DEP0054587DA - Verfahren zur Erzeugung von metallischen Gegenständen mit unterschiedlich legierten Schichten - Google Patents

Description

Es ist an sich bekannt, metallische Werkstücke herzustellen, die aus unterschiedlich zusammengesetzten Schichten bestehen, wobei beispielsweise die obere Schicht andere chemische und mechanische Eigenschaften aufweist als die darunterliegende Schicht, die im allgemeinen als Trägerwerkstoff bezeichnet wird. Solche Gegenstände sind unter anderem bekannt unter der Bezeichnung "plattierte Bleche", bei welchen die Oberflächenschicht beispielsweise aus nichtrostendem Stahl etwa von der Art des austenitischen Chrom-Nickelstahles besteht, während der Trägerwerkstoff ein Kohlenstoffstahl oder niedrig legierter Stahl ist, der im wesentlichen die Aufgabe hat, die mechanischen Beanspruchungen aufzunehmen, denen das Werkstück im Betriebe unterworfen ist. Auch unter Anwendung von Nichteisenmetallen und -legierungen sind solche Verbundwerkstoffe hergestellt und benutzt worden.

Was insbesondere die auf der Stahlbasis aufgebauten Verbundstoffe anlangt, so haben sich die verschiedensten Herstellungsverfahren entwickelt. Zur Herstellung eines Trägerwerkstoffes aus Stahl mit einer Auflage aus nichtrostendem Stahl sind auf Plattinen Bleche aufgelegt worden und alsdann diese Pakete verwalzt worden, wobei sich Träger und Auflage miteinander verschweißten. Das Verfahren ist sehr umständlich, da es eine saubere Bearbeitung der aufeinander liegenden Flächen voraussetzt und bei seiner Erwärmung auf Walzhitze Sorge dafür getragen werden mußte, daß eine Oxydation vermieden wird. Es ist ferner versucht worden, Bleche aus chemisch hochwertigem Werkstoff mit dem Trägerwerkstoff zu hintergießen und das so entstandene Halbzeug auszuwalzen. Auch dieses Verfahren führt nicht zum Erfolg. Da es schwierig ist, Abmessungen und Gießtemperatur so aufeinander einzustellen, daß einerseits die Verbindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen erfolgt und andererseits der in der Masse geringere Werkstoff für die Auflage von dem schmelzflüssigen Trägerwerkstoff nicht aufgezehrt wird. Das Plattieren ist daher eine Kunst geblieben, die große Geschicklichkeit und viel Erfahrung voraussetzt, wenn der Erfolg gegeben sein soll.

Die Erfindung befaßt sich ebenfalls mit der Herstellung solcher metallischer Gegenstände mit unterschiedliche legierten Schichten und schlägt zur Herstellung dieser Verbundwerkstoffe ein neuartiges, wesentlich vereinfachtes Verfahren vor, das in seiner Anwendung außerordentlich anpassungs- und abwandlungsfähig ist. Es beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß es möglich ist, auf einem Trägerwerkstoff geeigneter Dicke den Werkstoff für die Auflage niederzuschmelzen, ohne daß der Trägerwerkstoff ebenfalls schmilzt, und daß sich auf diese Weise ein Zusammenhalten zwischen dem Trägerwerkstoff und dem Werkstoff für die Auflage ergibt, das gestattet, das so erzeugte Verbundhalbzeug durch Warmformgebung, insbesondere durch Auswalzen, weiterzuverarbeiten. Dieses nicht zu erwartende Ergebnis trifft insbesondere zu für einen Verbundwerkstoff aus gewöhnlichem Kohlenstoffstahl oder niedrig legiertem Stahl und einem Auflagewerkstoff, beispielsweise nach Art der nichtrostenden Stähle. Es ist aber auch möglich, andere Werkstoffe als Trägerwerkstoff vorzusehen und ebenso andere Stoffe für die Auflage zu wählen.

Demgemäß wird nach der Erfindung vorgeschlagen, metallische Gegenstände mit unterschiedlich legierten Schichten, insbesondere mit Eisen oder Stahl als Trägerwerkstoff herzustellen, indem auf den Träger in geeigneter Weise zerkleinerte Legierungsbestandteile, beispielsweise gekörnt, gepulvert, in Form von Drehspänen, Schrott o.dgl., aufgebracht und auf dem sich nicht verflüssigenden Träger niedergeschmolzen werden.

Als Träger wird ein ebener Körper gewählt, und zwar insbesondere eine Plattine, ein Sturz oder ein Blech geeigneter Dicke. Nach dem Aufschmelzen der Legierungsbestandteile für die Auflage wird das so entstehende Halbzeug warmformgebend, insbesondere durch Walzen, weiterverarbeitet.

Als Auflage werden verwendet entweder reine Metalle oder aber Ferrolegierungen. Es ist ferner möglich, Stahl- oder Metallegierungen vorzusehen, wobei letztere in der Form von Drehspänen o.dgl. zerkleinert ist. Überraschenderweise gelingt es, das Gemenge für die aufzuschmelzende Schicht so zu wählen, wie dies notwendig wäre, um die reine Legierung in einem metallurgischen Ofen üblicher Art herzustellen. Um beispielsweise einen nichtrostenden Stahl herzustellen, kann ein Gemenge aufgebracht werden, das aus Ferrochrom, reinem Nickel, beispielsweise in der Form der bekannten Nickelwürfeln, Zuschlägen aus Fluß- und Verschlackungsmitteln besteht und selbstverständlich den erforderlichen Zuschlag an Eisen in Form von Schrott aufweist.

Es gelingt auf diese Weise, die Zusammensetzung der Auflage so einzustellen, daß sie derjenigen an sich bekannter rost-, säure- und/oder hitzebeständiger Stähle entspricht. Es können sowohl die ferritischen als auch die austenitischen Sorten nachgeahmt werden, wie z.B. die austenitischen Chrom-Nickelstähle mit 18% Chrom und 8% Nickel oder die ferritischen Stähle, die lediglich einen hohen Chromgehalt aufweisen. Die warmformgebende Verarbeitung der Verbundstoffe ist einfach, da sie sich im wesentlichen so verhält, wie der Grundwerkstoff, während Schwierigkeiten, die bei der Warmformgebung hochlegierter Stähle von der Art, wie sie für die Auflage verwendet werden, aufzutreten pflegen, sich kaum ergeben. Es geht sogar so weit, daß Legierungen, die sich als reine Werkstoffe praktisch nicht verwalzen lassen, ohne weiteres warmformgebend verarbeitet werden können, wenn sie gemäß der Erfindung als Auflage dienen. Dies trifft beispielsweise zu für Legierungen mit einem hohen Nickelgehalt und gegebenenfalls mit Zusätzen an Chrom, Molybdän und Wolfram einzeln oder zu mehreren. Legierungen dieser Art sind beispielsweise solche mit 28% Molybdän, 5% Eisen, Rest Nickel, oder 15% Chrom, 17% Molybdän, 5% Wolfram, Rest Nickel. Beide Legierungen haben einen Kohlenstoffgehalt, der bei etwa 0,05% liegt. Die Warmformgebung solcher Legierungen ist praktisch nicht durchführbar, wenn Vollkörper aus diesen Werkstoffen hergestellt werden sollen. Im Verfahren gemäß der Erfindung dagegen lassen sie sich verwalzen, wobei sich zusätzlich der Vorteil ergibt, daß in erheblichem Umfang Legierungselemente eingespart werden.

Das Niederschmelzen der Komponenten der Auflage erfolgt zweckmäßigerweise durch strahlende Hitze, die entweder elektrisch oder durch Flammen erzeugt wird. Wenn beispielsweise ein elektrischer Widerstandsofen verwendet wird, bei welchem sich die beizenden elektrischen Widerstände über der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes befinden, konzentriert sich beachtlicherweise die Wärmewirkung in den in geeigneter Form auf der Oberfläche des Trägerwerkstoffes aufgebrachten Legierungsbestandteilen. Sie werden niedergeschmolzen, ohne daß sich der Träger verflüssigt oder nennenswert erweicht. Trotzdem wird eine Auflage erzielt, die eine innige Verbindung mit dem Trägerwerkstoff eingeht, so daß sie weder beim nachfolgenden Warmformgeben noch später durch Zug-, Druck- oder Schlagbeanspruchungen bei der mechanischen Verarbeitung oder im Betriebe abplatzen. Anstelle der Erhitzung durch strahlende Wärme kann auch ein induktives Erhitzen treten, und zwar insbesondere mit Hilfe sogen. Heizleiterschleifen, die sich über der Werkstückoberfläche schließen. Es kommt hierbei lediglich darauf an, die Heizleiterschleife in geeigneter Form, etwa mäanderartig auszubilden, so daß bevorzugte Schmelzzonen in den aufgegebenen Stoffen vermieden werden. Diese Feststellung gilt insbesondere, wenn mittels solcher Heizleiterschleifen im Gesamtflächenaufheizverfahren gearbeitet werden soll. Eine geringere Rolle spielt die Ausbildung der Heizleiter, wenn im fortschreitenden Verfahren gearbeitet wird, bei welchem die Auflage kontinuierlich von einem zum anderen Ende fortschreitend niedergeschmolzen wird. Weiterhin ist es möglich, die niederzuschmelzende Masse durch strahlende Hitze vorzuwärmen und anschließend durch Induktionsbeheizung niederzuschmelzen. In diesem Falle wird die Vorwärmung vorzugsweise so weit getrieben, daß die einzelnen Bestandteile der niederzuschmelzenden Masse zusammensintern. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist somit auch was die anzuwendende Erhitzungsart anlangt, außerordentlich anpassungs- und abwandlungsfähig, und es ist daher möglich, auch von dieser Seite her erforderlichen oder zweckmäßigen Bedingungen zu entsprechen.

Vornehmlich in den Fällen, in denen die niederzuschmelzende Masse ganz oder teilweise aus pulverförmigen Komponenten besteht, kann es zweckmäßig sein, die Bestandteile auf der Oberfläche festzulegen, damit beispielsweise bei der Anwendung des elektrischen Induktionserhitzens das Magnetfeld die Pulver nicht anzieht oder unerwünscht auf der Oberfläche verteilt. Zum Festlegen der Stoffe eignen sich nichtoxydierende Mittel, wie beispielsweise Wasserglas, mit denen die Stoffe verpastet werden.

Je nach dem Flüssigkeitsgrad, den die niedergeschmolzenen Auflagekomponenten erreichen, besteht mehr oder minder große Neigung, vom Trägerwerkstoff abzufließen. Dem kann erforderlichenfalls dadurch begegnet werden, daß ein Rand aus feuerfestem Werkstoff um die Plattine, den Sturz oder das Blech herumgelegt wird. In den weitaus meisten Fällen ist es jedoch nicht erforderlich, solche Vorkehrungen zu treffen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Atmosphäre, in der das Niederschmelzen vorgenommen wird, einen erheblichen Einfluß auf die Oberflächenspannung ausübt, die geeignet ist, das Abfließen vom Trägerwerkstoff zu unterbinden. Es ist ohnehin zweckmäßig, das Niederschmelzen unter einer Schutzatmosphäre vorzunehmen, beispielsweise unter einem reduzierenden oder unter einem inerten Gas, und es kommt lediglich darauf an, die Schutzatmosphäre so auszuwählen, daß sie außer ihrer Schutzwirkung noch einen Einfluß auf die Oberflächenspannung der schmelzflüssigen Auflage ausübt, damit das Abfließen verhindert wird. Welches Gas oder Gasgemisch im Einzelfall zu benutzen ist, ergibt sich aufgrund von Stichversuchen.

Das abwandlungsfähige Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht beschränkt auf die Einzelheiten, die aufgeführt worden sind. Diese sollen vielmehr lediglich Beispiele darstellen, und es ist ohne weiteres möglich, andere Auflagewerkstoffe und andere Trägerwerkstoffe zu verwenden, und ferner die Weiterverarbeitung anders zu gestalten, ohne daß hierdurch vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen würde.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erzeugung von metallischen Gegenständen mit unterschiedlich legierten Schichten, insbesondere mit Eisen oder Stahl als Trägerwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Träger in geeigneter Weise zerkleinerte Legierungsbestandteile, beispielsweise gekörnt, gepulvert, in Form von Drehspänen, Schrott o.dgl. aufgebracht und auf dem sich nicht verflüssigenden Träger niedergeschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein ebener Körper, insbesondere eine Plattine, ein Sturz oder Blech, verwendet und dieser nach dem Aufschmelzen warmformgebend, insbesondere durch Walzen, weiterverarbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß reine Metalle, Ferrolegierungen, Stahl- oder Metallegierungen, einzeln oder in geeigneten Gemengen, gegebenenfalls unter Zuschlag von Flußmitteln, niedergeschmolzen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe für das Niederschmelzen so gewählt werden, daß sich eine Aufschmelzschicht der Zusammensetzung an sich bekannter rost-, säure- und/oder hitzebeständiger ferritischer oder austenitischer Stähle ergibt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe für das Niederschmelzen so gewählt werden, daß sich eine Aufschmelzschicht mit hohem Nickelgehalt, gegebenenfalls mit Zusätzen an Chrom, Molybdän und Wolfram, einzeln oder zu mehreren ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschmelzen unter Anwendung elektrisch oder durch Flammen erzeugter strahlender Hitze erfolgt, die sich vornehmlich in der niederzuschmelzenden Masse konzentriert.

7. Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung elektro-induktiv, insbesondere mit Hilfe einer Heizleiterschleife, im Gesamtflächenaufheizverfahren oder fortschreitend erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die niederzuschmelzende Masse durch strahlende Hitze, vorzugsweise bis zum Zusammensintern, vorgewärmt und anschließend durch Induktionsheizung niedergeschmolzen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die niederzuschmelzende Masse, insbesondere wenn sie in Pulverform vorliegt, mit einem nichtoxydierenden Mittel, beispielsweise durch Verpasten mit Wasserglas festgelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit einer Wand aus feuerfestem Werkstoff umgeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschmelzen unter einer Schutzatmosphäre, beispielsweise einem reduzierenden oder inerten Gas erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannung der niederschmelzenden Auflage durch Wahl der umgebenden Atmosphäre beeinflußt wird derart, daß ein Abfließen nicht eintritt.