bereichs des Dunkelraums der Glimm entladung ist. Die Ränder 31 liegen auf einem engen koaxia len Kreis der Metallhalteelektrode 6 A, 6 B, um den Gasstrom von Ar zu reduzieren und jedes abgetragene Material zu redu zieren, das von der Ätzkammer 22 zu der Vakuumkammer 1 ge langt. Der Gasstrom in dem Spalt der Ränder 31 und des zu verbindenden Metalls 20 A, 20 B ist ein nicht-laminarer Strom, so daß durch Reduktion des Spalts der Druckunterschied konstant gehalten wird. Die Glimmentladung tritt an der Verbindung 33 der Vakuumpumpe 25 und dem Auslaß 32 auf. Die Glimmentladung an der Verbindung 33 kann durch Drahtnetze 34, 35 verhindert werden, die am Auslaß und der Vakuumpumpe angebracht sind und die nahe beieinander liegen. Die Größe der Drahtnetze und die Maschenweite sollten innerhalb eines Bereiches von 1 bis 4 mm liegen, der durch den Dunkelraum der Glimmentladung bestimmt ist. Die Ätzkammer 22 ist in einer Abschirmabdeckung 36 angeordnet, um einen Schutz gegen elektrische Schocks und elektromagnetische Inter ferenzen zu haben. Nachstehend sind die Gründe aufgeführt, warum bei der Erfindung ein Magnetronplasmaätzen zur Akti vierungsbehandlung der Metalle angewandt wird.

Die Dicke der Oxidfilme der üblichen Metalle ist kleiner als 2000 Å, beispielsweise bei Ti und Al, die beträchtlich dicke Oxide haben, die etwa 2000 Å groß sind und jene von Kupfer und amorphen Metallen, die kleiner als 100 Å sind. Die Oberflächenoxidfilme können durch eine nasse Vorbehand lung beträchtlich reduziert werden.

Das Beschußätzen, mittels dem ein Ätzen mit hoher Geschwin digkeit vorgenommen werden kann, ist eine effektive Aktivie rungsbehandlung für Metalle, die eine große Oberfläche haben. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann der Bereich (die Breite) der Metallbänder leicht dadurch variiert werden, daß man die Abschirmeinrichtungen verändert, die von den Rändern der Ätzkammer gebildet werden. Das Hochfrequenz beschußätzen ist ein zufriedenstellendes Verfahren, um isolierende Oxidfilme auf dem Metall zu entfernen, da sich eine stabile Glimmentladung aufrechterhalten läßt. Die Frequenz der Energiezufuhr sollte größer als 1 MHz sein, da es schwierig ist, eine stabile Glimmentladung bei einer Frequenz von kleiner als 1 MHz aufrechtzuerhalten. Je höher die Frequenz der zugeführten elektrischen Energie ist, desto komplizierter werden die Schaltungen hierfür.

Daher sollte die Frequenz der Energieversorgung kleiner als etwa 50 MHz sein. Eine geeignete Frequenz ist 13,56 MHz oder 27,1 MHz, die normalerweise bei üblichen Ätzanlagen mit Hochfrequenzbeschuß verwendet werden.

Die Atmosphäre beim Beschußätzen sollte in einem Bereich von 1 × 10^-4 bis 1 × 10^-1 Torr eines Inertgases, wie Ne, Ar oder Xe liegen. Ar-Gas ist zu diesem Zweck geeignet, das wirksam ist und mit geringen Kosten verbunden ist.

Das Glimmentladungsplasma bildet sich beim Zuführen der Hochfrequenzenergie zu der Ätzkammer und der Metallelektrode, wenn der Druck in der Kammer in einem Bereich von 1 × 10^-4 bis 1 × 10^-1 Torr einer Inertgasatmosphäre liegt. Dann wird die Metalloberfläche in zufriedenstellender Weise aktiviert. Wenn der Inertgasdruck niedriger als 1 × 10^-4 Torr ist, ist es schwierig, eine stabile Glimmentladung aufrechtzu erhalten und eine hohe Effizienz bei der Ätzbehandlung zu erzielen. Wenn andererseits der Druck größer als 1 × 10^-1 Torr ist, werden die mittlere freie Weglänge der Beschußatome und Moleküle und der Dunkelraum der Glimment ladung klein. Die Abnahme der mittleren freien Weglänge führt zu einer Herabsetzung der Ätzeffizienz der Reinigungs behandlung. Da die abgetragenen Materialien häufig wieder in die Metalloberfläche eingelagert werden und diese kontaminieren, führt die Abnahme des Dunkelraums der Glimm entladung zu einer Verkomplizierung der Auslegung der Ränder (Abschirmungsverschlüsse), da der Spalt der Ränder und der Metallhalteelektrode (einschließlich des Metall bandes) in einem Bereich innerhalb der Dicke des Dunkel raums liegen sollte. Dies sind die Gründe, warum der Ätz druck innerhalb des Bereichs von 1 × 10^-4 bis 1 × 10^-1 Torr liegen sollte.

Fig. 4 ist das Tiefenprofil einer üblichen Al-Blechprobe ohne eine Naßvorbehandlung (gemessen nach der Röntgenstrahl elektroskopie), deren Ätzrate etwa 10 Å/min beträgt. Diese Figur zeigt die Zeit, die erforderlich ist, um die Oxidfilme auf dem Al-Blech zu entfernen.

Eine Magnetronbeschuß-Ätzrate ist wesentlich höher als 1000 Å/min. So kann das Al-Blech perfekt innerhalb einiger Minuten aktiviert werden. Bei Cu, Weichstahl oder amorphen Metallen kann die gereinigte Fläche innerhalb weniger Sekunden erzielt werden. Bei der Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung können verschiedene Metallverbundbleche durch Ändern der Ätztiefe (Dicke) hergestellt werden, wenn unter schiedliche Haftvermögen gewünscht werden.

Fig. 6 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen dem Haft vermögen und der Ätzdicke, wenn 0,23 mm dicke Stahlbleche, die vollständig mit 400 Å Hochfrequenzbeschuß-Ätzen in einer Ar-Atmosphäre mit 8 × 10^-3 Torr gereinigt sind, mit 0,4 mm Al-Blechen verbunden werden, deren Ätzdicke sich in derselben Atmosphäre ändert, wobei das Kaltwalzen mit einer 5%igen Reduktion bei 60°C unter Vakuum bei 1 × ^-5 Torr angewandt wird. Das Haftvermögen steigt mit der Zunahme der Ätztiefe. Bei einem Ätzen von 3000 Å beispielsweise, bei dem der Sauerstoff vollständig von der Al-Fläche entfernt ist, ist das Haftvermögen so ausreichend groß, daß das Al-Blech abbricht ohne sich abzulösen.

Fig. 7 zeigt die Auswirkungen der Stärke des Vakuums auf das Haftvermögen, unter dem die Plattierung vorgenommen wird. Dies sind die Haftvermögenswerte des Verbundbleches der 400 Å geätzten Stahlbleche mit einer Dicke von 0,23 mm und einem 3000 Å geätzten Al-Blech mit einer Dicke von 0,5 mm, deren Flächen vollständig gereinigt sind. Die Reinigungs behandlung wurde mit Hilfe einer Hochfrequenz (13,56 MHz) Beschußätzung bei einer Ar-Atmosphäre mit 3 × 10^-3 Torr durchgeführt. Die gereinigten Metallbleche wurden verschie denen Luftdrücken von 1 × 10^-4 bis 5 × 10^-3 Torr eine gewisse Zeit lang ausgesetzt und dann kaltgewalzt, um sie mit einer 1,5%igen Reduktion des Stahls bei Raumtemperatur zu ver einigen. Bei 1 × 10^-4 Torr und Luftatmosphäre beispielsweise sollte das Plattierungswalzen innerhalb 25 Minuten nach der vollständigen Reinigung durchgeführt werden, um das Ver bundblech herzustellen, das ein Haftvermögen von größer als 40 kg/10 mm hat. Eine Aussetzung 45 Minuten lang unter den selben Bedingungen vermindert das Haftvermögen auf 30 kg/ 10 mm. Die Stärke des Vakuums der Walzkammer 1 sollte nied riger gewählt werden, um fest verbundene Verbundbleche stabil herstellen zu können. Die untere Grenze für die Stärke des Vakuums sollte durch die Wirtschaftlichkeit be stimmt sein. Von diesem Blickwinkel aus gesehen, läßt sich der untere Grenzwert von 1 × 10^-6 Torr einfach mit Hilfe eines üblichen Öldiffusionspumpensystems erzielen. Fig. 7 zeigt auch die obere Grenze des Drucks. Die fest verbunde nen Verbundbleche können unter 1 × 10^-3 Torr hergestellt werden. Die Atmosphäre in der Walzkammer ist eine wichtige Einflußgröße auf das Haftvermögen. Verunreinigungen von Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen, die die Hauptbestandteile in einer Vakuumkammer sind, die mit Hilfe eines üblichen Öldiffusionspumpensystems evakuiert ist, setzen insbesondere das Haftvermögen herab. Andererseits beeinflußt das Inertgas, wie He, Ne und Ar geringfügig das Haftvermögen.

Bei der Anwendung der Erfindung ist es notwendig, die Metall bleche zum Plattieren aufzuwärmen. Natürlich ist das Er wärmen zweckmäßig, um die Verformbarkeit der Metalle zu verbessern und die Verbindung mittels Diffusion zu ver stärken. Häufig bilden sich aber hierbei spröde Legierungen und Carbide und die Kontaminierung der Oberfläche mit me talloiden Elementen durch Oberflächenausscheidungen. Eine spröde Verbindung wird verschiedentlich durch diese Er scheinung verursacht. Ferner verschlechtern die bei der unterschiedlichen Wärmedehnung infolge der Erwärmung verur sachten Belastungen die Formen der Verbundbleche. Dies ist der Grund, warum die Walztemperatur unter 300°C sein sollte. Bei der Erfindung ist die Temperatur der zu verbindenden Metalle dadurch gesteuert, daß die Metallhalteelektrode gekühlt wird und die zugeführte Hochfrequenzenergie einge stellt wird bzw. hierauf abgestimmt wird. Bei der Erfindung läßt sich eine feste Verbindung einfach bei Raumtemperatur erzielen, wenn man eine ausreichende Kühlung erzielen kann. Die Temperatur hat durch die Zunahme der zugeführten Hoch frequenzenergie eine Tendenz zum Ansteigen, sie läßt sich aber leicht unter 200°C halten.

Die fest verbundenen Verbundbleche werden durch Walzen mit 0,1 bis 30% Reduktion (0,1 R 30) hergestellt, wobei gilt:

T 1: Dicke des zu plattierenden Metallblechs
T 2: Dicke des als Plattierung verwendeten Metallblechs
Tm: Dicke des Verbundblechs
R: Reduktion (%)=(T 1+T 2-Tm) × 100/(T 1+T 2)

Eine feste Verbindung erhält man durch eine geringfügige Reduktion, wenn die Metalloberflächen vollständig sauber und genau eben und glatt sind. Die Oberflächenrauhigkeit von üblichen Metallblechen, die untersucht wurden, liegt in einem Bereich von 0,045 bis 0,33 Ra (µ). Genauer gesagt wird die für die feste Verbindung erforderliche Reduktion durch die Oberflächenrauhigkeit, die Verformbarkeit und das Verhältnis der Dicke der zu verbindenden Metalle beeinflußt. Bei der Verwendung von glatten Metallen und der Kombination von dünnen, weichen Metallen und dicken, harten Metallen läßt sich die für eine feste Verbindung erforderliche Reduktion herabsetzen.

Beim üblichen Kaltwalzverfahren zum Plattieren hat die Reduktion beim Walzen einen bedeutenden Einfluß nicht nur im Hinblick darauf, das Metall in Kontakt mit den anderen Metallen zu bringen, sondern auch zur Aktivierung der Metall oberfläche. Die starke Reduktion bei einem Walzenstich ist wesentlich, um ein fest verbundenes Verbundblech herzu stellen, da eine ausreichend aktive Oberfläche bei einer hohen Reduktion erzielt werden kann. Daher ist die Ober flächenrauhigkeit bei dem üblichen Verfahren nicht so wichtig.

Bei der Erfindung hingegen hat die Rauhigkeit einen bedeu tenden Einfluß dahingehend, daß die Metallfläche in enge Berührung zu der anderen Metallfläche gebracht wird, da die Metallfläche bereits sauber genug ist. Beispielsweise läßt sich Fig. 8 eine feste Verbindung leicht bei einer geringen Reduktion erzielen. In diesem Fall wird die Reini gungsbehandlung mittels Hochfrequenz (13,56 MHz) Beschuß ätzen in einer äußeren Atmosphäre bei 8 × 10^-3 Torr durch geführt. Das 3000 Å geätzte Al-Blech mit einer Dicke von 0,26 mm wird mit der gereinigten Fläche nach oben weisend angeordnet, und das 400 Å geätzte Stahlblech mit einer Dicke von 0,32 mm wird auf das gereinigte Al-Blech mit der ge reinigten Fläche nach unten weisend gelegt. Dann werden sie mit unterschiedlichen Reduktionen bei 1 × 10^-5 Torr kalt gewalzt, um ein Verbundblech herzustellen. Die Temperatur der zu verbindenden Metalle bleibt unter 60°C. Das Haftver mögen des Verbundblechs wird gemäß dem T-Ablöse-Haftver mögen-Versuch gemessen. Die T-Ablöseversuchsstücke werden auf eine Größe von 10 mm Breite zugeschnitten, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Das Haftvermögen bei einer 0,1%igen Reduktion beträgt etwa 1 kg/10 mm, und das Haftvermögen steigt mit der Zunahme der Reduktion an, wie dies aus Fig. 8 zu ersehen ist. Eine 3%ige Reduktion beim Walzen macht das Verbundblech so ausreichend fest, daß Al abbricht. Diese wenigen Prozente der Reduktion reichen aus, um eine feste Verbindung herzustellen. Eine übermäßig große Reduktion kann zum Anlassen bzw. Vergüten des Verbundblechs genutzt werden. Oberhalb einer Reduktion von 30% ist die Formbar keit in erkennbarer Weise durch eine Bearbeitungshärtung vermindert. Fig. 11 ist eine Tabelle, die die Ergebnisse der verschiedenen Haftvermögenversuche zeigt, die unter Verwendung der Beispiele nach der Erfindung und von Ver gleichsbeispielen durchgeführt wurden. Die Verbundbleche wurden nach der Erfindung hergestellt, und die Vergleichs beispiele wurden unter Bedingungen hergestellt, die in der Anmeldung umrissen sind. Die von dem Ende der Aktivierungs behandlung bis zum Walzen erforderliche Zeit beläuft sich auf etwa 1 1/2 Minuten. Die Haftvermögensversuche sind der T-Ablöseversuch der vorstehend genannten Art, der Erichsen- Versuch und der 180°-Biegeversuch. Die Werte sind mit Markie rungen gekennzeichnet, wobei zwei konzentrische Kreise gut, ∆ teilweise abgelöst und × schlecht bezeichnet. Diese Ergebnisse zeigen, daß fest verbundene Verbundbleche nach der Erfindung hergestellt werden können.

Fig. 9 und 10 sind Bilder des Querschnitts der nach der Erfindung hergestellten Verbundbleche. Fig. 10 zeigt das Verbundblech für einen Verbund eines 2000 Å geätzten Al mit einer Dicke von 0,26 mm und einem 100 Å geätzten Fe-Ni-Cr- Si-B amorphen Metallblech mit einer Dicke von 0,06 mm. Sie sind alle im wesentlichen durch Beschuß in einer Ar- Atmosphäre bei 8 × 10^-3 Torr geätzt. Dann werden ihre ge reinigten Oberflächen in Kontakt miteinander gebracht, und sie werden mit einer 3%igen Reduktion bei einem Vakuum von 1 × 10^-5 Torr zur Vereinigung der Oberflächen zu einer festen Verbindung bei 45°C gewalzt. Fig. 10 zeigt den Querschnitt des Stücks für den 180°-Biegeversuch. Es ist eine feste Verbindungsstruktur gezeigt.

Fig. 9 zeigt den Querschnitt eines Al-plattierten Stahl blechs. Das Stahlblech mit einer Dicke von 0,23 mm wird mit einer 400-Å-Ätzung unter Argon bei 3 × 10^-3 Torr ge reinigt, und das Al-Blech mit einer Dicke von 0,030 mm wird mit einer 2000-Å-Ätzung in derselben Umgebung gereinigt. Dann werden sie mit einer 0,5%igen Reduktion zur Vereini gung bei einem Vakuum von 3 × 10^-5 Torr und 45°C kaltge walzt. Die Struktur des Stahls ist erkenntlich durch alko holische Salpetersäureätzung. Die intermetallischen Ver bindungen können an der Grenzfläche der Metalle nicht fest gestellt werden. Die wärmebehandelte Struktur des Stahls ist auf Grund der geringen Reduktion nicht zerstört.

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plattieren von Blechen mit einer Vielzahl von unterschied lichen Metallen in Verbindung mit anderen Metallen an, bei denen die Verbundbleche nicht bei den üblichen Verfahren hergestellt werden können. Hierbei handelt es sich bei spielsweise um folgende:

1) Die Kombination von Metallen mit hohem und nied rigem Schmelzpunkt (beispielsweise rostfreier Stahl und Al, Pb und Fe usw.),
2) Materialien, die sich bei Erwärmung verändern (beispielsweise amorphe Metalle),
3) die aktiven Metalle (Mg, Ti usw.),
4) die Kombination von Metallen mit spröden Legierungen bei der Erwärmung (beispielsweise Al und Fe, Al und Ti usw.).

Claims

1. Verfahren zum Plattieren eines Metalls von mehreren unterschiedlichen Metallen mit einem anderen unähnlichen Metall, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Halten der zu verbindenden Metalle gegen an Masse gelegte Metallhalteelektroden, wobei die Elektroden als Kathoden wirken,
b) Vorsehen einer Anode zum Zusammenwirken mit der jeweiligen Kathode, wobei jede Anode von Masse isoliert ist und einen Oberflächenbereich von größer als dem 3fachen als der Oberflächenbereich der Kathode hat, der zur Anode frei liegt,
c) Aussetzen der zu verbindenden Metalle einem Inert gas bei einem Druck von 1 × 10^-4 bis 1 × 10^-1 Torr zwischen den Anoden und den Kathoden,
d) Beschußätzen der Metalle durch Glimmentladungs plasma, indem eine Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz von 1 bis 50 MHz an die Kathoden und die zugeordneten Anoden angelegt wird, wodurch im wesentlichen die Oxide von der Oberfläche der zu verbindenden Metalle entfernt werden,
e) die gereinigten Flächen in Kontakt miteinander gebracht werden,
f) ein Vakuum von 1 × 10^-6 bis 1 × 10^-3 Torr auf rechterhalten wird, wenn die Flächen in Kontakt miteinander gebracht werden,
g) Aufrechterhalten einer Temperatur von Raumtem peratur bis 300°C an der Stelle, an der die Flächen in Kontakt miteinander gebracht werden, und
h) Zusammendrücken der Flächen bei einem Druck, der ausreichend groß ist, um eine Reduktion der Dicke von 0,1 bis 30% zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das zu plattierende Metall und das unähnliche Plattierungsmetall in Blechform vorliegen, daß die Metallhalteelektroden Walzen sind, und daß jedes Blech um die zugeordnete Walze geht, an der es dem Glimmentladungs plasma ausgesetzt und hierdurch geätzt wird.

3. Vorrichtung zum Plattieren eines Bandes aus einem Metall einer Mehrzahl von unterschiedlichen Metallen mit unähnlichem Plattierungsmetall, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung eine Beschußätz einheit aufweist, welche umfaßt:
eine Ätzkammer (22), die elektrisch mit einer Anode (26) darin verbunden ist, und
eine an Masse gelegte Metallhalteelektrode (6 A, 6 B), die als eine Kathode wirkt, wobei die Elektrode (6 A, 6 B) in Form einer Walze ausgebildet ist, die ein Metallband auf nimmt, das um dieselbe in der Nähe der Anode (26) geführt wird,
ferner Ränder zwischen der Kammer (22) und der Metallhalteelektrode (6 A, 6 B) aufweist, wobei sich die Ränder (31) sehr nahe zu der Walze erstrecken, um eine Druck differenz in der Kammer (22) aufrechtzuerhalten, und wobei die Ränder (31) die Anode (26) von der Kathode (6 A, 6 B) elektrisch isolieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner dadurch ge kennzeichnet, daß eine Vakuumwalzeinheit zur Verbindung der Metalle zu einem Verbundband vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufwickelhaspel (5) für das Verbundband vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Ablauf haspel (3 A) für die Aufgabe eines zu plattierenden Metall bandes und eine Ablaufhaspel (3 B) für die Aufgabe des Bandes des Plattierungsmetalles vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß ferner eine Vakuumkammer (22) vor gesehen ist, die die Ablaufhaspel (3 A, 3 B) und wenigstens eine Hochfrequenz-Beschußätzeinheit darin enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß ferner eine Vakuumkammer (22) vor gesehen ist, die wenigstens eine Hochfrequenz-Beschußätz einheit darin aufweist, daß die Ablaufhaspeln (3 A, 3 B) außerhalb der Vakuumkammer (22) liegen, und daß die Vorrich tung ferner ein Luftschleusensystem zur Aufnahme des Bandes in der Kammer (22) von den Haspeln (3 A, 3 B) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner Magnete (7) in jeder metallhaltigen Elektrode (6 A, 6 B) auf weist,und die Magnete (7) zu der Beschußätzkammer (22) stationär sind und ein ausreichendes Magnetfeld zum Magnetronbeschußätzen des Metallbandes auf der Kathode (6 A, 6 B) erzeugt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Beschußätz einheiten vorgesehen sind.