DEP0054587DA

DEP0054587DA - Process for the production of metallic objects with differently alloyed layers

Info

Publication number: DEP0054587DA
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Chem. Dr. phil. Büderich Becker; Robert Dr.-Ing. Krefeld Scherer; Gerhard Dr.-Ing. Remscheid-Hasten Seulen; Fritz Dipl.-Chem. Dr. phil. Düsseldorf-Eller Steinberg
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Publication date: 1951-04-19

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.It is known per se to produce metallic workpieces which consist of differently composed layers, the upper layer, for example, having different chemical and mechanical properties than the layer underneath, which is generally referred to as the carrier material. Such objects are known, among other things, under the designation "clad sheets", in which the surface layer consists, for example, of stainless steel of the austenitic chrome-nickel steel type, while the carrier material is a carbon steel or low-alloy steel, which essentially has the task to absorb the mechanical stresses to which the workpiece is subjected in the company. Such composite materials have also been produced and used using non-ferrous metals and alloys.

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.As far as the steel-based composites are concerned, a wide variety of manufacturing processes have developed. To produce a support material made of steel with a support made of stainless steel, metal sheets were placed on plates and then these packages were rolled, the support and support being welded to one another. The process is very cumbersome, since it requires a clean processing of the surfaces lying on top of one another and, when it is heated to rolling heat, care had to be taken to avoid oxidation. Attempts have also been made to back-cast sheets made of chemically high-quality material with the carrier material and to roll out the semi-finished product that has been produced in this way. This procedure is also unsuccessful. Since it is difficult to adjust the dimensions and casting temperature to one another in such a way that on the one hand the connection between the different materials takes place and on the other hand the lower material for the support is not consumed by the molten carrier material. Plating has therefore remained an art that requires great skill and a lot of experience if success is to be given.

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.The invention is also concerned with the production of such metallic objects with different alloyed layers and proposes a novel, substantially simplified method for the production of these composite materials, which is extremely adaptable and modifiable in its application. It is based on the surprising finding that it is possible to melt down the material for the support on a support material of suitable thickness without the support material also melting, and that in this way there is a cohesion between the support material and the material for the support, this allows the composite semifinished product produced in this way to be further processed by hot forming, in particular by rolling. This unexpected result applies in particular to a composite material made of ordinary carbon steel or low-alloy steel and a support material, for example of the stainless steel type. However, it is also possible to use other materials as the carrier material and also to choose other materials for the support.

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.Accordingly, it is proposed according to the invention to produce metallic objects with differently alloyed layers, in particular with iron or steel as the carrier material, by applying appropriately comminuted alloy components, for example granulated, powdered, in the form of turnings, scrap or the like, to the carrier and melted down on the non-liquefying carrier.

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.A flat body is selected as the carrier, in particular a plate, a lintel or a sheet of suitable thickness. After the alloy constituents for the support have been melted, the semi-finished product that is created in this way is further processed in a thermoforming manner, in particular by rolling.

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.Either pure metals or ferro alloys are used as supports. It is also possible to provide steel or metal alloys, the latter in the form of turnings or the like. is crushed. Surprisingly, it is possible to select the mixture for the layer to be melted in such a way that it would be necessary to produce the pure alloy in a metallurgical furnace of the usual type. In order to produce a stainless steel, for example, a mixture can be applied which consists of ferrochrome, pure nickel, for example in the form of the known nickel cubes, surcharges from flux and slagging agents and of course has the required surcharge of iron in the form of scrap.

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.It is possible in this way to adjust the composition of the support so that it corresponds to that of known rust, acid and / or heat-resistant steels. Both the ferritic and the austenitic types can be imitated, such as the austenitic chromium-nickel steels with 18% chromium and 8% nickel or the ferritic steels, which only have a high chromium content. The thermoforming processing of the composites is simple, since they behave essentially as the parent material, while difficulties which tend to arise in the thermoforming of high-alloy steels of the kind used for the support, hardly arise. It even goes so far that alloys which, as pure materials, cannot be rolled practically, can easily be processed in a hot-forming manner if they serve as a support according to the invention. This applies, for example, to alloys with a high nickel content and possibly with additions of chromium, molybdenum and tungsten individually or in groups. Alloys of this type are, for example, those with 28% molybdenum, 5% iron, balance nickel, or 15% chromium, 17% molybdenum, 5% tungsten, balance nickel. Both alloys have a carbon content that is around 0.05%. The hot forming of such alloys is practically not feasible if solid bodies are to be produced from these materials. In the method according to the invention, however, they can be rolled, with the additional advantage that alloying elements are saved to a considerable extent.

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.The melting down of the components of the support is expediently carried out by means of radiant heat, which is generated either electrically or by flames. If, for example, an electrical resistance furnace is used in which the electrical resistances to be picked are located above the surface of the workpiece to be treated, the heat effect is considerably concentrated in the alloy components which are suitably applied to the surface of the carrier material. They are melted down without the carrier liquefying or noticeably softening. Nevertheless, there is an edition achieved, which enters into an intimate connection with the carrier material, so that they neither flake off during the subsequent hot forming nor later due to tensile, compressive or impact loads during mechanical processing or in operation. Instead of heating by radiant heat, inductive heating can also occur, in particular with the help of so-called. Heating conductor loops that close over the workpiece surface. The only thing that matters here is to design the heating conductor loop in a suitable form, for example in a meandering manner, so that preferred melting zones in the substances given up are avoided. This statement applies in particular if such heating conductor loops are to be used in the total surface heating process. The design of the heating conductors plays a lesser role when working in a progressive process in which the support is continuously melted down from one end to the other. It is also possible to preheat the mass to be melted using radiant heat and then to melt it down using induction heating. In this case, the preheating is preferably carried out so far that the individual components of the mass to be melted sinter together. The method according to the invention is therefore also extremely adaptable and modifiable as far as the type of heating to be used is concerned, and it is therefore possible to meet necessary or expedient conditions from this point of view as well.

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.Especially in cases in which the mass to be melted down consists entirely or partially of powdery components, it can be useful to fix the constituents on the surface so that, for example, when using electrical induction heating, the magnetic field does not attract the powder or distribute it undesirably on the surface . Non-oxidizing agents, such as water glass, with which the substances are pasted, are suitable for fixing the substances.

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.Depending on the degree of fluidity reached by the melted support components, there is a greater or lesser tendency to flow away from the carrier material. If necessary, this can be counteracted by placing an edge made of refractory material around the plate, the lintel or the sheet metal. In the vast majority of cases, however, it is not necessary to take such precautions. It has been shown that the atmosphere in which the melting down is carried out exerts a considerable influence on the surface tension, which is suitable to prevent the flow from the carrier material. In any case, it is advisable to carry out the melting down under a protective atmosphere, for example under a reducing or under an inert gas, and it is only important to select the protective atmosphere in such a way that, in addition to its protective effect, it also has an influence on the surface tension of the molten layer, so that drainage is prevented. Which gas or gas mixture is to be used in each individual case is determined on the basis of stab tests.

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.The adaptable method according to the invention is not limited to the details which have been given. Rather, these are only intended to represent examples, and it is readily possible to use other support materials and other carrier materials, and furthermore to design the further processing differently, without thereby deviating from the basic idea of the invention.

Claims

1. A method for producing metallic objects with differently alloyed layers, in particular with iron or steel as the carrier material, characterized in that on the carrier in a suitable manner comminuted alloy components, for example granulated, powdered, in the form of turnings, scrap or the like. is applied and melted down on the non-liquefying carrier.

2. The method according to claim 1, characterized in that a flat body, in particular a plate, a lintel or sheet metal, is used as the carrier and this is further processed by thermoforming after melting, in particular by rolling.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that pure metals, ferro alloys, steel or metal alloys, individually or in suitable mixtures, optionally with the addition of fluxes, are melted.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the starting materials for melting down are selected so that a melted layer of the composition of known rust, acid and / or heat-resistant ferritic or austenitic steels results.

5. The method according to claim 1-3, characterized in that the starting materials for melting down are selected so that a melting layer with a high nickel content, optionally with additions of chromium, molybdenum and tungsten, results individually or in groups.

6. The method according to claim 1-5, characterized in that the melting down takes place using electrical or flame generated radiant heat, which is mainly concentrated in the mass to be melted down.

7. The method according to claim 1-5, characterized in that the heating takes place electro-inductively, in particular with the help of a heating conductor loop, in the total area heating process or progressively.

8. The method according to claim 6 and 7, characterized in that the mass to be melted down is preheated by radiant heat, preferably until sintering together, and is then melted down by induction heating.

9. The method according to claim 1-8, characterized in that the mass to be melted down, especially if it is in powder form, is set with a non-oxidizing agent, for example by pasting with water glass.

10. The method according to claim 1-9, characterized in that the carrier is surrounded with a wall made of refractory material.

11. The method according to claim 1-10, characterized in that the melting down takes place under a protective atmosphere, for example a reducing or inert gas.

12. The method according to claim 11, characterized in that the surface tension of the low-melting layer is influenced by the choice of the surrounding atmosphere in such a way that flow does not occur.