DE2036682A1

DE2036682A1 - Korrosionswiderstandsfahiger metalli scher Mehrschichtkorper

Info

Publication number: DE2036682A1
Application number: DE19702036682
Authority: DE
Inventors: Charles D Norwood Mass Turk (V St A)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1969-07-30
Filing date: 1970-07-23
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2053280A1; US3847560A; GB1315354A; FR2053280B1; CA926107A

Description

DR.-INO. OI^I—IN«». M.eC. Olf-L.-PrlYS. O*. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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U.S.Ser.No. 846 132

HAECKER

Texas Instruments Incorporated, Dallas/Texas

U.S.A.

Korrosionswiderstandsifähiger metallischer Mehrschichtkörper.

Die Erfindung bezieht sich auf korrosionswiderstandsfähige, metallische Mehrschichtkörper mit einer Grundschicht, die auf mindestens einer Seite eine Mehrschichtauflage aufweist, die mindestens aus einer äußeren Schicht und einer darunter liegenden Zwischenschicht besteht.

Es sind be asite verschiedene Arten von metallischen Mehrschi chtkör pern in den letzten Jahren entwickelt worden, um

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die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Materialien auszunützen«, wobei zugleich die Wirkung unerwünschter Eigenschaften begrenzt werden sollte« Beispielsweise wurde eine Konstruktion geschaffen, und zwar einschließlich eines das Hauptgewicht und die Hauptstärke einnehmenden Kerninaterials, die aus verhältnismäßig billigem„ bruchfestem Material und zusätzlich relativ dünnen Schichten aus teurem Material hergestellt wurde,, die andere erwünschte Eigenschaften, beispielsweise Korrosionswiderstandsfähigkeitj, Lötbarkeit, hohe Leitfähigkeit usw. haben, so daß nun ein Mehrschichtmaterial geschaffen wurde, das verschiedene Vorteile öer einzelnen getrennten Materialien aufwies_ff wobei die Nachteile auf ein Minimum herabgesetzt wurden« Häufig sind mehrschichtige Metallkonstruktionen erwünscht_ff bei denen das Keramaterial gegen Korrosion geschützt wird»In manchen Fällen kann beispielsweise ein entsprechendes Kernmaterial mit einem ZinJcnantel versehen werden, um nun dea Kern gegen Korrosion zu schützen, da Zink normalerweise durch Korrosion geopfert wird, wodurch dann das darunterliegende Kemmaterial geschützt wird. In ähnlicher Weise können gegen Korrosionswirkungen empfindliche Kernmaterialien durch äußere Schutzmäntel aus relativ korro-. sionswiderstandsfähigem Material geschützt werden, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl. In all diesen Fällen wurden recht befriedigende Ergebnisse erzielt.

Ein Problem, das bei diesem zuletzt genannten Fall auftreten kann, hängt jedoch mit der verhältnismäßig empfindlichen Art eines rostfreien Stahlmantels zusammen, der aus wirtschaftlichen Gründen oft relativ dünn ist, und außerdem sollte das Verbundverfahren erleichtert werden. Infolgedessen kann der Transport dieser Mehrschichtkörper und die anschließende Verformung leicht zu einem Verkratzen oder Abreiben des Mantels

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und damit zu einer körperlichen Diskontinuität in der baulichen Integrität des Mantels aus rostfreiem Stahl führen, wodurch nun das darunterliegende Kernmaterial freigelegt wird. Außerdem können verschiedene Oberflächenfehler, wie beispielsweise Feinlöcher, i^R diesem rostfreien Stahlmantel vorhanden sein, wodurch ebenfalls das darunterliegende Kernmaterial freiliegt. In diesen Fällen kann eine katastrophale Korrosion des darunterliegenden zu schützenden Kernmaterials infolge der Unterschiede der relativen elektrochemischen Reaktionsfähigkeiten des Kernmaterials und des Schutzmantels auftreten. In Anwesenheit eines korrodierenden Mediums kann das verhältnismäßig hochreaktionsfähige Kernmaterial in Berührung mit dem weniger reaktionsfähigen Schutzmantel in katastrophaler Weise mit einer extrem raschen Geschwindigkeit korrodieren, da der Kern nun in Bezug auf den Mantel anodisch ist, was zu einer raschen Auflösung des Körpers führt. Eine solche Wirkung ist natürlich besonders dann unheilvoll, wenn das Material als Bauträger, als Flüssigkeit aufnehmendes Gefäß usw. verwendet wird.

Obgleich schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen wurden, erfordern doch diese Nachteile, wie eine fehlerhafte Ablagerung des Schutzmantels unter Bildung von kleinen Löchern, und außerdem das Vorhandensein des empfindlichen und brüchigen Schutzmantels oft umständliche Transportverfahren, um Oberflächenkratzer zu vermeiden. Ein Vorschlag, urn diese Wirkungen zu beseitigen, die sich aus einer Unterbrechung der körperlichen Integrität eines solchen äußeren Schutzmantels ergeben, führte zu einem Versuch, eine Zwischenschicht aus einem relativ nicht reaktionsfähigen Material zwischen der äußeren Schutzschicht und dem Kernmaterial anzuordnen. Diese Lösung hat jedoch gewisse Nachteile und war nicht in der Lage, das Kernmaterial gegen mögliche zerstörende, korrodierende

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Wirkungen zu schützen, wenn eine körperliche Diskontinuität, wie beispielsweise ein Kratzer, ein feines Loch usw. in der äußeren Schutzschicht vorhanden sind, da das Kernmaterial anodisch in Bezug auf die Zwischenschicht und die Schutzschicht verbleibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen, aus mehreren Teilen zusammengesetzten korrosionswiderstandsfähigen Mehrschichtkörper zu schaffen, der auch bei kleinen Fehlern in den Schutzschichten eine lange Lebensdauer aufweist. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Mehrschichtkörper gemäss der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schichtanordnung derart ist, daß die Zwischenschicht aus einem Metall besteht, das weniger edel als das der benachbarten, als Schutzschichten bezeichneten Schichten ist, von denen die eine die äußere Schutzschicht ist, während die andere Schutzschicht entweder die Grundschicht oder eine der Grundschicht benachbarte, zusätzliche Schutzschicht ist.Damit ist die Anordnung gefunden, bei der nachteilige korrodierende Wirkungen, wie sie sich aus einer Störung der körperlichen Integrität des freiliegenden Schutzmantels ergeben, im wesentlichen begrenzt sind. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß diese Konstruktion leicht in die gewünschte Form gebracht werden kann und gut verformbar ist. Sie ist ferner wirtschaftlich herzustellen und in der Verwendung außerordentlich dauerhaft.

Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung also auf korrosionswiderstandsfähige, aus Schichten bestehende Metallkonstruktionen. Dabei ist eine Vielzahl von metallurgisch miteinander verbundenen, metallischen Lagen vorhanden, die auf einem zu schützenden Kern gehalten sind. Die metallurgisch verbundenen Lagen weisen eine innere Schutzschicht, eine

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äußere Schutzschicht und eine Zwischenschicht auf. Die Zwischenschicht hat eine größere elektrochemische Reaktionsfähigkeit als irgend eine der beiden inneren oder äußeren Schichten und kann gegebenenfalls durch Korrosion geopfert werden, falls eine Bruchstelle in der baulichen Integrität der äußeren Schutzschicht eintritt, wodurch die Korrosion der inneren und äußeren Schichten erheblich verzögert wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen:

Fig. leinen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt zur Erläuterung der selbstbegrenzenden Wirkungen der Korrosion,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine, zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Figuren nicht maßstäblich sind, sondern es sind die Abmessungen zum Teil übertrieben groß gezeichnet, um so die Erfindung deutlicher zu machen.

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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l ist ein. korrosionswiderstandsfähiger Mehrschichtkörper dargestellt, der durch eine Grundschicht oder ©inen Kern 10 «ad eine metallische Mehrschichtauflage 12 a«s einer Vielzahl von metallurgisch miteinander verbundenen Schichten gebildet ISt₁, die mit min- ■ destens einer Fläche des Kernes einen ¥erbund eingegangen .ist. Die Verwendung des Ausdruckes "metallurgisch verbunden", wie er hier gebraucht wird,, besieht sich auf Verbundverfahren in fester Phase, bei denen zwei oder mehr Metalle ohne BiI" dung einer flüssigen Phase zwischen dsR Metallen verbunden werden. Typische Verbundverfahren I» fester Phase sind in den USA-Patentschriften 2 691 815 und 2 753 623 beschrieben.

Die Mehrschichtauflage 12 hat ansetiliessend an die Fläche des Kernes im wesentliches eine innere metallische Schutsschicht 14, eine MuSere metallische Schutzschicht IS und eine metallische Zwischenschicht 18 _e die zwischen der inneren und der äußeren/scm.cht angeordnet ist„ Mach einem !-,richtigen Merkmal der Erfindung ist die Zwischenschicht 18 aus einem vorbestimmten metallischen Material, das ein© größer® elektrochemische Reaktionsfähigkeit hat und weniger edel als die inneren und .äußeren Schutzschichten 14 und 16 ist, so daß die Korrosionswirkungen bei einer körperlichen Diskontinuität in der äußeren Schutzschicht 16 scharf begrenzt werden« Falls eine solche Diskontinuität in der äußeren Schutzschicht 16 auftritt, und zwar beispielsweise in Form von Kratzern, Gasporen, Kratern oder anderen unvollkommenen Stellen, wie sie durch Transport, schlechte Ablagerung u.dgl. entstehen, so sind nun korrodierende Wirkungen, die normalerweise rasch eindringen und das darunterliegende Kernmaterial bei üblichen Konstruktionen angreifen, beträchtlich begrenzt.

Im besonderen ist vorgesehen, daß durch die dargestellte Anordnung die Zwischenschicht 18, die elektrochemisch reaktions-

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fähiger als eine der Schutzschichten 14 und 16 ist, zur Korro- dierung eher geopfert wird als die Schutzschichten 14 und 16. Diese Wirkung wird in besonderer Weise im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert.

Fig. 2 ist im wesentlichen ähnlich wie Fig.l, auch dort ist ein Kern 10 und eine Mehrschichtauflage 12 aus metallurgisch miteinander verbundenen Schichten 14, 16 und 18 dargestellt und an der Oberfläche des Kernes befestigt. Diese Konstruktion erläutert die Wirkungen des Freiliegens gegenüber einer korrodierenden Umgebung, wenn eine körperliche Diskontinuität in Form einer kleinen Öffnung 19 in der äußeren Schutzschicht 16 vorhanden ist. Wie durch Punktieren dargestellt, hat die Korrosion teilweise die Mehrschichtauflage 12 durch die äußere Schutzschicht 16 hindurch durchdrungen. Wie bereits erwähnt, ist die Zwischenschicht 18 aus einem vorbestimmten Material, das weniger edel ist und damit höhere elektrochemische Reaktionsfähigkeit hat als irgend eine der inneren oder äußeren Schutzschichten 14 bzw. 16. Wenn daher die Mehrschichtauflage 12 zum Korrodieren freigegeben wird, so korrodiert die Zwischenschicht 18 bevorzugt im Vergleich zu dem edleren Material der Schutzschichten 14 und 16, da die Zwischenschicht 18 anodisch in Bezug auf die Schutzschichten 14 und 16 ist. Es wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, daß, wenn ein Teil eines relativ edlen Materials einer korrodierenden Atmosphäre ohne die Gegenwart eines Materials mit relativ höheren Reaktionsfähigkeit ausgesetzt wird, das erstere mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit korrodiert. Wenn jedoch das reaktionsfähigere Material ebenfalls anwesend und in Berührung mit dem weniger reaktionsfähigen Material ist, beispielsweise den Schutzschichten 14 und 16, so korrodieren die Schutzschichten 14 und 16 mit einer beträchtlich geringeren Geschwindigkeit, während die Zwischenschicht 18 gegenüber

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den Schutzschichten 14 und 16 zur Korrodierung geopfert wirdi Da die Zwischenschicht 18 bevorzugt gegenüber den Schutzschichten 14 und 16 korrodiert, wird der dem Kernmaterial durch die Schutzschichten 14 und 16 gewährte Schutz erhalten.

Ferner ist ein weiterer Schutz des Kernmaterials durch die besondere körperliche Anordnung der Zwischenschicht 18 in Bezug auf die Schutzschichten 14 und 16 geschaffen worden. Da im besonderen die Korrosion von der freiliegenden Fläche der Mehrschichtauflage 12 durch die Schutzschicht 16 fortschreitet, ist die Korrosionsrichtung derart, daß die Zwischenschicht 18 relativ zur Schutzschicht 16 zur Korrosion aufgeopfert wird. Wenn in ähnlicher Weise die Korrosion durch die Zwischenschicht 18 der Schutzschicht 14 zu fortschreitet, so kehrt sich notwendigerweise die Richtung der Korrosionsreaktion infolge der Änderung des elektrochemischen Potentials zwischen der Zwischenschicht 18 und der Schutzschicht 14 um, da die letztere ein edleres Metall als die Zwischenschicht 18 ist. Da deshalb die Zwischenschicht in Bezug auf die beiden Schutzschichten 14 und 16 korrodierend geopfert und das elektrochemische Potential umgekehrt wird, so schreitet die Korrosion im allgemeinen längs durch die Zwischenschicht 18 weiter fort (siehe Pfeile in Fig.2), ohne daß hierdurch die Schutzschichten 14 und 16 beträchtlich beeinflußt werden. Es ergibt sich so, daß der metallische Mehrschichtkörper gemäß der Erfindung eine eigentümliche korrosionsbegrenzende Eigenschaft hat, da die Zwischenschicht praktisch vollständig zerstört sein muß, bevor eine beträchtliche Korrosion an den Schutzschichten 14 und 16 eintreten kann.

Um nun einen zusätzlichen Korrosionsschutz und eine weiter erhöhte Lebensdauer zu erzielen, ist es im allgemeinen er-

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wünscht, die Zwischenschicht 18 so anzuordnen, daß sie wesentlich stärker als die Schutzschichten 14 und 16 ist. Dadurch wird ein größeres Volumen an korrosionsanfälligem Material für eine bevorzugte Korrosion gegenüber den Schutzschichten und 16 bereitgestellt, wodurch die gesamte Lebensdauer der Konstruktion erhöht wird. Die Schutzschichten 14 und 16 können relativ dünn .sein und in manchen Fällen nur von einer solchen Stärke, um ihre getrennte metallurgische Identität aufrechtzuerhalten, obgleich in der Praxis eine etwas größere Stärke verwendet wird, um Behandlungs— und Verfahrensschwierigkeiten auszuschalten. Eine derartige Ausbildung ergibt auch einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil, da die Zwischenschicht 18 im allgemeinen aus einem wesentlich billigeren Material als die Schutzschichten 14 und 16 hergestellt ist. Das Kernmaterial 10 ist vorzugsweise ein metallisches Material und kann normalerweise aus einem verhältnismäßig billigen Material mit der notwendigen' Festigkeit für die Gesamtkonstruktion sein, das ausserdem metallurgisch mit der Mehrschichtauflage 12 verbunden werden kann.

Bei der Herstellung dieser Konstruktion - beispielsweise gemäß Fig.l - kann es erwünscht sein, ursprünglich einen Kern 10 aus einem vorbestimmten Material zu bilden, während die Mehrschichtauflage 12 getrennt hergestellt wird, wobei Verfahren, wie sie in den vorerwähnten Patentschriften erwähnt sind, benützt werden können.

Die Mehrschichtauflage 12 kann dann metallurgisch mit einer Fläche des Kerns 10 verbunden werden, wozu ebenfalls ähnliche übliche Verfahren benützt werden können, wie sie in den vorerwähnten Patentschriften erläutert sind.

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Da ein wichtiges Merkmal der Erfindung die Anwesenheit eines erheblich reaktionsfähigen Materials zwischen den Materialschichten mit einer geringeren elektrochemischen Reaktionsfähigkeit ist, so kann es in manchen Fällen möglich sein, die innere Schutzschicht 14 wegzulassen. Bei einer solchen Konstruktion wird vorteilhaft die äußere Schutzschicht aus einem Material gebildet, das eine relativ niedrige elektrochemische Reaktionsfähigkeit mit der Zwischenschicht hat, die eine relativ hohe elsktrochemische Reaktionsfähigkeit aufweist und unmittelbar zwischen der äußeren Schutzschicht und einem Kernmaterial angeordnet ist, das eine geringere elektrochemische Reaktionsfähigkeit als die Zwischenschicht hat. Eine solche Konstruktion kann einen Kern aus einem niedergekohlten Stahl, einer Zwischenschicht aus Zink und einer äußeren Schutzschicht aus Kupfer, Messing o.dgl. aufweisen, wobei die betreffenden Materialien metallurgisch zur Bildung der lamellierten Konstruktion miteinander verbunden sind. Die sich so ergebende Konstruktion weist den Vorteil der selbstbegrenzenden Korrosion gemäß der Erfindung auf, ist jedoch etwas weniger korrosionswiderstandsfähig als eine Bauart, wie sie beispielsweise in Fig.l dargestellt ist.

Obgleich verschiedene Materialien und Kombinationen von Materialien in einer Konstruktion gemäß Fig.l verwendet werden können, weist doch eine typische Bauart einen Kern 10 aus einem niedergekohlten Stahl, eine innere Schutzschicht aus rostfreiem Stahl, Messing, Kupfer usw., eine Zwischenschicht aus einem niedergekohlten Stahl, Zink, Mangan usw., und eine äußere Schutzschicht aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Messing usw. auf, wobei von Wichtigkeit ist, daß die Zwischenschicht eine höhere elektrochemische Reaktionsfähigkeit (weniger edel) als die innere Schutzschicht 14 sowie als auch die äußere Schutzschicht 16 aufweist.

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Es ergibt sich so, daß das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.l im besonderen zur Verwendung dort günstig ist, wo nur eine Fläche des Mehrschichtkörpers einer korrodierenden oder möglicherweise korrodierenden Umgebung ausgesetzt ist. Beispiele für solche Anwendungen sind die Verwendung einer solchen Mehrschi chtkonstruktion als Baumaterial, wo nur eine Fläche der äußeren Umgebung ausgesetzt ist, die Verwendung des Materials bei der Herstellung von Gefäßen, bei denen nur eine Fläche dem korrodierenden Medium oder der Umgebung ausgesetzt ist usw..

In vielen Fällen ist jedoch auch daran gedacht, daß die Mehrschichtkonstruktion gemäß der Erfindung dort verwendet werden kann, wo entgegengesetzte Flächen der möglicherweise korrodierenden Umgebung ausgesetzt sind. In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Korrosionsschutz an entgegengesetzten Flächen eines Kernes 20 vorhanden ist. Wie dargestellt, ist eine Mehrschichtauflage 22 aus einer Vielzahl von metallurgisch miteinander verbundenen Schichten mit der oberen Fläche eines Kernes 20 verbunden, während eine ähnliche Mehrschichtauflage 24 aus einer Vielzahl von metallurgisch verbundenen Schichten mit der unteren Fläche des Kernes 20 verbunden ist. In diesem Spezielfall weist die Mehrschichtauflage 22 eine innere Schutzschicht 26, eine äußere Schutzschicht 28 und eine Zwischenschicht 30 zwischen diesen Schutzschichten auf. Die Schutzschichten 26 und 28 sind aus Materialien gebildet, die jeweils eine geringere elektrochemische Reaktionsfähigkeit und die zugehörige höhere Edelmetalleigenschaft als die Zwischenschicht 30 haben. Zusätzlich hat die Zwischenschicht 30 vorzugsweise eine größere Stärke als die beiden Schutzschichten 26 und 28, um so ein größeres Materialvolumen zur Aufopferung bei Korrosion zu haben. In ähnlicher Weise weist

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die Mehrschichtauflage 24 eine innere Schutzschicht 32, eine äußere Schutzschicht 34 und eine Zwischenschicht 35 auf, wobei die Zwischenschicht 36 eine größere elektrochemische Reaktionsfähigkeit und damit eine geringere Edelmetalleigenschaft als die beiden Schutzschichten 32 und 34 hat. Zusätzlich hat die Zwischenschicht 36 aine etwas größere Stärke als die beiden Schutzschichten 32 und 34, um so ein größeres Volumen zu besitzen, das der Korrosion geopfert werden kann. Es ergibt sich so,daß dieses Ausführungsbeispiel im wesentlichen den gleichen selbstbegrenzenden Korrosionsschutz wie die Ausführungsform gemäß Fig.l und 2 hat, jedoch ist der Schutz an entgegengesetzten Flächen des Kernes vorhanden.

Verschiedene Beispiele für korrosionswiderstandsfähige Konstruktionen gemäß Fig.3 wurden bereits hergestellt und mit Vorteil beim Aussetzen einer korrodierenden Umgebung geprüft, die aus einer ungefähr 200 Stunden langen Salzbesprühung bestanden. Diese Beispiele sind wie folgt:

Beispiel 1 ^:

Ein Kern wurde aus 1006 AK Stahl gebildet, der ungefähr 99,5 % Eisen, ungefähr 0,40 % bis 0,25 % Mangan, ungefähr 0,04 % Phosphor, ungefähr 0,05 % Schwefel und ein Maximum von ungefähr 0,08 % Kohlenstoff hatte. Der Kern hatte die Form einer im wesentlichen flachen Tafel von einer Stärke zwischen ungefähr 0*312 bis 0,328 mm (0,0123 bis 0,0129"). Mit entegegengesetzten Flächen des Kernes wurden im wesentlichen identische, metallurgisch verbundene Mehrschichtauflagen metallurgisch verbunden, wobei jede Auflage eine Innenschicht, eine Zwischenschicht und eine Außenschicht aufwies.

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Die inneren und äußeren Schichten betrugen ungefähr 20 % der Stärke der Auflage und die Zwischenschicht ungefähr 60 %. Die inneren und äußeren Schutzschichten hatten jeweils eine Stärke von 1,22 bis 5,49 u (0,000048 bis 0,000216") und die Zwischenschicht war ungefähr 14,2 bis 22,8 u (0,000560 bis 0,000896") stark. Die inneren und äußeren Schichten waren aus Messing mit ungefähr 90 % Kupfer und 10 % Zink, während die Zwischenschicht aus 1006 AK Stahl wie oben beschrieben bestand. Der Kern hatte ungefähr 90% der gesamten Stärke der Mehrschichtkonstruktion, während die einzelnen Auflagen ungefähr 5 % der gesaraten Stärke einnahmen.

Beispiel 2

Es wurde ein Kern aus 1006 AK Stahl gebildet, dessen Zusammensetzung im wesentlichen der Zusammensetzung nach Beispiel 1 entsprach, doch war die Stärke hier zwischen ungefähr 0,323 bis 0,340 mm (0,0127 bis 0,0134"). Mit entgegengesetzten Flächen des Kernes wurden im wesentlichen identische, metallurgisch gebundene Mehrschichtauflagen metallurgisch verbunden, die eine Innenschicht, eine Außenschicht und eine Zwischenschicht aufwiesen. Die inneren und äußeren Schutzschichten nahmen ungefähr 5 % und die Zwischenschicht ungefähr 90 % der Stärke der Auflage ein. Die inneren und äußeren Schutzschichten waren ungefähr 0,61 bis 2,84 u (0,000024 bis 0,000112") und die Zwischenschicht ungefähr 17,9 bis 32,1 u (0,000704 bis 0,001264") stark. Die inneren und äußeren Schutzschichten waren aus Messing mit ungefähr 90 % Kupfer und 10 % Zink, während die Zwischenschicht aus 1006 AK Stahl,wie im Beispiel 1,bestand. Der Kern nahm ungefähr 90 % der gesamten Stärke der Mehrschichtkonstruktion aLn, während die Auflagen ungefähr 5 % der gesamten Dicke aufwii ium.

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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist eine Vielzahl von metallurgisch verbundenen, metallischen Mehrschichtauflagen, ähnlich der Auflage 12 miteinander und mit entgegengesetzten Flächen des Kernes verbunden, um so einen weiteren erhöhten Korrosionsschutz durch Vielfachsperren herzustellen. Um dies zu erreichen, wird eine sich wiederholende Anordnung aus metallurgisch gebundenen Schichten gebildet, die sine Vielzahl von Korrosionssperren zum Schutz d^s Kernes hat, wobei sich jeweils eine Umkehrung der Korrosionswirkung und der aufopfernden Korrosion ergeben, wie dies in Verbindung mit Fig.2 erklärt ist. Es wird hier beispielsweise ein Kern 40 vorgesehen, der vorzugsweise aus billigem, metallischem Material besteht, beispielsweise aus niedergekohltem Stahl. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel'ist ein Paar von metallurgisch verbundenen, metallischen Mehrschichtauflagen 42.und 44 mit der oberen Fläche des Kernes und ein weiteres Paar von metallurgisch verbundenen/Menrschichtauflagen 46 und 48 mit der entgegengesetzten unteren Fläche des Kernes fest verbunden. Die Auflagen 42 _r 44 und 46, 48 sind im wesentlichen ähnlich wie die Auflage 12 und sind vorzugsweise metallurgisch miteinander und außerdem noch mit den betreffenden Flächen des Kernes 40 verbunden. Im besonderen weist die Auflage 42 eine innere Schutzschicht 50, eine äußere Schutzschicht 52 und eine Zwischenschicht 54 auf, wobei die inneren und äußeren Schutzschichten aus metallischen Materialien bestehen, die elektrochemisch weniger reaktionsfähig sind, beispielsweise einen höheren Edelmetallcharakter haben als die Zwischenschicht 54. Damit kann 'lie Zwischenschicht 54 nunmehr aufopfernd dann korrodieren, v/ann eine körpsrliche Diskontinuität in der äußeren Schutzschicht auftritt, so daß die inneren und äußeren Schutzschichten, wie oben das näheren erklätt, geschützt werden. Die Auflagen 44, 46 und 48 sind vorzugsweise identisch mit der Auflage \2 und hciben innere und äußere Schutzschichten, wobei eine 'Zwischenschicht:

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zwischen diesen Schutzschichten aus einem Material mit einer höheren elektrochemischen Reaktionsfähigkeit und einer geringeren Edelmetalleigenschaft als die inneren und äußeren Schutzschichten angeordnet ist. Zwar sind nur wwei derartige Auflagen gezeigt, die an entgegengesetzten Flächen des Kernes 40 befestigt sind, doch können zusätzlich weitere Auflagen angebracht sein, um den Korrosionsschutz zu erhöhen. Bedeutsam in diesem Zusammenhang ist die sich wiederholende Art der einzelnen Laminate, die ein iteratives Muster bilden, und zwar mit einer inneren und äußeren Schutzschicht und einer Zwischenschicht, die eine größere elektrochemische Reaktionsfähigkeit und eine geringere Edelmetalleigenschaft als die beiden Schutzschichten hat, um so den gewünschten selbstbegrenzenden Korrosionswiderstand zu erzielen.

In typischer Weise sind die inneren und äußeren Schutzschichten dieser Konstruktionen aus einem Material, beispielsweise Messing, Kupfer oder rostfreiem Stahl, während die zugehörige Zwischenschicht aus einen Material, wie beispielsweise niedergekohltem Stahl, Zink, Mangan oder einem anderen metallischen Material sein kann, das eine größere elektrochemische Reaktionsfähigkeit und damit eine geiingere Edelnetalleigenschaft als die die inneren und äußeren Schutzschichten hat. Da eine bedeutsame Eigenschaft zum Erreichen des selbstbegrenzenden Korrosionsschutzes gemäß der Erfindung die Anordnung einer Schicht mit einer höheren elektrochemischen Reaktionsfähigkeit als die inneren und äußeren Schichten ist, sind zahlreiche andere Konstruktionen ohne weiteres vorhanden. Beispielsv.'eise können die inneren und äußeren Schutzschichten aus Messing mit ungefähr 85 % Kupfer und 15 % Zink sein, während die Zwischenschicht aiis Messing mit ungefähr 75 % Kupfer und 25 % Zink sein kann, um die gewünschten Wirkungen zu erreichen. Die Wahl

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der betreffenden Materialien hängt natürlich von der endgültigen Verwendung der Konstruktion und den gewünschten Eigenschaften ab. Dort wo beispielsweise eine Lötbarkeit erwünscht ist, kann es wichtig sein, die äußere Schutzschicht aus einem Material, wie beispielsweise Kupfer, herzustellen, das ohne weiteres lötfähig ist. In anderen Fällen kann sich die Wahl der Materialien auch aus wirtschaftlichen Gründen ergeben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.5 dargestellt, wo ebenfalls ähnliche metallische Mehrschichtauflagen an entgegengesetzten Flächen eines Kernes angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kern 56 vorzugsweise aus einem relativ billigen Metall, wie beispielsweise niedergekohltem 8tahl_; vorgesehen. Die metallischen Mehrschichtaüflagen 58 und 60 weisen jeweils eine Vielzahl'von metallurgisch verbundenen Schichten auf und sind dann an entgegengesetzten oberen und unteren Flächen des Kernes 56 befestigt. Die Auflagen 58 und 60 sind vorzugsweise metallurgisch mit den betreffenden Flächen des Kernes 56 verbunden, wie dies bereits oben beschrieben wurde. Zusätzlich sind die Auflagen 58 und jeweils in einer vorbestimmten Wiederholung angebracht. Aus Gründen der Einfachheit wird nur eine Auflage 58 im einzelnen beschrieben, da aie Auflage 60 vorzugsweise mit dieser identisch ist. Die Auflage 58 hat eine Vielzahl von metallischen Schichten, die in einer vorbestimmten Wiederholung angeordnet sind, und weist eine innere Schutzschicht 62 und' eine äußere Schutzschicht 64 und eine Zwischenschicht 66 zwischen diesen Schutzschichten 62 und 64 auf. Ferner ist eine weitere Zwischenschicht 68, die von der Zwischenschicht 66 durch die Schutzschicht 64 getrennt ist, und eine weitere äußere Schutzschicht 70 angebracht. Die Zwischenschichten 66 und 68 sin^d. aus einem Material mit einer größeren elektrochemischen Reaktionsfähigkeit und haben daher eine geringere Edelmetalleigenschaft

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als irgendeine der Schutzschichten 62, 64 und 70. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Anordnung der Lagen der Auflage 58 eine Zwischenschicht aufweist, die zwischen Materialschichten mit geringerer elektrochemischer Reaktionsfähigkeit und einer höheren Edelmetalleigenschaft als die Zwischenschichten angeordnet ist. Die Wirkungen der Korrosion, die sich nachträglich bei Auftreten einer körperlichen Diskontinuität in einer der Schutzschichten 62, 64 und 70 bilden könnte, sind daher im wesentlichen auf ein Minimum herabgesetzt, da beide Zwischenschichten 68 und 66 im wesentlichen als Opferungsschichten funktionieren, die bevorzugt relativ zu den Schutzschichten 62, 64 und 70 korrodieren. Zusätzlich ist die Anordnung der Schichten der Auflage 58 derart, daß eine opferungsweise korrodierende Schicht zwischen Schutzschichten angeordnet ist, um so die Vorteile einer Korrosionsumkehr, wie oben erklärt, zu erreichen. Im übrigen ist das dargestellte Ausführungsbeispiel ähnlich der Fig.4, wo Auflagen 42 und 44 miteinander verbunden sind, und ein Paar von Opferungsschichten vorgesehen ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 sind Zwischenschichten 66 und 68, die opferungsmäßig korrodieren können, zwischen Schichten so eingelegt, daß die Vorteile der Anordnung eines Paares von Schichten für ein opferungsweises Korrodieren vorhanden ist, während jedoch eine der Schutzschichten wegfällt.

Die Konstruktion gemäß Fig.5 kann in manchen Fällen erwünscht sein, da sie insofern etwas wirtschaftlicher ist, als eine geringere Materialmenge notwendig ist. Gegebenenfalls kann die Konstruktion gemäß Fig.5 noch insofern etwas abgewandelt werden, als zusätzliche Schichten aus metallischem Material in metallurgischem Verbund zu den Auflagen 58 und 60 hinzugefügt werden, wobei der dargestellten, sich wiederholenden Anordnung von benachbarten Schichten mit mehr und weniger elektrochemisch

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reaktionsfähigem Material gefolgt wird. Die bei der Bildung der Konstruktion gemäß Fig.5 benutzten Materialien sind im wesentlichen ähnlich den oben beschriebenen. Beispielsweise kann der Kern 56 aus niedergekohltem Stahl sein, während die verschiedenen Schutzschichten 62, 64 und 70 aus Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Messing, rostfreiem Stahl usw. sein können. Die Zwischenschichten 66 und 68 bestehen beispielsweise ebenfalls aus niedergekohltem Stahl, Zink, Mangan usw., wobei die endgültige Wahl von den gewünschten Eigenschaften abhängt.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die dargestellten und beschriebenen Konstruktionen gemäß der Erfindung in verschiedenen Größen, Formen und Abmessungen hergestellt werden können. Zwar sind der Einfachheit halber die Körper hier in Art von relativ flachen Tafeln dargestellt, doch können die Konstruktionen auch ohne weiteres die Form von Stangen, Rohren usw. annehmen und dabei beliebige Querschnitte, beispielsweise von rechteckiger, kreisförmiger oder sonstiger Form, aufweisen. Zusätzlich können metallische Konstruktionen mit dem selbstbegrenzenden Korrosionsschutz gemäß der Erfindung ohne weiteres in die gewünschte Form von Zwischen- oder Endprodukten, wie beispielsweise Rohren, Gefäßen, Heiztanks, Radiatoren usw., verformt werden, oder sie können als verschiedene Arten von Bauelementen benützt werden, beispielsweise zur Aufnahme einer Vielzahl von korrodierenden und nichtkorrodierenden Fließmedien bei Kraftwagen, gegebenenfalls als Ersatz der üblichen Messingradiatoren usw..

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Claims

23.7.1970

Patentansprüche

Γ1. Korrosionswiderstandsfähiger, metallischer Mehrschichtkörper mit einer Grundschicht, die auf mindestens einer
Seite eine Mehrschichtauflage aufweist, die mindestens aus einer äußeren Schicht und einer darunter liegenden Zwischenschicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung derart ist, daß die Zwischenschicht (18) aus einem Metall "besteht, das weniger edel als das der benachbarten, als Schutzschichten (16, 10; 16,14) bezeichneten Schichten ist, von denen die eine die äußere Schutzschicht (16) ist, während die andere Schutzschicht entweder die Grundschicht (10) oder eine der Grundschicht benachbarte, zusätzliche
Schutzschicht (14) ist. ·
2. Mehrschichtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (18) anodisch in Bezug auf die benachbarten Schutzschichten (10, 16; 14,16) ist.
3· Mehrschichtkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (18) eine größere chemische Reaktionsfähigkeit als die zugehörigen Schutzschichten (14, 16) hat.
4- Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtauflage (22, 24) auf mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten der Grundschicht (10) aufgebracht ist.
5. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Mehr schicht-^ auflage (42, 44; 46, 48) sich wiederholt.
6. Mehrschichtkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei wiederholter Anordnung der aus zwei Schutzschichten (62, 64; 64, 70) und einer Zwischenschicht (66, 68) beste-

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henden Dreischichtauflage benachbarte Schutzschichten zu einer Schutzschicht (64) zusammengefaßt"sind.
7. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschichtauflage (12) ein fester Körper ist, der mit der Grundschicht (10) fest verbunden ist.
8. Mehrschichtkurper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,' dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten metallurgisch miteinander verbunden sind.
9· Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (18) erheblich stärker als die Schutzschichten (14, 16) - außer der Grundschicht als Schutzschicht - ist und vorzugsweise eine vielfache Stärke derselben hat.
10. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Anbrüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrsehichtauflage (12) ungefähr 5,6 $> der Grundschicht (10) beträgt.
11. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (18) ungefähr 60 - 90 io und die Schutzschichten (14, 16) ungefähr 20 - 5 i> der Stärke einer Dreischichtauflage (12) einnehmen.
12. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (10) eine Stärke von ungefähr 0,312 bis 0,328 mm (0,0123 bis 0,0129"), die Zwischenschicht (18) eine Stärke von ungefähr 14,2 bis 22,8/u (0,000560 bis 0,000896") und die Schutzschichten (14,16) eine Stärke von ungefähr 1,22 bis 5,49/ü (0,000048 bis 0,000216") haben.

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13. Mehrschichtkörper nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (10) eine Stärke von ungefähr 0,323 Ms 0,340 mm (0,0127 Ms 0,0134"), die Zwischenschicht (18) eine Stärke von ungefähr 17,9 Ms

■ 32,1 /u (0,00074 Ms 0,001264") und die Schutzschichten (14, 16) eine Stärke von ungefähr 0,61 "bis 2,84/u (0,000024 Ms 0,000112") nahen.
14. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet _t daß die Grundschicht (10) aus niedergekohltem Stahl und die Zwischenschicht (18) aus niedergekohltem Stahl oder Zink oder Mangan oder einer Legierung aus diesen Metallen ist.
15. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschichten aus Messing oder Kupfer oder rostfreiem Stahl sind.
16. Mehrschichtkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (1O) und die Zwischenschicht (18) aus niedergekohltem Stahl und die Schutzschichten (14, 16) aus Messing sind.
17. Mehrschichtkörper nach einem der Ansprüche 14 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß der niedergekohlte Stahl ungefähr 99»5 $> Eisen, maximal 0,08 % Kohlenstoff und vorzugsweise 0,40 Ms 0,25 # Mangan, 0,40 % Phosphor und 0,050 $> Schwefel enthält.
18. Mehrschichtkörper nach einem der Ansprüche 15 - 17* dadurch gekennzeichnet, daß das Messing ungefähr 90 $> Kupfer und 10 i> Zink enthalt.

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