DE2428310A1 - Metallverbundmaterial sowie verfahren zur herstellung eines metallverbundmaterials - Google Patents

Description

COHATJSZ & FLORACK

PATBNTANWALTSBÜRO 242 VW 1 U

4 DÜSSELDORF SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE: Dipl.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER

Teikoku ^iston Rins; ~o., Ltd.
1-9-9, Yaesu, "huo-ku
Tokyo, Japan

Metallverbundmaterial sowie Verfahren zur Herstellung eines Metall-

verbundmaterials

Die Erfindung betrifft ein Metallverbundmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundmaterials, bei dem eine dünne Aluminiumschicht fest mit einem Metallsubstrat verbunden ist oder wird, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium Bist.

Der Begriff "Aluminium¹¹, wie er hier verwendet wird, bezieht sich, wenn nichts Gegenteiliges angeführt ist, auf technisch reines Aluminium und auf Aluminiumlegierungen.

Der Begriff "ein Metall, das nicht Aluminium ist", wie er hier verwendet wird, betrifft ein Metall, das in Aluminium diffundierbar ist und in das Aluminium diffundierbar ist, und zwar bei einter Temperatur, die niedriger sowohl als die Schmelzpunkttemperatur des Metalls als auch die des Aluminiums ist. Dieses Metall kann aus Fe, Ti, Nm, Ta, Zr, Ni, Co, Cr, Mn, Be, Ag, Cu und Legierungen ausgewählt sein, die als ein Grundkomponentenmetall mindestens eines der vorstehend genannten Metalle enthalten.

Allgemein werden Aluminiummaterialien und aluniniumbechichtete Materialien im großen Umfange in den verschiedensten Bereichen verwendet, weil sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit in säurehaltigen Atmosphären und eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur haben und weil sie wegen ihres guten Aussehens, wenn sie als Sichtflächen verwendet werden, für dekorative Zwecke gut geeignet sind.

Wa/Ti - 2 -

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Die Beschichtung von Metall mit Aluminium wird gewöhnlich nach einer herkömmlichen Heißtauchmethode oder nach einer galvanischen Methode oder Arbeiten mit einem nichtwässrigen Medium durchgeführt. Bei der Heißtauchmethode wird das zu beschichtende Metall in ein heißes Bad aus geschmolzenem Aluminium eingetaucht. Diese Methode hat verschiedene Nachteile, weil beispielsweise die Aluminiumbesc hichtung in ihia: Dicke ungleichförmig ist und in ihrer Zusammensetzung ungleichmäßig ist. Besondere dann, wenn das zu beschichtende Metall in ein geschmolzenes Aluminiumbad eingetaucht wird, das eine Temperatur hat, die höher als der Schmelzpunkt des Aluminiums ist, diffundieren Teile des Aluminiums und des anderen Metalls ineinander und bilden intermetallische Verbindungen in der Grenzschicht zwischen der Aluminiumbeschicbtung und der Metallsubstratlage. Diese intermetallischen Verbindungen haben eine hohe Sprödigkeit und führen deshalb zu einer Minderung in der Verarbeitungsfähigkeit des aluminiumbeschichteten Materials. Demgemäß ist es wünschenswert, daß das Aluminium auf das Metallsubstratmaterial bei einer relativ niedrigen Temperatur aufgeschichtet wird.

Die Galvanobeschichtungsmethode für das Metallsubstratmaterial kann bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Diese Methode ist jedoch nachteilig, weil das nichtwässrige Medium entflammbar und für den Menschen schädlich ist. Demgemäß besteht ein Bedarf, das Aluminium auf das Metallsubstratmaterial aufschichten zu können, ohne daß ein entflammbares und schädliches nicht-wässriges Medium verwendet werden muß.

Demgemäß sind verschiedene neue Arten von Metallverbundmaterialien entwickelt worden, um Defekte in den Eigenschaften der herkömmlichen Metallverbundmaterialien zu beseitigen und den Verbrauch des Metallmaterials wirtschaftlicher zu gestalten. Venn dieee neu entwickelten Verbundmaterialien jedoch ia induttriellen Maßstab hergestellt oder verwendet werden, gibt es zahlreichem Schwierigkeiten in der Metallbearbeitung, beispielsweise ein Kaltpreßbearbeiten und ein Heißpreßbearbeiten. Bisher gibt es kein Verfahren, mittels dessen diese Schwierigkeiten besetitigt werden.

In de» Fall, bei dem Zweikonponenten-Metallmaterialien mit Härten, die

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stark voneinander abweichen, beispielsweise Ti und Al, durch eine Kaltpreßbindemethode in ein Verbundmaterial gebracht werden, hat also das entstehende Verbundmaterial eine schlechte Bindefestigkeit. Das liegt daran, daß die Unterschiede in der Härete der beiden Komponentenmetalle zu großen Unterschieden in dem Maß der Verformung führt, der sie unterliegen, während sie eine Walzmühle durchlaufen, ebenso im Maß der Längung nach dem Walzen und im Maß der Rückfederung. Diese Unterschiede bewirken eine hohe Scherkraft zwischen den Komponentenmetal!materialien, die in einen Verbundmaterialkörper gebunden sind, und folglich kann eine feste Bindung zwischen den Komponentenmetallmaterialien nicht bewirkt werden.

Andererseits ist die herkömmliche Heißpreßbindemethode insofern nachteilig, weil alle Vorgänge, unter anderem die Wärmebehandlung und das Heißziehen, beispielsweise das Heißwalzen, unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden müssen. Das liegt daran, daß eine Tendenz zur Erzeugung eines Oxidfilme besteht, der fest mit dem Komponentenmaetallmaterial verbunden ist, beispielsweise Titan und Edelstahl, welches mit dem Aluminium zu verbinden ist, und zwar in den Heißpreßbindeverfahren. Ein solcher Oxidfilm verhindert ein festes Binden der Komponentenmetallmaterialien miteinander. Die Notwerd-gkeit zum Arbeiten unter Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre bewirkt, daß die Heißpreßbindevorrichtung groß sein muß, und dadurch entstehen hohe Kosten und eine große Aufwendigkeit des Heißpreßbindeverfahrens. Die vorstehenden Kachteile machen die Heißpreßbindemethode im industriellen Maßstab schwer durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen in einem einfachen Arbeitsgang ein Metallverbundmaterial hergestellt wird, das eine dünne Aluminiumschicht hat, die fest mit einem Substratmaterial verbunden ist, das au« einem Metall besteht, welches nicht Aluminium ist, wfchei die Aluminiumechioht wirksam wird, um ein Aluminiummaterial mit dem Metallsubstratnaterial durch sich fest zu verbinden. Ferner liegt der Erfindung die. Aufgabe zugrunde, ein Metallverbundmaterial der vorstehend genannten Art zu schaffen.

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Veiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Metallverbundmaterials im industriellen Maßstab, das eine dünne Aluminiumschicht hat» die fest mit einem Subtratmaterial verbunden ist, das aus eine» Metall besteht, das nicht Aluminium ist, ohne daS ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Metalleubstratmaterials entsteht, und sie bezweckt die Herstellung eines Metallverbundmaterials der vorstehend genannten Art.

Veiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Metallverbundmaterials mit einer dünnen Aluminiumschicht, die fest mit einem Substratmaterial verbunden ist, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, ohne daß intermetallische Verbindungen des anderen Metalls und Aluminiums in einer Grenzschicht zwischen ihnen entsteht. Veiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Metallverbundmateriale, das die vorstehend genannten Eigenschaften hat.

Veiter soll gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundmaterials geschaffen werden, da« eine Aluminiumschicht hat, die fest mit einem Substratmaterial verbunden ist, welches aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, und zwar durch eine dünne Aluminiumschicht, die zuvor mit dem Metallsubstratmaterial verbunden worden ist, und ee soll ein Verbundmaterial der vorstehend genannten Art geschaffen werden.

Dazu ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Aluminiumfolie auf eine Fläche eines Substratmaterial· gelegt wird, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium istι daß die Aluminiumfolie mit dem Metallsubstratmaterial kaltdruckverbunden wird, und zwar mit einer Querschnittsverminderung zwischen und 40$, und daß das verbundene Material einer Siffusiontwärmebehandlung bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die niedriger als die Schmelzpunkte sowohl der Aluminiumfolie als auch des Substratmaterials ist.

Der Segriff "Quersohnittsverminderung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Verhältnis in Prozentzahlen der Pickenverringe-

rung des Metallmaterials durch Fressen des Metallmaterials zu der ursprünglichen Sicke desselben. D.h., vorausgesetzt, d_ftß die ursprüngliche Dicke des Metallmaterials T beträgt und die Dicke des gepreßten Metallmaterials t beträgt, gilt die folgende Bezciehungi

λ. ι. -0.x '4 α fa\ #100 ίτ-t)

Querschnittsverminderung (4) = ⁱ

Beim Verfahren gemäß der Erfindung kann das Substrataaterial aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pe, Ti, Nu) Ta, Zr, Ni, Co, Cr, Mn, Be, Ag, Cu und Liegerungen besteht, die als ein Grundkomponentenmetall mindestens eines der vorstehend genannten Metalle enthält. Diese Metalle können sich in das Aluminium hinein diffundieren, und zwar bei der Diffusionswärmebehandlungstemperatur. Ferner kann Aluminium bei der vorstehenden Temperatur in die vorstehend ge-, nannten Metalle hineindiffundieren.

Die Aluminiumfolie, die für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbar ist, kann aus einem technisch reinen Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die beispielsweise einen kleinen Anteil an Silizium oder Magnesium enthält.

Die Aluminiumfolie hat vorzugsweise eine Dicke von 1 bis I50 », vorzugsweise jedoch besser 1 bis 50 ». TJm ein Zomponentenmetallmaterial mit dem anderen Komponentenmetallmaterial durch Saltpreßbinden zu verbinden, ist es, allgemein gesprochen, erforderlich, das !Componentensaterial mit einer hohen Querschnittsverminderung zu pressen. Selbst wenn das Fressen sukzessive in mehreren Schritten durchgeführt wird, ist es erforderlich, daß das erste Pressen mit einer Querschnittsverminderung von mindestens 3056 durchgeführt wird. Wenn jedoch eine Aluminiumfolie, die eine viel geringere Dicke als die des Substratmaterials hat, mit dem Substrataaterial zusammengepreßt wird, ist es möglich, sie kaltpreßzuverbinden, selbst wenn die Querschnittsverminderung relativ gering ist und das Substratmaterial eine relativ große Härte hat. Das lieft daran, daß der auf die dünne Aluminiumfolie einwirkende Druck mit sehr hohem Wir-

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kungsgrad auf die Grenzfläche zwischen der Aluminiumfolie und dem Substratmaterial durch die dünne Folie übertragen werden kann, was nur einen sehr kleinen Teil des Drucks erfordert, um für eine Verformung zu sargen. Ferner ist zu beachten, daß die Aluminiumfolie leicht der Verformung des Substratmaterials während des Fressens folgen kann. Gemäß der Erfindung kann die Aluminiumfolie also mit dem Substratmaterial mit einer relativ geringen Querschnittsverminderung von zwischen 5 und 405^ ikaltdruckverbunden werden. Venn die Querschnittsverminderung weniger als 5% beträgt, hat das entstehende Verbundmaterial eine nicht ausreichende Bindefestigkeit für den ^praktischen Gebrauch. Wenn andererseits die Querschnittsverminderung mehr als 40% beträgt, führt das Kaltpressen zu einer unerwünschten Verhärtung des Verbundmaterials. Diese Verhärtung bewirkt eine hohe Sprödigkeit des Verbundmaterial β.

Um eine feste Bindung zu erreichen, werden dale Aluminiumfolie und das Substratmaterial vorzugsweise zuvor an den zu verbindenen Flächen gereinigt. Die Heinigung der Folie und des Substratmaterials kann durch. Eintauchen in einer Entfettungsflüssigkeit wie einer organischen Flüssigkeit, einer sauren wässrigen Lösung oder einer alkalischen wässrigen Lösung bewirkt werden. Die entfettende organische Flüssigkeit kann Methylalkohol, Äthylalkohol, Aceton, Trichloräthylen oder Tetrachloräthylen sein. Die entfettende saure wässrige Lösung kann Salzsäure, Schwefelsäure, Oialsäure-Hatriumbichromat oder Phosphorsäure enthalten. Weiter kann die entfettende alkalische wässrige Lösung Natriumhydoxid, Natriumcarbonat, Natriumsilicat oder Natriummetasilicat enthalten. Diese entfettenden Flüssigkeiten und Lösungen kann ein flächenaktives Mittel enthalten.

Da« Kaltprtßverbinden in den erfindungsgemäßen Verfahren kann mit der herkömmlichen Vorrichtung durchgeführt werden, beispielsweise Kaltwalzwerken und Kaltziehmaschinen.

Ferner kann di· Kaltpreßverbindung durch ein Walzwerk unter Eückstrekkung der Aluminiumfolie bewirkt werden, di· über den Subetratmaterial

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liegt. Durch diese Rückstreckung kann die Aluminiumfolie gleichmäßig mit dem Subtratmaterial verbunden werden.

Nach Abschluß des Kaltpreßverbindens werden die verbundenen Werkstoffe einer Diffusionswärmbehandlung bei einer !Temperatur unterzogen, die niedriger als die der beiden Schmelzpunkte der Aluminiumfolie und des Metallsubstratmaterials ist, vorzugsweise jeodch nicht niedriger als 200⁰C, und noch besser 300 bis 45O⁰C beträgt. Durch Erhitzen mit der vorstehend angegebenen Temperatur kaönnen daie Aluminiumfolie und das Subtratmaterial ineinander dinffundieren, um eine Diffueionsschicht in der Grenzpartie derselben zu bilden} in dieser Diffusionswärmebehandlung ist zu beachten,· daß keine intermetallische Verbindung in der Diffusions schicht entsteht. Das liegt daran, daß die Behandlung bei einer rektiv niedrigen Temperatur durchgeführt wird. Wenn die Diffusionsbehandlungstemperatur weniger als 200⁰C beträgt, sind die Diffusionsratendes Aluminiums und des Metallsubstrats sehr niedrig, und deshalb kann die Diffusion nicht in einem Zeitraum abgeschlossen werden, der für industrielle Zwecke praktikabel ist. Wenn die Temperatur für die Diffusion ferner höher als einer der beiden Schmelzpunkte der Aluminiumfolie oder des Substratmaterials ist, entstehen unerwünschte intermetallische Verbindungen in der Diffusionsschicht. Diese intermetallischen Verbindungen bewirken eine geringe Bindefestigkeit des Verbundmaterials auf Grund der hohen Sprödigkeit.

Die Diffusionswärmebehandlung wird solange durchgeführt, wie das erforderlich ist, um die Diffusion bis zum erforderliohen Maße abzuschließen, gewöhnlich fünf Minuten bis zwei Stunden.

Das vorstehend genannte Verfahren gemäß der Erfindung hat die folgenden Merkmale.

(1) Das Verhältnis in der Dicke der Aluminiumfolie zur Suauae des Substratmaterials und der Aluminiumfolie ist sehr klein. Allgemein ist bekannt, daß je kleiner das Dickenverhältnis, desto größer die Spannung, die vertikal auf die Grenzfläche zwischen der Aluminiumfolie und dem Substratmaterial einwirkt. Die große vertikale Spannung führt

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dazu, daß die Bindefestigkeit des Verbundmaterials groß ist.

(2) Beim Kaltpreßverbinden wird eine Scherkraft, die auf die Grenzfläche zwischen der dünnen Aluminiumfolie und dem Substratmaterial einwirkt, durch das Substratmaterial absorbiert, das eine sehr große Sicke im Vergleich zu der der Aluminiumfolie hat. Entsprechend wirkt ein kleiner (Feil der Scherkraft auf die Aluminiumfolie. Mit anderen Worten, die dünne Aluminiumfolie kann leicht der Verformung des Substratmaterials folgen.

(3) Wenn die Aluminiumfolie und das Substratmaterial sauber sind, können sie in der Biffusionswärmbehandlung ineinander hinein diffundieren, um damit eine metallurgisch feste Bindeschicht zwischen sich zu bilden.

(4) Sie Sicke der Aluminiumschicht ist leidcht einstellbar, indem die Aluminiumfolie gewählt wird, die die erforderliche Sicke hat.

Sas nach dem vorstehend genannten Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Verbundmaterial hat die folgenden Vorteile.

(1) Gleichmäßige Sicke der Aluminiumaufschicht.

(2) Ausgezeichnete Bearbeitbarkeit. Sas liegt daran, daß keine intermetallische Verbindung in der Siffusionsschicht vorhanden ist.

(3) Gleichmäßige Zusammensetzung der Aluminiumaufschicht. Siese Verbindungssusammensetsung kann nach Bedarf ohne weiteres gewählt werden.

(4) Keine Änderung in der Qualität des Substratmaterials. Sas liegt daran, daß ein Kalt- anstelle eines Warmverbindens bewirkt wird.

(5) Keine Nadellöcher in der Aluminiumsohicht.

(6) Festliegende Arbeitszeit. Sas heißt, selbst wenn die Sicke der zu verbindenden Aluminiumfolie geändert wird, bleibt die Arbeitszeit konstant.

(7) Große Wahlmöglichkeiten in dem Substratmaterial aus den verschiedensten Metallen.

Sas erfindungsgemäße Verfahren kann weiter dadurch gekennzeichnet •ein, daß ein Aluminiummaterial auf die Aluminiumfoliefläche des verbundenen Materials gelegt '»ird und daß das aufgelegt· Aluminiummaterial mit tem verbundenen Mfttesial bei einer Temperatur heifipreßverbun-

den wird, die niedriger als der Schmelzpunkt, jedoch nicht niedriger als der Rekristallisieiungspunkt des Aluminiummaterials ist. Vorzugsweise wird das HeißpreßverMnden bei einer Temperatur zwischen 350 und 45O⁰C durchgeführt. Vorzugsweise wird ferner das Heißpreßverbinden mit einer Querschnitteverminderung der aufeinandergelegten Materal Ii en von 5 bis 60$ durchgeführt. Die Zeitdauer für das Heißpreßverbinden kann je nach der Art» der Dicke und der Form der zu verbindenden Komponentenmaterialien eingestellt werden, und außerdem je nach der Bindetemperatur und der Querschnittsverminderung, der die Komponentenmaterialien unterzogen werden. Während der Heißpreßverbindung werden das Aluminiummaterial und das verbundene Material in der Dicke verringert und in der Oberfläche größerj selbst wenn Oxidfilme auf den Oberflächen des Aluminiummaterials und der dünnen Aluminiumschicht des gebundenen Materials hergestellt werden, können die Oxidfilme während des Heißpreßverbindens reißen, weil die Oxidfilme sehr dünn und nicht schmiedefähig sind. Das heißt, daß die Oxidfilme der Vergrößerung der Oberflächen der Komponentenmaterialien während des Heißpreßverbindens nicht folgen können. Das Reißen des Oxidfilms führt zum Entstehen einer neuen fläche des zu verbindenen Komponentenmaterials. Eine solche neue Fläche wird nicht durch den Oxidfilm bedeckt, und sie ist damit sehr effektiv zur Verbesserung der Bindefestigkeit des entstehenden Verbundmaterials. Demgemäß kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das Aluminiummaterial mit dem anderen Metallmaterial verbunden werden, ohne daß der Oxidfilm darauf beseitigt wird. Da d»s Verbinden des Aluminiummaterials mit dem anderen Metallnaterial durch die dünne Aluminiumschicht bewirkt wird, die feist mit dem anderen Metallmaterial durch die Diffusionssohicht verbunden ist, kann dadurch sichergestellt werden, daß die Bindefestigkeit des entstehenden Verbundmaterials sehr hoch ist. Das heißt, daß das entstehende Verbundmaterial während weiterer plastischer Verarbeitungeschritte weiter verformt werden kann, beispielsweise durch Pressen, Ziehen, Strangpressen, Walzen und Biegen, ohne daß ein Abblättern der Komponentenmaterialien Vom Verbundmaterial erfolgt.

Das in dieser Weise hergestellte Verbundmaterial kann weiter einer

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Warmbehandlung bei einer Temperatur unterzogen werden, die niedriger als alle Schmelzpunkte der Komponentenmetallmaterialien ist, um deren Bindefestigkeit au verbessern.

Allgemin gilt, daß mit der herkömnlichen Kaltpreßbinaemethode es sehr schwer ist, zwei Komponentenmetalle fest miteinander zu verbinden, die stark voneinander abweichende Härten haben. Die vorstehende Schwierigkeit wird jedoch durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Ferner kann gemäß des erfindungsgemäßen Verfahren das Aluminiummaterial fest mit,des verbundenen Material verbunden werden, ohne daß der dort vorhandene Oxidfilm beseitigt wird. Das sind wichtige Vorteile des erfindunsgemäßea Verfahrens.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung

des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2A bis 2C Darstellungen von Schnitten durch Ausführungsbeispiele von Yerbundmaterialien, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, Fig. 3A und JB erläuternde Ansichten von Proben für Bindefestigkeits tests,

Fig. 4 ein Diagramm, das die Verteilung von Aluminium und Eisen in einer Diffusionsechicht eines Metallverbundmaterials zeigt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und Fig. 5 ein Diagramm, das die Verteilung von Aluminium und Eisen in einer Diffusionsschicht in einem Metallverbundmaterial zeigt, das nach der herkömmlichen Heißtauchmethode hergestellt worden ist.

Gemäß Fig. 1 liefert eine M Bolle 1 Metallblech 2, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, beispielsweise Edelstahlblech, als ein Substratmaterial. Das Metallblech 2 wird in einem Entfettungsbad 3 entfettet, in einem Bad 4 mit einer sauren wässrigen Lösung gewa-

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sehen und in einem Bad 5 mit Wasser geyspült. Das Metallblech 2, das in dieser Weise gereinigt worden ist, wird in einem Trockner 6 getrocknet und dann in eine Kaltpreßbindevorrichtung eingeleitet. Eine obere Rolle 7a und eine untere Bolle 7b liefern Aluminiumfolien 8a bzw. 8b. Die Folien 8a und 8b werden auf die Oberseite bsw. die Unterseite des Metallbleohs 2 aufgelegt, und die übereinandergelegten folien und das Blech werden in ein Kaltwalzwerk 9 geleitet, um sie in einen Verbundblechkörper zu verbinden. Sas in dieser Weise entstehenden Verbundmaterial wird in einen Diffusionswärmebehandlungsofen 10 geleitet, und das entstehende Vebundblech wird in eine Rolle 11 aufgewickelt.

Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren wird als kontinuierliches Verfahren durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch intermittierend durchgeführt werden. Ferner kann auch nur eine Aluminiumfolie mit einer Seite des Metallsubstratmaterials verbunden werden. Das Metalleubstrataaterial kann die Form eines Blechs, einer Tafel oder eine sonstige Form haben.

Gemäß Fig. 2A ist eine Substratplatte 12, die aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, beispielsweise Ti, Edelstahl (SUS 304) oder Sonderbaustahl (SS 4Ό» mit einer Aluminiumplatte 13 über eine dünne Aluminiumfolienschicht 14 verbunden. Die Aluminiumplatte 13 kann eine Dicke haben, die entweder kleiner als, gleich wie oder größer als die der Metallsubstratplatte 12 ist.

In Fig. 2B sind zwei Metallsubstratplatten 12a und 12b mit einer Aluminiumplatte 13 durch dünne Aluminiumfolienschichten 14a bzw. 14b verbunden. Die Metallsubstratplatten 12a und 12b können sich in Art des Metalls oder in der Dicke gleichen oder unterscheiden. Die |Pvb?1tWtuhplatte 13 kann eine Dicke haben, die entweder kleiner oder größer als oder gleich wie die des einen oder des anderen Metallsubstrats 12a oder 1b ist.

Ia Fig. 20 ist ©ine Metallaubstratplatte HS a»£ l>eid*n Seiten ait zwei Aluminiumplatten 15a und 13b durch dünne Aluainiuasohioht«n 14a und

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14b verbunden. Die Aluminiumplatten 15a und 13b können seih in Art dee Aluminiums und in der Dicke gleichen oder voneinander unterscheiden.

Die Aluminiumplatten 13a oder 13b können entweder dicker oder dünner oder die gleichen wie die Substratplatte 15 sein.

Fig. 4 zeigt die Verteilung von Aluminium und Eisen in der Diffusionsschicht, die zwischen der Aluminiumfolie und einem Baustahlsubstrat entsteht, das mit der folie nach dem erfindungegemäßen Verfahren verbunden worden ist. Die Kaitpreßverbindung wurde mit einer Qaerschnittsverminderung von 22,75ε durchgeführt. Das verbundene Blech wurde einer Diffusionswärmbehandlung bei einer Temperatur von 400⁰C für die Dauer von 15 Hinuten ausgesetzt.

Die Verteilung von Aluminium und Eisen wurden durch eine Elektronen-

sonden-Röntgenstrahlen-Mikroanalyse mit einer Beschleunigungsspannung

—8 von 25 ET mit einer Elektronenstrahlstärke von 2 ζ 10 A bei einem Durchmesser des Strahls von 3ya gemessen. Sei dieser Messung betrug die Geschwindigkeit des Aufzeichnungsblatte 40 mm/min, und die Geschwindigkeit des Prüfstücks betrug 10yu/min. Als Spektralkristall wurde Hubidiumsäurephthalat (BAF) für Aluminium und Lithiumfluorid (LiF) für Eisen verwendet.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Diffusionsschicht zwischen der AIu-■iniumphase und der Eisenphase sehr dünn ist, weniger als 5/U} sie enthält kein· intermetllaisehe Verbindung. Diese Art der Diffusionsschicht führt zu keiner Zunahme der Sprödigkeit der Verbindungspartie des Verbandmaterials .

Fig. 5 zeigt die Verteilung von Aluminium und Eisen in der Diffusionsschicht, die durch Tauchen eines Saustahlsubstrats in eine Aluminiumsohmelze bei einer T speratur von 75O°C für die Dauer von 450 Sekunden entsteht. Die Verteilung wird nach dem gleichen Verfahren wie in Fig.

trug,

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4 gemessen, außer daß die Elektronenstrahlstärke 3 χ 1θ"⁸ Α betrug,

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der Durohmesser des Strahls 1 u betrug, die Geschwindigkeit des Blatte 20 mm/min betrug und die Geschwindigkeit des Prüfstücks 20 u/min betrug.

In I¹Ig. 5 ist die Diffusionssohicht relativ dick, nämlich mehr als 125 yu, und die Aluminium- und Eisenphase diffundiern ineinander in komplizierten wolkenartigen Formen. Zu beachten ist ferner, daß in Fig. 5 die Pariten A, B und C der Diffusionsschicht Aluminium und Eisen enthalten, und zwar jeweils in einer im wesentlichen konstanten Menge. Das zeigt die !Datsache an, daß eine intermetallische Verbindung in diesen Partien entsteht. Die intermetallische Verbindung bewirkt eine relativ geringe Bindefestigkeit des Verbundmaterials als Folge einer höhen Sprödigkeit desselben.

In den folgenden Beispielen, die zum Zwecke der Darstellung der Erfindung angegeben werden, wurden die Zugfestigkeit und die Scherfestigkeit der Verbundplatten nach der folgenden Methode gemessen.

Zur Zugfestigkeitsmessung wurden mehrere Proben in einer Breite von 25 mm und einer Länge von 100 mm aus der Verbundplatte hergestellt. Die mittlere Partie in einer Länge von 50 mm der jeweiligen Probe wurde bis zum Bruch gestreckt, um die Zugfestigkeit, den Streckpunkt und die Bruchlängung zu bestimmen.

Zur Scherfestigkeitsmessung wurden mehrere Proben mit einer Breite von 1o mm, einer Länge von 100 mm und einer Fora hergestellt, wie si· in Fig. JA und 3B gezeigt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. JA und JB waren die Aluminiumplatte 13 und die Substratplatte 12 in der Probe jeweils durch einen Bruch 21 und 22 in zwei Teile unterteilt, so daß der rechte obere Teil der Aluminiumplatte mit dem linken unteren Teil der Substratplatte über eine mittlere, 3 mm breite Verbindungszon· 23 verbunden war. Die Probe wurde einem Strecken bis zum Scheren de» Verbundaaterials unterzogen.

Beispiel 1

Sine Titanplatte mit einer Dicke von 1,0 ma wurd durch Entfetten alt

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Tricheloräthylen, Spülen mit Wasser, Waschen mit einer wässrigen Lösung aus 2 Gew.-^ Wasserstofffluorid, Spülen mit Wasser und dann Bürsten gereinigt. Eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 15 ja. wurde auf eine Seite des gereinigten Titanblechs gelegt und unter Arbeiten mit eines Walzwerk Mit einer Querschnittsverminderung um 20$ der Gesamtdicke kaltdruckverbunden. Das kaltverbundene Blech wurde einer Diffusionswäraebehandlung unter Arbeiten mit einem Elektroofen mit einer !Temperatur von 350 C für die Bauer einer Stunde unterzogen. Es entstand ein primäres Verbundblech, das aus einer Titansubstratschicht und einer dünnen Aluminiumfolienschicht bestand, die mit der Titanschicht über eine sehr dünne Ti-Al-Diffusionsschicht verbunden war. Eine Aluminiumplatte mit -einer Dicke von 5tO mm wurde mit Trichloräthylen entfettet. Die Aluminiumplatte wurde auf eine Temperatur von 450 C erhitzt und auf die Aluminiumfolienschicht des primären Verbundblechs gelegt. Die aufgelegte Platte und das Blech wurden unter Arbeiten mit einem Heißwalzwerk mit einer Querschnittsveminderung um 40$ bei einer Temperatur von 400⁰G heißpreßverbunden. Die in dieser Weise hergestellte Verbundplatte bestand aus einer Titansubstratschicht mit einer Dicke von ca. 0,8 am und einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von ca. 5*0 mm, die mit der Titanschicht udrch die dünne Aluminiumfelienschicht verbunden war. Die Al-Ti-Verbundplatte wurde bei einer Temperatur von 56O⁰C für die Dauer einer Stunde wärmebehandelt.

Die Al-Ti-Verbundplatte wurde einem Biegetest unterzogen, bei dem die Platte unter einem Winkel von 90° in beide entgegengesetzte Eichtungen gebogen wurde. Ee wurde kein Abblättern des Titanblechs von der Aluminiumplatte beobachtet. Das heißt also, daß das Titanblech mit der Aluminiumplatte durch die Aluainiumfolienschicht fest verbunden war. Die Al-Ti-Verbundplatte war biegefähig.

Beispiel 2

Ein Endelstahlblech (SUS 304, was AISI J04 entspricht) mit einer Dicke von 1,0 mm wurde mit einer alkalischen wässrigen Lösung entfettet, mit Wasser gespült, Bit einer wässrigen Lösung au· 10 Vol.-% Schwefelsäure gewaschen und alt Wasser gespült. Das in dieser Weise gereinigte Edel«

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stahlblech vurdeauf eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 15 T* gelegt. Sie wurden mit einer Querschnittsverminderung um 20$ der Gesamtdicke kaltpreßverbunden. Das kaltverbundene Blech wurde einer Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur von 56O C ifür die Dauer einer Stunde unterzogen. Eine 18-8-Edelstallblech, das mit einer Aluminiumfolienschicht durch eine Al-Edelstahl-Diffusionsschicht verbunden war, war das Ergebnis.

Eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 5»O mm wurde mit Trichloräthylen entfettet und auf eine Temperatur von 45O°C erwärmt. Die erwärmte Aluminiumplatte wurde auf die Aluminiumfolienschicht dee diffusionsverbundenen Edelstahlblechs gelegt. Dias Edelstahlblech und die Aluminiumplatte, die übereinanderlagen, wurden mit einer Querschnittsverminderung um 40% bei einer Temperatur von 40O⁰C heißpreßverbunden, um eine Verbundplatte entstehen zu lassen. Die entstehende Verbundplatte bestand aus einer Edelstahl-Substratechicht «mit einer Dicke von ca. 0,8 mm und einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von ca. 3,0 mm, die mit der Edelstahlschicht durch eine dünne Aluminiumfolienschicht verbunden war. Die Verbundplatte wurde einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 36O⁰C unterzogen, und zwar für die Dauer einer Stunde, um die Biegefestigkeit derselben zu verbessern. Die vwärmbehandclte Verbundplatte wurde dem gleichen Biegetest -wie im Beispiel 1 unterzogen. Es wurde festgestellt, daß das Edelstahlblech mit der Aluainiumplatte fest verbunden war und daß die Verbundplatte biegefähig war.

Beispiel J

Ein gewalztes Baustahlblech (SS 41) mit einer Dicke von 2_t2 ma wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 gereinigt. Das gereinigte Blech wurde zwischen zwei Aluminiumfolien gelegt, die jeweils eine Dicke von 15 y hatten. Die Folien und das Blech wurden mit einer Querschnittsverminderung von 22,7$ der Geeamtdicke kaltpreßverbunden. Das verbundene Blech,wdas eine Dicke von ca. 1,7 mm hatte, wurde einer Diffusionswärmebehandlung mit einer Temperatur von 400°C für die Dauer von 15 Minuten in normaler Atmosphäre unterzogen. Das entstehende Blech hatte Aufschichten, die aus Aluminium bestanden, das nit der Stahl-

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schicht durch sehr dünne JLl-Stahl-Diffusionsschichten verbunden war.

um die Beständigkeit gegen Oxidation zu bestimmen, wurde das vorstehend hergestellte Verbundblech bei einer Temperatur von 800 C für die Dauer von 20 Stunden in einem Elektroofen erwärmt, und es wurde die Gewichtszunahme des Terbundblechs gemessen.

Zum Vergleich ward das gleiche Testverfahren, das vorstehend beschrieben worden ist, für das gleiche gewalzte Saustahlblech (SS 41) wiederholt, wie es vorstehend verwendet worden ist. Sie Gewichtszunahmen des Verbundbleche und des Stahlblechs, die vom Oxidieren herrühren, sind in Tabelle f1 angegeben.

Tabelle 1

2 Material Gewichtszunahme (mg/cm )

Verbundblech 7,6 Stahlblech 72,2

Das vorstehend hergestellte Verbundblech wurdeeinem Eloxierverfahren durch die folgenden Verfahrensschritte unterzogen. Das Verbundblech wurde mit Trichcloräthylen gereinigt. Das gereinigte Verbundblech wurde anodisch in einer wässrigen Lösung aus 15 Gew.-^ Schwefelsäure bei einer Temperatur von 20⁰C bei einer Spannung von 12 V für die Bauer von 10 Minuten oxidiert. Danach wurde das eloxierte Verbundblech bei einer Temperatur von 60 C in eine wässrige Lösung aus 1,5 Gew.-Jfc Ammoniumferrioxalat eingetaucht. Itarah da· vorstehende Eintauchen wurde die Verbundplatt· gleichmäßig gelb gefärbt.

Zum Vergleich wurden die gleichen Verfahreneschritt·, wie sie vorstehend angegeben sind, unter Verwendung «ines herkömmlichen alumimnimbeschichteten Stahlblechs wiederholt, das dadurch hergestellt worden war, daß •in Stahlblech in ein· Aluminiumschmelze bei «in«r Temperatur von 75O⁰C

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für die Dauer einer Minute eingetaucht wurde. Das herköamliche aluminiumbeschicht etβ Stahlblech färbte sich nicht gleichmäßig gelb. Das bedeutet, daß die Aluminiumaufschicht des herkömmlichen Verbundbleche in Sicke und Zusammensetzung nicht gleichförmig war.

Beispiel 4

Sine Aluminiumplatte mit einer Sicke von 5»0 mm, die entfettet und auf eine Temperatur von 45O°C erhitzt worden war, wurde auf eine Fläche eines Verbundblechs gelegt, das in der gleichen Weise wie im Beispiel 5 hergestellt worden war, und es erfolgte eine Heißpreßverbindung nit einer Querschnitteverminderung von 40% der Gesamtdicke. Sie verbundene Verbundeplatte wurde bei einer Temperatur von 36O°C für die Sauer einer Stunde wärmebehandelt. Sie entstehende Al-Stahl-Verbundplatte wurde einem Zugfestigkeitstest und einem Schertest unterzogen.

Sie Zugfestigkeit, der Streckpunkt und die Sruchlängung wurden nach dem Verfahren gemessen, das vorstehend erläutert worden ist.

Für den Schertest wurden mehrere Proben hergestellt. Gemäß Fig. 3A und 3B bestanden die Proben aus einer 5 mm dicken Aluminiumschioht und aus einer Baustahlsohicht mit einer Sicke von o,8 mm bei einer Breite von 10 mm und einer Länge von 100 mm. In jeder Probe wurde die Hittelpartie, die abzuscheren war, und diese hatte eine Länge von 3 &■* *^{n a}*^r in Fig. 3 gezeigten Weise ausgebildet. Sie Probe wurde bis »um Scheren gestreckt, um die Bindefestigkeit der Aluminiumschicht und der Baustälsohicht in der Mittelpartie zu bestimmen.

Sie gleihe Al-Ti-Verbundplatte wie im Beispiel 1 und die gleich· Al-

EdelstahlkVerbundplatt· wie im Beispiel 2 wurden den gleichen Zugfestigkeits- und Scherteste unterzogen, wie sie vorstehend angegeben worden sind. Sie Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 2 angegeben.

Beim Schertest begann keine der Proben an der Bindungegrenzfläche zu brechen, vielmehr begannen alle an der Aluminiumschicht bei einer Belastung von 7 kg/mm zu brechen. Semgemäß konnte die wirkliche Binde-

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festigkeit der verbundenen Schichten der Proben nicht bestimmt werden. Es ist jedoch sicher, daß die Bindefestigkeit der Bindeschichten mehr als 7 kg/am betrug.

Tabelle 2

Al-Ti Al-Edelstahl Al-Stahl ('Biespiel 1) (Beispiel 2) (Beispiel 4)

Zugfestigkeit 18 22 16

(kg/«²)

Streckpunkt (kg/ma ) Bruchlängung ($)

Biegndefestigkeit (kg/mm )

7	θ	7
40	50	50
►7	>7	>7

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Ansprüche

Claims (12)

Ansprüche

1. MetallVerbundmaterial, gekennzeichnet durch ein Metallsubstrat, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, und eine dünne Aluminiumfolienschicht, die mit dem Metallsubetrat durch eine Aluminiumdiffusionsschicht fest verbunden ist, welche in der Oberflächenpartie des Metallsubstrats gebildet ist.

2. Metallverbundmaterial nach Anspruch ,1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Aluminiummateri&l aufweist, das mit der Aluminiumfolienschicht fest heißpreßverbunden ist.

3· Verfahren zur Herstellung eines Metallverbundaaterials, dadurch gekennz eichne t , daß eine Aluminiumfolie auf eine Siete eines Substratmaterials gelegt wird, das aus einem Metall besteht, das nicht Aluminium ist, daß die Aluminiumfolie mit dem Metallsubstratmaterial mit einer Querschnittsverminderung von 5 bis 40% kaltpreßverbunden wird und daeß das verbundene Material einer Siffusionswäniebehandlung bei einher Temperatur unterzogen wird, die niedriger als beide Schmelzpunkte der Aluminiumfolie sowohl wie des Substratmaterialß ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß für die Aluminiumfolie ein technisch reinies Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalt*r*verbinden durch Kaltwalzen vorgenommen wird.

,6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 20O⁰C durchgeführt wird.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siffueionswärmebehandlung bei einer Temperatut von 8300 bis 45Q°C durchgeführt wird.

Wa/Ii - 2 -

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8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstratmaterial, das kein Aluminium ist, aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pe, Ti, IHh, Ta, Zr, Ni, Co, Cr, Mn, Be, Ag, Cu und Legierungen besteht, die als ein Grundkomponentenmetall mindestens eines der vorstehend genannten Metalle enthalten.

9. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumfolie in einer Dicke von 1 bis 150/u gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichn e t , daß nach der Mffusionswänaebehandlung ein Aluminiummaterial auf die Seite mit der Aluminiumfolienschicht gelegt wird und das aufgelegte Aluminiummaterial mit dem Metallsubstratmaterial durch die Aluminiumfolienschicht bei einer Temperatur heißpreßverbunden wird, die niedriger als der Schmelzpunkt, jedoch nicht niedriger als der Eekristallisierungspunkt des Aluminiummaterials ist, derar£t, daß ein Verbundmaterial entsteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpreßverbinden mit einer Querschnittsverminderung des aufgelegten Materials von 5 bis 60# durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Eeißpreßverbinden in einem Bereich von 350 bis 45O°C gewählt wird.

13· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminiummaterial ein technisch reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gewählt wird.

14· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das heißpreßverbundene Verbundmaterial einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterzogen wird, die niedriger als alle Schmelzpunkt« der Konponentenmaterialien in dem heißpreßverbundenen Verbundmaterial ist.

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