WO2013092371A1 - Verfahren zum trennen von metallischen werkstoffen - Google Patents

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WO2013092371A1
WO2013092371A1 PCT/EP2012/075378 EP2012075378W WO2013092371A1 WO 2013092371 A1 WO2013092371 A1 WO 2013092371A1 EP 2012075378 W EP2012075378 W EP 2012075378W WO 2013092371 A1 WO2013092371 A1 WO 2013092371A1
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WO
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composite
materials
brittle phase
composite material
metallic
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Application number
PCT/EP2012/075378
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Meister
Holger Schmitt
Gaetano Fabio COSENTINO
David M. Saxton
Gerd Andler
Original Assignee
Federal-Mogul Wiesbaden Gmbh
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/005—Separation by a physical processing technique only, e.g. by mechanical breaking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the present invention relates to a method for separating a first metallic material from a second metallic material.
  • Automotive sector is needed and therefore intended. But the compound also means that the steel and aluminum components are no longer difficult or impossible to separate from each other, so any scrap material must be disposed of and in particular the relatively expensive
  • DE 41 42 107 AI discloses a method for the recovery of metal materials from waste.
  • Composite which consists of a low-melting and a high-melting metal, initially except for the Heated melting temperature of the low-melting metal, so that it melts and can now be skimmed off.
  • Composite material must be heated to the melting temperature of at least one of the components of the composite material. In view of the often very high melting temperatures, such a process is energy-intensive. This has, inter alia, as a consequence that it is economically difficult to implement. Moreover, it is difficult in such a process to ensure a clean separation of the materials, since it can easily happen that also melt parts of each other material or. be dissolved in the melt.
  • DE 10 2006 060 474 AI discloses features which fall under the preamble of claim 1.
  • DE 38 13 804 C2 is another prior art, focusing on a
  • Layer material for use in a plain bearing refers.
  • This Process should be low loss, that is, as little as possible metallic materials should be lost.
  • a composite off which is formed by a first and a second metallic material, separated into the first and the second metallic material.
  • the composite is annealed at a certain temperature, i. annealed at this temperature.
  • a brittle phase forms at the interface between the first and the second material. This only needs to be more brittle than the two adjacent materials, i. the brittle phase must have a shear strength
  • the shear strength describes the maximum shear stress which, under shear stress, does not lead to breakage of the respective material.
  • the first material separates along the interface, ie within the brittle phase, from the second material,
  • the brittle phase typically has intermetallic
  • the shear stresses can be applied in different ways. Among other things, the shear stresses can already form during annealing and lead to a separation of the two materials. This behavior can be to that effect
  • the entire annealing process is thought to be divided into a first part, during which a sprouting phase with a lower shear strength is formed, and a second, adjoining part. During this second part, for example due to the different thermal expansion coefficients,
  • Suitable methods such as sintering furnaces, are well characterized.
  • quenching you can, for example, the air in the factory hall, in which such an oven is, but also a water bath or any other
  • Material is an aluminum alloy or pure aluminum. These preferably have one
  • the Sprodphase consists of intermetallic iron-aluminum compounds.
  • Intermetallic compounds, in particular the form mentioned, are characterized by a high brittleness, which is why they easily lead to a separation of the adjacent materials,
  • the aluminum alloy contains tin and that also the sprouting phase preferably comprises tin.
  • the sprouting phase is relatively easy to separate, so that the process is facilitated and energy is saved.
  • cooling takes place in air at a temperature between 0 and BOT.
  • the basic idea here is that the
  • Water bath be advantageous, and is therefore preferred.
  • the composite material In order to form the brittle phase, it is according to the invention when the composite material, optionally in an air atmosphere, is tempered at approximately between 300 ° C and 600 ° C.
  • a temperature range of 450 0 C to 580 0 C has proven to be particularly advantageous.
  • the composite is preferably between 10 minutes and 48 hours, especially
  • the mentioned temperature ranges and the mentioned time span lead to a safe separation of the materials, whereby short tempering times contribute to a low energy consumption.
  • Thrust Stresses by quenching it is advantageous if the shear stresses are generated at least partially by mechanical action on the composite material. This mechanical action can replace the generation of shear stresses by quenching. In such a modified Method is particularly useful a deformation of the composite material. As a result, it is easily possible to apply shear stresses in a targeted manner, without being bound to the shear stresses that result from the different expansion coefficients. Composites that are only minor
  • the workpieces can also be passed through an ultrasonic bath. This would also support the replacement along the brittle phase. Such a method would also be contactless. Instead of an ultrasonic bath can also another
  • Ultrasonic treatment can be applied high shear stresses. Furthermore, a rolling pass with low deformation is conceivable for the separation of the layers. This will be
  • bearing shells or bands made of a composite material in at least some of its
  • composites that exhibit structural and / or dimensional errors may be present in at least some of their
  • first and / or second metallic material is wound or chopped as a strip roll after the composite material has been separated. This can be the place of the components of the metallic
  • the components can be easily melted down and added to the production process, e.g. a cast in a belt or roll caste fed.
  • the annealing is continuous, preferably in a sintering device such as a continuous furnace, takes place.
  • a sintering device such as a continuous furnace
  • Another advantage of a sintering device, such as a continuous furnace is that such devices are widely used in the metalworking industry. Therefore, only a small additional cost for performing such a process (high productivity due to low Pass). At the same time, such facilities are well characterized, which is why they can be controlled well and precisely. This leads to a high separation quality.
  • Figures la and b show photomicrographs of a cut of the composite AiSnOOSiCuCr + steel annealed either at 300 ° C for 8 hours ( Figure 1a) or at 400 ° C for 4 hours ( Figure 1b) and then
  • Figures 2a and b show light micrographs of a
  • Figures 3a and b are latent-microscopic views of a cut of the composite AiSnlOSiCuCr + steel annealed either ( Figure 3a) for 23 minutes at 538 ° C or ( Figure 3b) for 2 minutes at 565 ° C and then
  • FIGS. 4a and 4b show the material of FIG. 3a in an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) scan (FIG. 4a) and in a scanning electron micrograph (FIG. 4b).
  • EDX energy-dispersive X-ray spectroscopy
  • FIGS. 5a and b show the material of FIG. 3a.
  • a scanning electron micrograph of the material is shown in Figure 5a, while Figure 5b shows an EDX scan
  • Figures 6a and b show a similar measurement as Figure 5, but for the material of Figure 3b, Detailed description of preferred embodiments of the invention and the figures
  • an AlSn20CuMn and an AlSn10SiCuCr plant on a steel backing will undergo various attempts to determine the
  • the present example assumes that quenching the sample in air is important for this. It results in the composite material cooling rapidly in a short period of time. As a result, strong shear stresses occur on the one hand due to the greatly differing coefficients of expansion of the aluminum material and of the steel. At the same time, due to the short duration of the
  • Quenching prevents the voltages from increasing, e.g. by deformation of the composite material, which does not lead to its separation, degrade.
  • starting AlSn20CuMn on steel at 480 ° C and annealing times of 14 hours, 3 hours, 1 Hour, 30 minutes, 20 minutes and 10 minutes followed by quenching on a metallic substrate good heat dissipation and high cooling rates and a
  • Cooling rate of about 100 K / min means, a separation of the layers could be observed. It can be seen here that the heat treatment time is temperature-dependent, since diffusion processes take place during the annealing, which are necessary for the separation. Thus, the annealing time can be reduced by higher temperatures. For example, was for the above material even at 575 ° C for 15
  • the annealing time of 30 minutes the temperature can be lowered to 475 ° C, and at a annealing time of 10 minutes at temperatures above 525 ° C still at least partial detachment of the layer were observed, which may be sufficient in certain situations.
  • the described treatment may be combined with mechanical action by hammering, shaking and / or rolling. Furthermore, a combination with higher
  • Cooling rates such as quenching in
  • Aluminum material f a layer of intermetallic
  • this layer had tin.
  • the aluminum material had a high porosity due to the diffusion of tin atoms from the aluminum matrix to the steel / aluminum interface. This was from the
  • the material AlSnlOSiCuCr + steel was tested in a further test procedure for its separation behavior during tempering.
  • the microscopic structure of the annealed material was determined by electron microscopy and EDX
  • So AlSnlOSiCuCr + steel was at 300 ° C for 8 hours
  • Figure 3a shows AlSnlOSiCuCr + steel annealed at 538 ° C for 23 minutes and then quenched in air A relatively thick brittle phase 14 clearly seen between the steel back 10 and the aluminum layer 12 z.
  • This sample was separable by simple mechanical action, ie hammering or bending the sample by 90 ° in the longitudinal direction of the strip with the aluminum side up.
  • FIGS. 4 a and b show further analysis results of the material shown in FIG. 3 a.
  • FIG. 4 a which shows a scanning electron micrograph of the fracture surface of the material of FIG. 3 a, it becomes clear that
  • FIG. 5 shows a further example of a
  • FIG. 6a shows an electron micrograph of the sample of FIG. 3b.
  • Figure 6b shows an EDX spectrum of

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines ersten metallischen Werkstoffs von einem zweiten metallischen Werkstoff. Hierbei bilden der erste und zweite metallische Werkstoff vor dem Trennen einen Verbundwerkstoff. Das Verfahren beinhaltet ferner, dass der Verbundwerkstoff für einen bestimmten Zeitraum bei einer Temperatur angelassen wird, die ausreicht, damit sich an der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff eine Sprödphase bildet. Die Sprödphase hat eine Scherfestigkeit, die geringer als die Scherfestigkeit sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstoffs ist. Im Anschiuss an das Anlassen werden zwischen den beiden Werkstoffen SchubSpannungen erzeugt, die größer als die Scherfestigkeit der Sprödphase sind. Hierdurch trennt sich der erste Werkstoff vom zweiten Werkstoff.

Description

Verfahren zum Trennen von metallischen Werkstoffen
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines ersten metallischen Werkstoffs von einem zweiten metallischen Werkstoff.
Bei Verbundwerkstoffen z.B. für Gleitlager, bei denen eine Komponente eine Aluminiumlegierung ist, tritt oft das Problem auf, dass es schwer ist, die Komponenten des
Verbundwerks offs voneinander zu trennen. So werden durch den Herstellungsprozess für die Halbzeuge Stahl- und
Aluminiumbänder miteinander unter hohen Umformgraden
verwalzt, was zu einer starken Bindung zwischen den Schichten führt. Diese Bindung wird auch für die Anwendung z.B. im
Automobilbereich benötigt und ist daher beabsichtigt. Die Verbindung führt aber auch dazu, dass sich die Stahl- und Aluminiumkomponenten nicht mehr oder nur schwer voneinander trennen lassen, weshalb etwaiges Ausschussmaterial entsorgt werden muss und insbesondere der relativ teure
Aluminiumwerkstoff nicht wiederverwendet werden kann. Dies wäre aber angesichts hoher Rohstoffpreise und auch im
Hinblick auf die Preise für die Entsorgung von Vorteil.
Stand der Technik
Um dieses Problem zu lösen wurde gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Verfahren versucht , Verbundwerkstoffe in ihre Bestandteile aufzutrennen. So offenbart die DE 41 42 107 AI ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Metaliwerkstoffen aus Altmaterial . Hierbei werden die verschiedenen
Schmelztemperaturen der verschiedenen Meta1.1komponenten
genutzt. So wird zum Beispiel ein metallischer
Verbundwerkstoff, der aus einem niedrig schmelzenden und einem hoch schmelzenden Metall besteht, zunächst bis auf die Schmelztemperatur des niedrig schmelzenden Metalls erhitzt, so dass dieses schmilzt und nunmehr abgeschöpft werden kann.
Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass der
Verbundwerkstoff bis auf die Schmelztemperatur zumindest einer der Komponenten des Verbundwerkstoffs erhitzt werden muss . Angesichts der oftmals sehr hohen Schmelztemperaturen ist ein solches Verfahren energieintensiv, Dies hat unter anderem als Konsequenz, dass es wirtschaftlich nur schlecht umsetzbar ist . Außerdem ist es bei einem solchen Verfahren schwer, für eine saubere Trennung der Werkstoffe zu sorgen, da es leicht passieren kann, dass auch Teile des jeweils anderen Materials schmelzen bzw . in der Schmelze gelöst werden.
Andere Verfahren, die z.B. in der WO 95/26826 beschrieben werden, sehen vor, Materialien magnetisch voneinander zu trennen. Dies setzt allerdings unterschiedliche magnetische Eigenschaf en der zu trennenden Materialien voraus. Ferner müssen die zu trennenden Werkstoffe bereits physisch
voneinander getrennt sein. Aus diesem Grund kann dieses
Verfahren nicht genutzt werden, um Verbundwerkstoffe in ihre Komponenten aufzutrennen.
Die DE 10 2006 060 474 AI offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff von Anspruch 1 fallen. Die DE 38 13 804 C2 ist weiterer Stand der Technik, der sich auf einen
Schichtwerkstoff zur Verwendung in einem Gleitlager bezieht.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ergibt sich als technisches Problem, ein Verfahren zum Trennen eines ersten metallischen Werkstoffs von einem zweiten metallischen
Werkstoff bereitzustellen. Beide Werkstoffe zusammen bilde vor dem Trennen einen metallischen Verbundwerk toff . Dieses Verfahren sollte verlustarm sein, das heißt, es sollten möglichst wenig metallische Werkstoffe verloren gehen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verbundwerks off, der durch einen ersten und einen zweiten metallischen Werkstoff gebildet wird, in den ersten und den zweiten metallischen Werkstoff aufgetrennt. Hierbei wird der Verbundwerkstoff bei einer bestimmten Temperatur angelassen, d.h. bei dieser Temperatur geglüht. Dabei bildet sich an der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff eine Sprödphase. Diese muss lediglich spröder als die beiden angrenzenden Werkstoffe sein, d.h. die Sprödphase muss eine Scherfestigkeit
aufv/eisen, die geringer ist als die Scherfestigkeit sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstoffs. Die Sprödphase bildet sozusagen eine „Sollbruchstelle" bei Scherbelastung, Hierbei beschreibt die Scherfestigkeit diejenige maximale Schubspannung, die bei Scherbelastung nicht zum Bruch des jeweiligen Werkstoffs führt.
Nun werden im Anschluss an das Anlassen zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff SchubSpannungen erzeugt, welche größer als die Scherfestigkeit der Sprödphase an der
Grenzfläche sind. Somit trennt sich der erste Werkstoff entlang der Grenzfläche, also innerhalb der Sprödphase, vom zweiten Werkstoff,
Die Sprödphase weist typischerweise intermetallische
Verbindungen auf. Diese ergeben sich zum Beispiel durch einen Diffusionsvorgang zwischen dem ersten und dem zweiten
metallischen Werkstoff. Es ist von Vorteil, wenn sich diese Phase im. Wesentlichen über die gesamte Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff ausbildet, damit eine saubere Trennung gewährleistet wird. Wenn nun Schubspannungen auftreten, die nicht größer sind als die Scherfestigkeit der angrenzenden Werkstoffe, führen diese Schubspannungen zu einem Bruch entlang der Sprodphase an der Grenzfläche. Hierdurch trennen sich die beiden Werkstoffe vergleichsweise „sauber" voneinander. Gleichzeitig tritt nur ein geringer Materialverlust auf, nämlich das Material der Sprodphase. Außerdem ist es nicht nötig, die metallischen Werkstoffe zu schmelzen, was den Energieverbrauch für das Verfahren verringert .
Die Schubspannungen können auf verschiedene Arten aufgebracht werden . Unter anderem können sich die Schubspannungen bereits während des Anlassens bilden und zu einer Trennung der beiden Werkstoffe führen. Dieses Verhalten kann dahingehend
verstanden werden, dass der gesamte Anlassvorgang in Gedanken in einen ersten Teil, während dessen eine Sprodphase mit einer geringeren Scherfestigkeit ausgebildet wird, und einen zweiten, sich daran anschließenden Teil aufgetrennt wird. Während dieses zweiten Teils werden, beispielsweise durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
Schubspannungen zwischen den beiden Werkstoffen erzeugt.
Bevorzugte Ausführungsformen v/erden in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 16 beschrieben.
So hat sich als eine leicht zu implementie ende
Ausführungsform der Erfindung ergeben, dass der
Verbundwerks off am. Ende des Anlassens abgeschreckt wird. Die stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der
Werkstoffe führen zu Schubspannungen oberhalb der
Scherfestigkeit der Sprodphase. Dadurch trennen sich die Werkstoffe entlang einer Bruchkante innerhalb der Sprodphase. Hierbei und im Rest der Anmeldung verstehen wir unter einem Ausdehnungskoeffizienten einen
Längenausdehnungskoeffizienten. Die Schicht dehnt sich j edoch in alle Richtungen aus. Da diese aber sehr dünn ist, macht sich nur die Ausdehnung in der Schicht bemerkbar. Ein solches Verfahren ist leicht implementierbar. Es werden nur ein Ofen und eine Einrichtung zum Abschrecken des
Verbundwerkstoffs benötigt. Öfen, die für ein solches
Verfahren geeignet sind, wie zum Beispiel Sinteröfen, sind gut charakterisiert. Zum Abschrecken kann man zum Beispiel die Luft in der Fabrikhalle, in der ein solcher Ofen steht, aber auch ein Wasserbad oder eine beliebige andere
Kühleinrichtung nutzen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass es sich bei dem ersten
Werkstoff um eine Aluminiumlegierung oder reines Aluminium handelt. Diese weisen bevorzugt einen
Ausdehnungskoeffizienten von größer oder gleich 17 x 10-6/K auf. Außerdem ist es von Vorteil, wenn dieser erste Werkstoff auf einen Stahlrücken aufgewalzt ist, der zumindest einen Teil des zweiten metallischen Werkstoffs bildet. Auch wird bevorzugt, dass de zweite metallische Werkstoff einen
Ausdehnungskoeffizienten von kleiner oder gleich 12,2 x
10~6/K aufweist.
Die genannten Werkstoffe sind aufgrund der stark
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und aufgrund der sich beim Anlassen bildenden Sprödphase an der Grenzfläche leicht trennbar. Insofern ist es nicht nötig, den
Verbundwerkstoff lange oder bei einer hohen Temperatur anzulassen, was eine Energieersparnis mit sich bringt.
Als Vorteil des großen Unterschiedes in den
Ausdehnungskoeffizienten ergibt sich außerdem, dass sich hohe Scherspannungen zwischen dem ersten und dem zweiten
metallischen Werkstoff ergeben. Dies führt zu einer guten und sicheren Trennung des ersten und des zweiten Werkstoffs voneinander.
Im Fall, dass ein Verbundwerkstoff aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung auf einem Stahlrücken in der oben genannten Art getrennt wird, besteht die Sprodphase aus intermetallischen Eisen-Aluminium-Verbindungen . Insbesondere kommen die Verbindungen FeAl, FeAl2 ; FeAi3 und Fe2AI5 vor. Intermetallische Verbindungen, insbesondere der genannten Form, zeichnen sich durch eine hohe Sprödigkeit aus, weshalb sie leicht zu einer Separierung der angrenzenden Werkstoffe führen ,
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin ratsam, dass die Aluminiumlegierung Zinn enthält und dass auch die Sprodphase vorzugsweise Zinn aufweist. In Versuchen hat sich gezeigt, dass eine solche Sprodphase vergleichsweise gut trennbar ist, so dass das Verfahren erleichtert und Energie gespart wird.
Es ist außerdem vorteilhaft, als Verbundwerkstoff zinnhaltige Aluminiumwerkstoffe zu verwenden. Diese lassen sich gut aufspalten, weshalb auch hier eine hohe Materialausbeute bei der Auftrennung erzielt wird. Je größer der Zinngehait ist, desto besser lassen sich die folgenden Werkstoffe auftrennen;
ÄlSn6SiCuMnCr auf Stahl, optional mit AI - Zwischenfolie
AiSnSHiMnCu + Äl-Zwischenfoiie auf Stahl
AlSnlOSiCuCr + Al-Zwisehenfoiie auf Stahl
AlSnlO iMnCu auf Stahl
AlSnl2SiCuCr auf Stahl
ÄlSn20Cu auf Stahl
AlSn20CuMn auf Stahl, optional mit AI- Zwischenfolie
ÄlPb6SiSn auf Stahl
AlSn6SiCu auf Stahl
Allen gemeinsam' ist Zinn als Legierungselement, und alle diese Werkstoffe haben ein gutes Auftrennverhalten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass das Abkühlen an Luft bei einer Temperatur zwischen 0 und BOT stattfindet. Der Grundgedanke hierbei ist, dass der
Verbundwerkstoff nach dem Anlassen an der Fabrikluft abgekühlt wird, d.h. dass man den angelassenen
Verbundwerkstoff aus der Anlass orrichtung (z.B. Ofen) herausnimmt und ihn dann ohne Übergang der Fabrikluft aussetzt. Ein Vorteil hiervon ist, dass ein solches Verfahren leicht umgesetzt werden kann, da keine separate
Abschreckeinrichtung benötigt wird.
Des Weiteren ist bei der Abkühlung an Luft wichtig, dass Abkühlraten von mindestens 100 K/min erreicht werden. Durch Versuche wurde beobachtet, dass erst in diesem Bereich die entstehenden Schubspannungen groß genug sind, um die beiden, metallischen Werkstoffe entlang der Sprödphase zu trennen. Um diese Äbkühlraten zu erreichen ist ein guter Kontakt der Probe beim Abkühlen zum Untergrund notwendig, Zudem ist ein gut wärmeleitender Untergrund von Vorteil ( z . B. metallischer Untergrund: Stahl, keramische Untergrund: Graphit) . In bestimmten Situationen kann jedoch ein Abschrecken im
Wasserbad vorteilhaft sein, und wird demnach bevorzugt.
Zur Bildung der Sprödphase ist es erfindungsgemäß, wenn der Verbundwerkstoff, optional in einer Luftatmosphäre, in etwa zwischen 300°C und 600°C angelassen wird. Hierbei hat sich ein Temperaturbereich von 4500 C bis 5800 C als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere wird der Verbundwerkstoff bevorzugt zwischen 10 Minuten und 48 Stunden, besonders
bevorzugt zwischen 10 und 30 Minutenbei bei dieser Temperatur angelassen. Die genannten Temperaturbereiche und die genannte Zeitspanne führen zu einer sicheren Trennung der Werkstoffe, wobei kurze Anlasszeiten zu einem geringen Energieverbrauch beitragen.
Ergänzend zu dem genannten Verfahren zur Erzeugung von
Schub Spannungen durch Abschrecken ist es von Vorteil, wenn die Schubspannungen zumindest teilweise durch mechanische Einwirkung auf den Verbundwerkstoff erzeugt werden. Diese mechanische Einwirkung kann das Erzeugen von Schubspannungen durch Abschrecken ersetzen. Bei einem derart abgewandelten Verfahren ist besonders eine Verformung des Verbundwerkstoffs sinnvoll. Dadurch ist es leicht möglich, Schubspannungen gezielt aufzubringen, ohne an die Schubspannungen, die sich aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ergeben, gebunden zu sein. Verbundwerkstoffe, die nur geringe
Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten haben, können in ihre Komponenten aufgetrennt v/erden. Außerdem kann dadurch das Auftrennen von Verbundwerkstoffen, deren Komponenten vergleichsweise große Unterschiede in den
Ausdehnungskoeffizienten haben, unterstützt werden. Die sichere Trennung wird gewährleistet. Eine Verformung fuhrt zu einer hohen Schubspannung, Eine gute Trennung der Werkstoffe kann sichergestellt werden.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der
Verbundwerkstoff Schwingungen, beispielsweise in einer
Rüttelmaschine, ausgesetzt wird» Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Verbundwerkstoff wiederholt verformt wird, was eine Trennung erleichtert.
Es ist außerdem von Vorteil, dass der Verbundwerkstoff
Impulsen von mindestens einem Hammer ausgesetzt wird. Ein
Hammer oder eine Hammereinrichtung ermöglicht kurze Impulse mit einer hohen Intensität. Diese führen somit zu hohen
Schubspannungen. Daher kann eine solche Behandlung eine sichere Trennung des Verbundwerkstoffs in dessen Komponenten gewährleisten .
Die Werkstücke können auch durch ein Ultraschallbad geführt werden . Dies würde auch die Ablösung entlang der Sprödphase unterstützen. Ein solches Verfahren wäre außerdem kontaktlos. Anstelle eines Ultraschallbads kann auch eine andere
Ultraschallbearbeitung vorgenommen werden. Durch eine
Ultraschallbehandlung können hohe Schubspannungen aufgebracht werden . Des Weiteren ist zur Trennung der Schichten ein Walzstich mit geringer Umformung vorstellbar. Dadurch werden
Schubspannungen erzeugt, die ebenfalls zur Trennung der beiden metallischen Schichten beitragen können. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit der Trennung unterstützt.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn Lagerschalen oder Bänder aus einem Verbundwerkstoff in zumindest einige von dessen
Komponenten aufgetrennt werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich relevant, in dem oft
Verbundwerkstoffe {z.B. für Lagerschalen) verwendet werden.
Weiterhin können Verbundwerkstoffe, die Gefüge- und/oder Abmessungsfehler aufv/eisen, in zumindest einige ihrer
Komponenten aufgetrennt werden. Hierdurch können Werkstücke, die ansonsten Ausschuss bilden würden, recycelt werden, was eine Materialersparnis ermöglicht.
Auch ist es von Vorteil, wenn der erste und/oder zweite metallische Werkstoff nach dem Trennen des Verbundwerkstoffs als Bandrolle aufgewickelt oder zerhackt wird. Hierbei kann der Platz, der von den Komponenten des metallischen
Verbundwerkstoffs beansprucht wird, verringert werden.
Insbesondere können die Komponenten auch nach dem Zerhacken leicht eingeschmolzen und dem Produktionsprozess , z.B. einem Abguss in einem Belt- oder Rollcaste , zugeführt werden.
Schließlich ist eine bevorzugte Ausführungsform, dass das Anlassen kontinuierlich, bevorzugt in einer Sintereinrichtung wie z.B. einem Durchlaufofen, erfolgt. So kann ein Verfahren erzielt werden, bei dem die Verbundwerkstoffe kontinuierlich und reproduzierbar in ihre Komponenten aufgespaltet werden. Ein weiterer Vorteil einer Sintereinrichtung wie z.B. einem Durchlaufofen, ist dass solche Einrichtungen im Bereich der metallverarbeitenden Industrie weit verbreitet sind. Daher entstehen nur geringe zusätzliche Kosten für das Durchführen eines solchen Verfahrens (hohe Produktivität durch geringe Durchlauf eiten) . Gleichzeitig sind solche Einrichtungen gut charakterisiert, weshalb man sie gut und präzise steuern kann. Dies führt zu einer hohen Trennqualität.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figuren la und b zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen eines Schliffs des Verbundwerkstoffs ÄiSnlOSiCuCr + Stahl, der entweder 8 Stunden lang bei 300 °C {Figur la) oder 4 Stunden lang bei 400°C ( Figur 1b) angelassen und anschließend
abgeschreckt wurde .
Figuren 2a und b zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen eines
Schliffs des Verbundwerkstoffs ÄiSnlOSiCuCr + Stahl, der entweder (Figur 2a) 4 Minuten lang bei 475°C oder (Figur 2b) 6 Minuten lang bei 510 °C angelassen und anschließend
abgeschreckt wurde ,
Figuren 3a und b zeigen liehtmikroskopische Ansichten eines Schliffs des Verbundwerkstoffs ÄiSnlOSiCuCr + Stahl, der entweder (Figur 3a) 23 Minuten lang bei 538°C oder (Figur 3b) 2 Minuten lang bei 565 °C angelassen und anschließend
abgeschreckt wurde.
Figuren 4a und 4b zeigen den Werkstoff der Figur 3a in einem energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) -Scan (Figur 4a) und in einer rasterelektronenmikroskopisehen Aufnahme {Figur 4b) .
Figuren 5a und b zeigen den Werkstoff der Figur 3a. Hierbei wird in Figur 5a eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Werkstoffs gezeigt, während Figur 5b einen EDX- Scan
zeigt ,
Figuren 6a und b zeigen eine ähnliche Messung wie Figur 5, jedoch für den Werkstoff der Figur 3b, Aus ührliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und der Figuren
Im Folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und die Figuren beschrieben.
So wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein AlSn20CuMn- und ein A1Sn10SiCuCr-Werks off auf einem Stahlrücken verschiedenen Versuchen zur Bestimmung des
Trennverhaltens der verschiedenen Metalischichten voneinander unterzogen.
Hierbei wurde festgestellt, dass bei AlSn20CuMn auf Stahl und AlSnlOSiCuCr auf Stahl nach 14 Stunden Anlassen bei 480 ° C in Luft und anschließendem Abschrecken an Luft (Entfernen der Probe aus dem Ofen und Ablage auf einem metallischem
Untergrund) eine Abtrennung der Schichten auftritt. Dadurch werden Abkühlraten von 100 K/min realisiert. Hierbei hatten sich an der Grenzfläche zwischen dem Stahl und Lagermetall aus einer Aluminiumlegierung {Zwischenfolie) des
Verbundwerkstoffs Sprödphasen der Zusammensetzung FexAlY gebildet, welche die Bindungsfestigkeit herabsetzen. Die durch das Abschrecken auftretenden Scherspannungen an dieser Grenzfläche führen zu einer Trennung der Schichten
voneinander. Im vorliegenden Beispiel wird davon ausgegangen, dass das Abschrecken der Probe an Luft hierfür wichtig ist. Sie führt dazu, dass sich der Verbundwerkstoff in einem kurzen Zeitraum stark abkühlt. Hierdurch treten zum einen durch die stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Aluminiumwerkstoffs und des Stahls starke SchubSpannungen auf . Gleichzeitig wird durch die kurze Zeitdauer des
Abschreckens verhindert, dass sich die Spannungen z.B. durch eine Verformung d s Verbundwerkstoffs, die nicht zu dessen Auftrennen führt , abbauen .
Insbesondere hat sich bei einem Anlassen von AlSn20CuMn auf Stahl bei 480 °C und Anlassdauern von 14 Stunden, 3 Stunden, 1 Stunde, 30 Minuten, 20 Minuten und 10 Minuten mit sich daran anschließendem Abschrecken auf einen metallischen Untergrund eine gute Wärmeabfuhr und hohe Abkühlraten sowie eine
Trennung der Aluminiumschicht vom Stahlrücken ergeben.
Hingegen war eine Anlassdauer von 5 Minuten bei 480 °C und anschließendes Abschrecken für ein Trennen nicht ausreichend.
Ferner wurden Versuche mit einem Band aus AlSn20CuMn auf einem Stahlrücken, mit einer Al-Zwischenfolie durchgeführt. Bei einer Glühtemperatur von 550 °C für 17 Minuten und
anschließendem Abkühlen bei Raumtemperatur, was eine
Abkühlgeschwindigkeit von etwa 100 K/min bedeutet, konnte eine Trennung der Schichten beobachtet werden. Ersichtlich ist hierbei, dass die Wärmebehandlungszeit temperaturabhängig ist, da während der Glühung Diffusionsprozesse ablaufen, die für die Trennung erforderlich sind. Somit kann die Glühdauer durch höhere Temperaturen herabgesetzt werden. Beispielsweise wurde für den genannten Werkstoff auch bei 575 °C für 15
Minuten eine Trennung der Schicht beobachtet, bei einer
Glühdauer von 30 Minuten kann die Temperatur bis auf 475 °C gesenkt werden, und bei einer Glühdauer von 10 Minuten konnte bei Temperaturen oberhalb von 525°C immer noch eine zumindest teilweise Ablösung der Schicht beobachtet werden, was in bestimmten Situationen ausreichend sein kann. Beispielsweise kann die beschriebene Behandlung mit mechanischer Einwirkung durch Hammerschläge, Rütteln und/oder Walzen kombiniert werden. Ferner ist eine Kombination mit höheren
Abkühlgeschwindigkeiten, beispielsweise Abschrecken im
Wasserbad, was zu größeren Scherspannungen führt, ebenfalls möglich.
Weitere Versuche wurden mit der Legierung AlSn6SiCuMnCr und einer Glühtemperatur von 500°C bei 10 Minuten durchgeführt, was ebenfalls zu einer Trennung der Schichten f hrte. Bei einer Glühtemperatur von 450°c wird hingegen eine Glühzeit von 15 Minuten benötigt. Im Vergleich dazu wurden Studien an einem AlPb6SiSn-Material , das auf einen Stahlrücken aufgebracht wurde, ausgeführt.
Hierbei wurde eine Rolle aus diesem Verbundwerkstoff, welche eine Breite von 196,9 mm, eine Gesamtdicke von 2,77 mm und eine Dicke des Stahls von 2,02 mm aufwies, in einer
Sinterlinie bei 552 ° C angelassen. Da diese Temperatur nicht zu einem Trennen der Werkstoffe voneinander führte, wurde ein weiterer Versuch bei 566 °C durchgeführt, der auch nicht zu einem Trennen geführt hat. Hierbei wurde in beiden Fällen keine Vorheizung eingesetzt, und das .Anlassen fand in einer Stickstoffatmosphäre statt. Die Linie lief mit Im/min
Geschwindigkeit, bei einer Länge von 21 m.
Licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen der derart behandelten Proben haben gezeigt, dass sich an der
Grenzfläche zwischen dem Stahlrücken und dem
Aluminiumwerkstof f eine Schicht aus intermetallischen
Verbindungen gebildet hat. Unter anderem wies diese Schicht Zinn auf. Der Aluminiumwerkstoff hatte eine hohe Porosität aufgrund der Diffusion von Zinnatomen aus der Aluminiummatrix zur Stahl/Aluminium Grenzfläche. Dies wurde aus den
lichtmikroskopischen Aufnahmen ersichtlich.
Es wurden weitere Proben des gleichen Verbundwerkstoffs
(AlPbesiSn auf Stahl} getestet. Sie wurden jeweils 30 Minuten lang bei 510 eC und 550 °C angelassen. In beiden Fällen trat auch bei Biegen des Verbundwerkstoffs um 45° keine Trennung der Schichten auf. Unter dem Lichtmikroskop war zu erkennen, dass sich auch hier eine Grenzflächenschicht aus einer intermetallischen Sprödphase, die diesmal Risse aufwies, gebildet hat.
Aus diesen Studien wurde geschlossen, dass es zum Trennen der Werkstoffe nicht allein darauf ankommt, dass sich eine
Sprödphase mit einer höheren Sprödigkeit bildet. Zusätzlich ist es auch wichtig, hinreichend hohe SchubSpannungen
aufzubringen, um den Verbundwerkstoff entlang der Sprödphase aufzutrennen. Auch war vergleichsweise wenig Zinn in der Sprödphase vorhanden, wie EDX- Scans gezeigt haben. Dieses kann sich auch nachteilig auf das Trennverhaiten ausgewirkt haben .
Um das Trennverhalten zu den mikroskopischen Veränderungen im Gefüge des Verbundwerkstoffs in Beziehung zu setzen wurde in einem weiteren Testverfahren der Werkstoff AlSnlOSiCuCr + Stahl auf sein Trennverhalten beim Anlassen getestet. Die mikroskopische Struktur des sich durch Anlassen ergebenden Werkstoffs wurde elektronenmikroskopisch und über EDX
untersucht .
So wurde AlSnlOSiCuCr + Stahl 8 Stunden lang bei 300 °C
angelassen. Wie aus Figur la zu erkennen ist, hat sich keine Sprödphase in der Form von intermetallischen Verbindungen zv/i sehen dem Stahlrücken 10 und der Aluminiumschicht 12 gebildet. Gleiches trat auch, wie in Figur 1b gezeigt, auf, wenn der gleiche Werkstoff 4 Stunden lang bei 400 °C
angelassen wurde.
Auch bildet sich, wie in Figur 2a zu sehen ist, keine
Sprödphase 14 zwischen dem Stahlrücken 10 und der
Aluminiumschicht 12 bei Anlassen des AlSnlOSiCuCr + Stahl auf 475 °C für 4 Minuten und sich daran anschließendes Abschrecken aus. Im Gegensatz dazu hat sich bei dem gleichen
Verbundwerkstoff, der 6 Minuten lang bei 510°C angelassen und danach abgeschreckt wurde, eine deutlich sichtbare Sprödphase 14 (siehe Figur 2b) gebildet. Die Werkstoffe, die an diese Phase angrenzen, ließen sich nicht durch mechanische
Einwirkung wie z.B. Verbiegen oder Bearbeiten mit einem
Hammer trennen.
Die in Figuren 3a und b gezeigten Werkstoffe sind
vielversprechender. Figur 3a zeigt AlSnlOSiCuCr + Stahl, das 23 Minuten lang bei 538 "C angelassen und anschließend an Luft abgeschreckt wurde. Eine relativ dicke Sprödphase 14 ist deutlich zwischen dem Stahlrücken 10 und der Aluminiumschicht 12 z erkennen. Diese Probe war durch einfache mechanische Einwirkung, d.h. Hammerschlage bzw. Biegung der Probe um 90° in Längsrichtung des Bandes mit der Aluminiumseite nach oben, trennbar .
Im Gegensatz dazu zeigt der gleiche Verbundwerkstoff, der in Figur 3b gezeigt wird, aber zwei Minuten lang bei 565 "C angelassen wurde, eine deutlich sichtbare Sprödphase 14.
Trotz ihrer Sprödigkeit ließ sie sich durch einwirken mit einem Hammer nicht trennen. Als Grund hierfür wird
angenommen, dass das Einwirken durch einen Hammer dazu führen kann, dass das Material der Sprödphase kompaktiert wird.
Diese Kompaktierung wirkt einer Auftrennung des
Verbundwerks offs entgegen, weshalb dieses Ergebnis den oben beschriebenen Ergebnissen nicht widerspricht.
In Figuren 4a und b sind wei ere Analyseergebnisse des in Figur 3a gezeigten Materials dargestellt. Bei Figur 4a, die eine rastere1ektrcnenmikroskopische Aufnahme der Bruchfläche des Materials der Figur 3a zeigt, wird deutlich, dass
signifikante Mengen von Zinn an der Bruchfläche vorhanden sind. Es kommen aber keine Ausfäl lungen von Zinn an der
Bruchfläche vor. Das Zinn ist auch in Figur 4b, einer
elektronenmikroskopischen Aufnahme der gleichen Fläche, deutlich in de hellen Flecken auf beiden Seiten der
Sprödphase zu erkennen.
Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer
elektronenmikroskopischen Aufnahme [Figur 5a) der Probe der Figur 3a und auch ein EDX -Spektrum des gleichen Materials ί Figur 5b) . Hieraus kann man erkennen, dass sich Zinn an der Bruchfläche befindet.
Figur 6a zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Probe der Figur 3b. Figur 6b zeigt ein EDX- Spektrum der
Grenzfläche des gleiche Materials . Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass Zinn an der Bruchfläche (soweit vorhanden) zwischen den beiden Metallen vorliegt. Deshalb ist es plausibel, dass Zinn das Trennen fördert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Trennen eines ersten metallischen
Werkstoffs (10) von einem zweiten metallischen Werkstoff (12), wobei der erste (10) und zweite (12) metallische
Werkstoff vor dem Trennen einen Verbundwerkstoff bilden,
wobei das Verfahren beinhaltet, dass der
Verbundwerkstoff für einen bestimmten Zeitraum bei einer Temperatur angelassen wird, die ausreicht, damit sich an der Grenzfläche zwischen dem ersten (10) und dem zweiten (12) Werkstoff eine Sprödphase (14) bildet,
wobei die Sprödphase (14) eine Scherfestigkeit aufweist, die geringer als die Scherfestigkeit sowohl des ersten (10) als auch des zweiten (12) Werkstoffs ist,
und wobei im Anschluss an das Anlassen zwischen den beiden Werkstoffen (10, 12) SchubSpannungen erzeugt werden, die größer als die Scherfestigkeit der Sprödphase (14) sind, so dass sich der erste Werkstoff (10) vom zweiten Werkstoff (12) trennt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbundwerkstoff zwischen 300°C und 600°C angelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Werkstoffe, die an die Sprödphase (14)
angrenzen, unterschiedliche Ausdehnung koeffizienten haben und wobei der Verbundwerkstoff nach dem Ausbilden der
Sprödphase (14) derart abgekühlt wird, dass sich die
Schubspannungen zwischen dem ersten (10) und dem. zweiten (12) Werkstoff zumindest teilweise aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des ersten (10) und zweiten (12) Werkstoffs ergeben,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem ersten Werkstoff (10) um eine AluminiumLegi rung oder reines Aluminium mit einem Ausdehnungskoeffizient von bevorzugt größer oder gleich 17 · 10 ~ 6 /K handelt, wobei der erste Werkstoff (10) bevorzugt auf einen Stahlrücken aufgewalzt ist, der zumindest einen Teil des zweiten metallischen
Werkstoffs (12) bildet, und wobei der zweite metallische Werkstoff (12) bevorzugt einen Ausdehnungskoeffizient von kleiner oder gleich 12,2 · 10~6/K aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Aluminiumlegierung eine Aluminium- Zinn-Legierung ist und die Sprödphase
vorzugsweise Zinn aufweist,
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Verbundwerkstoff eine Aluminiumlegierung, bevorzugt
AlSn20CuMn, AlPb65iSn AlSnlOSiCuCr , AlSn20Cu, AlSnSNi.MnCu, AlSnlONiMnCu, AlSn6SiCu, ÄlSn6SiCuMnC , oder AlSnl2SiCuCr , auf einem anderen metallischen Werkstoff, bevorzugt Stahl, verwendet wird, wobei AlSn20CuMn, AlSnSNi nCu, ÄlSnSSiCuMnCr und AlSnlOSiCuCr bevorzugt eine AI - Zwischenfolie aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , sofern von Anspruch 2 abhängig, bei dem das Abkühlen an Luft und bei einer Temperatur zwischen 0°C und 50°C stattfindet und eine Abkühlrate von bevorzugt mindestens lOOK/min erzielt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Verbundwerkstoff, bevorzugt in einer Luftatmosphäre , bei etwa 450°C oder mehr und etwa 58Q°C oder weniger angelassen wird und/oder der Verbundwerkstoff zwischen 10 min und 48h, besonders bevorzugt zwischen 10 min und 30 min, angelassen wird .
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schubspannungen zumindest teilweise durch mechanische Einwirkung auf den -Verbundwerkstoff, bevorzugt eine
Verformung des Verbundwerkstoffs, erzeugt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Verbundwerkstoff
Schwingungen ausgesetzt wird,
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der
Verbundwerkstoff Impulsen durch mindestens einen Hammerschlag ausgesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die mechanische Einwirkung zumindest teilweise durch eine
Ultraschallbehandlung, bevorzugt durch ein Ultraschallbad, erfolgt ,
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die mechanische Einwirkung zumindest teilweise durch einen
Walzstich erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
Lagerschalen oder Bänder aus dem Verbundwerkstoff in
zumindest einige der Werkstoffe, aus denen der
Verbundwerkstoff besteht, aufgetrennt werden.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Werkstücke, die einen Verbundwerkstoff und Gefüge- und/oder Ahmessungsfehler aufweisen, in zumindest einige der
Werkstoffe, welche die Komponenten des Verbundwerkstoffs bilden, aufgetrennt werden.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste und/oder zweite metallische Werkstoff nach dem Trennen des Verbundwerkstoffs als Rolle aufgewickelt oder zerhackt werden.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Anlassen kontinuierlich, bevorzugt in einer Sintereinrichtung wie z.B. einem Durchlaufofen, erfolgt.
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