DE69938454T2 - Verfahren zum verbinden von unterschiedlichen metallischen materialien - Google Patents

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Description

  • 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).
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, dieses Problem zu überwinden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hochwertige mehrschichtige Verbundwerkstoffe aus unähnlichen Metallen aller Art bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, erreicht.
  • Weitere Merkmale und Verbesserungen eines solchen Verfahrens sind Gegenstand der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Während die Schicht aus reinem Aluminium durch PVD aufgetragen wird, werden keine schädlichen Oxide oder intermetallischen Stoffe gebildet, da der Prozess unter Vakuumbedingungen stattfindet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Metallplatten oder -bleche aus unterschiedlichen Materialien, die Schritte umfassend: a) Bereitstellen einer ersten Metallplatte oder eines Metallblechs, die/das eine dehnbare Oxidoberfläche aufweist; b) Aufbringen einer Sperrschicht aus Chrom auf mindestens eine Oberfläche der ersten Metallplatte oder des ersten Metallblechs durch Elektroplattieren oder physikalische Dampfbeschichtungstechnik (PVD) in einem Dickenbereich von 0,00254 bis 0,01016 mm (0,0001 bis 0,0004 Zoll); c) Aufbringen einer Schicht aus reinem Aluminium auf die Chromsperrschicht durch physikalische Dampfbeschichtungstechnik (PVD) in einem Dickenbereich von 0,00254 bis 0,00762 mm (0,0001 bis 0,0003 Zoll); d) Bereitstellen mindestens einer zweiten Metallplatte oder eines zweiten Metallblechs; e) Erwärmen der Platten oder Bleche auf eine heiße Arbeitstemperatur; f) Ausüben von Druck auf die erwärmten Platten oder Bleche, um eine Verbindung zwischen der aufgebrachten Aluminiumoberfläche der mindestens einen Platte oder des mindestens einen Blechs an eine benachbarte Platte oder ein benachbartes Blech zu bewirken; und g) Erwärmen der verbundenen Platten oder Bleche, um die Verbindung zu stärken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallplatte oder das erste Metallblech eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Titan, Kohlenstoffstahl, Kupfer, Kupferlegierungen, Messing, Aluminiumlegierungen und Zink besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte der Erwärmens und des Ausübens von Druck e) bzw. f) bei einer Temperatur von zwischen 204 bis 482°C (400°F bis 900°F) in einer nicht schützenden Atmosphäre durchgeführt werden,
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausübens von Druck f) Warmwalzen umfasst und einen ersten Walzdurchgang bei einer 5%-igen Dickenreduktion und zusätzliche zwei Durchgänge umfasst, die eine Gesamtdickenreduktion von 10% ergeben.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der verbundenen Platten oder Bleche aus Schritt g) bei ungefähr 288°C (550°F) durchgeführt wird, um Sintern und weitere Verstärkung der Verbindung zu bewirken.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrschichtmetall und die Schicht aus reinem Aluminium mittels einer physikalischen Dampfbeschichtungstechnik (PVD) aufgebracht werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine einer zweiten der beiden unterschiedlichen Metallplatten oder -bleche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Edelstahl und EC-Aluminium.
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