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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein darauf, unterschiedliche
Metalle oder Legierungen miteinander zu verbinden oder zu plattieren,
um einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff für verschiedene Endnutzer, wie
etwa Kochgeschirr, elektrische Kontakte und ähnliche Artikel zu bilden (siehe Anspruch
1).
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Bisher
war es üblich,
Verbundwerkstoffe aus unähnlichen
Metallen durch Walzplattieren zu bilden. Diese Technik gelingt mit
bestimmten Metallen, jedoch nicht mit allen, Probleme entstehen
bei der Delaminierung, insbesondere, wenn bestimmte unerwünschte Arten
von Oxiden auf der/den Verbindungsoberfläche(n) benachbarter Platten
oder Bleche vorhanden sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, dieses Problem zu überwinden.
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Um
eine einwandfreie Verbindung zwischen Metallen durch herkömmliches
Walz- oder Druckplattieren zu erreichen, ist es nötig, einen
sauberen Oberflächenkontakt
zwischen den benachbarten Oberflächen
vorzusehen, um interatomare Teilung von Elektronen zwischen den
zu verbindenden unähnlichen
Metallen zu erlauben. Bestimmte Metalle, wie zum Beispiel Kohlenstoffstahl,
Kupfer, Messing, Titan, Zink und bestimmte Aluminiumlegierungen (2000,
3000 und 6000er Serie) besitzen Oxidoberflächen, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt
sind, mit denen eine Verbindung schwierig ist, es sei denn, teure
Maßnahmen
werden ergriffen. Die auf diesen oben genannten Metallen gebildeten
Oxide sind relativ dehnbar und verformen und dehnen sich daher, wenn
das Walzplattieren versucht wird. Aufgrund ihres dehnbaren Wesens
erlauben es diese Oxidschichten dem Verbundmetall nicht, mit dem
darunter liegenden bloßen
Substratmetall in Kontakt zu kommen, um die gewünschte oben angesprochene interatomare
Verbindung zu bilden.
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Bisher
ist es zum Verbinden eines der oben erwähnten Metalle mit einem unähnlichen
Metall herkömmliche
Praxis, erst die Oberfläche
des Metalls zu reinigen, und dann das Metall in einem Brennofen
zu platzieren, der eine reduzierende Oberfläche aus beispielsweise aufgespaltetem
Ammoniak oder Kohlenmonoxid, oder dergleichen aufweist. Dieser Brennofenatmosphäre für eine bestimmte
Zeit ausgesetzt zu sein, wird die Entfernung der Oberflächenoxide
bewirken. Die Metallplatte oder das Metallblech wird dann schnell
zu einem Walzwerk gebracht und das Material wird auf ein unähnliches
Metall walzplattiert. Diese herkömmliche
Technik erfordert somit teure spezielle Brennöfen mit kontrollierter Atmosphäre, und
die dazugehörigen
Sicherheits- und Umweltprobleme, die mit potentiell gefährlichen
Gasen einhergehen. Des Weiteren ist es bekannt, dass die unerwünschten
Oxidoberflächen
sich schnell neu bilden können,
während
das Metall vom Brennofen zum Walzwerk transferiert wird. Diese Reoxidation
tritt besonders dann auf, wenn die Verbundwerkstoffplatte in den
Walzenangriffsbereich des Walzwerks eintritt. In diesem Walzenangriffsbereich
wird das Metall im Eintrittsabschnitt des Walzenangriffsbereichs
dazu gebracht, nach hinten zu extrudieren, was die benachbarten
Platten dazu bringt, sich kontinuierlich zu trennen, um es so atmosphärischem
Sauerstoff zu erlauben, schnell in die so gebildete Lücke zu strömen, was
die Reoxidation der sauberen Metalloberfläche bewirkt. Wenn sich das
Oxid in merklichem Ausmaß bildet,
wird die Walzplattierung geschwächt und
es kann Delaminierung auftreten.
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Der
Stand der Technik hat dieses Problem erkannt und eine Lösung vorgeschlagen,
die das Schweißen
des Randes der Platten vor dem Walzen beinhaltet, was das Einfließen von
atmosphärischem Sauerstoff
in den Spalt verhindert, der sich dem Walzenangriffsbereich vorgelagert
gebildet hat. Diese Schweißoperation
stellt jedoch noch einen zusätzlichen
Aufwand an Kapitalausstattung und Arbeitskosten für das fertige
Produkt dar.
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Zum
Beschichten von Metallblechartikeln ist es bekannt (
JP-A-1/040187 , die den relevantesten Stand
der Technik darstellt), einen Stahlstreifen mit Al durch Plattieren
oder Eintauchen in geschmolzenes Al zu beschichten. Danach wird
ein Ti-Streifen oder ein Ti-Legierungsstreifen auf dem erwärmten aluminiumbeschichteten
Stahl aufgelegt und darauf walzplattiert.
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Zur
Herstellung von Al-plattiertem Stahl für Dosen ist es bekannt (
EP-A-0 319 908 )
eine elektroplattierte Chromschicht auf der Oberfläche eines Stahlblechs
vorzusehen, eine hydrierte Chromoxidschicht von der Oberfläche der
Chromschicht zu entfernen und eine Al-Plattierschicht auf der Chromschicht
zu bilden, so dass die Chromschicht und die Al-Schicht in direktem
Kontakt miteinander gestapelt sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hochwertige mehrschichtige
Verbundwerkstoffe aus unähnlichen
Metallen aller Art bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs
1 umfasst, erreicht.
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Weitere
Merkmale und Verbesserungen eines solchen Verfahrens sind Gegenstand
der von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüche
2 bis 7.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen hochwertigen verbundenen Artikel
und ein Verfahren zum Verbinden einer breiten Vielfalt von Metallen
und Metalllegierungen durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus reinem Aluminium
auf mindestens eine oder beide aneinanderpassende Grenzflächen und anschließendes Zuführen von
Wärme und
Druck bereit, um eine Verbindung zu erreichen, Die dünne Aluminiumschicht
wird vorzugsweise durch einen elektrolytischen Plattiervorgang oder
eine physikalische Dampfbeschichtungstechnik ("PVD")
aufgebracht.
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Das
Verbinden unähnlicher
Metalle wurde traditionell erreicht, indem man entweder eine Gesamtreduktion
bei Zimmertemperatur, leichtere Reduktion in Verbindung mit Wärme, oder
Sprengverbinden anwendet. In allen diesen Fällen ist die Präparierung
der Oberflächen
entscheidend. Wie oben besprochen müssen die Oberflächen sauber
sein, und im Fall vieler Metallkombinationen des Standes der Technik
frei von Oxiden. Die vorliegende Erfindung setzt die Verwendung
von Wärme
und Druck ein, unterscheidet sich aber von existierenden Techniken darin,
dass die Grenzfläche
von zu verbindenden Metallen mindestens eine Passfläche aufweist,
die mit reinem Aluminium plattiert ist, um als Verbindungsmittel
zu wirken. Das Verbinden durch Walzen wird zum Beispiel durchgeführt, ohne
dass spezielle Brennöfen
mit kontrollierter Atmosphäre
nötig sind.
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Es
existiert keine Notwendigkeit, eine reduzierende oder ansonsten
schützende
Atmosphäre bereitzustellen,
wie es im Stand der Technik notwendig ist, da die Beschichtung mit
reinem Aluminium die unerwünschte
dehnbare Oxidbeschichtung auf dem ersten Metallblech oder -platte
bedeckt und stark daran haftet, Die Beschichtungsschicht aus reinem
Aluminium bildet ebenso natürlich
eine Oxidhaut auf ihrer freiliegenden Oberfläche, aber Aluminiumoxid ist ein
relativ brüchiges,
nicht dehnbares Oxid. Wenn die Aluminiumoxidschicht während des
Walzplattierens in gegenüberliegenden
Kontakt mit dem zweiten Metallblech oder -platte gedrängt wird,
bricht die Aluminiumoxidschicht leicht und legt die darunter liegende Oberfläche aus
reinem Aluminium frei, um das Auftreten des gewünschten Kontakts des bloßen Metalls und
des interatomaren Teilens von Elektronen zwischen den benachbarten
Metallen zu erlauben.
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Somit
ist reines Aluminium ein günstiges
Verbindungsmittel, um unähnliche
Metalle zu verbinden, wobei eines oder beide der zu verbindenden
Metallbleche oder -platten eine dehnbare Oxidschicht beinhalten.
Bestimmte Metalle, wie zum Beispiel Edelstahl und reines oder EC-Aluminium
(Aluminium von elektrischer Güte),
enthalten brüchige
Oxidoberflächen
und benötigen
keine Aluminiumbeschichtungsschicht, die vor der Druckplattierung
aufgetragen wird.
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Eine
Aluminium-Elektroplattiertechnik, die als der Segal-Prozess bekannt
ist, wurde durch die Siemens AG, Deutschland, entwickelt. Diese
Technik ist im Stand der Technik bekannt, und der Aluminiumplattierdienst
ist kommerziell erhältlich.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird die Schicht aus reinem Aluminium
(Verbindungsmittel) auf die Metallplatte oder das Metallblech durch
eine physikalische Dampfbeschichtungstechnik (PVD) aufgebracht.
Die PVD-Technik
ist ebenfalls im Stand der Technik bekannt. Sie ist anwendbar, da
der Verbundwerkstoffartikel, der hergestellt wird, sehr hohen Temperaturen
ausgesetzt wird, die insbesondere während der nachfolgenden Schweißvorgänge durchlaufen
werden. In solchen Fällen
produzieren die hohen Temperaturen, die durch das Schweißen verursacht
werden, oftmals eine schädliche
intermetallische Aluminiumverbindung an der Grenzfläche zwischen
der aufgetragenen Verbindungsmittelschicht aus reinem Aluminium
und dem Substratmetall. Die Bildung der intermetallischen Aluminiumverbindung
kann aufgrund der brüchigen
Natur solcher intermetallischen Verbindungen das Auftreten von Delaminierung
im fertig umhüllten
Produkt bewirken. Um dieses Auftreten zu verhindern, wird eine Diffusionssperrschicht
aus Chrom auf das Substratmetall aufgebracht. Der Chrom wird durch
ein Nassplattierverfahren aufgebracht. Die Verbindungsmittelschicht aus
reinem Aluminium wird dann mittels der PVD-Technik auf die Chromsperrschicht
aufgetragen, da es schwierig ist, Aluminium auf Chrom zu elektroplattieren.
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Somit
werden keine schädlichen
intermetallischen Aluminiumverbindungen während nachfolgender Schweißoperationen
gebildet, da die Schicht aus reinem Aluminium von dem Substratmetall
durch die Chromschicht getrennt ist, die eine Diffusionssperre zwischen
der Schicht aus reinem Aluminium und dem Substratmetall bereitstellt.
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Während die
Schicht aus reinem Aluminium durch PVD aufgetragen wird, werden
keine schädlichen
Oxide oder intermetallischen Stoffe gebildet, da der Prozess unter
Vakuumbedingungen stattfindet.
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Reines
Aluminium ist besonders förderlich für das Diffusionsverbinden
mit anderen Aluminiumlegierungen oder anderen Metallen, insbesondere, wenn
es auf Temperaturen zwischen 204 bis 482°C (400°F und 900°F) erwärmt wird. Platten oder Bleche aus
Metall, die durch die Elektroplattier- oder PVD-Verfahren vorbereitet
wurden, verbinden sich ohne weiteres, wenn sie erwärmt werden
und mit einer hydraulischen Presse oder einem Walzwerk unter Druck
gesetzt werden. Die Schicht aus reinem Aluminium dient als Schutzbeschichtung,
um die Oxidation des Substrats während
der Erwärmung
zu verhindern, und dient als Verbindungsmittel. Der Aluminiumplattierprozess
kann an einer breiten Vielfalt von Metallen und Metalllegierungen
durchgeführt
werden. Einige davon umfassen Titan, Stahl, Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen
und Zink, die alle dadurch gekennzeichnet sind, dass sie dehnbare Oxidoberflächen aufweisen.
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Beispiele
von Produkten, die die vorliegende Erfindung nutzen, umfassen Metallverbundwerkstoffe,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und Festigkeit kombinieren, die besonders geeignet sind zum Beispiel
für Kochgeschirr. Solche
Verbundwerkstoffe, die aus verbundenen Schichten aus Kupfer, Titan,
Aluminium, Kohlenstoffstahl und Edelstahl in verschiedenen Kombinationen bestehen,
sind für
Kochgeschirr einschließlich
Töpfen,
Pfannen, Backgeschirr und Bratblechen geeignet. Verbundmetallartikel,
die die vorliegende Erfindung nutzen, umfassen ebenso Metalle, die
eine hohe elektrische Leitfähigkeit
und geringes Gewicht kombinieren, wie zum Beispiel ein Verbundwerkstoff aus
Kupfer und Aluminium, der besonders nützlich als elektrische Leiter
oder Kontakte ist.
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Als
Beispiel, das nicht von der vorliegenden Erfindung, wie sie in den
beigefügten
Ansprüchen
definiert wird, abgedeckt ist, kann ein mit einem Kupferkern ausgestattetes
Bratblech aufgebaut sein, indem eine Verbundplatte gebildet wird,
die einen dicken (ungefähr
6,35 mm (1/4 Zoll)) Kupferkern umfasst, wobei dünne Edelstahlschichten auf
dessen äußere Oberflächen walzenplattiert
wurden. Die Kupferkernplatte weist auf beiden Oberflächen die
Schicht aus reinem Aluminium aufgebracht auf, um zu erlauben, dass
die Edelstahlbleche darauf walzplattiert werden.
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Die
Aluminiumschicht, die durch Elektroplattieren auf ein Substrat aus
Kupfer, Messing, Titan, Zink, Kohlenstoffstahl oder dergleichen
aufgebracht ist, wird bevorzugt in einer Dicke von ungefähr 0,0127
bis 0,0254 mm (0,0005 bis 0,001 Zoll) aufgebracht. Erfindungsgemäß wird die
Aluminiumschicht durch die PVD-Technik mit einer Dicke von zwischen 0,00254
bis 0,00762 mm (0,0001 bis 0,0003 Zoll) aufgebracht. Erfindungsgemäß wird die
chromplattierte Diffusionssperrschicht mit einer Dicke von zwischen 0,00254
bis 0,01016 mm (0,0001 bis 0,0004 Zoll) aufgebracht. Tatsächliche
Verdeutlichungen der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden
Beispielen präsentiert.
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Beispiel
1, nicht von der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert
wird, abgedeckt Eine 6,35 × 305 × 508 mm
(1/4 Zoll × 12
Zoll × 20
Zoll) Platte aus C102 Kupfer wurde auf einer Seite mit einer 0,00254
bis 0,00508 mm (1 bis 2 tausendstel Zoll (0,0001–0,0002 Zoll)) Dicke aus reinem
Aluminium unter Verwendung des Segal-Elektroplattierprozesses plattiert.
Vor dem Verbinden wurde die plattierte Aluminiumoberfläche mit einem
trockenen Aluminiumoxidabrasiv abgeschleift, um Rauheit zu fördern und
Sauberkeit sicherzustellen. Eine 9,5 × 305 × 508 mm (3/8 Zoll × 12 Zoll × 20 Zoll)
Platte aus Aluminium vom Gütegrad
1145 wurde ebenso abgeschleift, um Rauheit und Sauberkeit zu erreichen,
und die Kupferplatte wurde auf der Aluminiumplatte platziert, wobei
die beiden abgeschleiften Oberflächen
einander gegenüberlagen.
Die Platten wurden auf 316°C
(600°F)
in einem Ofen ohne Schutzatmosphäre
erwärmt
und unverzüglich
dem Angriffsbereich eines Walzwerks zugeführt. Das Werk nahm eine 5%ige
Reduktion der Dicke. Die Kraft der Reduktion bewirkte, dass sich
eine Aluminium-Aluminium-Verbindung bildete, Die Verbindung wurde
weiter verstärkt
nach zwei zusätzlichen
Walzdurchläufen
für eine
Gesamtreduktion von 10% der Dicke. Der Verbund wurde dann auf 288°C (550°F) erwärmt, um
die Verbindung weiter zu sintern und zu verstärken, Das resultierende Kupfer-Aluminium-umhüllte Material
wurde mit der herkömmlichen "Verdrehungs-Methode,
der "180°-Verbindungs"-Methode und der "Meißel-Methode
getestet. Alle Tests deuteten darauf hin, dass eine exzellente Verbindung
erreicht worden war.
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Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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Dieses
Beispiel beinhaltet die Herstellung eines Verbundwerkstoffartikels,
der geeignet ist für
die Verwendung als ein elektrischer Kontakt, der eine Hochtemperaturschweißoperation
bei der letztlichen Installation durchlaufen muss. Wie oben erwähnt, können die
hohen Temperaturen, die während
des Schweißens
durchlaufen werden, schädliche
intermetallische Aluminiumverbindungen an der Grenzfläche zwischen
Aluminium und einem Substratmetall erzeugen, was gewöhnlich ernste
Delaminierungsprobleme bewirkt. Eine Platte aus C102-Kupfer, die 152
mm (6 Zoll) Breite × 457
mm (18 Zoll) Länge × 6,35 mm
(1/4 Zoll) Dicke maß,
wurde auf einer Seite mit Chrom in einem Nassplattierbad elektroplattiert. Die
Plattierdicke lag zwischen 0,01016 bis 0,02032 mm (0,0004–0,0008
Zoll). Die chromplattierte Kupferplatte wurde dann in eine Vakuumkammer
eines herkömmlichen
Gerätes
zur physikalischen Dampfbeschichtung (PVD) platziert, und reines
Aluminium wurde auf die Chromschicht auf eine Dicke von ungefähr 0,00762
mm (0,0003 Zoll) aufgetragen. Vor dem Auftragen der Aluminiumschicht
wurde das auf der Chromschicht natürlich vorhandene Chromdioxid
in der Vakuumkammer unter Verwendung eines Stroms in Sperrrichtung
verdrängt.
Die somit erhaltene Platte aus Kupfer mit den aufgetragenen Schichten
aus Chrom und Reinaluminiumschicht darauf wurde in gegenüberliegendem
Kontakt mit einer 12,7 mm (1/2 Zoll) dicken Platte aus Aluminium
der 1100er Serie (EC-Güte),
die 152 mm (6 Zoll) breit mal 406 mm (16 Zoll) Länge maß, gebracht. Die Aluminiumplatte
lag der Reinaluminiumschicht der Kupferplatte gegenüber, Die
gestapelten Platten aus Kupfer und Aluminium wurden dann auf ungefähr 427°C (800°F) in einem
Brennofen mit normaler Atmosphäre
(die Sauerstoff enthielt) erwärmt.
Die erwärmten,
gestapelten Platten wurden dann zu einem Walzwerk überführt und
in einem Durchlauf mit einer Reduktion von 30% heißgewalzt,
um Rollplattieren und eine Enddicke von ungefähr 12,7 mm (1/2 Zoll) in der
Kupfer-Aluminium-Verbundplatte zu erreichen, Die walzplattierte Verbundplatte
wurde dann in einem Ofen bei ungefähr 288°C (550°F) erwärmt, um die Walzplattierung zu
stärken,
Die Kupfer-Aluminium-Verbundplatte wurde
dann in 76,2 mm (3 Zoll) große
Quadrate gesägt,
um die elektrischen Kontakte zu bilden. Proben wurden dem standardmäßigen Meißeltest
und 180°-Biegetest
unterzogen. Alle Tests waren zufriedenstallend. Das nachfolgende
Schweißen
der Seite der Aluminiumplatte der 1100er Serie an eine Aluminiumsammelschiene
war ebenfalls erfolgreich. Die Chromsperrschicht, die die Reinaluminiumschicht vom
Kupfersubstrat trennte, war dabei effektiv, eine Diffusion zwischen
den Kupfer- und Reinaluminiumschichten zu verhindern. Somit wurden
keine schädlichen
intermetallischen Aluminiumverbindungen gebildet.
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Es
ist im Stand der Technik der Metallbearbeitung wohlbekannt, welche
weiteren Schritte notwendig sind, um einen mehrschichtigen Verbundwerkstoffartikel,
wie etwa ein Kochgerät
herzustellen, nachdem das verbundene Umhüllungsblech oder die verbundene
Umhüllungsplatte
fertiggestellt wurde. Das verbundene, umhüllte Blech oder Platte kann weiter
zu einer gewünschten
dünneren
Stärke
gewalzt und dann in Formlinge geschnitten werden, um sie in eine
gewünschte
Produktform zu ziehen. Auf diese Weise können Töpfe, Pfannen, Bratbleche und andere
Produkte unterschiedlichen Aufbaus aus den Verbundblechen oder -platten
gebildet werden, die mit der Methode der vorliegenden Erfindung,
wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist, hergestellt werden.