DE68912683T2

DE68912683T2 - Verbundmaterial und Verfahren zur Herstellung.

Info

Publication number: DE68912683T2
Application number: DE68912683T
Authority: DE
Inventors: Ronald Joseph Mccormick; George Leonard Yeager
Original assignee: Allegheny Ludlum Corp
Current assignee: Allegheny Ludlum Corp
Priority date: 1988-08-18
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: EP0355046A2; JPH0295842A; US4906305A; JP2525055B2; MX165060B; KR0134193B1; DE68912683D1; KR900002865A; EP0355046B1; EP0355046A3; BR8903651A; ES2049322T3

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, welches ein wesentlich verringertes Auftreten von Defekten nach dem Umformen aufweist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Druckgebundene Verbundmaterialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Kochgerät wird oft aus Verbundmaterial gezogen, welches aus unlegiertem Stahl und nichtrostendem Stahl zusammengesetzt ist. Unlegierter Stahl ist ein besserer Wärmeleiter als nichtrostender Stahl. Andererseits hat nichtrostender Stahl ein attraktiveres Aussehen und ist schmutzabweisend gegenüber einer Vielzahl von verunreinigenden Substanzen. Demgemäß ist ein Verbundwerkstoff aus den zwei Metallen sehr erwünscht, da er die Vorteile von jedem Metall vereinigt.
Tiefgezogene Gegenstände, die aus druckgebundenen Verbundmaterialien der oben angegebenen Art hergestellt sind, haben Oberflächendefekte aufgewiesen, die während und nach dem Ziehen in Erscheinung getreten sind. Diese Defekte schließen eine "Orangenschalen"-Oberfläche, wellige oder runzelige Oberflächen und Oberflächenrisse ein, die außerordentlich nachteilig sind, da sie nicht durch Methoden wie Polieren oder Schleifen in zufriedenstellender Weise entfernt werden können.
Es ist z.B. aus dem U.S. Patent Nr. 3.693.242 und dem U.S. Patent Nr. 3.956.809 bekannt, daß bei der Herstellung solcher Verbundmaterialien eine Verbesserung im Hinblick auf das Vermeiden von Defekten erhalten werden kann durch Verwenden eines unlegierten Stahls, dem eine geeignete Menge eines carbid-bildenden Elementes wie Titan oder Niob zugegeben worden ist. In den oben erwähnten Patenten wird die Hypothese aufgestellt, daß das Auftreten von Defekten durch Wanderung von Kohlenstoff aus dem unlegierten Stahl in den diesem direkt benachbarten Teil der nichtrostenden Stahlschicht gefördert wird. Die oben erwähnten Patente beinhalten die Beobachtung, daß eine Wanderung von Kohlenstoff in einer Richtung, die dem Kohlenstoffgradienten entgegengesetzt ist, d.h. von einem Material mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt zu einem mit höherem Kohlenstoffgehalt auftreten kann und dies oft der Fall ist. Die Richtung der Kohlenstoffwanderung hängt von dem Erreichen eines Zustandes mit niedrigerer freier Energie und nicht genaugenommen von Konzentrationsgradienten ab. Fachleute werden verstehen, daß bei der Vorgehensweise der beiden oben erwähnten Patente, die einen unlegierten Stahl verwenden, welcher eine Zusammensetzung hat, die modifiziert ist, um eine geeignete Menge eines starken carbid-bildenden Elementes zu enthalten, der Kohlenstoff, der in dem unlegierten Stahl vorhanden ist, dazu neigt, in Form von Ausfällungen vorzuliegen, statt in dem Eisen in Lösung zu sein und entsprechend zur Wanderung leichter zur Verfügung zu stehen. Fachleute werden auch anerkennen, daß Vorteile erhalten werden können, wenn es nicht erforderlich ist, auf die Verwendung eines unlegierten Stahls zurückzugreifen, welcher eine spezielle modifizierte Zusammensetzung hat, welche die oben angegebene geeignete Menge an carbid-bildendem Element enthält; es ist vorteilhaft, wenn für die unlegierte Stahlschicht ein gewöhnlicher unlegierter Stahl von einer Art verwendet werden kann, die allgemein in größeren Mengen verfügbar ist und darüber hinaus anderen Zwecken zugeführt werden kann, wenn sie nicht für die Herstellung von Verbundgegenständen der oben angegebenen Art gebraucht wird.
In der Spezialstahlprodukte herstellenden Industrie ist es bekannt, verschiedene Typen oder Qualitätsstufen von nicht kornorientiertem oder kornorientiertem siliciumhaltigen Elektrostahl herzustellen, und daß diese nicht selten in Form von Bandstahl mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,007 bis 0,015" (0,178 bis 0,381 mm) hergestellt werden.
Ein solcher Stahl enthält regelmäßig mehr als 0,5% Silicium und gewöhnlich in der Größenordnung von 3% Silicium. Außerdem ist auf dem Gebiet des Elektrostahls wohl bekannt, daß Kohlenstoff im allgemeinen den gewünschten elektrischen Eigenschaften abträglich ist und folglich werden solche Stähle oft mit einem angestrebten Kohlenstoffgehalt von annähernd 0,03% oder weniger hergestellt. Darüber hinaus ist das Verfahren zum Herstellen von Hochleistungsqualitäten von kornorientierten Siliciumstahl ein kompliziertes mühevolles Mehrschritteverfahren, welches eine Abfolge von Kaltwalzschritten und Glühschritten beinhaltet, in deren Verlauf notwendigerweise eine gewisse Menge von flachgewalztem siliciumhaltigen Stahl mit einem geeigneten niedrigen Kohlenstoffgehalt hergestellt wird, welcher für die Verwendung bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung vollkommen zufriedenstellend ist, aber nicht als Hochleistungselektrostahl verkauft werden kann. Üblicherweise ist jeder Spezialstahlhersteller, der in der Lage ist, nichtrostenden Stahl des AISI-Typs 304 herzustellen, sei es zum Plattieren in einem Verbundprodukt der oben erwähnten Art oder für andere Zwecke, wahrscheinlich auch auf dem Gebiet der Herstellung solcher Elektrostähle tätig geworden.
Die üblichen Verarbeitungsschritte sind auf dem Gebiet der Herstellung eines druckgebundenen Verbundmaterials als Warmwalzen oder später als Kaltwalzen bekannt. Als erstes ist es bekannt, im allgemeinen eine Sandwich-Struktur zu bilden, welche die gewünschten Schichten der Materialien, die verbunden werden sollen, enthält, und in einer nicht oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre unter Verwendung von Vakuum, Inertgas oder Wasserstoff zu arbeiten, Wärme durch verschiedene Mittel zuzuführen und Druck durch verschiedene Mittel wie Walzgerüste, Platten oder Sprengstoffe auszuüben. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, daß ein so gebildetes Verbundmaterial dann weiter auf ein gewünschtes Maß in einer oder mehreren Stufen kaltgewalzt werden kann, wobei, soweit erforderlich, Glühbehandlungen bei einer Temperatur oberhalb von 1800ºF (982ºC) verwendet werden.
Der Stand der Technik schließt ferner den Artikel von L.S. Darken über die Diffusion von Kohlenstoff in Austenit in Transactions of the AIME, 1949, Band 180, Seiten 430-438 ein. Dieser Artikel gibt Daten an, welche das Vorhandensein des Phänomens bestätigen, daß Kohlenstoff aus einem ersten Material mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt über eine Grenzfläche in ein zweites Material mit höherem Kohlenstoffgehalt diffundieren kann. Zusätzlich enthält er Daten, die es nicht naheliegend erscheinen lassen, einen siliciumhaltigen Stahl für die Zusammensetzung einer Schicht auszuwählen, die einer Schicht benachbart ist, in die kein Kohlenstoff eingebracht werden soll. Genauer gesagt gibt er Daten an, die zeigen, daß eine Schicht, die 3,80% Silicium und einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 0,49% enthält, und die einer Schicht benachbart angeordnet ist, welche 0,05% Silicium und einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 0,45% enthält, nach dem Erwärmen und Diffundieren eine Grenzfläche mit 0,315% Kohlenstoff in ersterer und 0,566% Kohlenstoff in letzterer hatte. Dies zeigt an, daß Kohlenstoff einen Stahl verläßt, in dem er eine höhere Aktivität hat, um in einen Stahl mit der niedrigeren Aktivität einzutreten, selbst wenn letzterer einen höheren Kohlenstoffgehalt hat. Diese höhere Aktivität kann durch höhere Siliciumgehalte verursacht werden.
Es wird die Behauptung aufgestellt, daß es nach dem Stand der Technik vor der vorliegenden Erfindung für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet nicht naheliegend war, was bei der Verwendung einer relativ dünnen Zwischenschicht aus Siliciumstahl zwischen einer Schicht aus unlegiertem Stahl und einer aus austenitischem nichtrostenden Stahl wie dem AISI-Typ 304 geschehen würde, ganz zu schweigen davon, daß die Verwendung einer solchen Zwischenschicht zwischen einer Schicht aus unlegiertem Stahl und einer aus einem austenitischen nichtrostenden Stahl wie dem AISI-Typ 304 eine Möglichkeit ergibt, den Orangenschalen-Defekt und andere Defekte zu überwinden, und dies ohne auf die Veränderung der Zusammensetzung des unlegierten Stahls durch Einarbeiten von carbid-bildenden Elementen wie Titan und Niob zurückzugreifen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verbundmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung bereit, wie es in den Ansprüchen im Anhang definiert ist. In großen Zügen wird gemäß der Erfindung ein Verbundmaterial bereitgestellt, wie es in Anspruch 5 dargelegt ist, welches ein wesentlich verringertes Auftreten von Defekten nach dem Umformen aufweist, es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstandes bereitgestellt, welcher mindestens eine Schicht aus unlegiertem Stahl und mindestens eine äußere Schicht aus nichtrostendem Stahl hat, wie in Anspruch 1 dargelegt ist.
Ein vollständiges Verständnis der Erfindung kann aus ihrer vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Abbildung gewonnen werden, deren einzige Figur eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Wie in der Abbildung gezeigt ist, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Verbundmaterial mit einer mittleren Schicht 2 aus unlegiertem Stahl welche äußerlich mit den Schichten 4 und 6 aus nichtrostendem Stahl plattiert ist und wobei zusätzliche dünne Zwischenschichten 8 und 10 aus Siliciumstahl zwischen den äußeren Schichten 4 und 6 und der mittleren Schicht 2 liegen.
Fachleute benötigen keine spezielle Unterweisung über die Art der Herstellung einer geeigneten Ausgangsanordnung aus geeigneten Materialplatten und Walzblöcken, die dann in geeigneter Weise durch Erwärmen und Walzen bis zu einer gewünschten Plattendicke in geeigneter Weise verbunden werden kann, die gezogen werden kann, um ein Endprodukt zu bilden.
An einem solchen bekannten Verfahren ist typischerweise ein Warmwalzen bei einer Temperatur oberhalb von 1600ºF (871ºC) zum Bilden einer Bindung oder von Bindungen, Kaltwalzen und Glühen des kaltgewalzten Verbundstoffes bei einer Temperatur oberhalb von 1800ºF (982ºC) beteiligt, wodurch ein Verbundstoff erhalten wird, der eine Streckgrenze mit 0,2% bleibender Dehnung von unter 50000 pounds per square inch (3520 kg/cm²) hat. Das Verbundmaterial ist eines, in dem die nichtrostende Stahlschicht oder die Schichten einen Teil davon haben, welcher der Siliciumstahlschicht benachbart ist, welcher im wesentlichen frei von Anreicherung mit Carbiden ist, und vorzugsweise weist die unlegierte Schicht oder Lage des gewalzten Verbundstoffs eine ASTM-Korngröße von 3 oder feiner auf.
Als ein Beispiel kann eine Anordnung hergestellt werden, worin die mittlere Schicht 2 aus unlegiertem Stahl des AISI- Typs 1006 mit einer Dicke von 3,25" (8,255 cm) besteht und die Schichten 4 und 6 aus austenitischem nichtrostenden Stahl mit einer Dicke von 0,9" (2,286 cm) bestehen und die Zwischenschichten 8 und 10, die jeweils eine Dicke von 0,009" (0,0229 cm) haben, aus einem siliciumhaltigen Elektrostahl wie SX-11, einem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, welcher etwa 3,25% Silicium enthält, gemacht sind.
Die Zusammensetzungen und die Dicken der verschiedenen Materialien, welche die verschiedenen Schichten umfassen, können innerhalb von Grenzen variiert werden. Der nichtrostende Stahl und der Siliciumstahl sind relativ teuer verglichen mit unlegiertem Stahl, so daß ein Anreiz besteht, die Dicke dieser Schichten auf diejenige zu begrenzen, die zum Erhalten der gewünschten Ergebnisse erforderlich ist. Die Dicke der Schicht aus Siliciumstahl wird immer 25% oder weniger der gesamten Dicke der gesamten Anordnung umfassen und der siliciumhaltige Stahl wird auch über 0,5% Silicium enthalten. Wenn weniger als 0,5% Silicium verwendet wird, wäre die Aktivität annähernd gleich der des Kohlenstoffstahls im Kern. Die obere Grenze von 4,5% Silicium hängt von der Formbarkeit und Bindefähigkeit ab. Davon abgesehen können die Zusammensetzungen der Schichten 2 bis 10 erheblich variiert werden, aber immer im Einklang mit dem Erfordernis, einen Verbundstoff zu erhalten, welcher eine angemessene Formbarkeit aufweist. Die Plattierungsschichten 4 und 6 sind typischerweise austenitische nichtrostende Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Mangan-Stähle. Die Plattierungsschichten können ferritische nichtrostende Stähle einschließen, aber eine Kohlenstoffwanderung tritt in einer solchen Anordnung nicht auf. Es ist besonders vorteilhaft, eine relativ dicke mittlere Schicht 2 aus unlegiertem Stahl zu haben, welche aus einer Zusammensetzung besteht, die nicht durch die Zugabe von Carbidbildnern wie Titan und Niob modifiziert ist, da entdeckt worden ist, daß es möglich ist, die Defekte und Schwierigkeiten beim Ziehen oder anderen Formgebungsverfahren, die durch Kohlenstoffwanderung verursacht werden, durch die Verwendung der Zwischenschichten 8 und 10 zu vermeiden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines kaltgeformten Verbundgegenstandes, der aus mindestens einer Schicht (2) aus unlegiertem Stahl und mindestens einer äußeren Schicht (4) aus nichtrostendem Stahl zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt:

Bilden eines Gegenstandes mit einer mittleren Schicht (2) aus unlegiertem Stahl, der nicht durch carbid-bildende Elemente modifiziert ist, zwei äußeren Schichten (4, 6) aus nichtrostendem Stahl, und zwei Zwischenschichten (8, 10) zwischen den äußeren Schichten (4, 6) und der Schicht (2) aus unlegiertem Stahl, wobei die Zwischenschichten (8, 10) aus Siliciumstahl sind, welcher mehr als 0,5 und bis zu 4,5 Gew.-% Silicium enthält, und die zusammen eine Dicke von weniger als 25% von der des gesamten Gegenstandes haben;

Warmwalzen des Gegenstandes bei einer Temperatur oberhalb von 1600ºF (871ºC), um eine Bindung zwischen den Schichten (2, 4, 8) zu bilden und dadurch einen Verbundwerkstoff herzustellen;

Kaltwalzen des Verbundwerkstoffs;

Glühen des kaltgewalzten Verbundwerkstoffs bei einer Temperatur oberhalb von 1800ºF (982ºC), wobei der Verbundwerkstoff eine Streckgrenze mit 0,2% bleibender Dehnung von unter 50000 pounds per square inch (3520 kg/cm²) hat; und

Umformen durch Tiefziehen des geglühten Verbundwerkstoffs, wodurch ein tiefgezogener Verbundgegenstand hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der unlegierte Stahl Stahl vom AISI-Typ 1006 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der nichtrostende Stahl ein austenitischer nichtrostender Chrom- Nickel- oder Chrom-Nickel-Mangan-Stahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der nichtrostende Stahl vom AISI-Typ 304 ist.

5. Druckgebundenes Verbundmaterial, umfassend eine mittlere Schicht (2) aus unlegiertem Stahl, der nicht durch carbid-bildende Elemente modifiziert ist, welche durch Zwischenschichten (8, 10) aus Siliciumstahl, welcher mehr als 0,5 und bis zu 4,5 Gew.-% Silicium enthält, mit zwei äußeren Schichten (4, 6) aus nichtrostendem Stahl verbunden ist, wobei jede der äußeren Schichten (4,6) an ihrer anliegenden Grenzfläche mit einer benachbarten Grenzfläche der zweiten Schichten (8, 10) einen Teil hat, der im wesentlichen frei von Anreicherung mit Carbiden ist;

wobei das Verbundmaterial eine beträchtliche Formbarkeit durch Tiefziehen nach dem Glühen bei 1800ºF (982ºC), welchem Warm- und Kaltwalzen vorherging, hat, wie durch eine Streckgrenze mit einer bleibenden Dehnung von 0,02% von weniger als 50000 pounds per square inch (3520 kg/cm²) bewiesen wird.

6. Verbundmaterial nach Anspruch 5, worin jede der äußeren Schichten (4, 6) aus einem austenitischen nichtrostenden Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Mangan-Stahl ist.

7. Verbundmaterial nach Anspruch 6, worin jede der äußeren schichten (4, 6) aus nichtrostendem Stahl vom AISI-Typ 304 ist.

8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin die mittlere Schicht (2) nach dem Druckverbinden eine ASTM-Korngröße von 3 oder feiner hat.

9. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin die beiden Zwischenschichten zusammen eine Dicke von weniger als 25% von der des Verbundmaterials haben.

10. Tiefgezogener Kochgeräte-Gegenstand, der aus einem Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 5 bis 9 gezogen ist.