DE69927700T2 - Verfahren zur herstellung von metall-verbundmaterialien die bei hohen temperaturen bearbeitet werden können - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines plattierten Metallverbundmaterials, das ein Stahlsubstrat aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren wird in
US 4612258 offenbart, wobei diese Druckschrift den am nächsten liegenden Stand der Technik darstellt. - Das Walzplattieren teuerer korrosionsbeständiger Metalle auf Stahl oder andere billigere Substratmaterialien zum Bilden eines plattierten Verbundmaterials ist gut bekannt. Derartige Metallverbundmaterialien werden in chemischen, petrolchemischen und ähnlichen Verarbeitungsbetrieben in großem Umfang eingesetzt, um die Kosten derartiger Anlagen zu minimieren. Diese Kostenverringerung wird erreicht, indem das billigere Substratmaterial verwendet wird, um dem Verbundstoff die erforderliche Festigkeit für Konstruktionsanforderungen zu verleihen, während das äußere plattierte „Furnier" aus kostspieligem Metall eine minimale Dicke hat, die zum Verleihen der notwendigen Korrosionsbeständigkeit ausreicht.
- Derartige Verbundstoffe können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden, wobei das am häufigsten verwendete das Walzplattieren ist. Bei diesem Verfahren müssen die Oberflächen von Auflage- und Substratmaterial gereinigt und miteinander in Berührung gebracht werden, um ein lose zusammengefügtes Verbundpaket zu bilden, das auf eine geeignete Temperatur erwärmt wird, bevor es zwischen Walzen hindurchgeführt wird, die die Teile zusammenpressen und die Verbundstoffdicke nach und nach reduzieren. Die resultierende Verformung bewirkt, dass Auflage- und Substratmaterialkomponenten an ihrer Schnittstelle miteinander verschweißen und so einen verbundenen plattierten Verbundstoff reduzierter Dicke und vergrößerter Fläche bilden. Ein derartiges Verfahren wird in
US3125805 offenbart, bei dem eine Legierung auf Eisenbasis wie Stahl mit einer Titanauflage-Lage und einer Sperrschicht-Chromzwischenlage dazwischen nebeneinandergelegt wird. Die nebeneinandergelegte Gruppe wird dann bei Temperaturen zwischen 930°C und 1200°C zum Verschweißen der Gruppe warmgewalzt. - Nicht alle Auflagematerialien können auf diese Weise walzplattiert werden, weil einige derartige Metalle sich nicht zum Binden an das gewählte Substratmaterial eignen. Zwei derartige Beispiele sind Titan und Zirkonium, die wegen der Bildung schädlicher intermetallischer Substanzen an der Schnittstelle bei den Temperaturen, die zum Bewirken der Bindung erforderlich sind, nicht direkt mit Substratmaterial aus Stahl oder nichtrostendem Stahl walzplattiert werden können. In derartigen Fällen werden die ansonsten unverträglichen Substrat- und Auflagekomponenten normalerweise durch Explosionsschweißen (Sprengplattieren) in den endgültigen erforderlichen Dicken zusammengefügt. Dieser Prozess ist nicht nur relativ kostspielig, sondern hat auch technische Begrenzungen, die die Fläche und Dicke von Verbundstoffen beschränken, die produziert werden können. Zum Produzieren von vergleichsweise großen Flächen müssen Qualitätssicherungsverfahren von qualifiziertem Leitungspersonal äußerst detailliert und streng durchgesetzt werden und trotzdem kann ein hoher Grad an Ausschuss defekter Komponenten vorkommen, der nicht wieder überarbeitet oder aufbereitet werden kann. Folglich entstehen hohe Material- und Arbeitsersatzkosten, die durch Rückstellungskalkulationen gedeckt werden müssen.
- Blöcke wurden ebenfalls schon durch Explosionsschweißen von Auflage- und Substratmaterialien in geeigneten Dickenproportionen produziert, wobei diese Blöcke dann erwärmt und „umformungsgewalzt" werden, um die Oberfläche zu vergrößern und den Verbundstoff auf die erforderliche Gesamtdicke zu reduzieren.
- Diese Methode ist auf viele Auflage- und Substratmetallkombinationen anwendbar und hat auch schon Titan oder Zirkonium eingeschlossen, die an Substrate aus Kohlenstoffstahl oder nichtrostendem Stahl explosionsgeschweißt wurden. Die ausgedehntere Anwendung dieser Methode wurde durch die Tatsache gehemmt, dass sowohl Titan als auch Zirkonium, wenn sie an diese Substratmaterialien geschweißt sind, an ihrer geschweißten Schnittstelle brüchige intermetallische Verbindungen bilden, wenn sie auf die hohen optimalen Temperaturen erwärmt werden, die erforderlich sind, um dem Stahlsubstrat die mechanischen Eigenschaften zu verleihen, die in den meisten Druckbehälterspezifikationen definiert werden. Diese intermetallischen Verbindungen bilden sich bei Temperaturen über etwa 850°C und schwächen oder zerstören effektiv die Bindung. Folglich ist es nötig, dass das Umformungswalzen des explosionsgeschweißten Blocks bei Temperaturen unter 850°C durchgeführt wird, um die Bildung dieser intermetallischen Verbindungen zu vermeiden.
- Eine weitere Komplikation ist, dass Titan bei etwa der gleichen Temperatur eine Phasenänderung durchmacht, bei der das Wachstum der intermetallischen Verbindung stattfindet, wobei die normale Alpha-Struktur des Titans in die Beta-Phase übergeht. Dies hat sich als weiterer Anreiz dafür erwiesen, Umformungswalztemperaturen unter einer Temperatur von 850° zu halten. Frühere Arbeit in diesen unteren Temperaturbereichen, in denen das Titan im Alpha-Zustand existiert und auf einer Temperatur gehalten wird, die unter der liegt, bei der intermetallische Verbindungen gebildet werden, ist in US-Patent Nr. 4612258 und
JP59047078 - Umformungswalzen bei Temperaturen von 850°C oder darunter härtet den Stahl in größerem Maße, was die Konformität mit den akzeptierten Stahlspezifikationen extrem schwierig macht. In der gewerblichen Praxis führt, wenn größere Blöcke auf größere Flächen ausgewalzt werden, eine anfängliche niedrigere Blocktemperatur unter 850°C zu raschem Abkühlen während des Walzens auf eine Temperatur, die das Wiedererwärmen des Verbundstoffs erfordert, wenn das Walzen ohne eine Beschädigung des Walzwerks fortgesetzt werden soll, und folglich wird jegliche Kontrolle über die Stahleigenschaften effektiv aufgegeben. Derartiges Wiedererwärmen erfordert auch den Einsatz zusätzlicher Öfen, die notwendigerweise extrem groß sind, um die stark vergrößerten Flächen des Halbzeugs aufnehmen zu können.
- Es wurden Versuche unternommen, die mechanischen Eigenschaften des Stahls beim Walzen bei Temperaturen unter 850°C durch Verändern der Zusammensetzung des Stahls zu steuern. Dies beinhaltet normalerweise eine Verringerung des Kohlenstoffanteils auf einen derartigen Pegel, dass der Grad der Kaltverfestigung, die bei diesen niedrigeren Temperaturen stattfindet, auf ein akzeptables Maß verringert wird. Derartige modifizierte Materialien sind aber fast unweigerlich ungeeignet für die anderen Fertigungsverfahren, die während des weiteren Baus der Behälter, in die der Verbundstoff integriert ist, noch durchgeführt werden müssen. Folglich haben sich diese Methoden als Produktionsverfahren nicht als brauchbar erwiesen.
- Es wurden auch Versuche unternommen, das Walzplattieren von Titan und Zirkonium an Stahl mithilfe von Zwischenlagematerialien zu erleichtern, die mit der Auflage- und der Substratkomponente verträglich sind. Derartige Zwischenlagen sind nur zum Bewirken des Walzplattierens der Teilmaterialien und mit Schmelzpunkten vorgesehen, die notwendigerweise mit denen der Auflage- und Substratmaterialien vergleichbar oder geringer sind. Derartige Methoden haben sich nicht als wirtschaftlicher Erfolg erwiesen und hatten auf Grund einer variablen Bindungsqualität über die Produktfläche nur eine begrenzte Akzeptanz auf dem Markt. Der niedrigere Schmelzpunkt dieser Materialien macht ebenfalls ihr Walzen bei Temperaturen unter der für die Kontrolle der Stahleigenschaften erforderlichen optimalen Temperatur notwendig, wodurch ihre Verwendung auf Anwendungen begrenzt wird, in denen Korrosionsbeständigkeit das hauptsächliche Akzeptanzkriterium ist und die mechanischen Eigenschaften des Stahls nicht von vorrangiger Bedeutung sind. Der Mangel an einheitlicher Bindung über den gesamten Bereich der Auflageschnittstelle hat derartigen Produkten den Ruf verliehen, dass sie unzuverlässige mechanische Eigenschaften aufweisen.
- Die vorliegende Erfindung überwindet die bereits beschriebenen Begrenzungen, da die Verwendung geeigneter Zwischenlagematerialien mit hohem Schmelzpunkt die Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen Stahl und Zirkonium und zwischen Stahl und Titan trotz Phasenänderungen verhütet, die bei den hohen Walztemperaturen, die zum Erzeugen der gewünschten mechanischen Eigenschaften im Stahlsubstrat erforderlich sind, in den Materialien stattfinden. Wenn der Verbundstoff schließlich auf die normale Weise auf Temperaturen unter etwa 850°C abgekühlt wird, kehrt Titan wieder in den ursprünglichen Alpha-Phasen-Zustand zurück.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Umformungswalzen eines Verbundmetallblocks aus Auflagemetall und Substratmaterial im optimalen Bereich von Temperaturen zu ermöglichen, die notwendig sind, um das Substratmetall mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu versehen, während auch durchgehend und im Anschluss an die Verarbeitung des genannten Verbundmetallblocks eine solide Bindung des Auflagemetalls an dem Substratmetall gewährleistet wird.
- Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials vor, wobei das genannte Verbundmaterial eine Lage aus Metallauflagematerial, eine Lage aus Metallsubstratmaterial und eine Zwischenlage aus Metallmaterial aufweist, die zwischen dem genannten Metallauflagematerial und dem genannten Metallsubstratmaterial zwischengelegt wird, wobei das genannte Zwischenlagematerial die Bildung von intermetallischen Verbindungen und die Verarmung der Bindung zwischen dem Metallsubstratmaterial und dem Metallauflagematerial verhütet, wobei das genannte Metallauflagematerial Titan, Zirkonium oder eine Titan- oder Zirkoniumlegierung ist, das genannte Metallsubstratmaterial Kohlenstoff- oder nichtrostender Stahl ist, das genannte Zwischenlagematerial Tantal oder Niobium ist und das genannte Verfahren die Schritte des Bindens des genannten Metallzwischenlagematerials an das genannte Metallauflagematerial und das genannte Metallsubstratmaterial und danach des Warmformens des genannten verbundenen Materials aufweist, und dadurch gekennzeichnet, dass das verbundene Material bei einer Temperatur über 900°C warmgeformt wird, um das Verbundmaterial zu bilden.
- Das Zwischenlagematerial verhütet vorteilhaft die Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen der Metallauflage und dem Metallsubstrat bei den Temperaturen über 900°C, die gemäß der konventionellen Praxis des Stahlherstellungshandwerks angewendet werden, um das Substratmetall mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften zu versehen.
- Vorteilhaft ist das Zwischenlagematerial ein Metall, das mit einer Auflage aus in der Beta-Phasen-Form existierendem Titanmetall keine intermetallischen Verbindungen bildet und das bei Temperaturen über etwa 850°C geschaffen wird.
- Vorzugsweise ist das Zwischenlagematerial ein Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als die Metallauflage und das Metallsubstrat, das bei den gewünschten Walztemperaturen für das Substratmaterial keine intermetallischen Verbindungen bildet.
- Vorzugsweise wird das Zwischenlagematerial an die Lage des Auflagemetalls explosionsgeschweißt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, das die Zwischenlage an das Substratmetall geschweißt wird.
- Vorzugsweise ist das Substratmetall ein Stahl und das Auflagemetall ein korrosionsbeständiges Metall. In einer besonders bevorzugten Form der Erfindung ist das Substratmetall ein Kohlenstoff- oder nichtrostender Stahl und das korrosionsbeständige Auflagemetall kann Titan oder Zirkonium oder Legierungen dieser Materialien sein. Das Zwischenlagematerial kann Tantal oder Niobium (Niob) oder Legierungen aus oder zwischen diesen Materialien sein.
- In einer bevorzugten Form überwindet die vorliegende Erfindung die oben erwähnten Schwierigkeiten des Stands der Technik durch Herstellen eines Blocks, der die höhere Integrität einer Explosionsschweißbindung beinhaltet und der bei den optimalen zum Erzeugen der erforderlichen Stahleigenschaften notwendigen Temperaturen gewalzt werden kann, ohne die Bindung zwischen den Komponentenmaterialien zu beeinträchtigen. Insbesondere verhütet das Zwischenlagematerial die Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen der Alpha- oder Beta-Form des Titans und Stahl oder Zirkonium und Stahl im gesamten Bereich der Temperaturen über 900°C, die normalerweise in der Herstellung von die gewünschten Eigenschaften aufweisendem Stahl eingesetzt werden.
- In einer bevorzugten Form der Erfindung werden die Bindungen zwischen Auflage und Zwischenlagematerial und Zwischenlage und Substratmetall durch Explosionsschweißen des Zwischenlage- und des Substratmaterials hergestellt, die Erfindung ist aber nicht auf diese Methode der Herstellung der Bindung begrenzt und andere mögliche Bindungsformen können angewendet werden.
- Die Erfindung ist gleichermaßen auf den Prozess der Herstellung von plattierten Rohren oder Röhren anwendbar, indem man zylindrische plattierte Stahlblöckchen oder Hohlprofile bei Temperaturen ähnlich denen für das Warmwalzen erforderlichen konventionell strangpressen lässt. Explosionsgeschweißtes Ausgangsmaterial in der Form von Blöckchen kann zum Herstellen des plattierten Rohrs mit konventionellen Herstellungsmethoden verwendet werden, ohne das Beeinträchtigen der Bindung durch Wachstum von intermetallischen Verbindungen befürchten zu müssen, und wobei gleichzeitig entsprechend hohe Temperaturen verwendet werden dürfen, die den erforderlichen Metallfluss während des Strangpressens erleichtern und auch die gewünschten mechanischen Eigenschaften im Stahlsubstratmaterial des Rohrs erzeugen.
- BESPRECHUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Besprechung einer Anzahl bevorzugter möglicher Formen der Erfindung besser verständlich und erkennbar.
- Im Folgenden wird eine erste Form der Erfindung mit Bezug auf die
1 und2 beschrieben. - Eine erste Metallkomponente, die Kohlenstoffstahl oder nichtrostender Stahl sein kann, bildet das billigere Substrat (
2 ), an das in einem ersten Bindevorgang eine Zwischenlage (4 ) aus einem Material mit einem höheren Schmelzpunkt wie Tantal oder Niobium (Niob) explosionsgeschweißt wird. Nach dem Binden wird in einem zweiten Vorgang ein Auflagematerial (6 ) (wie z.B. Titan oder Zirkonium und das auf der Basis seiner Korrosionsbeständigkeit in einer spezifischen Umgebung gewählt wurde) an die Oberfläche des Zwischenlagematerials (4 ) explosionsgeschweißt, um einen verbundenen Verbundstoff (8 ) beträchtlicher Dicke (10 ) zu bilden, der dann auf eine zum Warmwalzen geeignete Temperatur erhitzt wird, die im Fall des Stahls eine Temperatur in der Größenordnung von 1200°C ist. - Der erhitzte verbundene Verbundstoff (
8 ) wird dann zum Vergrößern der Oberfläche mit einer assoziierten Verringerung der Verbundstoffdicke (10 ) warmgewalzt, um einen Endverbundstoff (12 ) der erforderlichen Enddicke (14 ) herzustellen, wie in2 gezeigt, wobei die Dicke des Substrats (2 ), der Zwischenlage (4 ) und der Auflage (6 ) proportional reduziert wurde. Das Zwischenlagematerial (4 ) mit hohem Schmelzpunkt bildet bei der hohen Walztemperatur von 1200°C, die für beim Reduzieren von Stahl durch Warmwalzen verwendete Temperaturen typisch ist, weder eine intermetallische Verbindung mit dem Substratmaterial (2 ), noch bildet es eine intermetallische Verbindung mit dem Auflagematerial (6 ) oder dem Grundmaterial (4 ). Die geschweißte Schnittstelle (16 ) zwischen dem Substrat (2 ) und der Zwischenlage (4 ) und die geschweißte Schnittstelle (18 ) zwischen der Zwischenlage (4 ) und der Auflage (6 ) bleiben daher von der Temperatur und dem Walzen unbeeinträchtigt und behalten dadurch ihre Intaktheit während des ganzen Walzprozesses bei. - Ein alternatives Verfahren zum Herstellen des verbundenen Verbundstoffs (
8 ) ist das Plattieren von Substrat (2 ), Zwischenlage (4 ) und Auflage (6 ) in einem einzelnen Sprengplattierungsvorgang mit konventionellen Sprengplattierungsmethoden. Der resultierende verbundene Verbundstoff (8 ) wird dann bei einer Temperatur von 1200°C auf identische Weise warmgewalzt, um einen abschließenden Verbundstoff (12 ) der erforderlichen Dicke (14 ) mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften im Stahlsubstratstoff (2 ) herzustellen. - Im Folgenden wird nun eine weitere Form der Erfindung mit Bezug auf die
3 ,4 ,5 und6 beschrieben. - Ein beträchtlich dicker Block aus Titan oder Zirkonium (
6 ) wird mit einem Zwischenlagematerial (4 ) mit hohem Schmelzpunkt wie Tantal oder Niobium und einer Lage aus Kohlenstoff- oder nichtrostendem Stahl (2 ) sprengplattiert, um einen ersten Verbundblock (20 ) zu bilden, wobei das Explosionsschweißen in einem ein- oder zweistufigen Vorgang erreicht wird. Die äußere Oberfläche (22 ) des Stahls (2 ) wird durch Schleifen gereinigt und eine weitere Stahlkomponente (24 ) mit einer ähnlich vorbereiteten Oberfläche (26 ) wird auf den Verbundblock (20 ) gelegt, sodass die vorbereiteten Oberflächen (22 ) und (26 ) aneinander in Anlage sind. Die Schnittstelle wird mit einer Schmelzschweißung (28 ) versiegelt und die Verbundgruppe (30 ) mit beträchtlicher Dicke (32 ) wird dann auf konventionelle Walztemperaturen für Stahl erwärmt und auf eine geeignete Dicke (34 ) reduziert, wie in4 gezeigt wird. Im Verlauf des Walzens werden die zwei Stahloberflächen (22 ) und (23 ) durch Walzplattieren zusammengefügt, um eine proportionale Vergrößerung der Dicke des Stahlelements (2a ) zu bewirken, dessen Fläche während des Reduzierens der Dicke (32 ) auf die Dicke (34 ) beträchtlich größer geworden ist. Diese vergrößern Fläche wird nun unterteilt, um eine Anzahl einzelner Komponenten mit kleinerer Fläche zu bilden, von denen eine (38 ) abgebildet ist. - Die Stahloberfläche (
22 ) dieser Komponente (38 ) wird durch Schleifen vorbereitet und der Verbundstoff (38 ) wird auf einen Stahlblock (40 ) mit einer entsprechend vorbereiteten Oberfläche (26 ) gelegt und die Schnittstelle wird mit einer Schmelzschweißung (28 ) versiegelt. Diese Verbundgruppe wird auf konventionelle Walztemperaturen erwärmt und warmgewalzt, um die Oberfläche zu vergrößern und eine Verringerung auf eine endgültige Dicke (42 ) in dem Endprodukt (44 ) zu bewirken, wie in6 gezeigt, das jetzt aus einem Titanplattierungsmaterial (6 ), einer Zwischenlage (4 ) und einem Stahlsubstrat (2 ) mit den erwünschten proportionalen Dicken besteht. - Im Verlauf der umfassenden Reduzierungs- und Erwärmungszyklen verhütet das Zwischenlagematerial (
4 ) mit hohem Schmelzpunkt trotz der beträchtlichen Reduzierung der Dicke der Zwischenlage (4 ) auf mikroskopische Proportionen das Wachstum von intermetallischen Verbindungen zwischen der Titan- (6 ) und der Stahlkomponente (2 ), die ansonsten in Abwesenheit der Zwischenlage (4 ) bei den erhöhten Temperaturen, die zum Erhalten der erforderlichen Eigenschaften im Stahl (2 ) erforderlich sind, stattfinden würden.
Claims (5)
- Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials, wobei das genannte Verbundmaterial (
8 ) eine Lage aus Metallauflagematerial (6 ), eine Lage aus Metallsubstratmaterial (2 ) und eine Zwischenlage aus Metallmaterial (4 ) aufweist, die zwischen dem genannten Metallauflagematerial (6 ) und dem genannten Metallsubstratmaterial (2 ) zwischengelegt wird, wobei das genannte Zwischenlagematerial (4 ) die Bildung von intermetallischen Verbindungen und die Verarmung der Bindung zwischen dem Metallsubstratmaterial (2 ) und dem Metallauflagematerial (6 ) verhütet, wobei das genannte Metallauflagematerial (6 ) Titan, Zirkonium oder eine Titan- oder Zirkoniumlegierung ist, das genannte Metallsubstratmaterial (2 ) Kohlenstoff- oder nichtrostender Stahl ist, das genannte Zwischenlagematerial (4 ) Tantal oder Niobium ist und das genannte Verfahren die Schritte des Bindens des genannten Metallzwischenlagematerials (4 ) an das genannte Metallauflagematerial (6 ) und das genannte Metallsubstratmaterial (2 ) und danach des Warmformens des genannten verbundenen Materials aufweist, und dadurch gekennzeichnet, dass das verbundene Material bei einer Temperatur über 900°C warmgeformt wird, um das Verbundmaterial (8 ) zu bilden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallzwischenlagematerial (
4 ) einen höheren Schmelzpunkt als das Metallauflagematerial (6 ) und das Metallsubstratmaterial (2 ) hat. - Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallzwischenlagematerial (
4 ) an die Lage aus Metallauflagematerial (6 ) und an das Metallsubstratmaterial (2 ) explosionsgeschweißt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial Lagen aus Metallsubstrat- (
7 ), Metallauflage- (6 ) und Metallzwischenlagematerialien (4 ) in im Wesentlichen flacher Platten- oder Blechform umfasst, um einen flachen Verbundblock bereitzustellen, und der genannte Block zu einer Blech- oder Plattenendform warmgewalzt wird, was die Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen Metallauflage und Metallsubstrat vermeidet. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial (
8 ) Lagen aus Metallsubstrat- (2 ), Metallauflage- (6 ) und Metallzwischenlagematerialien (4 ) mit im Wesentlichen zylindrischer Form umfasst, um ein zusammengesetztes zylindrisches Blöckchen bereitzustellen, und das Walzformen das Warmstrangpressen des genannten Verbundstoffs zu einer Röhren- oder Rohrform umfasst.
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