Zusammengesetzter Gegenstand aus einem Grundmetall, das mit einem anderen Metall plattiert ist, und Verfahren zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aus einem Stück bestehenden zusammengesetzten. gewalzten blechoder bandförmigen Gegenstand aus einem Grundmetall, das auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem anderen Metall plattiert ist, wobei mindestens eines der Metalle verhältnismässig weich ist, wie beispielsweise Kupfer, und mindestens eines der Metalle verhältnismässig härter ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des zusammengesetzten Gegenstands.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsfonn der vorliegenden Erfindung besteht in denjenigen zusammengesetzten Gegenständen, die einen Kern aus technisch reinem Kupfer haben, der auf einer oder beiden Seiten mit Kupfernickel, einer Legierung auf Kupferbasis, die ca. 75% Kupfer und 25% Nickel enthält, plattiert ist.
Dieser zusammengesetzte Gegenstand findet speziell Verwendung in den neuen Münzen in den Vereinigten Staaten.
Zusammengesetzte Gegenstände mit einem Kern und einer Plattierung, die verschieden sind, sind deswegen besonders erwünscht, weil die günstigen Eigenschaften des Kernmaterials und die günstigen Eigenschaften des Plattierungsmaterials bei einem einzigen zusammengesetzten Gegenstand gleichzeitig erhalten werden können.
Bei einer einzigen Legierung können viele Eigenschaften häufig durch Legierung oder thermische Behandlungen nicht stark modifiziert werden, beispielsweise Eigenschaften, wie der Elastizitätsmodul, die Farbe, die Dichte und die Festigkeit in Kombination mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Jedoch können durch Bildung von zusammengesetzten Gegenständen scheinbar die Eigenschaften der Plattierung erzeugt werden, während die Eigenschaften des Kernmaterials in der Masse erhalten bleiben. Auf diese Weise kann man oft gegenüber der einzelnen Legierung stark modifizierte u. sehr erwünschte Eigenschaften erhalten.
Beispielsweise hat Kupfer den Vorteil der hohen Leitfähigkeit und der Kaltverformbarkeit. Durch Bildung von zusammengesetzten Kupfergegenständen kann man diese erwünschten Eigenschaften beibehalten, während man gleichzeitig die Eigenschaften der Plattierung erzeugt, wie beispielsweise Verschleissfestigkeit, Farbe, Oxydations- oder Anlaufbeständigkeit und feine Oberflächenbeschaffenheit, d.h. Oberflächeneigenschaften.
Zusammengesetzte Kupfergegenstände können den folgenden verschiedenen Verwendungszwecken zugeführt werden: Federn mit hoher Leitfähigkeit und hoher Festigkeit; hochwirksame elektrische Steuerschütze; Me tallwaren, die in ausgedehntem Masse kaltverformt worden sind.
Jedoch bietet die Herstellung von zusammengesetzten Kupfergegenständen zahlreiche praktische Probleme.
Wegen der Neigung einer der Komponenten, eine Schicht aus spröden intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche mit der Kupferkomponente zu bilden. war es bisher schwierig. einen befriedigenden zusammengesetzten Gegenstand herzustellen, worin mindestens eine der Komponenten aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis besteht. Diese Schicht kann sich bei mässigen Temperaturen oder bei erhöhten Temperaturen bilden. Die spröde Schicht von intermetallischen Verbindungen, die sich so bildet, kann beim Biegen des zusammengesetzten Materials leicht zerbrechen, wodurch die Brauchbarkeit des zusammengesetzten Gegenstands deutlich eingeschränkt wird.
Ausserdem ist es häufig schwierig, einen gut verbundenen zusammengesetzten Gegenstand zu erhalten, der dem normalen, zu erwartenden Gebrauch widersteht.
Kupfer bietet bei der Bildung von zusammengesetzten Gegenständen wegen der Neigung des Kupfers zum Oxydieren bei den für das Warmwalzen erforderlichen mässigen oder erhöhten Temperatur weitere und eigen tümliche Probleme. Die Oxydation des Kupfers erzeugt eine Oxydinterferenzschicht, die die Verbindung hemmt.
Gewisse Kupferoxyde sind besonders schwierig, da sie eine stark haftende, plastische Schicht bilden, die die Verbindung stark beeinträchtigt. Andere Oxyde, beispielsweise Aluminiumoxyde und Eisenoxyde, andererseits neigen beim Warmwalzen dazu, sich zu spalten, so dass keine Interferenzschicht gebildet wird.
Die Neigung von Kupfer zur Bildung dieses speziellen Oxydes machte besondere und teure Behandlungsbedingungen erforderlich, um zusammengesetzte Kupfergegenstände zu bilden.
Ein Verfahren zum Bilden von zusammengesetzten Kupfergegenständen, bei dem diese Schwierigkeiten überwunden werden, besteht in der Bildung einer Teilbindung durch Kaltwalzen, gefolgt von anschliessenden Diffusionsglühbehandlungen. Dies ist ein teures Verfahren, und die Diffusionsglühbehandlungen besitzen die Tendenz, die Eigenschaften des zusammengesetzten Gegenstands zu verschlechtern.
In anderen Verfahren wird nur der Kern aus Legierung auf Kupferbasis auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, worauf der erhitzte Kern und die kalte Plattierung mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 305 m pro Minute in einem Durchgang bei einer spezifizierten Dickenreduktion zusammengewalzt werden, wobei der Kern und die Plattierung zum ersten Mal zusammenkommen. wenn sie von den Walzen erfasst werden, und die Plattierung die Walze berührt, ehe sie den Kern berührt.
Durch diese Verfahren wird leicht eine ausgezeichnete Verbindung erhalten, was auf die kritischen Bedingungen und die hohe Temperatur des Kerns mit Bezug auf die Plattierung zurückzuführen ist. Dies führt zu einem übertriebenen Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit zwischen dem Kern und der Plattierung. Diese Verfahren führen auch zur Turbulenz an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung, und diese Turbulenz fördert die Verbindung zwischen den Komponenten. Der Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit und die erzeugte Turbulenz genügen, um den Aufbau von Oxyd durch Spaltung des Oxyds zu verhindern.
Es wäre sehr erwünscht, falls ein Verfahren entwikkelt werden könnte, das zu einem bequemen. technisch möglichen und schnellen Verfahren zum Verbinden von Materialien dieses Typs führt. Es wäre sehr erwünscht, wenn dieses Verfahren nicht die praktischen Schwierigkeiten mit sich brächte. die mit der Anwendung von erhöhten Temperaturen, die das oben beschriebene Verfahren kennzeichnet, verbunden sind. Es wäre sehr erwünscht, wenn ein Verfahren entwickelt würde, das die Verwendung niedrigerer Temperaturen ermöglichte.
Demgemäss ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung neuer und verbesserter zusammengesetzter Gegenstinde und bequemerer und schnellerer Verfahren mittels deren die zusammengesetzten Gegenstände erhalten werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der oben erwähnten Art, wobei die Gegenstände dadurch gekennzeidmet sind, dass sie eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete physikalische Eigenschaften haben und für eine grosse Vielzahl von Verwendungszwecken geeignet sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der vorstehend erwähnten Art, wobei eine Komponente des zusammengesetzten Gegerstands mit Bezug auf die andere verhältnismässig weich ist, insbesondere zusammengesetzte Ge genstände mit einem Kupferkern und einer davon verschiedenen Plattierung.
Noch ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Gegenstands der vorstehend erwähnten Art, wodurch die zahlreichen Einschränkungen und Nachteile vermieden werden, die mit der Bildung der bekannten zusammengesetzten Gegenstände verbunden sind.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Diskussion ersichtlich werden.
Es wurde nun gefunden, dass gemäss der vorliegenden Erfindung die vorstehenden Ziele und Vorteile leicht erreicht werden können. Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden die Nachteile des Standes der Technik leicht überwunden, und die Erfindung stellt ein einfaches und bequemes Verfahren zur Herstellung eines äusserst nützlichen zusammengesetzten Gegenstands zur Verfügung, wobei der Gegenstand entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten plattiert ist.
Das erfindungsgemäs se Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Gegenstands mit einem Metallkern, der mit einem anderen Metall plattiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass man (A) eine erste Komponente des zusammengesetzten Gegenstands aus einem Metall mit einer Umkristallisationstemperatur unter 260ob, vorzugsweise Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, nimmt, (B) eine zweite Komponente des zusammengesetzten Gegenstands aus einem Metall mit einer mindestens 55,60C höheren Umkristallisationstemperatur als die erste Komponente nimmt und (C) die Komponenten in direkt aufeinander liegender Berührung mit einer Geschwindigkeit von mindetens 6,1 m pro Minute in einem Durchgang bei einer Dickenreduktion zwischen 40 und 90'c zusammenwalzt,
wobei die Dickenreduktion ausreicht, um lediglich die erste Komponente zur Umkristallisation zu bringen, wodurch ein aus einem Stück bestehender zusammengesetzter Gegenstand gebildet wird. Diese Umkristallisation kann entweder bei der Erfassung durch die Walzen oder unmittelbar nach dem Austritt aus den Walzen erfolgen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die weichere Komponente, das heisst die Komponente mit einer Umkristallisationstemperatur unter 260ob, der Kern, und die zweite Komponente ist die Plattierung. Es wird auch bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung zum ersten Mal zusammenkommen, wenn sie von den Walzen erfasst werden.
Unter Umkristallisation)) wird die Bildung von metallographisch sichtbaren, gleichachsigen Körnern von unbeanspruchtem Material über mindestens 25% der Oberfläche, die metallographisch untersucht wird, verstanden. Unter Umkristallisation wird auch die Abnahme der Härte des Materials, das umkristallisiert wird, um mindestens 25% des Härteunterschiedes zwischen dem durch Kaltbearbeitung vollständig gehärteten Material und dem vollständig thermisch erweichten Material verstanden.
Die Theorie des erfindungsgemässen Verfahrens wird im folgenden angegeben. Je höher die Deformation oder die Dickenreduktion des zusammengesetzten Gegenstands in den Walzen ist, desto mehr Wärme wird dem zusammengesetzten Gegenstand zugeführt; d.h., durch eine Walzreduktion von beispielsweise 75% wird der zusammengesetzte Gegenstand in einem grösseren Ausmass aufgeheizt als durch eine Walzreduktion von beispielsweise 40%. Wenn eine geeignete Dickenreduktion gewählt wird, um eine der Komponenten zur Umkristallisation zu bringen, indem dem zusammengesetzten Gegenstand eine gewisse Wärmemenge und restliche Arbeitsmenge zugeführt wird, dann wird diejenige Komponente, die beim Warmwalzen umkristallisiert wird, während des Walzens weicher als die andere Komponente, d.h., diejenige Komponente, die nicht umkristallisiert wird, wird während des Walzens verhältnismässig härter.
Dieser übertriebene Unterschied hinsichtlich der Kaltverformbarkeit zwischen dem Kern und der Plattierung führt zur Turbulenz an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung; diese Turbulenz fördert die Verbindung.
Natürlich ist die Umkristallisation eine von Zeit und Temperatur abhängige Erscheinung. Daher tritt die Umkristallisation nicht durch die ganze Komponente hindurch, die umkristallisiert wird, spontan ein. Die Umkristallisation tritt während eines endlichen Zeitraums ein, der von der prozentualen Walzreduktion und der im Walzenspalt erreichten Temperatur abhängt. Je höher die in dem Walzenspalt erreichte Temperatur ist, desto grösser ist die Umkristallisationsgeschwindigkeit.
Demgemäss beginnt beim erfindungsgemässen Verfahren die Umkristallisation beim Erfassen durch die Walzen, und mindestens innerhalb von Sekunden nach dem Austritt aus dem Walzwerk ist eine erkennbare Umkristallisation eingetreten. Der genaue Abstand vom Walzwerk hängt von der Walzgeschwindigkeit ab.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet: Eine Komponente weist eine Mikrostruktur von mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50%, gleichachsigen umkristallisierten Körnern auf, d.h., die Mikrokornstruktur enthält Körner sphäroidischer Beschaffenheit, wobei die Achsen aller Körner praktisch gleich sind. Dies wird urch die Keimbildung und das Wachstum von nicht unter Spannung stehenden Körnern verursacht, wodurch unter Spannung stehendes Material verbraucht wird. Die Mikrokornstruktur der anderen Komponente ist in der Walzrichtung stark verlängert, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke der verlängerten Körner mindestens 2: 1 beträgt.
Der Kern und die Plattierung sind durch eine direkt aufeinanderliegende Verbindung ohne Oxyd zwischen dem Kern und der Plattierung gekennzeichnet, das heisst, es ist wenig oder kein sichtbares Oxyd zwischen dem Kern und der Plattierung vorhanden. Ausserdem ist die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung durch das Nichtvorhandensein von sichtbarer gegenseite ger Atomdiffusion gekennzeichnet, und die Grenzfläche ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass sie eine um mindestens 10% grössere Oberflächenberührungsfläche hat als ebene Bleche. Die grössere Oberflächenberührungsfläche der Komponenten des vorliegenden Gegenstands erscheint unter dem Mikroskop als wellenförmige Grenzfläche zwischen den Komponenten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist beim Eintritt in die Walzen ein Winkel zwischen dem Kern und der Plattierung von über 50, im allgemeinen über 100 vorhanden, um sicherzustellen, dass der Kern und die Plattierung erst dann zusammenkommen, wenn sie von den Walzen erfasst werden. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Im allgemeinen beträgt der Winkel zwischen dem Kern und der Plattierung zwischen 5 und 220.
Gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt das Plattierungsmetall mit der Walze in Berührung, ehe es mit dem Kern in Berührung kommt.
Dies trifft zu ohne Rücksicht darauf, ob der Kern auf einer Seite oder auf beiden Seiten plattiert werden soll.
Auf der Vorderseite der Walzen (der Eintrittsseite) bewegen sich die Plattierung und die Walzen mit verschiedenen linearen Geschwindigkeiten; an der Austrittsseite bewegen sie sich jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit wegen der Dickenreduktion des zusammengesetzten Gegenstands. Der Unterschied der Bewegungsgeschwindigkeiten zwischen der Plattierung und den Walzen erzeugt, gekuppelt mit der vorherigen Berührung zwischen der Plattierung und den Walzen und gekuppelt mit der Atombewegung, die mit der Umkristallisation des Kerns verbunden ist, eine Scherbeanspruchung auf die Grenzfläche zwischen Kern und Plattierung.
Diese Scherbeanspruchung an der Grenzfläche zwischen Kern und Plattierung führt zu einer turbulenten Strömung von Metall an der Grenzfläche, die die Ursache einer innigen Verbindung ist und die lineare Grenzflächenoberfläche des zusammengesetzten Gegenstands im allgemeinen um 20% oder mehr erhöht.
Es wurde gefunden, dass das oben beschriebene einfache Verfahren einen sehr vorteilhaften zusammengesetzten Gegenstand ergibt, wobei die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung wie oben angegeben charakterisiert ist. Die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände haben ausgezeichnete physikalische Eigenschaften und sehr hohe Verbindungsfestigkeiten, wobei keine gegenseitige Atomdiffusion zwischen dem Grundmetall und der Plattierung vorhanden ist; eine solche gegenseitige Diffusion kann zur Bildung von spröden Verbindungen führen. Diese überraschenden Vorteile werden erfindungsgemäss mit Hilfe eines einfachen und zweckmässigen Verfahrens und ohne Anwendung von teuren Vorrichtungen, wie sie häufig auf diesem Gebiet angewendet werden, erreicht.
Erfindungsgemäss muss mindestens eine Komponente des zusammengesetzten Gegenstands eine Umkristallisationstemperatur unter 2600C und eine andere Komponente des zusammengesetzten Gegenstands eine mindestens 55,60C höhere Umkristallisationstemperatur als die erste Komponente haben.
Unter Umkristallisationstemperatur wird die Mindesttemperatur verstanden, bei der die Umkristallisation von kalt verformtem Metall innerhalb einer spezifizierten Zeit eintritt; nominell wird unter kalt verformt mindestens 50% Kaltverformung verstanden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist das Kernmaterial die Komponente mit der niedrigen Umkristallisationstemperatur. Daher wird die vorliegende Erfindung mehr im einzelnen unter Berücksichtigung dieser bevorzugten Ausführungsform diskutiert. Es versteht sich jedoch, dass jede Komponente als Kernmaterial verwendet werden kann. Vorzugsweise ist das Kernmaterial Kupfer oder eine Legierung auf Kupferbasis. Repräsentative Legierungen auf Kupferbasis mit Umkristallisationstemperaturen unter 2600C sind die folgenden: Technisch reines Kupfer, verschiedene Kupfersorten mit hoher Leitfähigkeit mit Leitfähigkeiten von über 50% IACS (International Annealed Copper Standard). Das Kernmaterial kann aber auch ein bei niedriger Temperatur schmelzendes Material, wie Blei, Zinn, Zink, Aluminium oder Legierungen derselben, sein.
Das Kernmaterial wird vorzugsweise in Form von Platten mit einer Dicke von weniger als 12,7 mm eingesetzt, d.h., das Kernmaterial kann in Form von Rollen, Band, Blech oder dgl. eingesetzt werden.
Es wird erfindungsgemäss bevorzugt, ist aber nicht erforderlich, die Verbindungsoberflächen sowohl des Kerns als auch des Plattierungsmaterials mechanisch aufzurauhen, um eine gute Oberflächenberührung bei der Erfassung durch die Walzen zu garantieren. Beispielswei se können die Oberflächen mit einer Drahtbürste gebürstet oder abgerieben usw. werden.
Das Plattierungsmaterial muss eine mindestens 55,6cC, vorzugsweise mindestens 1 66,70C höhere Umkristallisationstemperatur haben als das gewählte Kernmaterial. Der Unterschied der Umkristallisationstemperaturen zwischen dem Kern und der Plattierung wird natürlich ineewendet um sicherzustellen, dass beide Komponenten im oben definierten Sinne nicht merkbar umkristallisieren.
Das Plattierungsmaterial kann beispielsweise eine 3Legierung auf Kupferbasis oder Blei, Zinn, Nickel, Zink.
Titan, Eisen, Silber oder Aluminium sein. Natürlich wird für die vorliegende Erfindung auch in Betracht gezogen, den Kupferkern beidseitig mit auf den beiden Seiten verschiedenen Metallen zu plattieren.
Das Plattierungsmaterial sollte in Form von Platten mit weniger als 6,35 mm Dicke vorliegen, d.h. die Plattierung und das Kernmaterial sollten in warmverformter Form vorliegen, z.B. in Form von Bandstahloder Blechrollen usw. Daher hat der resultierende zusammengesetzte Gegenstand eine Dicke von weniger als 15.2 mm, wenn das Kupfer auf beiden Seiten plattiert wird und von weniger als 11.4mm, wenn es auf einer Seite plattiert wird. Die geringste Dicke sowohl von Kern als auch von Plattierung, mit denen man bequem arbeiten kann. ist in der Grössenordnung von 0,025 mm.
Die Ausgangsmaterialien, sowohl Kern als auch Plat tiefung, können in jedem beliebigen Härtegrad oder Vergütungszustand vorliegen und hart oder weich sein, solange die vorstehend genannten Anforderungen hinsichtlich der Umkristallisationstemperatur erfüllt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sollte der Kern in einem kalt verformten Härtegrad und die Plattierung in einem geglühten Härtegrad vorliegen, da dadurch der Umkristallisationstemperaturunterschied vergrössert wird.
Oberflächenoxyde sind, wenn sie nicht sehr massiv ind, im allgemeinen keine Beeinträchtigung für das erfindungsgemässe Verfahren. Dies ist ziemlich überraschend und stellt einen wichtigen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar. da bei der üblichen Verarbeitung Oberflächenoxyde vor der Bildung des zusammengesetzten Gegenstands entfernt werden müssen. Bei der üblichen Verarbeitung werden in der Tat die zusammengesetzten Gegenstände häufig in Sonderatmosphären dargestellt. so dass sich vor der Bildung des zusammengesetzten Gegenstands keine Oberflächenoxyde bilden. Diese besonderen Vorsichtsmassnahmen sind bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Es ist jedoch sehr erwünscht, Schmutz oder anhaftendes Schmiermittel vor dem erfindungsgemässen Verfahren von der Oberfläche des Metalls zu entfernen, um eine gute Reibungsberührung zwischen dem Kern und den Plattierungsmaterialien sicherzustellen. Jedes übliche Reinigungsverfahren kann leicht angewendet werden, beispielsweise können der Kern und die Plattierungsma terialien gemäss üblichen Verfahrensweisen durch eine Seifen- oder eine Waschmittellösung geführt werden.
Beispiele derartiger Reinigungsverfahrensweisen umfassen die Verwendung von handelsüblichen alkalischen Reinigungsmitteln und Lösungsmittelreinigern, wie beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff und Trichloräthylen.
Es ist ein überraschendes Merkmal der vorliegenden Erfindung. dass der Kern und die Plattierung gewünschtenfalls ohne Erhitzen entweder einer Komponente oder beider Komponenten oder höchstens mit nur mässigem Erhitzen des Kerns vereinigt werden können. Dies ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung. Wenn beispielsweise der Kern technisch reines Kupfer und die Plattierung Kupfer-Nickel 75 : 25 ist, kristallisiert der Kern bei ca. 1900C innerhalb von Minuten um, und die Plattierung kristallisiert bei ca. 5380C um. Wenn daher der Kern und die Plattierung ohne Erhitzen des Kerns beide gewalzt werden, muss die Dickenreduktion bei einem Durchgang hoch sein, um den Kern infolge des Walzens umzukristallisieren, d.h., die Dickenreduktion bei einem Durchgang muss mindestens 81 bis 90% betragen.
Wenn man die Dicke des zusammengesetzten Gegenstands in einem geringeren Ausmass zu reduzieren wünscht, sollte der Kern etwas erhitzt werden, z.B. auf 93 bis 1350C, wobei eine Walzreduktion von 70 bis 80% erforderlich ist, um den Kern infolge des Walzens umzukristallisieren. Der Kern kann aber auch in einem kalt verformten Härtegrad vorliegen, z.B. 3 bis 50% kaltverformt; in diesem Falle würde eine Umkristallisation bei einer Walzreduktion von 70 bis 80% ohne Anwendung von Hilfserhitzen oder vorherigem Erhitzen eintreten. Gewünschtenfalls können die Walzbedingungen so gewählt werden, dass das Kernmaterial eine Temperatur von über l910C erreicht, wodurch die Umkristallisation herbeigeführt wird; zu diesen Walzbe dingungen gehören z.B. die Steuerung des Gleitmittels, der Walzgeschwindigkeit usw.
Wegen der hohen Umkristallisationstemperatur der Kupfer-Nickel-Plattierung wird durch die kleine Menge Wärme, die dem zusammengesetzten Gegenstand in der Walzstufe zugeführt wird, das Kupfer-Nickel natürlich umkristallisiert.
Erfindungsgemäss wird es bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung in einem Winkel in die Walzen eintreten, so dass sie bei der Erfassung durch die Walzen zum ersten Male zusammenkommen. Die Materialien werden mit einer hohen Geschwindigkeit von mindestens 6,10 m pro Minute in einem Durchgang mit einer Dickenreduktion zwischen 40 und 90% gewalzt, wobei diese Veränderlichen im allgemeinen durch die Art des Kernes, dessen Umkristallisationstemperatur und durch dessen Temperatur beim Eintritt in die Walzen beherrscht werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Materialien mit 18,30 bis 91,50m pro Minute bei einer Dickenreduktion zwischen 70 und 85% gewalzt. Der Kupferkern sollte vorzugsweise beim Eintritt in die Walzen in Abhängigkeit von dem Ausmass der Kaltverformung zwischen Raumtemperatur und 1350C gehalten werden.
Je grösser die Kaltverformung, desto niedriger ist die zulässige Temperatur.
Es wird bevorzugt, dass der Kern und die Plattierung in die Walzen in einem Winkel von über 100 und im allgemeinen in einem Winkel zwischen 5 und 220 eintreten, um sicherzustellen, dass der Kern und die Plattierung nicht eher als bei der Erfassung durch die Walzen zusammenkommen und dass möglichst viel Scherwirkung an der Grenzfläche auftritt. Die Scherwirkung an der Grenzfläche ermöglicht die Bildung einer um mindestens 10% erhöhten Oberfläche gegenüber ebenen Materialien, d.h., die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung ist durch eine wellenartige Bildung mit einer erheblich erhöhten Grenzflächenberührungsfläche gekennzeichnet. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Kern und dem Plattierungsmaterial keine sichtbare Atomdiffusion vorhanden ist.
Wenn beispielsweise eine Plattierung aus Aluminiumlegierung verwendet wird, ist im wesentlichen keine Diffusion von Aluminiumatomen in den Kupferkern und keine sichtbare Bildung von schädlichen intermetallischen Kupfer-Aluminium-Verbindungen vorhanden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nach der Walzoperation die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände keine anschliessenden Diffusionsglühbehandlungen erfordern, während die übliche Verarbeitung häufig Diffusionsgiüh- behandlungen erforderlich macht, um die Bindung zwischen dem Kern und der Plattierung zu sichern. Die Tatsache, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren keine Diffusionsglühbehandlungen erforderlich sind, ist besonders wichtig, da durch Diffusionsglühbehandlungen wegen der langen erforderlichen Behandlungszeiten und der gemeinsamen Diffusion von Gasen zur Grenzfläche zwischen dem Kern und der Plattierung Blasen oder dgl.
verursacht werden könnten und häufig auch verursacht werden. Diffusionsglühbehandlungen fördern auch die Bildung von schädlichen intermetallischen Verbindungen.
In der Tat sind nach der Walzoperation keinerlei weitere Operationen erforderlich. Die erfindungsgemässen zusammengesetzten Gegenstände werden in einer Form erhalten, die für die gewünschte Anwendung bereit ist. Es kann natürlich erwünscht sein, für besondere Anwendungszwecke übliche anschliessende Operationen auszuführen, beispielsweise kurze thermische Behandlungen zur Spannungsaufhebung oder zur Erzielung erwünschter Eigenschaften, z.B. eine kurze Glühwärmebehandlung oder Alterungsbehandlung, eine Walzoperation zur Erzielung der gewünschten Abmessungen, eine zusätzliche Kalthärtung usw.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden erläuternden Beispiele leichter verständlich.
Beispiel 1
Im folgenden Beispiel wurde der Kern auf beiden Seiten plattiert; das Kernmaterial war eine elektrolytische, technisch reine Kupferlegierung, die 99,9% Kupfer enthielt, in Form eines Bandes mit einer Dicke von 4,06 mm, und das Plattierungsmaterial war eine Legierung auf Kupferbasis, die ca. 75% Kupfer und 25%, Nickel enthielt, mit einer Dicke von 1,14 mm.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungsmaterialien lagen in vollständig geglühtem Zustand vor; daher waren sowohl der Kern als auch die Plattierungen in umkristallisiertem Zustand.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungen wurden in einer alkalischen Waschmittellösung gereinigt, mit warmem Wasser gespült, mit warmer trockener Luft getrockmet, und die Oberflächen des Kerns und der Plattierungen wurden mit einer rotierenden Drahtbürste abgerieben.
Der Kern und die Plattierungen wurden dann bei Raumtemperatur (annähernd 25,60C) ohne vorheriges Erhitzen weder des Kerns noch der Plattierungen zusammengewalzt. Die Geschwindigkeit der Walzen betrug 12,2 bis 45,7 m pro Minute, wobei ein kontinuierliches Walzwerk mit veränderlicher Geschwindigkeit verwendet wurde. Die Materialien wurden in einem Durchgang bei einer Dickenreduktion von 80% gewalzt. Der Winkel zwischen den Plattierungen betrug 12 , wobei der Kern diesen Winkel halbierte. Der Kern und die Plattierungen kamen bei der Erfassung durch die Walzen zum ersten Mal zusammen, wobei die Plattierungen eher mit den Walzen in Berührung kamen als mit dem Kern.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 1 mit einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine mässige Verbindungsfestigkeit bei einer Schälfestigkeit von 18 bis 27 kg hatte. Die Schälfestigkeit ist ein Mass für die Festigkeit der Verbindung und wird an einer 19,05 mm breiten Probe bestimmt, wobei die Plattierung direkt von dem Kern abgeschält wird. Die Schälfestigkeit ist ein Mass für die Kraft, die erforderlich ist, um den zusammengesetzten Gegenstand auseinanderzuziehen. Je höher die Schälfestigkeit ist, desto besser ist die Verbindung.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand war ca. 1,27 mm dick. Die Untersuchung der Fig. 1 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern eingetreten ist und dass 2. eine um 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche als bei ebenen Materialien vorhanden ist, wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet ist. Es ist auch aus der Untersuchung von Fig. 1 ersichtlich, dass weder der Kern noch die Plattierungen umkristallisiert waren. Dies ist aus der langgestreckten Kornstruktur in Fig. 1 ersichtlich, die sowohl im Kern als auch in den Plattierungen vorhanden ist.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurden der gleiche Kern und die gleichen Plattierungen wie in Beispiel 1 verwendet, wobei der Kern auf beiden Seiten plattiert wurde. Die Ausgangsmaterialien hatten die gleiche Dicke wie in Beispiel 1, wobei alle Arbeitsstufen in Luft ausgeführt wurden.
Sowohl der Kern als auch die Plattierungen lagen in vollständig geglühtem Zustand vor, und sowohl der Kern als auch die Plattierungen wurden wie in Beispiel 1 gereinigt, getrocknet und abgerieben.
Nach dem Reinigen und Abreiben wurde der Kern allein in einen Ofen gebracht und auf 121 cm erhitzt. Der Kern und die Plattierungen wurden dann unmittelbar nach dem Austritt des Kerns aus dem Ofen zusammengewalzt, wobei die Plattierungsmaterialien kalt gewalzt wurden. Die Materialien wurden in einem Durchgang gewalzt, wobei die Walzveränderlichen gleich wie in Beispiel 1 waren.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 2 bei einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine gute Verbindungsfestigkeit mit einer Schälfestigkeit von über 40,8 kg hatte.
Die Untersuchung von Fig. 2 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern vorhanden war und dass 2. eine um mindestens 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche vorhanden war als bei ebenen Materialien, wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet war. Es ist auch aus Fig. 2 ersichtlich, dass die Plattierungen nicht umkristallisiert waren, während der Kern umkristallisiert war. Es ist festzuhalten, dass der Kern nach dem Erhitzen des Kerns auf 121 C noch in umkristallisiertem Zustand vorlag; jedoch wurde das Kernmaterial bei der Erfassung durch die Walzen kontinuierlich kaltverformt, und die 80%ige Dickenreduktion liess den Umkristallisationsprozess im Walzenspalt beginnen.
Beispiel 3
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass das Kernmaterial vor dem Walzen um 11% kaltverformt wurde; daher war das Kernmaterial nicht umkristallisiert, als es in die Walzen eintrat.
Der rezultierende zusammengesetzte Gegenstand ist in Fig. 3 bei einer 65fachen Vergrösserung dargestellt.
Der zusammengesetzte Gegenstand war dadurch gekennzeichnet, dass er eine gute Verbindungsfestigkeit mit einer Schälfestigkeit von über 40,8 kg hatte.
Die Untersuchung von Fig. 3 zeigt, dass 1. keine sichtbare gegenseitige Atomdiffusion zwischen den Plattierungen und dem Kern vorhanden war und dass 2. eine um mindestens 10% grössere Verbindungsfläche an der Grenzfläche vorhanden war als bei ebenen Materialien.
wobei die Grenzfläche durch eine mässige wellenähnliche Bildung gekennzeichnet war. Es ist auch aus Fig. 3 ersichtlich. dass die Plattierungen nicht umkristallisiert waren, während der Kern umkristallisiert war. Der Kern war beim Eintritt in die Walzen nicht umkristallisiert, aber die vorgenommene 80%ige Dickenreduktion genügte. um die Umkristallisation des Kernmaterials herbeizuführen, da der Kern vorher um 11% kaltverformt worden war.
Beispiel 4
Beispiel 1 wurde mit einem Kern von superreinem Aluminium und Plattierungen aus rostfreiem Stahl wiederholt. Der Aluminiumkern befand sich im kaltverformten Härtegrad H-14. Der Kern und die Plattierungen wurden wie in Beispiel 1 in einem Durchgang mit einer Dickenreduktion von 60% zusammengewalzt.
Der resultierende zusammengesetzte Gegenstand war durch eine gute Verbindungsfestigkeit wie in den Beispielen 2 und 3 bei guten physikalischen Eigenschaften, die denen der Beispiele 2 und 3 vergleichbar waren, gekennzeichnet. Die Plattierungen waren nicht umkristallisiert, während der Kern umkristallisiert war.
Beispiel 5
Die Beispiele 2 und 3 wurden wiederholt mit der Ausnahme, dass die Plattierungen aus handelsüblichem Messing mit 70% Kupfer und 30% Zink bestanden.
Die resultierenden zusammengesetzten Gegenstände hatten Eigenschaften, die mit denjenigen in den Beispielen 2 und 3 vergleichbar waren, bei Schälfestigkeiten von über 40.S kg. Die Plattierungen waren nicht umkristallisiert, während der Kern umkristallisiert war.
Die vorliegende Erfindung kann natürlich auf andere Weise ausgeführt werden. Die beschriebenen Ausführungsformen sind hl allen Hinsichten lediglich erläu hemd.
PATENTANSPRUCH 1
Aus einem Stück bestehender zusammengesetzter, gewalzter blech- oder bandförmiger Gegenstand aus einem Grundmetall, das auf einer oder auf beiden Seiten mit einem anderen Metall plattiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Dicke von weniger als 15,20 mm hat, wobei die Grenzfläche zwischen dem Grundmetall und der Plattierung dadurch gekennzeichnet ist, dass keine gegenseitige Atomdiffusion vorliegt und dass sie eine um mindestens 10% grössere Oberflächenberührungsfläche hat als ebene aufeinanderliegende Bleche bzw.
Bänder, dass ferner eines der Metalle in dem zusammengesetzten Gegenstand eine Mikrostruktur von mindestens 25% Körnern, die in allen Richtungen praktisch die gleichen Abmessungen haben, aufweist und ein anderes Metall Körner hat, die in der Walzrichtung stark verlängert sind, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke der langgestreckten Körner mindestens 2:1 beträgt, und dass das Grundmetall und die Plattierung in direkt aufeinanderliegender Berührung vorliegen.
Composite article of a base metal clad with another metal and method of making the same
The present invention relates to a one-piece composite. rolled sheet metal or strip-shaped object made of a base metal which is plated on one side or on both sides with another metal, at least one of the metals being relatively soft, such as copper, and at least one of the metals being relatively harder, and a method for production of the assembled object.
A particularly preferred embodiment of the present invention is those composite articles which have a core of technically pure copper plated on one or both sides with cupronickel, a copper-based alloy containing approximately 75% copper and 25% nickel .
This composite article finds particular use in the new coins in the United States.
Composite articles having a core and cladding which are different are particularly desirable because the favorable properties of the core material and the favorable properties of the cladding material can be obtained simultaneously in a single composite article.
In the case of a single alloy, many properties often cannot be modified significantly by alloying or thermal treatments, for example properties such as elastic modulus, color, density and strength in combination with high thermal and electrical conductivity. However, by forming composite articles, the properties of the cladding can appear to be created while the properties of the core material are retained in the bulk. In this way you can often compared to the individual alloy u. obtained very desirable properties.
For example, copper has the advantage of high conductivity and cold deformability. By forming composite copper articles, one can maintain these desirable properties while at the same time creating the properties of the plating such as wear resistance, color, oxidation or tarnish resistance, and fine surface finish, i. Surface properties.
Composite copper articles can be used in the following various uses: springs with high conductivity and high strength; highly effective electrical control contactors; Metal goods that have been extensively cold worked.
However, the manufacture of composite copper articles presents numerous practical problems.
Because of the tendency of one of the components to form a layer of brittle intermetallic compounds at the interface with the copper component. it was difficult so far. to produce a satisfactory composite article wherein at least one of the components is made of copper or a copper-based alloy. This layer can form at moderate temperatures or at elevated temperatures. The brittle layer of intermetallic compounds thus formed can easily break when the composite material is bent, which significantly limits the usefulness of the composite article.
In addition, it is often difficult to obtain a well bonded assembled article that will withstand normal, anticipated use.
Copper presents additional and peculiar problems in the formation of composite articles because of the tendency of copper to oxidize at the moderate or elevated temperatures required for hot rolling. The oxidation of the copper creates an oxide interference layer that inhibits the bond.
Certain copper oxides are particularly difficult because they form a strongly adherent, plastic layer that severely affects the connection. On the other hand, other oxides, for example aluminum oxides and iron oxides, tend to split during hot rolling, so that no interference layer is formed.
The propensity of copper to form this particular oxide has required special and expensive treatment conditions to form composite copper articles.
One method of forming composite copper articles that overcomes these difficulties is to form a partial bond by cold rolling followed by diffusion annealing treatments. This is an expensive process and the diffusion annealing treatments tend to degrade the properties of the composite article.
In other methods, only the core made of copper-based alloy is heated to an elevated temperature, whereupon the heated core and the cold cladding are rolled together at a high speed of at least 300 meters per minute in one pass at a specified thickness reduction, the core and the Plating get together for the first time. when caught by the rollers and the clad touches the roller before it touches the core.
By these methods, an excellent joint is easily obtained owing to the critical conditions and the high temperature of the core with respect to the cladding. This leads to an exaggerated difference in cold formability between the core and the cladding. These processes also create turbulence at the interface between the core and cladding, and this turbulence promotes the connection between the components. The difference in cold deformability and the turbulence generated are sufficient to prevent the build-up of oxide through cleavage of the oxide.
It would be very desirable if a process could be developed that would be convenient. Technically feasible and rapid method for joining materials of this type leads. It would be very desirable if this method did not present the practical difficulties. associated with the use of elevated temperatures that characterize the process described above. It would be very desirable if a process were developed that would allow lower temperatures to be used.
Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide new and improved composite articles and more convenient and expedited methods by which the composite articles can be obtained.
Another object of the present invention is to provide a method and article of the above-mentioned kind which articles are characterized by having high strength and excellent physical properties and being suitable for a wide variety of uses.
Another object of the invention is to provide a method and article of the aforementioned kind wherein one component of the composite article is relatively soft with respect to the other, particularly composite articles having a copper core and a different plating.
Yet another object of the invention is to provide a method and article of the aforesaid kind which obviates the numerous limitations and disadvantages associated with the formation of the known composite articles.
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the discussion that follows.
It has now been found that, according to the present invention, the above objects and advantages can be easily achieved. The method of the invention readily overcomes the disadvantages of the prior art, and the invention provides a simple and convenient method of making an extremely useful composite article, the article being clad on either one side or both sides.
The inventive method for producing a composite article with a metal core which is plated with another metal is characterized in that (A) a first component of the composite article is made from a metal with a recrystallization temperature below 260ob, preferably copper or an alloy copper-based, takes, (B) takes a second component of the composite article of a metal having a recrystallization temperature at least 55.60C higher than the first component, and (C) takes the components in direct contact with one another at a speed of at least 6.1 m rolled together per minute in one pass with a thickness reduction between 40 and 90'c,
the reduction in thickness being sufficient to cause only the first component to recrystallize, thereby forming a one-piece composite article. This recrystallization can take place either when it is detected by the rollers or immediately after exiting the rollers.
In the preferred embodiment, the softer component, i.e. the component with a recrystallization temperature below 260ob, is the core and the second component is the cladding. It is also preferred that the core and cladding come together for the first time when they are gripped by the rollers.
Recrystallization)) is understood to mean the formation of metallographically visible, equiaxed grains of unstressed material over at least 25% of the surface that is metallographically examined. Recrystallization is also understood to mean the decrease in the hardness of the material that is recrystallized by at least 25% of the difference in hardness between the material fully hardened by cold working and the fully thermally softened material.
The theory of the process according to the invention is given below. The higher the deformation or the reduction in thickness of the composite article in the rollers, the more heat is supplied to the composite article; that is, by a rolling reduction of, for example, 75%, the assembled object is heated to a greater extent than by a rolling reduction of, for example, 40%. If a suitable reduction in thickness is chosen to cause one of the components to recrystallize by adding a certain amount of heat and remaining amount of work to the assembled article, then that component that is recrystallized during hot rolling becomes softer than the other component during rolling, ie , the component that is not recrystallized becomes relatively harder during rolling.
This exaggerated difference in cold formability between the core and cladding leads to turbulence at the interface between the core and cladding; this turbulence promotes the connection.
Of course, recrystallization is a time and temperature dependent phenomenon. Therefore, the recrystallization does not occur spontaneously through all of the component being recrystallized. The recrystallization occurs over a finite period of time, which depends on the percentage roll reduction and the temperature reached in the roll gap. The higher the temperature reached in the nip, the greater the rate of recrystallization.
Accordingly, in the process according to the invention, recrystallization begins when the rollers are detected, and a noticeable recrystallization has occurred at least within seconds of leaving the rolling mill. The exact distance from the rolling mill depends on the rolling speed.
The resulting composite article is characterized by the following properties: One component has a microstructure of at least 25%, preferably at least 50%, equiaxed recrystallized grains, i.e., the micrograin structure contains grains of a spherical nature with the axes of all grains being substantially the same. This is caused by the nucleation and growth of unstrained grains, consuming stressed material. The micrograin structure of the other component is greatly elongated in the rolling direction, the length to thickness ratio of the elongated grains being at least 2: 1.
The core and cladding are characterized by a juxtaposed bond with no oxide between the core and cladding, that is, there is little or no visible oxide between the core and cladding. In addition, the interface between the core and the cladding is characterized by the absence of visible opposite atomic diffusion, and the interface is further characterized by having a surface contact area which is at least 10% larger than that of flat sheets. The larger surface contact area of the components of the present article appears under the microscope as a wave-shaped interface between the components.
In the preferred embodiment, there is an angle between the core and the cladding greater than 50, generally greater than 100, upon entry into the rolls to ensure that the core and cladding do not come together until they are caught by the rolls. However, this is not absolutely necessary. Generally the angle between the core and the clad is between 5 and 220.
According to the preferred embodiment of the invention, the clad metal comes into contact with the roller before it comes into contact with the core.
This is true regardless of whether the core is to be plated on one side or on both sides.
On the front of the rollers (the entry side), the cladding and rollers move at different linear speeds; however, on the exit side they move at the same speed because of the reduction in thickness of the assembled object. The difference in speeds of movement between the cladding and the rollers, coupled with the prior contact between the cladding and the rollers and coupled with the atomic motion associated with the recrystallization of the core, creates a shear stress on the interface between the core and the cladding.
This shear stress at the core-clad interface results in a turbulent flow of metal at the interface which is the cause of an intimate bond and which generally increases the linear interface surface area of the composite article by 20% or more.
It has been found that the simple process described above gives a very advantageous composite article, the interface between the core and the clad being characterized as indicated above. The composite articles of the present invention have excellent physical properties and very high bonding strengths with no mutual atomic diffusion between the base metal and the cladding; such mutual diffusion can lead to the formation of brittle compounds. According to the invention, these surprising advantages are achieved with the aid of a simple and expedient method and without the use of expensive devices such as are often used in this field.
According to the invention, at least one component of the composite article must have a recrystallization temperature below 2600 ° C. and another component of the composite article must have a recrystallization temperature at least 55.60 ° C. higher than the first component.
Recrystallization temperature is understood to be the minimum temperature at which recrystallization of cold-worked metal occurs within a specified time; nominally, cold-worked is understood to mean at least 50% cold-working.
In the preferred embodiment, the core material is the component with the low recrystallization temperature. Therefore, the present invention will be discussed in more detail with this preferred embodiment in mind. However, it should be understood that any component can be used as the core material. Preferably the core material is copper or a copper-based alloy. Representative copper-based alloys with recrystallization temperatures below 2600C are the following: Technically pure copper, various types of copper with high conductivity with conductivities of over 50% IACS (International Annealed Copper Standard). However, the core material can also be a material that melts at a low temperature, such as lead, tin, zinc, aluminum or alloys thereof.
The core material is preferably used in the form of plates with a thickness of less than 12.7 mm, i.e. the core material can be used in the form of rolls, tape, sheet metal or the like.
It is preferred according to the invention, but is not necessary, to mechanically roughen the joining surfaces of both the core and the cladding material in order to guarantee good surface contact when being detected by the rollers. For example, the surfaces can be brushed or rubbed with a wire brush, etc.
The cladding material must have a recrystallization temperature at least 55.6 ° C., preferably at least 66.70 ° C. higher than the selected core material. The difference in recrystallization temperatures between the core and the cladding is of course used to ensure that both components do not noticeably recrystallize as defined above.
The plating material can, for example, be a copper-based alloy or lead, tin, nickel, zinc.
Be titanium, iron, silver or aluminum. For the present invention, of course, consideration is also given to plating the copper core on both sides with metals that are different on the two sides.
The cladding material should be in the form of plates less than 6.35 mm thick, i.e. the cladding and core material should be in a thermoformed form, e.g. in the form of steel strip or sheet metal coils, etc. Therefore, the resulting composite article has a thickness of less than 15.2 mm when the copper is plated on both sides and less than 11.4 mm when it is plated on one side. The thinnest thickness of both core and cladding that is comfortable to work with. is on the order of 0.025 mm.
The starting materials, both core and plate deepening, can be in any degree of hardness or tempered state and be hard or soft, as long as the above-mentioned requirements with regard to the recrystallization temperature are met. In the preferred embodiment, the core should be in a cold-worked degree of hardness and the cladding in an annealed degree of hardness, since this increases the recrystallization temperature difference.
Surface oxides, if they are not very massive, generally do not impair the process according to the invention. This is quite surprising and constitutes an important advantage of the present invention, since in normal processing surface oxides must be removed prior to the formation of the composite article. In the usual processing, the assembled objects are indeed often presented in special atmospheres. so that surface oxides do not form before the composite article is formed. These special precautionary measures are not required in the present invention.
It is very desirable, however, to remove dirt or adhering lubricant from the surface of the metal prior to the process of the invention in order to ensure good frictional contact between the core and the cladding materials. Any conventional cleaning procedure can readily be used, for example the core and plating materials can be passed through a soap or detergent solution according to conventional procedures.
Examples of such cleaning procedures include the use of commercially available alkaline detergents and solvent cleaners such as carbon tetrachloride and trichlorethylene.
It is a surprising feature of the present invention. that the core and cladding can be combined, if desired, without heating either one or both components, or at most with only moderate heating of the core. This is a particular advantage of the present invention. For example, if the core is technically pure copper and the cladding is copper-nickel 75:25, the core will recrystallize at about 1900C within minutes and the cladding will recrystallize at about 5380C. Therefore, if the core and the clad are both rolled without heating the core, the one-pass thickness reduction must be high in order to recrystallize the core as a result of rolling, that is, the one-pass thickness reduction must be at least 81 to 90%.
If one wishes to reduce the thickness of the assembled article to a lesser extent, the core should be heated somewhat, e.g. to 93 to 1350C, with a rolling reduction of 70 to 80% being required in order to recrystallize the core as a result of the rolling. The core can also be in a cold-worked degree of hardness, e.g. 3 to 50% cold worked; in this case, recrystallization would occur with a rolling reduction of 70 to 80% without the use of auxiliary heating or prior heating. If desired, the rolling conditions can be chosen so that the core material reaches a temperature of over 1910 ° C., whereby recrystallization is brought about; These rolling conditions include e.g. control of lubricant, rolling speed, etc.
Because of the high recrystallization temperature of the copper-nickel plating, the small amount of heat applied to the assembled article in the rolling step naturally recrystallizes the copper-nickel.
According to the invention, it is preferred that the core and the cladding enter the rollers at an angle so that they come together for the first time upon detection by the rollers. The materials are rolled at a high speed of at least 6.10 m per minute in one pass with a thickness reduction between 40 and 90%, these variables being generally determined by the nature of the core, its recrystallization temperature and its temperature when entering the rolls be mastered. In the preferred embodiment, the materials are rolled at 18.30 to 91.50 m per minute with a thickness reduction between 70 and 85%. The copper core should preferably be kept between room temperature and 1350 ° C. when entering the rollers, depending on the extent of the cold deformation.
The greater the cold deformation, the lower the permissible temperature.
It is preferred that the core and clad enter the rollers at an angle greater than 100, and generally at an angle between 5 and 220, to ensure that the core and clad do not come together sooner than upon being detected by the rollers and that as much shear as possible occurs at the interface. The shear action at the interface enables a surface area to be formed that is at least 10% greater than that of planar materials, i.e. the interface between the core and the cladding is characterized by a wave-like formation with a significantly increased interface area of contact. It should also be noted that the interface between the core and the cladding is characterized in that there is no visible atomic diffusion between the core and the cladding material.
For example, when aluminum alloy plating is used, there is essentially no diffusion of aluminum atoms into the copper core and no visible formation of harmful copper-aluminum intermetallic compounds.
Another advantage of the present invention is that after the rolling operation, the composite articles according to the invention do not require any subsequent diffusion annealing treatments, while the usual processing often requires diffusion annealing treatments in order to secure the bond between the core and the cladding. The fact that no diffusion annealing treatments are required in the method according to the invention is particularly important because, due to the long treatment times required and the common diffusion of gases to the interface between the core and the cladding, bubbles or the like are caused by diffusion annealing treatments.
could and often are caused. Diffusion annealing treatments also promote the formation of harmful intermetallic compounds.
In fact, no further operations are required after the rolling operation. The composite articles of the present invention are obtained in a form ready for the desired application. It may of course be desirable to carry out the usual subsequent operations for particular purposes, for example brief thermal treatments to relieve stress or to achieve desired properties, e.g. a short heat treatment or aging treatment, a rolling operation to achieve the desired dimensions, additional cold hardening, etc.
The present invention will be more readily understood from the following illustrative examples.
example 1
In the following example, the core has been plated on both sides; the core material was an electrolytic, technically pure copper alloy containing 99.9% copper, in the form of a tape with a thickness of 4.06 mm, and the cladding material was a copper-based alloy containing approximately 75% copper and 25%, Contained nickel, with a thickness of 1.14 mm.
Both the core and the cladding materials were in a fully annealed condition; therefore, both the core and the claddings were in the recrystallized state.
Both the core and claddings were cleaned in an alkaline detergent solution, rinsed with warm water, dried with warm dry air, and the surfaces of the core and claddings were rubbed with a rotating wire brush.
The core and claddings were then not rolled together at room temperature (approximately 25.60C) without prior heating of either core or cladding. The speed of the rolls was 12.2 to 45.7 meters per minute using a continuous rolling mill with variable speed. The materials were rolled in one pass with a thickness reduction of 80%. The angle between the platings was 12 with the core bisecting this angle. The core and claddings came together for the first time as they were captured by the rollers, with the claddings contacting the rollers rather than the core.
The resulting assembled article is shown in Fig. 1 at a magnification of 65 times.
The assembled article was characterized as having a moderate joint strength with a peel strength of 18 to 27 kg. The peel strength is a measure of the strength of the connection and is determined on a 19.05 mm wide sample, the cladding being peeled off directly from the core. Peel strength is a measure of the force required to pull the assembled object apart. The higher the peel strength, the better the bond.
The resulting composite article was approximately 1.27 mm thick. The examination of FIG. 1 shows that 1. there is no visible mutual atomic diffusion between the claddings and the core and that 2. a 10% larger connecting surface is present at the interface than with flat materials, the interface being characterized by a moderate wave-like surface Education is marked. It can also be seen from examination of Figure 1 that neither the core nor the claddings were recrystallized. This can be seen from the elongated grain structure in Figure 1 which is present in both the core and the claddings.
Example 2
In this example, the same core and claddings were used as in Example 1, with the core clad on both sides. The starting materials were of the same thickness as in Example 1, with all working steps being carried out in air.
Both the core and claddings were in a fully annealed condition and both the core and claddings were cleaned, dried and rubbed as in Example 1.
After cleaning and rubbing, the core alone was placed in an oven and heated to 121 cm. The core and cladding were then rolled together immediately after the core exited the furnace, with the cladding materials being cold rolled. The materials were rolled in one pass with the rolling variables the same as in Example 1.
The resulting composite article is shown in Fig. 2 at a magnification of 65 times.
The composite article was characterized as having good joint strength with a peel strength of over 40.8 kg.
The examination of FIG. 2 shows that 1. there was no visible mutual atomic diffusion between the claddings and the core and that 2. there was a connection area at the interface that was at least 10% larger than with flat materials, the interface being characterized by a moderate wave-like formation was marked. It can also be seen from Fig. 2 that the claddings were not recrystallized while the core was recrystallized. It should be noted that the core was still in the recrystallized state after the core was heated to 121 C; however, the core material was continuously cold worked as it was detected by the rollers, and the 80% reduction in thickness allowed the recrystallization process in the roller gap to begin.
Example 3
Example 1 was repeated with the exception that the core material was cold deformed by 11% before rolling; therefore the core material was not recrystallized when it entered the rolls.
The resulting composite object is shown in FIG. 3 at a magnification of 65 times.
The composite article was characterized as having good joint strength with a peel strength of over 40.8 kg.
The examination of FIG. 3 shows that 1. there was no visible mutual atomic diffusion between the claddings and the core and that 2. there was a bonding area at the interface that was at least 10% larger than with flat materials.
whereby the interface was characterized by a moderate wave-like formation. It can also be seen from FIG. 3. that the claddings were not recrystallized while the core was recrystallized. The core was not recrystallized when it entered the rolls, but the 80% reduction in thickness was sufficient. to bring about the recrystallization of the core material, since the core had previously been cold deformed by 11%.
Example 4
Example 1 was repeated with a super pure aluminum core and stainless steel claddings. The aluminum core was in the cold-formed degree of hardness H-14. The core and the claddings were rolled together as in Example 1 in one pass with a thickness reduction of 60%.
The resulting composite article was characterized by good bond strength as in Examples 2 and 3 with good physical properties comparable to Examples 2 and 3. The claddings were not recrystallized while the core was recrystallized.
Example 5
Examples 2 and 3 were repeated with the exception that the plating consisted of commercial brass with 70% copper and 30% zinc.
The resulting composite articles had properties comparable to those in Examples 2 and 3 with peel strengths in excess of 40 kg. The claddings were not recrystallized while the core was recrystallized.
The present invention can of course be embodied in other ways. The embodiments described are merely explanatory in all respects.
PATENT CLAIM 1
A composite, rolled sheet or strip-shaped article consisting of a single piece of a base metal clad on one or both sides with another metal, characterized in that the article has a thickness of less than 15.20 mm, the interface between the base metal and the cladding is characterized in that there is no mutual atomic diffusion and that it has a surface contact area that is at least 10% larger than flat sheets or sheets lying on top of one another.
Strips that further one of the metals in the composite article has a microstructure of at least 25% grains that have practically the same dimensions in all directions, and another metal has grains that are greatly elongated in the rolling direction, the ratio of length to the thickness of the elongated grains is at least 2: 1, and that the base metal and the cladding are in direct contact with one another.