154 G. Frommeyer und G. Wassermann Z. f . Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 154-1 56 (1976) Overlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1976

Herstel I ung und Eigenschaften von metal I ischen Ver bundfolien

G. Frommeyer und G . Wassermann

Angesichts der an gezogenen Verbunddrahten aus gut verformbaren Metallen aufgefundenen anomalen mechanischen und physikalischen Eigenschaften war es von Interesse zu versuchen, ob sich durch Wal- zen Folien rnit heterogenem, faserigem Aufbau herstellen lassen, die in analoger Weise Eigenschaftsanomalien zeigen. Es wird uber erste Versuche an Silber-Kupferlegierungen mit eutektischer Zusammen- setzung berichtet. Verbundfolien von 35 pm Dicke zeigten Anoma- lien des E-Moduls der Zugfestigkeit und der spezifischen elektrischen Leitfahigkeit. Verhundfolien haben gegenuber , , d u m a Schichten" den Vorzug, daR sich an ihnen wegen ihrer geringen mechanischen Empfindlichkeit Messungen von Weglangeneffekten erheblich leichter und praziser ausfiihren lassen als an ,,dunnen Schichten".

Zweiphasige Verbunddrahte rnit faserformigen Aufbau, die durch extrem hohe Verformung entstehen, zeigen infolge Ab- dunnung der einzelnen Faser auf Dicken von weniger als 1000 AE GroReneffekte in Form anomaler Eigenschaftsande- rungen (l... 3 ). Es liegt nun nahe zu versuchen, ob man durch gemeinsames Verformen mehrerer Phasen Verbundfolien her- stellen kann. Hierzu ist es lediglich erforderlich, statt einer stab- oder drahtformigen Ausgangsform, die dann insbeson- dere durch Ziehen umgeformt wird, eine rechteckige, platten- formige Form zu wahlen und diese durch Walzen umzuformen. Es wird also gewissermaRen von der Draht- zur Blechumfor- mung ubergegangen.

durch Herstellen und Verarbeiten rechteckiger KaltpreRlinge oder Strangpressen von Profilen rnit rechteckig-flachem Querschnitt, die dann durch Walzen weiterverarbeitet werden.

Dunne Bleche werden als Folien bezeichnet, wobei aller- dings z. B. fur Aluminiumfolien, die in grogen Mengen tech- nisch hergestellt werden, die Bezeichnung Folie erst bei Dicken ab 35 p m iiblich ist. Man kann Folien durch Walzen auf besonderen Folienwalzwerken, die insbesondere durch Arbeiten unter starkem Haspelzug gekennzeichnet sind, auf etwa die gleiche Dicke abdunnen wie Drahte durch Ziehen, namlich auf etwa 5 p m als untere Grenze. Ob es gelingen wird, diese geringen Dicken auch bei Verbundfolien zu errei- chen, ist noch nicht sichergestellt, aber zu erwarten.

fer-Legierung (71,s Gew.% Silber) unternommen. die in

Auch hier ist pulvermetallurgisches Arbeiten moglich, z. B.

Erste Versuche wurden rnit der eutektischen Silber-Kup-

Properties of metallic composite foils by duectionally solidification and rolling. I t is known from a serie of investigations that composites- wires consisting of well deformable metals drawn to high degrees of deformation show characteristic anomalies of mechanical and physi- cal properties. Therefore i t is interesting to investigate the possibility t o prepare by rolling foils with the similar heterogenous structure. First results measured on the thin foils of an eutectic silver-copper alloy are presented. Compound foils of 3 5 microns thickness showed anomaleous behaviour of Youngs modulus, tensile strength and specific electrical conductivity. This anomaleous behaviour of differ- ent properties is caused by size effects. An advantage of such com- poundfoils compared with "thin layers" is the easy preparation and handling of the specimens.

Dieser Abwalzgrad genugt bereits, u m anomale mechani- sche und physikalische Eigenschaften, die auf Weglangeneffek- ten beruhen, in Erscheinung treten zu lassen.

In einer solchen Verbundfolie, wie sie Abb. 1 schematisch zeigt, liegen eine groRe Zahl von Schichten der beiden Phasen vor. Die Dicke einer Einzelschicht, die im GuRzustand ca. 2,5 p m betrug, ist numehr auf etwa 1000 AE vermindert. 400 solcher Schichten ergeben ubereinander dann eine Foliendicke von 40 p m (Abb. 1). Es handelt sich hierbei nicht etwa u m einen Aufbau in Sandwichform, denn die Breite der entstandenen ,,Bander" ist augerst gering. Ein Ver- gleich mit den allgemein bekannten ,,diinnen Schichten", wie sie z. B. durch Aufdampfen erzeugt werden, ist durchaus zu- lassig.

- / O R

[ m i Abb. 1. Verbundfolie. Fig. 1.

Schematische Darstellung des Aufbaus einer gewalzten

Structure of the rolled compound foils schematically.

- - Drahtform bereits eingehend untersucht worden ist (4, 5 ) . Als Ausgangsform wurde auch hier die Legierung in gerichtet erstarrtem Zustand verwendet, und zwar als Platine von 10 mm Dicke. Sie wurde parallel zur Erstarrungsrichtung verformt und konnte heruntergewalzt werden, entsprechend einem Walzgrad

Grenze zwischen dunnem Band und Folie.

Nach den Erfahrungen rnit dunnen Verbunddrahten der- selben oder anderer Zusammensetzung ist eine Faserdicke von 1000 B E ausreichend, u m Eigenschaftsanomalien her-

35 pm vorzurufen. Diese Annahme konnte an den untersuchten Silber-Kupfer-Verbundfolien durchaus bestatigt werden.

werte rnit abnehmender Foliendicke. Auch hier gelangt man rnit Werten von UB = 1350 N/mm2 in den Bereich der theo- retischen Festigkeit. Bemerkenswert ist das Auftreten einer Flachenanisotropie. Die Zugfestigkeiten parallel zur Walzrich- Institut fur Metallkunde und Metallphysik der Technischen Uni-

versitat Clausthal und Sonderforschungsbereich 126 Gottingen/ tung werden den in der Quenichtung noch Uber- troffen. Dieses wird im wesentlichen durch die beim Walzen

Zwischengluhung) auf cine Dicke

99,65%. BezeichnungsmaQig liegt dieses Produkt also an der Abb. zeigt die Steigerung der Zugfestigkeits-

Clausthal.

Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 154-1 56 (1976)

entstandene Walztextur begrundet sein. In Abb. 3 wird der normale Verlauf des Elastizitatsmoduls wiedergegeben. Die Werte fur die Elastizitatsmoduln wurden im statischen, ein- achsigen Zugversuch an Langsproben ermittelt. Auffallend ist das Minimum bei einer Faserdicke von etwa 1000 BE, das schon von den Drahtuntersuchungen her bekannt ist. Offenbar liegt bei enva diesen GroRenabmessungen ein kri- tischer Zustand vor, von dem ab eine tiefgreifende Xnderung der Defektstruktur eintritt. Wahrscheinlich erfolgt hier ein . rascher Abbau der durch die extrem starke Kaltverformung erzeugten augerst hohen Versetzungsdichte. Weitere Unter- suchungen hierzu sind im Gange.

130 I20

10 5 1.0 0.5 0. I 0.05 0,035 0.01 Blech-bzw Foliendicke in mrn

6 S O 90 95 99 99.5 99.9 Wolzgmd q in *I.

Abb. 2. mungsgrad bzw. Foliendicke. Fig. 2. Tensile strength as a function on reduction in area.

Zugfestigkeit langs und quer in Abhangigkeit vom Verfor-

In Abb. 4 ist die Xnderung der spezifischen elektrischen Leitfahigkeit gezeigt. Auffallend ist wieder der starke Abfall mit abnehmender Banddicke bis auf 40 pm fur die MeRtem- peraturen - 196, - 100 und + 20 OC bei einer Verminderung des Unterschiedes rnit der Dickenabnahme sowie der Anisotro- pie, die sich ebenfalls rnit abnehmender Dicke vermindert. Diese auRergewohnliche Leitfahigkeitserniedrigung wird nicht allein durch die Wechselwirkung der Leitungselektronen mit der erhohten Defektdichte der augerst stark verformten Verbundfolien verursacht. Vielmehr ist der wesentliche Leit- fahigkeitsabfall auf eine vermehrte Streuung der freien Elek- tronen an den Grenzflachen der Komponenten zuruckzufuh- ren.

Die sehr feinen Schichtdicken der Silber- und Kupfer-Kri- stalle (d < 1000 AE) bewirken eine Verminderung der mitt- leren freien Weglange der Leistungselektronen (size effect). Daraus resultiert aber unmittelbar die Abnahme der spezifi- schen elektrischen Leitfahigkeit der schichtformig aufgebau- ten Verbundfolien insbesondere bei 77 K.

Das venvendete Material vom Reinheitsgrad 99,99% ist zwar nicht frei von Spurenverunreinigungen, doch konnen Mischkristallbildungen sicherlich nicht die wesentliche Ursa- che der Anomalie sein, vielmehr handelt es sich um GroRen- effekte der mechanischen und physikalischen Eigenschaften.

Herstellung und Eigenschaften 1 5 5

Wolzgrod in % -532.41 Abh. 4. Verformungsgrad bzw. Foliendicke. Fig. 4. in area.

Spezifische elektrische Leitfahigkeit in Abhangigkeit vom

Specific electrical conductivity in dependence on reduction

Die hier beschriebenen ersten Ergebnisse sind inzwischen an anderen Legierungen bestatigt und enveitert worden.

Es konnte also gezeigt werden, dag es rnit Hilfe von Ver- bundfolien moglich ist, Aussagen uber ,,size effects" zu erhal- ten, die bisher nur an dunnen Schichten gewonnen werden

156 H. Wiegand Z. f. WerkstofftechnikIJ. of Materials Technology 7, 156-160 (1976) averlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1976

konnten. Diese werden auf verschiedene Weise, Z. B. Aufdamp- fen, Zerstauben oder elektrolytisch, hergestellt. Die Einzel- schichten sind dabei sehr dunn, haufig nur wenige BE dick, aber dadurch auch sehr empfindlich und fur einige experimen- tellen Messungen (z. B. der Warmeleitung) schwer zuganglich. Ebenfalls ist die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften, z. B. der Zugfestigkeit, mit sehr groBer Unsicherheit behaftet und oft nicht moglich. Ein Blick in die vorliegenden zusam- menfassenden Werke (Mayer ( 6 ) , Cbopra (7) ) zeigt, wie wenige, uberdies mit starken Streuungen behaftete Ergebnisse, trotz der aulSerordentlich zahlreichen Arbeiten uber dunne Schich- ten vorliegen. Mit Hilfe von Verbundfolien wird es in Zukunft moglich sein, die Ergebnisse und Erkenntnisse auf diesem Gebiet zu erweitern.

Li tera tur

1. P. Wahl und G. Wassermann, Z. Metallkde. 61 (1970) 326. 2. G. Wassermann, 2. Intern. Conf. Strength Met. and Alloys, Am.

SOC. Met. Vol. 111 (1970) 1988. 3. G. Wassermann, Z. Metallkde. 64 (1973) 844. 4. G. Frommeyer und G. Wassermann, Acta Met. 23 (1975) 1353. 5. G. Frommeyer und G. Wassermann, Phys. stat. sol. (a) 27 (1975)

99. 6. H. Mayer, Physik dunner Schichten, Bd. 1 und 2, Stuttgart 1955. 7. K. L. Chopra, Thin Film Phenomena, McGraw Hill Inc. N. Y. 1969.

Anschrift: G. Frommeyer und Prof. Dr. G. Wassermann, Institut fur Metallkunde und Metallphysik der Techn. Universitat Clausthal, GroRer Bruch 23, 3392 Clausthal-Zellerfeld.

Werkstoff - Konstruktion - Fertigung

Eine Berichtsreihe zur angewandten Werkstoffkunde f i r Studium und Praxis

H. Wiegand, Darmstadt

Fortsetzung von Heft 2/76, S. 84)

Vergutungsstable sind solche Stahle, die durch Verguten (Martensitharten + Anlassen) oder durch Zwischenstufen- verguten gezielt auf diejenige Festigkeitsstufe (mit bestimm- ter Streckgrenze, Zugfestigkeit und Zahigkeit) gebracht wer- den, die fur das jewcilige Bauteil entsprechend seinen Be- triebsbeanspruchungen verlangt wird. Das Vergiitungs- schaubild in Abb. 2.17 (s. Heft 5 (1975) Seite 173) zeigt den qualitativen Verlauf dieser Eigenschaftswerte in Abhan- gigkeit von der AnlaBtemperatur. In Tabelle 3.3 wird ein Beispiel mit Zahlenwerten wiedergegeben.

Bei Vergutungsstahlen ist (wie auch bei Einsatzstahlen) zu beachten, daB neben der Beeinflussung der Hartbarkeit durch den Kohlenstoff und den Gehalt an Legierungsele- menten die Harteannahme durch die Querschnittsabmessun- gen beeinflugt wird. So kann man unterscheiden nach Stah- len, die weniger gut und solchen, die besser durchhartbar (einhartbar) uber den Querschnitt sind. Die Durchhartbar- keit eines Stahles kann mit Hilfe der Harteprufung uber den Querschnitt wie in Bild 2.18 bereits dargestellt, ermittelt werden.

Die Durchhartung eines Stahles hangt von mehreren Einflussen ab; von der chemischen Zusammensetzung, von den Querschnittsabmessungen und dem Abschreckmedium. Abb. 3.45 gibt fur einen ,,randhartenden" und einen ,,durch- hartenden" Stahl im geharteten und verschieden hoch ange- lassenen Stahl qualitativ den Verlauf der Festigkeit und Harte uber den Querschnitt wieder. Die Wirkung des Ab- schreckmediums gibt Abb. 3.46 anschaulich wieder.

Von den Legierungselementen, die die Einhartrtbarkeit (Durchhartbarkeit) bzw. Durchvergutbarkeit fordern, sind zu nennen: Nickel, Chrom, Mangan, Molybdan und Vana- din. Wahrend Mangan die Neigung der Stahle zu Grobkorn (Minderung der Zahigkeit) fordert, wirken bereits geringe Zusatze an Vanadin kornverfeinernd. Mangan und Silizium wirken Streckgrenzen- und Zugfestigkeits-erhohend.

Obwohl man durch den AnlaBvorgang nach der Har- tung gezielt bestimmte Streckgrenzen- und Zugfestigkeits- werte bei gleichzeitig wesentlicher Verbesserung der Zahig- keitseigenschaften erreichen will, gelingt dies bei manchen legierten Stahlen nicht in der gewunschten Weise. Sie ver-

Tab. 3.3.

Warmebehandlung 6 42 6 B 6 5 ak 6bW g12

EinfluR verschiedenartiger Warmebehandlungen auf die Festigkeits- und Zahigkeitseigenschaften eines Cr-V-Vergiitungsstahles ___ - ~ _ _ . ~ _ _ _ _ __ -~

N/mm2 % J /cm2 N/mm

weichgegliiht 680 " C normalgegluht 880 O C

harten von 860 "C in 01 gehartet u. bei 400 "C angelassen gehartet u. bei 500 "C angelassen gehartet u. bei 600 "C angelassen gehartet u. bei 650 "C angelassen

- - - 700 > 15 > 160 - 100 > 15 > 140 - - 190 > 5 30 i 50

- - -

1600- 17 5 0 1700-1850 > 8 40 t 60 700-800 1300-1650 1400-1 5 5 0 > 10 60 t 80 680-730 950-1100 11 00- 1 2 50 > 12 80i 100 520-560 850- 1050 950-1100 > 16 100 i 140 480-500

~ ~~

Werkstoff: C = 0,5%;Mn = 0,8%; Cr = 1%; V = 0 ,15%