DE68902599T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines mehrfachbeschichteten verbundmetallkoerpers. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines mehrschichtigen polymetallischen Verbundgegenstandes wie eines Drahtes, eines Stabs oder eines Bleches, insbesondere auf Stahlbasis.
• Man weiß, daß es für eine Vielzahl von Anwendungen besonders interessant ist, ein Erzeugnis, insbesondere auf Stahlbasis, zur Verfügung zu haben, welches in seinem Kern und in seinen Oberflächenschichten unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Der Kern eines Stahlteils, wie z.B. eines Drahtes oder dünnen Buckelblechs, muß dem Teil den mechanischen Widerstand, die Ziehfähigkeit oder die thermische Leitfähigkeit verleihen, während die in Kontakt mit der Umgebung stehenden äußeren Schichten der Aggressivität dieses Milieus oder seinen abrasiven Eigenschaften standhalten müssen, ohne dessen Eigenschaften zu ändern (Fall der Lebensmittel) und bei entsprechendem Aussehen.
• Es sind bereits verschiedene Lösungen für diese zwischen dem Kernmetall und dem Außenmetall mitunter widersprüchlichen Einschränkungen vorgeschlagen worden, die in Erzeugnissen wie einem geschichteten polymetallischen Blech, d.h. einem Verbundblech, welches aus mindestens zwei Schichten gebildet ist, bei denen die Eigenschaften und die Zusammensetzung der die einzelnen Schichten aufbauenden Metalle verschieden sind, bestehen.
• Zur Herstellung solcher geschichteter polymetallischer Bleche hat man auf verschiedene bekannte Verfahren zurückgegriffen, wie z.B. ein gemeinsames Warm- oder Kaltwalzen, Sprengplattieren, Auftragsschweißen oder die Bildung eines Sandwichmaterials durch Kokillenguß.
• Das gemeinsame bzw. Zusammenwalzen ist das häufigste Verfahren. Das Warmzusammenwalzen besteht darin, zwei oder mehr Schichten übereinander zu ordnen, indem ihre großen Flächen in Berührung gebracht werden, ihre Kanten zu verschweißen und den so erhaltenen Schichtaufbau warmzuwalzen, um eine metallurgische Verbindung der verschiedenen Schichten zu erzeugen.
• Unter den Nachteilen dieses Verfahrens ist der mäßige Zusammenhang der Schichtung und seine Beschränkung auf die Herstellung von starken plattierten Blechen zu nennen.
• Das Kaltzusammenwalzen betrifft dünne Erzeugnisse, und die Verbindung ist nicht so innig wie die, die mit dem Verfahren erzielt wird, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt.
• Das Verfahren des Spengplattierens besteht darin, eine metallurgische Verbindung zwischen zwei übereinander angeordneten Blechen durch den Aufprall dieser Bleche mit großer Geschwindigkeit unter der Wirkung des Druckes zu erzeugen, der von einem über der freien Oberfläche eines der Bleche angeordneten Sprengstoff erzeugt wird.
• Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in den Einschränkungen seiner Durchführung sowie in der Unmöglichkeit, ein verhältnismäßig sprödes Auftragsmetall zu plattieren.
• Das Verfahren der Auftragsschweißung besteht darin, durch Aufschweißen eine Außenmetallschicht auf ein Blech oder eine Struktur, welches bzw. welche bereits die Umformungsschritte durchlaufen hat, aufzutragen.
• Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in der Diffusion der Elemente von einer Schicht in die andere, was eine sehr große Dicke an Auftragsmetall in mehreren Arbeitsgängen aufzwingt. Dieses Verfahren ist nicht ratsam für dünne Bleche, die die Tendenz haben, sich unter der Wärmewirkung beim Schweißen zu Verformen.
• Die Verfahren, die darin bestehen, ein Sandwichmaterial durch Kokillenguß eines Auftragmetalls um eine Platte auszubilden, weisen sämtlich die Nachteile auf, die mit der Diffusion der konstituierenden Elemente aus einem der Metalle in das andere zusammenhängen. Ferner ist die Fertigdicke der Oberflächenschicht nicht konstant.
• Der größte Teil dieser Verfahren weist in verschiedener Hinsicht Nachteile auf, insbesondere den, daß die Verbunderzeugnisse nicht auf Linien mit herkömmlicher Walzung hergestellt werden können, welche ein Warm- und nachfolgendes Kaltwalzen umfassen, ohne ein großes Risiko einer Entfestigung und eines Austretens des Innenmaterials aus seiner Hülle beim Walzen einzugehen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
• - einen polymetallischen mehrschichtigen Verbundgegenstand in wirtschaftlicher und industrieller Weise derart herzustellen, daß in demselben Gegenstand die positiven Eigenschaften jedes seiner Bestandteile vereinigt sind, insbesondere gute mechanische Eigenschften, hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen jede Art von Korrosion und unter Umständen eine gute thermische Leitfähigkeit und gute Tiefziehfähigkeitseigenschaften,
• - beim Fertiggegenstand (Draht, Stab, Blech) im Querschnitt dieser Gegenstände ein konstantes Verhältnis der verschiedenen Materialien zu erhalten, die den Verbundgegenstand bilden. Dieses konstante Verhältnis ist nötig, um nach einer Walzumformung einen homogenen Gegenstand zu erhalten, der insbesondere konstante geometrische, mechanische und Korrosionsfestigkeitseigenschaften aufweist,
• - die Schwierigkeit zu berücksichtigen, die die unbedingte Notwendigkeit mit sich bringt, daß, wenn man eine Durchführung durch Gießen einer Legierung in einer Form verwendet, man eine Form benutzt, die eine gewisse Konizität oder Formschräge aufweist, damit der erhaltene festgewordene Gegenstand entfernt werden kann.
• Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines polymetallischen Verbundgegenstandes, welcher mindestens zwei verschiedene metallische Schichten umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
• - ein von einer Paraffinschicht überdeckter Einsatz in einer dem Einsatz homothetischen Gußform aufgehängt wird, wobei der Einsatz aus einem Grundmetall besteht,
• - nachdem bei bestimmter Temperatur und Steiggeschwindigkeit ein den ganzen Einsatz bedeckendes Auftragsmetall zur Gewinnung eines polymetallischen Blocks steigend gegossen wurde, der von dem Auftragsmetall umgebene Block einem Warmwalzvorgang, dann gegebenenfalls einem Kaltwalzvorgang, unter üblichen Walzbedingungen bis zur Gewinnung des Gegenstands unterworfen wird,
• - dann zur Homogenisierung der mechanischen Eigenschaften von Kern und Oberfläche des Gegenstandes ein den beiden Metallschichten angepaßtes Glühen durchgeführt wird.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung entspricht die Gießtemperatur des Auftragsmetalls einer Überhitzung von 30ºC bis 200ºC. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt die Steiggeschwindigkeit des Auftrangsmetalls zwischen 0,5 m/min und 5 m/min und insbesondere zwischen 1,5 m/min und 2,5 m/min.
• Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines polymetallischen Verbundgegenstands, welcher aus wenigstens zwei verschiedenen metallischen Schichten gebildet ist, durch steigendes Gießen, auf der Grundlage einer Gußform und eines Einsatzes, welcher das Grundmetall bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform homothetisch in bezug auf den Einsatz ist und daß die Vorrichtung Mittel zur Zentrierung des Einsatzes aufweist.
• Die folgende Beschreibung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung eines polymetallischen Gegenstandes, welche als nichteinschränkendes Beispiel angegeben und in der einzigen beigefügten Figur dargestellt ist, wird überdies die Vorteile und Merkmale der Erfindung deutlich werden lassen.
• Wie diese Figur zeigt, wird die Vorrichtung von einer Gußform 1 beispielsweise in Form eines Pyramidenstumpfs gebildet, der in seinem unteren Teil und seinem oberen Teil offen ist.
• Die Gußform 1 ist auf einer Platte 2 so befestigt, daß ihre kleine Grundfläche nach unten orientiert ist. Zu diesem Zweck weist die Platte 2 Zentrierungsmittel 3 für die Gußform auf.
• Das Bett 2, das den Boden der Gußform bildet, weist einerseits in der Achse der Gußform ein Sackloch 4 zur Zentrierung eines Einsatzes 5, welches das Grundmetall bildet, und andererseits zwei Kanäle 6 zum Steiggießen eines Auftragsmetalls, wie im folgenden zu sehen sein wird.
• Der Einsatz 5, der z.B. aus gewöhnlichem Stahl besteht und in Form eines Pyramidenstumpfs ausgebildet ist, weist an seinem unteren Teil, d.h. auf der Seite seiner kleineren Grundfläche, einen Zentrierungsklotz 7 auf, der durch den übrigen Teil des Gießkanals gebildet wird, sowie an seinem oberen Teil eine Handhabungs- und Zentrierungsstange 8 auf.
• Die Gußform 1 ist homothetisch in bezug auf den Einsatz 5.
• Das heißt, daß die Kanten des Pyramidenstumpfs, welche durch die Oberfläche des Einsatzes, welcher in der Gußform in Stellung ist, gebildet sind, und der Innenfläche der Gußform denselben Konvergenzpunkt aufweisen müssen.
• In dem Fall verwendet man als Einsatz eine Gußform mit einer inneren Schräge von 3,13%, einer konischen Höhe von 1585 mm, einer Fußbreite von 388 mm, einer Kopfbreite von 492 mm, was die Realisierung eines Blocks von 2,7 t erlaubt, dessen Anguß man zerstückelt, um einen Einsatz von 2,6 t zu erhalten. Die Gußform, in der man dann den Einsatz, an dem die Zentrierungs- und Aufhängungsmittel 7 und 8 befestigt sind, anordnet, hat eine Schräge von 3,76%, eine konische Höhe von 1585 mm, eine Fußbreite von 441 mm und eine Kopfbreite von 560 mm. Man erhält so einen Metallanteil des Einsatzes von 77% vom Kopfteil bis zum Fußteil des Verbundblockes. Die Enden des Verbundblockes sind auf einer Länge, die 100 mm nicht überschreitet (nämlich weniger als 1% des Gegenstands) vollständig mit dem Auftragsmetall derart gebildet, daß der Einsatz vollständig bedeckt und so einer Oxidation der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien beim Warmwalzen vorgebeugt ist.
• Die allgemeine Vorgehensweise bei der Herstellung eines polymetallischen Verbundblocks erfolgt folgendermaßen.
• Zuerst führt man in die Gußform 1 den Einsatz 5 derart ein, daß der Zentrierungsklotz 7 in das Sackloch 4 eindringt. Dieser Klotz 7 hat eine bestimmte Höhe derart, daß auch ein Zwischenraum zwischen dem Boden der Gußform und dem unteren Teil des Einsatzes ausgespart wird.
• Dann schließt man die Gußform 1 mit einem Deckel 10, der gleichzeitig einen Zwischenraum mit dem oberen Teil des Einsatzes bildet, und bringt ein Gestell 11 in Stellung, welches die obere Zentrierung des Einsatzes mittels der Stange 8 gewährleistet.
• Nach Beendigung dieser Arbeitsschritte steiggießt man das Auftragsmetall, welches beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht, welcher in den Zwischenraum 9 über die Kanäle 6 eindringt und den Einsatz vollständig bedeckt, d.h. sowohl die Seitenflächen als auch den Kopf und den Fuß des Einsatzes aus gewöhnlichem Stahl.
• Die Paraffinschicht, welche den Einsatz überzieht, dient dazu, diesen bis zu dem Moment, in dem das flüssige Metall ihn bedeckt, vor Oxidation zu schützen.
• Die Wahl der Steiggeschwindigkeit und der Überhitzung des Auftragsmetalls ist zur Erzielung einer zufriedenstellenden Erstarrung und eines zufriedenstellenden Oberflächenzustandes des rostfreien Stahls von größter Bedeutung. Für eine gewünschte Schichtdicke aus rostfreiem Stahl ist diese Geschwindigkeit durch die Höhe des Blocks und den Durchmesser der Gießkanäle festgelegt.
• Die Gießtemperatur des Auftragsmetalls entspricht einer Überhitzung bezüglich des Liquiduspunktes von mindestens 30ºC, und liegt üblicherweise zwischen 50ºC und 150ºC.
• Zur Veranschaulichung sei angegeben, daß für eine Blockhöhe von 2,1 m die Überhitzung des rostfreien Stahls beim Gießen in der Größenordnung von 80ºC, die Gießgeschwindigkeit zwischen 1,5 und 2,5 m/min und der Durchmesser der Zuführkanäle zwischen 40 und 80 mm liegt.
• Der so erhaltene polymetallische Block wird aus der Gußform 1 herausgezogen und dann warmgewalzt. Der Walzvorgang wird fortgesetzt, bis der gewünschte Gegenstand, wie z.B. ein Blech, ein Stab oder ein Draht mit der gewünschten Dicke gewonnen ist, unter Umständen wird der Vorgang mit einem Kaltwalzen beendet. Da der rostfreie Stahl den Kern am Kopf und am Fuß bedeckt, verläßt das Innenmaterial während des Walzens seine Hülle nicht.
• Nach dem Warmwalzen und/oder Kaltwalzen wird ein den beiden vorliegenden Materialien angepaßtes Glühen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften des Kerns und der Oberfläche des Gegenstandes zu homogenisieren.
• Ein weiter Bereich mechanischer Eigenschaften kann entsprechend der Wahl des den Kern bildenden Materials und des angewendeten Glühens erhalten werden. Der rostfreie Stahl auf der Oberfläche verlieht dem Gegenstand Korrosions- und Oxidationsfestigkeit.
• Unter Berücksichtigung der homothetischen Formen von Einsatz und Gußform hat der Fertiggegenstand eine homogene Schicht aus rostfreiem Stahl.
• Beispielhaft wird im folgenden die Herstellung eines Verbundblockes beschrieben, dessen Kern aus Weichstahl besteht und dessen Auftragsmetall ein rostfreier Stahl ist.
• Der steigend gegossene rostfreie Stahl ist vom Typ Z 2CN 18.09, dessen chemische Zusammensetzung wie folgt lautet:
• Der Einsatz mit einem Durchmesser von 300 mm ist vom Typ XC200 und entspricht ungefähr 50% des Gesamtgegenstandes. Die chemische Zusammensetzung des Einsatzes lautet wie folgt.
• Die Gießtemperatur des rostfreien Stahls betrug 1539ºC, und das Steigen wurde in einer Zeit von 1' 10" gleichmäßig durchgeführt. Der Durchmesser der Steigkanäle betrug 56 mm.
• Nach dem Abschneiden wurde der polymetallische Block auf einen Durchmesser von 148 mm vorgeblockt und dann auf einen Durchmesser von 10,5 mm bei einer Temperatur von 1120ºC gewalzt.
• Danach wurde ein Glühen vom Überhärtungstyp und/oder ein Anlassen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften zu homogenisieren und um Entfestigungen an der Grenzfläche zwischen dem rostfreien Stahl und dem Weichstahl zu vermeiden. Ein Kaltwalzen wurde bis zu einem Durchmesser von 2 mm durchgeführt.
• Das Aussehen der Oberfläche des erhaltenen Gegenstands ist hervorragend, und die gute Haftung des Auftragsmetalls auf dem Grundmetall erlaubt die Vermeidung jeglicher Entfestigung.
• Allgemein weist das Verbundmaterial, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist, eine äußere Schicht mit großer Einschlußreinheit und guter Haftung auf. Außerdem kann das Verbundmaterial je nach chemischer Zusammensetzung von Substrat und Auftragsmetall eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
• - guter Widerstand gegen Korrosion durch Lösungen
• - gutes Warmoxidationsverhalten
• - gute mechanische Eigenschaften
• - gute thermische Leitfähigkeit
• - gute Tiefziehfähigkeit
• - Fließdrücktauglichkeit
• - gute magnetische Eigenschaften
• - geringer Ausdehnungskoeffizient
• Die Anwendungen des so erfindungsgemäßen erhaltenen Gegenstandes sind zahlreich und unterschiedlich wegen der besonderen Eigenschaften, die die Art der Gewinnung des Verbundmaterials mit sich bringt. Im Falle eines Verbundgegenstandes aus rostfreiem Stahl und gewöhlichem Stahl gehören zu den Anwendungen bei länglichen Gegenständen, wie z.B. Drähten, beispielsweise Weinstockdraht und Betonstahl. Das mit einer geschickt gewählten Kombination von Kern und äußerer Schicht erhaltene Material liefert die Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit, wobei sein Preis unter dem des "vollen" rostfreien Stahls liegt, wenn man die Sorten richtig wählt.
• Gleichfalls kann man Bleche herstellen, die Anwendung finden bei Wärmetauschern in der chemischen oder petrochemischen Industrie, ferner können Diffusoren bzw. Pumpenleiträder und Küchengeräte sowie Auspuff-Vorschalldämpfer beispielhaft genannt werden.
• Insbesondere ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenes polymetallisches Verbundblech besonders geeignet für die Herstellung von Kochbehältern, bei denen nur die äußeren Oberflächen aus rostfreiem Stahl und nur bei einer sehr geringen Dicke der Größenordnung von Zehntelmillimetern bestehen. Man erhält so einen Gegenstand mit einer guten Korrosionsfestigkeit und einer hervorragenden thermischen Leitfähigkeit, die einen von angesetzten Böden zur Wärmeverteilung freistellt.
• Ferner erlaubt der Kern des Verbundbleches eine durch die Tiefen im Fließdrücken erleichterte Formgebung.
• Die Erfindung ist besonders interessant für Materialien mit einem Äußeren aus rostfreiem Stahl und einem Inneren aus gewöhnlichem Stahl. Gleichwohl kann die Erfindung mit anderen Materialien angewendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines polymetallischen Verbundgegenstandes durch steigendes Gießen, welcher mindestens zwei verschiedene metallische Schichten umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein von einer Paraffinschicht überdeckter Einsatz (5) in einer dem Einsatz homothetischen Gußform (1) aufgehängt wird, wobei der Einsatz aus einem Grundmetall besteht,

- nachdem bei bestimmter Temperatur und Steiggeschwindigkeit ein den ganzen Einsatz (5) bedeckendes Auftragsmetall zur Gewinnung eines polymetallischen Blocks steigend gegossen wurde, der von dem Auftragsmetall umgebene Block einem Warmwalzvorgang, dann gegebenenfalls einem Kaltwalzvorgang, unter üblichen Walzbedingungen bis zur Gewinnung des Gegenstands unterworfen wird,

- dann zur Homogenisierung der mechanischen Eigenschaften von Kern und Oberfläche des Gegenstands ein den beiden Metallschichten angepaßtes Glühen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießtemperatur des Auftragsmetalls einer Überhitzung von 30ºC bis 200ºC entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießgeschwindigkeit des Auftragsmetalls zwischen 0,5 und 5 m/min liegt.

4. Vorrichtung zur Herstellung eines polymetallischen Verbundgegenstands, welcher aus wenigstens zwei verschiedenen metallischen Schichten gebildet ist, durch steigendes Gießen, auf der Grundlage einer Gußform (1) und eines Einsatzes (5), welcher das Grundmetall bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform (1) homothetisch in Bezug auf den Einsatz (5) ist und daß die Vorrichtung Mittel (4, 7, 8) zur Zentrierung des Einsatzes (5) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zentrierung des Einsatzes (5) einerseits durch ein Sackloch (4), welches an der Basis der Gußform (1) vorgesehen ist und mit einem durch den übrigen Teil des Gießkanals des Einsatzes gebildeten Klotz (7) zusammenwirkt, und andererseits durch eine Handhabungsstange (8), welche dem Klotz (7) gegenüberliegend mit dem Einsatz verbunden ist, gebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten des von der Oberfläche des Einsatzes (5) gebildeten Pyramidenstumpfs in Stellung in der Gußform und der inneren Oberfläche der Gußform (1) einen gleichen Konvergenzpunkt aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform (1) eine innere Schräge von 3,13 % hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) eine Schräge von 3,76 % hat.