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Herstellung von Aluminiumüberzügen auf Eisenmetallen Die Erfindung
bezieht sich auf d#ie Herstellung vort Überzügen aus Aluminium oder Legierungen
mit Aluminium als Hauptbestandteil auf Eisentrietallen. Unter der Bezeichnung Aluminium
sollen im nachfolgenden stets auch Legier#ungen mit Alui-ninimum als Hauptbestandteil
verstanden werden.
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Die Hauptvorteile solcher mit Aluminium überzog-crien Eisenmetalle
sind Säuref-estigkeit und gute Wärmewiderstandsfähigkeit.
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Man: hat bereits vorgeschlagen, Stahl mit Aluininitim durch Heißtauchen
zu überziehen. Solche Verfahren sind jedoch critw"cler wirtschaftlich undurcliführbar
oder kompliziert und teuer. Außerdem bilden sich zwischen (lern Stahl und Aluminium
spröde, brüchige Eisen-Aluminium-Verbindungen, die die Brauchbarkeit solcher Gegenstände
stark beeinträchtigen. Infolgedessen hat sich durch Heißtauchung mit Aluminium überzogener
Stahl bisher nur im büschränkten Umfang in die Praxis einführen können. Man hat
bereits vorgeschlagen, ein derartiges Vb-erzugsverfahren# voni Eisenmetallen mit
Aluminium oder Aluminiumlegierungen da-,durch zu verbessern, #daß man die Eisenmetalle
zuerst in ein schmelzflüssiges Bad eintaucht das aus Zin#k-, Caleium-, Natrium-
und Kaliumehlorideil und Natriumaluminiumfluorid besteht, und es dann in das geschmolzene
Metallbad eintaucht.
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Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von überzügen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen auf Eisen#metallen
vonhoher Qualität herzustellen.
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Erfin-dungsgemäß wird das Eisenmetall zunächst in ein geschmolzenes
Salzbad, von einer Temperatur von 65o bis 870' C eingetaucht, das im Stande
ist, Aluminiumoxyd und Eisenoxyd aufzulösen, bzw. zu beseitigen, worauf das Eisenmetall
anschließ.-#iid
in Berührung mit geschmolzenem Aluminium gebracht
wird. Das Eisenmetall wird zweckmäßiger-,#N-cise in einer nicht oxydierenden Atmosphäre
auf die Temperatur des Salzbades \-orerN-,-ärmt, es kann aber auch durch das Salzbad
selbst auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden.
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Das heiße Aluminium karin erfindungsgemäß eiltb weder als Bad oder
als Umgußmetall benutzt werden: iiii ersteren Fall ist es angezeigt, das Salzbad
auf dem Altiminiumbad schwimmen zu lassen und das Lisennietall nacheinander durch
ly?ide Badschichten bindurchzutauchen.
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Das neue \erfahren kann mit Vorlteil dazu 1)""-nutzt werden, vorher
provisorisch zusammengcsetzte Teile ans Elsennietallen miteinander zu verbinden.
Das neue Verfahren kann auch koritinuierlich durchgeführt werden, wenn es gewünscht
ist, besonders, wenn das zu überziehen-& -Metall Blech-, Draht- oder Stangenforin
]>,-sitzt.
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Der Stahl oder (las sonstige Eiserinietall wird zweckmäßig zuerst
beispielsweise mit Hilfe eines alkalischen Mittels oder durch die B.entitzung geei.gnieter
Lösungsmittel entfettet. Nach dem Entfetten wird das Metall, wenn es sehr stark
angerostet ist, zN#-eclmäßi,-ler,#N'eise in Liner NN,äßricleil b
Lösung vort
Salzsäure in bekannter Weise geb,- izt. -Nach der Beizung kann das Xletall in ein
Flußmittel getaucht werden, das beispielsweise aus 32 Teilen Zinkchlorid,
8 Teilen Ammoniumchlorid und 6o Teilen Wasser zusammengesetzt ist, wobel
alle -.Nfaßangaben als Gewichtsangaben zu verstehen sind. Das vorstehend genannte
Flußmittel ist als typisches Beispiel eines Zinkchloridflußmittels genannt, das
erfindungsgemäß auch in anderen Zusammensetzungen benutzt werden kann.
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Nach einer derartigen Vorbehandlun ' , " wird das Eiseiiinetall
in ein geschmolzenes Salzhad ein ' ge-
taucht, welches zweckmäßig auf
dcu Oberfläche eines g schinolzenen -,Xlurniiiitiinüberzti"sl)ades schwimmt.
Das Salz wird auf eiil"-r Temperatur etwas oberhalb des Scbmelzpunktcs desAluminiums
gehalten, und das Eisenmetall bleibt solange in, dern geschniolzenenSalzbad, bis
es sich auf den Schine17-punkt dies Aluminiums oder auch darüber erhitzt -hat. Das
erhitzte Eisenmetall wird aus dein lieii.3"-ii Salzbad in das flüssige Aluminiumbad
übergeführt. Im nachfolgenden folgt das Beispiel eines sehr befriedigend arbeitenden
Salzbades: Kallunichlorid (KCI) ........... 47 "70,
Natriunichlorid
(NaC1) ......... 35 "/0, Kryolith (Na3A1F,) . . . . . . . . . .
. . 12%, Muminiumfluorid (A1F3) 1 ........ 6 Vo. Ein derartiges Salzbad
lxsltzt einen Schmelzpunkt von ungefähr 638'C.
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Ein kleiner Zusatz von Lithitimclilorid zu der obigen Zusammensetzung
setzt den Schmelzpunkt des Bades herab. Beispielsweise bewirkt ein Zusatz von ungefähr
20% Lithiumchlorid eine Herabsetzung des Schmelzpunktes auf ungefähr 58o'C.
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Die genaue Zusammensetzung des Salzbades ist nicht von kritischer
Bedeutung. Insbeson,d-er,2 können die anteiligen Mengen von Kaliumchlorid, Natriumchlorid
und \ltinilniurnclilorid geänd,#rt werden. Beispielsweise 1 kalin die-Nh#iige
1 , desKaliuiiichlorides zwischen 37 und 57"//o, die des Natriumchlorides
zwischen 25 und 4,5 l)/o, die des Kryolith.-zwischen 8 % und 20",lo
Ulld die CleS ##lUnilli#itliiifluorides zNvischen o,s tiii(1 i.2"/'o schwanken.
1);-, im allgemeinen Zusammensetzung de,
Bades wird so gewählt, da13 das Bad
bei der Er-
hitzung etwa bei 65o' C oder etwas darunter schmilzt. '#%'älircii(1
in den voraufgegangenen spielen das Doppelsalz, N#t3'-#l F, (Kryolltli) gnamit
wurde, können auch iqiiivalente -\,1,eiig-eii der E#estandtvil#t# dieses Salzes
111 Form sein-er Einzelsalze, nämlich "#atritiinfltioricl und Aluminiumfluorld,
1),uiitit7t \\-erden. Ls wurde gefunden, daß es wesentlich ist, -\lutiiiiiitiinfltiorl(1
im Überschuß über das Kryolltliverhältnis zu gebrauchen, um die "#eN\-iiiisclitcii
Ergebnisse Zu halten.
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Die Temperatur des Salzl)2t(I"-s wird während des erfindtings-einäßen
Verfahren.,; etwa im"Bereicli voll 6-5 bi 8" - C gellalten.
Eil12 s 70
Temperatur mit etwa 700 his 870 'C
Wird zugt. Unter Urnstinden könn,-ii auch Salzl).-id.#.,r von einem noch höhereilSchinelzpunkt
undentsprech,ciider geeigneter Zusammensetzung benutzt werden. Wie ol>eii gesagt,
bestelit das Had aus zenem Überzugsinaterial eiitN\-c(ler ans reinem Altiminium
oder einer Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil. Im allgemeinen enthalten
solche Aluminiurnlegierun"(#ii etwa So(17o .\ltiiiiiiii#uiii odcimehr. Eine für
die Erfindting sonders bevorzugte -ans 5 bis i 5#II9 Silicium
und den Rest Aluminium. Derartige Legierungen besitzen eiiie niedrig", Schmelztemperatur(Eutektikuni
bei i2%Siliciiiiii) und eine hohe Diese beiden Eigenschaften sind von großein Vortc#ii
für die Herstellung verhältnismäßig nicht spröder Überzüge. Infolge der holieli
Fli#A)bark-eit wird überschüssiges t#;I)erzti,Ysiiiat-cri#il 1,uiclit abtropfen.
Typische Beispiele für \NL#itere vr#ii(lungsgemäße benutzbare sind die folgeilden:
Eine Legierung ins 40,lo Kupfer und (1-ein Rest Aluminium, eine Legierung all'-,
711/o 7iiiii Und 930',) Aluminium sowie Legicrungen illit einen] Gehalt von
5 bis 20"/o Zilik tilld dein ReSt Almliiiiiiiin. Diese Beispiele sind nur
zur Veranschaulichung und nicht als Begrenzung gedacht.
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Es ist zweckmäßig. da1.1 die T#uniperatur des -\Inminiumüberzugbades
bt. 1 ,'l Ile r Temperatur zwischen etwa 675 bis
72o- C gehalten wird. Teinperaturen im Bereich von 62o bis 870#"
C sind jed4-)cli auch für brauchbar. Reines Aluminium schmilzt lwi etwa 66o##C;
auch bei einer Beliut7uiicy reinuil .#ltiiiiiiiiunis liegt dioberste Temperaturgrenzu
etwa bei 87,3"C für d1C1 Erfindung.
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Nachdem das Werkstück- durch das geschmolzen"-, Salzbad in das geschinolzeii,u
-\ltiiiiililuml)ad hineingetaucht ist, rmiß das Überzo ' geile Eisenmetall
auf dem Weg aus dem überzugsbad wieder durch die geschmolzene Salzschlcht 'hindurchgehen.
Im
allgemeinen besteht die Tendenz, daß sich ein dickerer und schwererer
Aluminiumüberzug bildet, als es erwünscht ist. Bewegt man bei dem Herausnehmen das
überzogene Eis.enmetall langsam durch das geschmolzene Salzbad, so tropft dabei
schon das überflüssige geschmolzene Überzugsmetall ab, und man, kann diese Erscheinung
noch verbessern, in-,dem man das überzogene Eisenmetall eine Weile in dem geschmolzenen
Salzbad beläßt, nachdem es aus dem Uberzugsmctallbad wieder herausgehoben ist. Das
überzogene Stück aus Eisennietall kann nach seiner Entfernung aus dem Altiminiumbad.
schnell geschüttelt oder in ähnlicher Weise behandelt, beispielsweise in schnelle
Umdrehung versetzt werden, um das überschüssige, noch schmelzflüssige oder halbflüssige
CII)erzugsmetall abzuschleudern. Das überschüssige -Metall kann auch durch einen
Luftstrom abgeblasen werden. Nach der vollständig,eii Herausnabine aus dem Bad wird
das überzogene 1-,'iseiini-etall entweder durch Abschreckung in Wasser gekühlt,
oder man läßt es sich selbst abkühlen. (*TI)erscliuissigcs noch anhaftendes Flußmittel
kann beispielsweise durch Waschen entfernt werden, oder das ül)crzogelie
E, isenmetall wird durch Walzen hitidurcligeschickt, um das Flußmittel zu
entfernen und dem überzogenen Produkt Fertigbehandlung zu <,eben.
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Die einleitenden Maßnahmen der Entfettung, 13eizuiig und Eintauchung
in ein Zinkchloridflußmittel sind für das Verfaliren nicht wesentlich, da allein
schon durch die Erhitzung in dem schmelzflüssigen Salzbad vor dein Eintauchen in
das Aluminiunibad eine saubere Oberfläche des Eisenmetalls erzielt wird, außer in
Fällen, wo diese Oberfläche außcrge##,-öhlilicli verrostet oder verschmutzt ist.
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\Vie 1)creits obeii katin der Stahl oder das Eiseninetall vorerwärmt
werden, bevor er in das scliinclzflüssige Salzbad eitigetaucht wird. Daiiii kann
nian kleinere Mengen des Salzba#des und auch kleinere Erliitzer für die Erhitzung
des Salzbadüs benutzen. Findet eine solche Vorwärmung statt, wird sie zweckmäßig
so durchgeführt, daß die Oberfläche des Stahles dabei nicht oxydiert wird.
Zu diesem Zweck kaiiii die Vorwärmung in einem Ofen mit einer nicht oxydierenden
oder sogar reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einer Wasserstoffatinospliäre
o. dgl. durchgeführt -,verdcn. Die Vorwärmung erfolgt zweckmäßigerweise auf etwa
65o bis 670' C.
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Wenn das Eisenmetall etwa auf die Temperatur des schmelzflüssigen
Salzbades in einer reduzierenden Atmosphäre vorgCwärint und frei von Eisenoxyden
und sonstigen Fremdstoffen ist, kann die Tauchzeit in dem sclimelzflüssigen Salzbad
bis auf ein oder zwei Sekunden beschränkt werden, wenn die Teile frei von komplizierten
Ausnehmungen sind. Kompliziertere Formen der behandelten Werkstücke erfordern eine
längere Zeit, um sicherzustellen, daß (las geschmolzene Salzbad gleichmäßig und
gründlich alle mit Aluminium zu überziehenden Teile erreicht. Befinden sich auf
dem eisernen Werkstück noch Eisenoxyde, so sind längere Zeiten erforderlich, um
reine Oberflächen zu erhalten. Findet keine Vorwärmung Anwendung, so ist eine ausreichende
Zeit erforderlich, um das Eisenmetall auf eine ausreichende Temperatur von beispielsweise
etwa 675' C zu bringen, d. h. wenigstens so hoch und zweckmäßig etwas
höher, als der Schmelzpunkt des als überzugsmetall benutzten Aluminiums bzw. Aluminiumlegierung
liegt. Im einzelnen wird die Zeit natürlich von den Ab-
messungen des Eisenmetallwerkstückes
und von der Größe und dem thermischen Wirkungsgrad des Salzbades abhängen. Keinesfalls
ist es schädlich, wenn das zu überziehende Eisenmetall für eine längere Zeit in
dem schmelzflüssigen Salzbad verbleibt.
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Die Tauchzcit des Werkstückes in dem schmelzflüssigen Aluminium oder
Alurnin-iumlegierungsbad kann von nur ein bis zwei Sekunden bis zu mehreren Minuten
schwanken, je nach dem Grad der Größe des Werkstückes und der Kompliziertheit
seiner Form oder etwaiger Ausnehmungen. Im allgemein-en ist jedoch eine verhältnismäßig
kurze Tauchperiode vorzuziehen, um eine übermäßige Bildung brüchiger und spröder
Eisenaluminiumlegierungen zu verhindern. Im allgemein-en wird deshalb das Eisenmetall
in dem Aluminiumschmelzbad nur etwa io Sekunden oder weniger belassen.
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Falls gewünscht, können natürlich auch gesonderte Behälter und Heizvorrichtungen
für das Salzba#d einerseits und das metallische überzugsbad andererseits benutzt
werden,. Dabei ist es erforderlich, das schmelzflüssige Salzbad durch Berührung
des geschmolzen-en Salzes mit Aluminium zu aktivieren, um eine ausreichende Flußwirkung
sicherzustellen. Befindet Seich das sAmelzflüssige Salzbad auf der Oberfläche des
Aluminiumschmelzbades, wie oben beschrieben, so wird die ausreichende Aktivität
des schmelzflüssigen Salzbades schon hierdurch sichergestellt. Wo jedoch ein gesondertes
Salzbad und ein gesondertes Aluminiumtauchbad benutzt wird, ist es wichtig das geschmolzene
Salzbad zu aktivieren. Das kann dadurch geschehen, daß man für das geschmolzene
Salzbad ein-en Behält-er benutzt, der aus Aluminium besteht oder mit Aluminiumlegierung
überzogen ist. Ebenso kann man ab-er auch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung
dem Bad selbst zusetzen. Das Aluminium oder die Aluminiumlegierung können dem Salzbad
dadurch zuges-etzt werden, daß man eine Stange oder ein Blech aus dem Metall in
das geschmolzene Salzbad einlegt. Diese werden bald schmelzen und sich am Boden
des Salzbades ansammeln.
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Eine Abänderung des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß das
Werkstück aus Eisenmetall nach der Behandlung in dem schmelzflüssigen Salzbad und
vor dem Eintauchen in das Aluminiumschmelzbad in ein aus einer Zinklegierung bestehendes
Bad eingetaucht wird. Für diesen Zweck hat sich ein Bad aus einer Zinklegierung
mit etwa 9% Aluminium und dem Rest Zink als außerordentlich zuverlässig erwiesen.
Auch Zinklegierungen mit einem Gehalt von o,5 bis 12O/o Aluminium haben sich für
diesen Zweck bewährt. Ein ganz geringfügiger Zusatz von Aluminium muß in diesem
Bad
anwesend sein, um das Zink gegen übermäßige Oxydation zu schützen.
Ist jedoch Aluminium in dieser Zitikaluminiumlegierung in einem höheren Prozentsatz
als 120/0 anwesend, so führt das in übermäßiger Menge zur Bildung einer Komplexverbindung
aus Eisenzin#kaluminium, die an dem Werkstück aus Eisenmetall als dicker viskoser
Niederschlag haftet, der die genaue Ausrichtung des Werkstückes in einer Hohlforrn
stört. Der Bereich für die Temperatur des Zinklegierungsbades liegt zwischen
700 und 8 15' C. Bevorzugt sind Temperaturen zwischen
720 und 750' C. Die Tauchzeit des Eisenmetalls in diesem Zinklegierungsbad
braucht nur etwa 2 Sekunden zu betragen, da sich ein überzug aus Zinklegierung sehr
leicht und schnell auf dem Werkstück aus Eisenmetall bildet. Längere Tauchzeiten,
selbst bis zu zehn Minuten sind zulässig und können sogar in manchen Fällen erwünscht
sein, um zu ermöglichen, daß geschmolzenes Salz aus Teilen, die sehr komplizierte
Ausnehmungen und Vertiefungen besitzen, verdrängt wird.
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Das mit den Zinklegierungen überzogene Werkstück aus Eisenmetall wird
dann aus dem Zinklegierungsbad herausgenommen und in Berührung mit geschmolzenem
Aluminium gebracht, zweckmäßig dadurch, daß es in eine Form eingeschlossen und mit
Aluminium in der Form umgossen wird, solange die Zinklegierung noch flüssig oder
halbflüssig ist. Die Formöffnungen sind zweckmäßig so angeordnet, daß sie das einfließende
geschmolzene Aluminium auf und um das Werkstück, das mit Zink überzogen ist, herumleiten.
Das Werkstück . aus Eisenmetall soll bei diesem Vorgang die Temperatur des
Aluminiums oder doch beinahe diese Temperatur besitzen, um Ab-
kühlung und
Gasungseffekte zu vermeiden und die Entfernung überschüssiger Zi,nklegierung sowie
die endgültige Legierung des Aluminiums mit dem bereits überzogenen Eisenmetall
zu begünstigen. Nach der Abkühlung ist das Eisentnetall mit der darum gegossenen
Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschicht fest zu einem einheitlichen Stück verbunden.
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Eine besondere Anwendungsmöglichkeit der vorliegen-den Erfindung bietet
die Herstellung von Zahnra#drohlingen, die aus einem Nabenteil aus Stahl bestehen,
auf den ein Kranz- oder Flanschteil aus Aluminiumlegierung aufgegossen wird. Die
Aluminiumlegierung dieser Rohlinge kann bei 177' C zehn Stunden lang ausgehärtet
werden mit einer resultierenden Härte von 94 bis iio Brinell bei einer Belastung
von 500kg.
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Eine weitere Anwendung der Erfindung betrifft die Verbindung von einzelnen
Teilen aus Eisenmetallen zu einer fest-en Einheit, indem die Teile mit Aluminium
überzogen und dadurch miteinander verbunden werden. Beispielsweise können lose zusammengepreßte
Teilchen mit Fugen zwischen den Teilen bis zu 0,75 mm, welche beispielsweise
für eine Kupferschweißung zu lose verbunden sind, leicht miteinander durch ein Verfahren
nach der Erfindung verbunden werden. Bei dieser Ausführungsforrn des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die verschiedenen eisernen Teile zusammengesetzt und durch
ge-
eignete Mittel in dieser Lage zusammengeheftet, beispielsweise durch oder
andere Schweißung, durch Eindrückungen, Bördeln, Klamrnern oder geeignete sonstige
Maßnahmen. Die so zusammengesetzte Anordnung wird gegebenenfalls nach Vorerwärmung
in der oben beschriebenen Weise in das geschmolzene Salzbad und anschließend in
das geschmolzene Aluminiumbad eingetaucht bzw. mit geschmolzenem Aluminium umgossen.
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Beispielsweise wird eine solche aus einer Mehrzahl von ble#chförmigen
Stahlteilen zusammengesetzte Einheit in einem Flußmittel erhitzt, das beispielsweise
aus 471/o Kaliumchlorid, 35%Natriunichlorid, 12% Kryolith und 6% Aluminiumfluorid
besteht und bei ein-er Temperatur von etwa 730' C schmelzflüssig gehalten
wird. Eine solche Anordnung mit einem Gewicht von beispielsweise annähernd 4Kilo
wird bei Raumtemperatur in das erhitzte Salzbad eingetaucht, das beispielsweis-c
aus etwa 38 kg der Salzmischung besteht und etwa 4 Minuten in dem Salzbad
belassen, um es auf die Temperatur dieses Bades zu bringen und Eisenoxy#de zu entfernen.
Die Anordnung wird dann in ein geschmolzenes Bad aus 16o kg reinem Aluminium
getaucht, das eine Temperatur von etwa 730' C besitzt, und darin für
30 Sekunden belassen. Das schmelzflüssige Salzbad und das Aluminiumschmelzbad
befinden sich in dem gleichen Behälter, und die ganze Anordnung wird, nachdem sie
in dem Salzbad erhitzt ist, einfach tiefer in das Aluminiumschmelzbad unterhalb
der Salzschicht hineingelassen. Nach der Herausnahme aus dem Bad und nach der Abkühlung
wird ein innig miteinander verbundener und mit dem Aluminium überzogener einheitlicher
Gegenstand erhalten, dessen Verbilidungsfugen in befriedigender Weise durch das
Aluminium ausgefüllt sind.
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Als weiteres Beispiel diene eine Vereinigung verschiedcner Stahlpreßteile
im Gesamtgewicht von annähernd i kg, die mitcitiaii(Icr in geeigneter Weise
vereinigt sind. Nach der Reinigung wird das zusammengesetzte Werkstück in ähnlicher
Weise in das Salzbad gebracht, das eine Temperatur von 700' C besitzt, darin
für eine Minute belassen und dann für zehn Sekunden in das reine geschmolzene Aluminium
hinabgelassen, das eine Temperatur von etwa 665' C besitzt. Die ganze Anordnung
wird dann durch das geschmolzene Salzbad wieder nach oben herausgezogen und geschüttelt,
um das überschüssige Überzugsmetall zu entfernen. Nach der Abkühlung erhält man
ein fest miteinander verbundenes und gut überzogenes Werkstück, bei welchem alle
Fugen befriedigend ausgefüllt sind.
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Als weiteres Beispiel diene eine ZusammensetzungauseinerVielzahl vonTeilenausStahlblech,
die zusammengelleftet 3 Nlill. in das Salzbad und anschließend
30 Sekunden lang in das geschmolzeneBad ausAltiminitimlegierung (12O/OSilicium,
88%
Aluminium) bei einer Temperatur von etwa 750##' C eingetaucht werden.
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Ein fest miteinander verbundenes Werkstück mit gut haftendem Überzug
und mit ausreichend ausgefüllten Verbindungsfugen wird erhalten. Das neue Verfahren
hat einen besonderen Wert für die lIerstellung von Teilen von, Wärmeaustauschern,
torusförmigen Ringen und anderen Teilen für hydraulische Getriebe, Auspuffrohren
für die Auspufftöpfe von Brennkraftmaschinen u. dgl.