DE1942899B2

DE1942899B2 - Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1942899B2
Application number: DE19691942899
Authority: DE
Inventors: Eric Anderson; John Spreadborough
Original assignee: Pechiney SA
Current assignee: Pechiney SA
Priority date: 1968-08-22
Filing date: 1969-08-22
Publication date: 1971-02-11
Also published as: LU59311A1; US3682606A; BE737764A; DE1942899A1; CA924891A; GB1235973A; FR1584400A; NL6912700A; CH511707A

Description

[', ' \ Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundweik- , Der Erfinder hjt djß folgende Formel (1) aufgestellt, ff i i I dh h lll d φ äh $ ^fi!t R Qiht

\ ' ttoff aus einer im Innern durch mehrere parallele und . φ* apffi)äh,ert $f iumetigjj$jt Hf 11 ,Querrichtung '.-' ühereinanderiiegendedünnelärigHcheStahlelementever- des Verbundwefjjif^pef gemäß der Erfindung als Jf stärktenAluminium-oderAluniiinjymlegiern^ggiMatrix, Funktion mehrerer pgjftoren vorauszusagen ^teiiet, Es ist bekannt, Verbundwerkstoffe zu verwenden, 5 nämlich der Breite L der Bänder, dftr kritischen -., die einerseits aus einem ersten Werkstoff, der geringe Breite 1, die sowohl Funktion der verwendeten Werk- i'·. mechanische Eigenschaften, jedoch bestimmte be- stoffe als auch der Qualität der Verbindung zwischen v". ■; sonders erwünschte Eigenschaften besitzt, und anderer- den Werkstoffen ist, der Zugfestigkeit Rr der Stahl· I· - seits aus einem zweiten Werkstoff bestehen, der er- bänder, des Volumenanteils'fV der im Verbund vor-'' höhte mechanische Eigenschaften aufweist und zur to handenen Bänder, der Elastizitätsgrenze Em der

I , Verstärkung des ersten Werkstoffes bestimmt ist. Der Matrix und schließlich eines Koeffizienten k_f der im ' - zweite Werkstoff wird im ajjgemfinen in Fprra van * ^!gf95!n^eP mh« Q₁S liegt.

Fasern in den ersten Werkstoff eingeführt, der mit dem ^f Rc = Rr Vr (I — klIL) + Em(I-' Vr). (X)
Gattungsbegriff Matrix b?ze.ichn,?t wird. ' '

*' In den mit Fasern verstärkten Verbundwerkstoffen %$A Außerdem verwendet man, um die maximaje Zugist die Verstärkung der Matrix stark anittroj»; z. B. festigkeit R in Längsrichtung zu ermitteln, die Formel die mechanischen Eigenschaften werden nur in d# (1), in der k den Wert Null hat:
Richtung der Fasern erhöht, während sie In der Rich- R = Rr · Vr -V Em(I — Vr) (2)

;■„" tung senkrecht zu dön Faawn praktisch uavefändsrt

''/-* bleiben. Man hat vorgeschlagen, die Matrix in zwei ao Beim Vergleichen der Formeln (1) und (2) sieht man,

^;- oder drei Richtungen zu verfestigen, indem man dort daß sich, je größer das Verhältnis L\l ist, die Querdie Fasern passend verteilt; doch ist die einführbare festigkeit Rc desto mehr der Längsfestigkeit R nähert.

Fasermenge für eine gegebene Richtung begrenzt, und Wenn man. 4aly?? ejn gfpifes Verhältnis L\l an-

>', die Verfestigung in dieser Richtung ist der unterlegen, wendet, ist es nicht nötig, die Richtungen der Bänder

f >. die man erhalten könnte, wenn man alle Fasern in der »5 von einer Schicht zur anderen zu kreuzen.

-'> gleichen Richtung orientierte;. Der Wert der kritischen Breite / kann andererseits

So hat man auch bestimmte Aluminiumlegierungen, nach der Formel (3) ennittfrii warden.
' ^r~ deren Eigenschaften wie geringes Gewicht und gu.te/ I = A, RrIt (3)

_tJ K^rrosionswidmtand sehr wünschenswert sind, mit — ' / ·

r^' sämtlich in der gleichen Richtung orientierten Stahl- 30 in der d die Breite des Bandes und t die Abscberfestig- j.,. fasern verfestigt. Wie vorstehend angegeben, ist die Jfglt 4er Matrix oder dßf Gfsnjrfliche zwischen Band y,- Verfestigung nur in der Faserrichtung spürbar. und Matrix bedeuten,

.'' Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, mit Während es interessant ist, eine große Querfestig-

',"",' Stahl verfestigte Alumi&.umTVerhüiidwenc£toffe zu keit Rc zu haben, indem sun Binder verwendet, deren V schaffen, die diese Nachteile nicht aufweisen, $pndo,rn a& Breite £ größer als die kritische Breite/ ist, ist es auch einen erheblichen Festigkeitszuwachs in Quer- ebenfalls interessant, einen Verbundwerkstoff zu J richtung zeigen. Dabei ist anzustreben, das theoretisch haben, der nicht rißanfällig ist

berechnete Maximuni an Festigkeitszuwachs zu er- Es wurde nun gefundejj, φΐβ b^i Verwendung von

reichen. Stahlbändern mit hoher Festigkeit, jedoch mit Rißan-

In der weiteren Beschreibung werden unter dem 40 fäUigkeit die Brejte.^ WWie dje. Dicket/ der Bänder

; Begriff Aluminium neben Aluminium auch seine bestimmte Grenren nicht überschreiten dürfen, damit

/' Legierungen verstanden. dje. Verbundwerkstoffe weniger rjßanfällig siu^ als die

>; Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß da- Stahlbänder.

_}/ durch gelöst, daß bandförmige Stahleiemente einer Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der ;/ Dicke unter 0,5, mm und gesehen g|wa Vu UPd *§ Ert]n.iUing liegt die Breit? £ 4sr gänder zwischen etwa ft Vax) ihrer Breite verwendet sind, daß die Bänder einer dem. 3Q- und dem 200fachen ihrer Dicke d, und die f '·. Schicht parallel Seite an Seite liegen, daß die Rieh- Dicke d liegt zwischen 0,05 und 0,15 mm.
ftf. tungen der Bänder von Schicht zu Schicht parallel Der verwendete Stahl ist vorzugsweise ein nicht- Ψ ' oder gekreuzt sind, daß die Bandschichten durch oxyoierender Stahl mit erhöhten mechanischen Eigen- ;. Aluminium- oder Alumitiiymlegierungssciiichten ge· s<a tebaften, eis Masfteniitiuchep Stahl, ein Mgftensit- ^ trennt ma, 4aß. 4#p Volumenanteil an Stahlbänder« alterongs-Stahl oder ein Stahl, der eine gute Eignung ?,, ,,, in der Matrix zwischen 10 und 70%, vorzugsweise zum Tiefziehen aufweist. Die verwendete Aluminium-F- ^; zwischen 20 und 50°/_g, ii«gt und daß die Bindung legierung ist vorzugsweise vom Typ Al-Si oder vom γ, zwischen Stahl und Aluminium im Verbundwerkstoff aushärtbaren Typ Al-Zn-Mg, Al-Mg-Si oder Al-Zn^f, metallurgischer Majfcuf und. ilureb mjtaHJfcbj f}if«sjen. & Mgr&l·*

C an ihren Grenzflächen erzeugt ist, ohne daß die Dicke Die Art der Bindung zwischen dem Stahl und dem ';', , der sich dort bildenden Schicht der intermetallischen Aluminium übt einen großen Einfluß auf die mechani- ^ Verbindung Fe₂Al₆ mehr als 2 μηι beträgt, sehen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes aus. Es

'ft Wie schon vorstehend angedeutet wurde, zeigen die wurde gefunden, daß die VerbiiuidungiSpröüe ist und

'/ Verbundwerkstoffe gemäß der Erfindung die be- 6b sich leicht Risse in dieser ZÖn^äeä yerbund^tenals h_t merkenswerte Eigenschaft, daß die Verfestigung des zeigen, die einen vorzeitigen Bnich<des Verßumlwerk- Ϋ Aluminiums, wenn man sie in der Richtung parallel stoffes hervorrufen, wenn an der Grenzfläche Stahl— zur Hauptachse der Stahlbänder betrachtet, gleich- Aluminium eine Schicht der inteir^tallischen Ver-'„ wertig der ist, die man mit Fasern erhalten kann, und bindung Fe₁Al₆ einer Dicke von mehr als etwa 3 μπι f daß in der Querrichtung (d. h. quer sowohl zur 65 existiert.

% Hauptachse der Bänder alls auch zur Normalen auf Gemäß einer bevorzugten Ausfühningsari der Er- ψ der Ebene dieser Bänder) die Vcncätigaag fast ebenso Sndung werde" Bänder verwendet, die vorher mit ff bedeutend ist. Aluminium nach einem Verfahren überzogen wurden,

I 942

Sfflhtaa Gegenstand eines ^lKpren, nipht τ-m Stand der Pf Tftobnik Standen Vpnjqhjagee »8t. P&nach, ist die !»nindunß JSWifWbPH dW Stahl μης} dem tfb,er?;u,g durch

'»S&ion der Metalle Ineinander erfolgt, Phno, 4afi die

f Schicht der ?pröd.c,n intermotaUinphen Verbindung fie.AU eine PMe Wer ?!*m hat, Pie nmshaniRijhen ^fensph'aften de» VcrbvntiwcrMpfr«?? ßcnjäß der Erentfettet d'c Bänder ...
schneidet die Bänder auf

- - ■ — . ■· et

f
fie.AU eine PMe Wer ?!*m hat, Pie nmsaniRjhn ^fensph'aften de» VcrbvntiwcrMpfr«?? ßcnjäß, der Er- »i«r 'flnSune wtohw dann Weht dl? nwh <ton Fppdn (1) fr? und α) YPWWbPWhniten Werte, P^ gilt ebens,p für Ψ¹ VerbundwerkfJtpffe mit hindern, die nach Al) sich Φ} bekannten Verehren im Vakuum mit Aluminium & 'überaßen wprden w>d.

weil» eine vorher entfettete Alu

angebracht.

formen und umlernen mc» ^*-- "rr," «101
Verbundplatte C von etwa 500mmι Länge, MOu
Breite und 2,6 mm Dicke. Pie D^hte des Verbund

in

gen W^i MF» wwv» , , ...

Die nach diesen Verfahren erhaltenen aluminierten Whlbünriej werden parallel in ebwvin Schichten angeordnet, die dann tibeFeinan4c,rge.schtc,htet werden. Dfe Bänder werden genau parallel zueinander gelegt

und sehr stark einander «!«»»Μη, WbW die fajgenfdei Schichten jeweils UTO tftm d«e HWtB ^d?r Breite eines Bandes versetz angeordnet werden. Die Schich-ξη vun aluminierten Bändern werden durch AIuminiumfolien getrennt oder auch nicht. Die Gesamtheit der Schichten von Bändern und gegebenenfalls AIu-SuniuiufoHcB wird anschließend gepreßt oder V/arm- «Lal/.t, vorzugsweise bei 400 bis 520°C, und einem ^- -ien Druck von e_twa 0,15 bis Q,30kp/pm², ,eise 0,18 bis 0,25 Hp/cm», um die metallische

Wenn maSTwarmpreßt, soll der Verbundwerkstoff während wenigstens 20 Minuten auf der gewählten Temperatur gehalten Wurden.; es ist. jedoch vpjzu- ?p

Khw. diese Dauer nieht über ÖQMtnuten auszudehnen, um die Bildung der intermetallischen Verbindung Fe₄AU V\ begrenzen.

Wenn man wajmwal?t, soll die DKkenvermipderung des Verbundwerkstpffes beim ersten Stich, mehr Sb % vorzuasweise 10 bis W% betragen, damit dje Bindung Ajuminium-Aluminnim na^h diesem

Schritt erreicht fet, Jedoch, soll, um Rjg⁶,«» <«ⁿ «*"" _{Man fiteUt aucIl} _Kit oau mc ₉m_Uu^ ™-^-^-

bäpdern ZU vermeidQP, #? gesäte, „Pf ^v^pde- _^«^Kute? Qualität ist! denn Üie Bruchfläche
„ng eine bestimmte Grenze nicht VtongKflgo, die 49 Stehl ^v°° ^8Jg ^ _faf_n ^ _Fall ^r Querprüf-

ftX von 7 8$ und eine Längs- oder Querfestigkeit von etwa 30 kp/mm .

Beispiel 2

/F *r 40 bis 451
Diese, Werte sin.4 den theoretisch berechneten Werten naj?H d§p Formeln. (1) un4 Ö) ^hr nahe>
Man. steftf aucU fest, daß die bindung Aluminium— .« u- „..*„, oniiiitst ist. denn <*'"* ^Ώ"^^^ρ^&

sie eine relativ gejjpge ßichte aufweisen, Sp besitzt ein Konstrttktipns^ager, der \ t wiegt up.(J ^US ejnem Verbundwerkstoff gemäß d#r ßrfjin4un| 8US 0,661 Aluminium UPä O.,?4 % majtejasitisch^m St^hI hoher mephanisciter Festiget hergestellt ist, eiae Zugfestig- φ keit in der Größenordnung vpn, 80 kp/rom* un4 eine Dichte von nur etwa. 4,4,

Die Verwendung von VerbundwerksipSsq gfjnäß der Erfindung ist besonders angezeigt für den Bau von widerstandsfähigen und leichten Konstruktionsteilen, wie bei Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen und Fahrzeugverkleidungen.

Die Beispiele 1 bis 4 sind zur Erläuterung der Erfindung bestimmt.

Man geht von dem Stapel aus Bändern und Aluminiumfolien nach dem Kaltpressen entsprechend Beispiel 1 aus. Man entformt diesen Stapel und erhitzt ihn auf 500° C. Sobald die Mittelzone dieses Stapels die Temperatur von 500° C erreicht hat, walzt man nach für Aluminiumerzeugnisse bekannten Walzverfahren auf etwa 2,4 mm beim ersten Stich, auf etwa 2,2 mm

mau gvm, T^i* „~. beim zweiten Stich und auf etwa 2 mm beim dritten

T⁰I₀ Nickel mit einer Breite von 4 mm und einer Dicke und letzten Stich. Die Temperatur der Platte ist nach von 0,06 mm aus. Die Zugfestigkeit des Stahls ist 65 diesem dritten Stich nicht mehr als etwa 400° C; man 185kp/mm². Man überzieht sie mit Aluminium von erhältnachdemEntgrateneinePlatteausVerbundwerk-99,5% Reinheit. Die das Stahlband überziehende stoff mit etwa 2,05 mm Dicke, 400 mm Länge und Aluminiumschicht hat eine Dicke von 0,06 mm; man 210 mm Breite. Die Dichte der Verbundplatte ist etwa

Beispiel 1

Man geht von Stahlbändern mit 17°/₀ Chrom und T⁰J₀ Nickel mit einer Breite von 4 mm und einer Dicke 006 aus Die Zugfestigkeit des Stahls ist

^899

4,2. Die ZugYersuche,an Probestücken CTgaben^füir ³Ac und ^folgende W^rte: ^ , ,^ _ί;,,,^ '

^::'!·SchiöhtZuScWctttpafaUeio^er^eklreuZiism^ daß "|die Bandschichten idurch^AJuminium··'' oder · 'AIu₇

-B e-ifs-p-Λ eil: 3-.-s.-i ■/. -- . ϊ-ν ^y;

Man verwendet die gleichen Stahlbänder wie nach Beispiel 1, überzieht sie aber mit einer Legierung aus £,8°/₀Zink, 1,2 % Magnesium, 0,2 °/₀ Chrom, Rest ίο Aluminium von 99,5 °/₀ Reinheit mit üblichen Verunreinigungen. Diese Legierung besitzt im warmausgelagerten Zustand eine Zugfestigkeit von 38 kp/mm². «Die Dichte dieser Legierung beträgt 2,7.
., Man verfährt wie im Beispiel 1, um ein Verbundwerkstück gemäß der Erfindung herzustellen, doch sind die Aluminiumfolien durchFolienausder AlZnMg-Legierung ersetzt. Nach dem Entformen, Erhitzen auf 45O⁰C während 10 Minuten, Abschrecken im Wassernebel und anschließendem Warmauslagern bei 120⁰C ao während 20 Stunden beträgt die Zugfestigkeit des Verbundwerkstücks Rc = 40 bis 43 kp/mm² und R = 52 bis 56 kp/mm², die Dichte etwa 3,9.

B e i s ρ i e 1 4 _a5

Man geht von Stahlbändern nach Beispiel 1 aus und überzieht sie mit einer Schicht aus Aluminium von etwa 2 μπι Dicke durch Überziehen im Vakuum. Man verfährt wie im Beispiel 1 und stellt ein Verbundwerkstück entsprechend dem im Beispiel 1 beschriebenen her, indem man Aluminiumfolien größerer Dicke verwendet, um das gleiche Volumenverhältnis Stahl: Aluminium beizubehalten. Wegen der geringeren Dicke der Überzugsschicht der Bänder nimmt man, um eine gute Bindung zwischen dem Stahl und dem Aluminium zu erzielen, das Warmpressen bei 500°C mit einem Druck von 0,24 kp/mm² während 30 Minuten vor. Die Zugfestigkeitswerte der Verbundwerkstoffplatte sind von denen der Platte nach Beispiel 1 kaum verschieden, nämlich:

■ ■m\ UM·

■iws-iyj,

Rc = 25 bis 30 kp/mm² und
R = 40 bis 45 kp/mm².

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundwerkstoff aus einer im Innern durch mehrere parallele und übereinanderliegende dünne längliche Stahlelemente verfestigten Aluminiumoder Aluminiumlegierungs-Matrix, dadurch gekennzeichnet, daß Stahlbänder (i) einer Dicke unter 0,5 mm und zwischen etwa Vm und Vaoo ihrer Breite jeweils einer Schicht parallel Seite an Seite liegen, daß die Richtungen der Bänder Von

40

45 Stahl-'und^AlunumumelementenfdurchiDiffusipn .' an ihrer Grenzfläche erzeugt ist, ohne daß die Dicke der sich dort bildenden Schicht der intermetallischen 'Verbindung Fe₂Al₆ mehr als 2/an beträgt.
''"'

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbänder (b) eine Dicke 'zwischen etwa 0,05 und 0,15 mm und zwischen ',etwa Vso ^u°d V200 ihrer Breite aufweisen und aus ' Vhichtoxydierendem Stahl mit erhöhten mechanischen Eigenschaften, einem niartensitischen Stahl, ^; einem Martensitalterungs-Stahl oder einem gut tiefziehfähigen Stahl bestehen und daß die Matrix (α) eine Al-Si-Legierung oder eine aushärtbare ,Al-Zn-Mg-, Al-Cu-Mg-, Al-Mg-Si- oder Al-Zn-Mg-Cu-Legierung ist.

3. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbänder in an sich bekannter Weise mit einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Überzug versehen und dann parallel in ebenen Schichten angeordnet werden, daß diese Schichten anschließend übereinandergelegt werden, wobei die Richtungen der Bänder parallel und die folgenden Schichten jeweils um etwa die Hälfte der Breite eines Bandes versetzt sind, daß diese Schichten von Bändern gegebenenfalls durch Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Folien getrennt werden und daß die Gesamtheit der so angeordneten Bänderschichten und gegebenenfalls Aluminiumfolien danach gepreßt oder warmgewalzt wird, vorzugsweise bei 400 bis 520⁰C, wobei ein spezifischer Druck von etwa 0,15 bis 0,30kp/cm², vorzugsweise 0,18 bis 0,25kp/cm^a, angewendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gewählten Temperatur 2f* bis 60 Minuten lang warmgepreßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß warmgewalzt wird, wobei die Diekeuahnahme beim ersten Stich mehr als 10⁰I₀, vor-

fzugsweise 10 bis 2O⁰I₀, und die gesamte Dicken-

_^abriahme höchstens 50% beträgt.
'

6. Verwendung der Verbundwerkstoffe nach den Ansprüchen 1 und 2 für den Bau von widerstandsfähigen und leichten Konstruktionsteilen, wie bei Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen und Fahrzeugverkleidungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen