CH654502A5

CH654502A5 - Verfahren zur herstellung von rohrfoermigen, geraden oder gekruemmten stranggiesskokillen aus einer kupferlegierung.

Info

Publication number: CH654502A5
Application number: CH1007/82A
Authority: CH
Inventors: Horst Gravemann
Original assignee: Kabel Metallwerke Ghh
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1986-02-28
Also published as: DE3109438C2; DE3109438A1; GB2096496B; JPH0216170B2; IN157659B; FR2501556A1; ES8303147A1; FR2501556B1; BR8201280A; IT8247942A0; IT1148120B; JPS57159240A; GB2096496A; ZA821484B; CA1196552A; ES510190A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen, geraden oder gekrümmten Stranggiesskokillen aus einer Kupferlegierung, bei dem die den Formhohlraum bildenden Kokillenwände durch Sprengstoff auf die geometrischen Abmessungen einer Matrize verformt werden.

Aus der DE-AS 25 33 528 ist ein Verfahren zum Verformen der Wände von Stranggiesskokillen bekannt, bei dem auf die den Formhohlraum bildenden Kokillenwände eine diese Wände verformende Kraft durch Sprengstoff aufgebracht und durch diese die Wände auf die geometrischen Abmessungen einer Matrize verformt werden. Der Vorteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass die nach diesem Verfahren verformten Kokillen aus Kupfer oder Kupferlegierungen eine besonders gute Oberflächenbeschaffen-heit und Massgenauigkeit im Formhohlraum aufweisen. Darüber hinaus wird durch die Verformungskräfte eine Aushärtung der Oberfläche erreicht. Dabei kann ein Ausgangswerkstoff mit der Härte 40 Rockwell B auf eine Härte zwischen 50 und 75 Rockwell B gehärtet werden.

Der Nachteil bei diesem Verfahren ist darin zu sehen, dass durch die Explosionsverformung nur eine geringe Wanddickenreduzierung, d.h. auch nur eine geringe Gesamtkaltverformung möglich ist. Dieses hat somit eine relativ geringe Gesamtfestigkeit des Querschnittes der Kokille und damit eine nur mässige Formstabilität zur Folge. Hinzu kommt als weiterer Nachteil, dass bei üblichen Kupferlegierungen, die durch Kaltumformung aufgebrachte Kaltverfestigung bereits bei Temperaturen ab 350 °C rückgängig gemacht wird, wodurch die Standzeit bei hochbeanspruchten Kokillen stark eingeschränkt ist. Höhere Festigkeitswerte lassen sich bei dem bekannten Verfahren eventuell durch Verwendung höherlegierter Kupfersorten erreichen. Diese haben jedoch den Nachteil einer unzureichenden Wärmeleitfähigkeit sowie die Neigung zur Bildung von Rissen im Badspiegelbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Kokillen beliebiger Formate, zum Beispiel auch sehr dickwandige Rohrkokillen grosser Abmessungen für Vorblockanlagen hergestellt werden können, die neben einer sehr hohen Festigkeit über die gesamte Wanddicke eine hohe Erweichungstemperatur und Warmfestigkeit aufweisen. Dabei ist es möglich durch Auswahl geeigneter Legierungskomponenten sehr hohe oder zum Beispiel bei Kokillen für magnetische Rührung auch definierte geringere Wärme- bzw. elektrische Leitfahigkeitswerte einzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass als Ausgangsmaterial ein Rohr aus einer aushärtbaren Kupferlegierung verwendet wird, dass dieses Rohr zunächst auf Lösungsglühtemperatur gebracht wird, bei welcher Temperatur die Rohrformung vorgenommen wird, dass das lösungsgeglühte Rohr bei 400-600 "C über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten ausgehärtet wird, und dass abschliessend die Explosionsumformung vorgenommen wird.

Die nach diesem Verfahren hergestellten Kokillen weisen bereits Festigkeitswerte auf, die wesentlich höher liegen, als die nach dem bekannten Verfahren hergestellten Kokillen. Der Grund liegt darin, dass als Kokillenmaterial aushärtbare Kupferlegierungen verwendet werden. Die Festigkeitszunahme wird bei diesen Werkstoffen durch Glühen bei 400-600 °C durch Ausscheidungseffekte bzw. Aushärtung erreicht. Die verbesserten Eigenschaften der Kokille führen zu einer höheren Standzeit, die aus einer höheren Formbeständigkeit gegenüber thermischen Spannungen, insbesondere bei höheren Temperaturen und aus einer höheren Ver-schleissfestigkeit, die zu einem geringeren Abrieb führt, resultiert.

Eine weitere Festigkeitssteigerung ist dadurch möglich, dass nach dem Lösungsglühen das weiche Rohr mit üblichen Verfahren mechanisch kaltverformt wird. Dieses wird zweckmässigerweise dadurch erzielt, dass in die Rohrkokille ein Dorn - bei gekrümmten Rohrkokillen ein entsprechend gekrümmter Dorn - eingeführt und die Kokille gemeinsam mit dem Dorn durch eine Matrize gedrückt wird. Der Kalt-verformungsgrad kann dabei je nach gewünschter Endfestigkeit zwischen 2 und 30% eingestellt werden. Wegen der sich nach der anschliessenden Aushärtung ergebenden, zum Teil sehr hohen Festigkeitswerte ist es ferner zweckmässig, die geometrische Endabmessung der Rohrkokille bereits bei der Kalibrierung nach dem Lösungsglühen anzustreben. Dadurch ist es möglich, den bei der Aushärtung auftretenden Verzug in einem Explosionsschritt zu beseitigen und ein optimales Endprodukt zu erzeugen.

Die Wahl der zu verwendenden aushärtbaren Kupferlegierung hängt von den spezifischen Anforderungen an den Kokillentyp ab. Für die gängigsten Anwendungen wird mit besonderem Vorteil eine Kupferlegierung mit 0,3 bis 1,2 Ge-wichts-% Chrom und 0,05 bis 0,2 Gewichts-% Zirkon verwendet. Mit diesem Werkstoff wird die für Kokillen erforderliche hohe thermische Leitfähigkeit gewährleistet. Im Vergleich zu den bisher standardmässig eingesetzten Werkstoffen wie SF-Kupfer, Kupfer-Silber-Phosphor-Legierun-gen besitzen Kokillen aus dem aushärtbaren Kupfer-Chrom-Zirkon-Werkstoff, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, eine wesentlich höhere Warm- und Verschleissfestigkeit. Sie sind im Einsatz praktisch verzugsfrei und haben sehr hohe Standzeiten.

Das Verfahren zur Herstellung einer Kokille aus Kupfer-Chrom-Zirkon ist anhand eines Beispiels näher erläutert.

Aus einer Kupferlegierung mit 0,7 Gewichts-% Chrom und 0,18 Gewichts-% Zirkon, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen wird zunächst ein Bolzen gegossen und dieser bei 1030 °C zu einem Rohr stranggepresst. Das strangge-presste Rohr wird in Wasser abgeschreckt. Von diesem Rohr werden Rohrstücke abgetrennt, auf einer Biegemaschine

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vorgebogen und in den Hohlraum des Rohrstückes eine Matrize mit kreisrundem Querschnitt eingeführt. An der Aus-senseite des Rohrstücks wird eine Sprengladung gleichmäs-sig verteilt und diese gezündet. Anschliessend wird die Matrize aus dem Rohrstück entfernt und das Rohrstück bei 475 °C 4 V2 Stunden lang geglüht. In das aus dem Glühofen entnommene Rohrstück, welches leicht verzogen ist, wird nach dem Erkalten eine Matrize eingesetzt, deren Querschnitt dem Querschnitt des zu giessenden Stranges exakt entspricht. Dabei wird darauf geachtet, dass die leicht gekrümmte Matrize so in das gekrümmte Rohrstück eingeführt wird, dass die Krümmungsrichtung des Rohrstücks in die Krümmungsrichtung der Matrize in die gleiche Richtung weisen. Wie schon beschrieben, wird die Explosionsumformung nochmals durchgeführt und die Rohrkokille dadurch auf das gewünschte Mass kaltverformt.

An einer so hergestellten Kokille wurden folgende Eigenschaften gemessen:

Thermische Leitfähigkeit 87%

Erweichungstemperatur 525 °C (10% Abfall der Festigkeit bei R.T. nach 1 Stunde Glühdauer)

Härte HB 2,5/62,5 145

Zugfestigkeit 442 N/mm2

Bruchdehnung 26%

Warmfestigkeit bei 200 °C 380 N/mm2

Warmfestigkeit bei 350 °C 318 N/mm2

Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Stranggusskokille war auch nach einer Giessreise von 450 Chargen im Badspiegelbereich noch ausreichend masshaltig und zeigte nur am Kokillenfuss geringe Verschleisserschei-nungen.

Die Fertigung einer geraden konischen Vierkantkokille aus dem gleichen Werkstoff Kupfer-Chrom-Zirkon mit noch höheren Festigkeitseigenschaften sei an einem weiteren Beispiel erläutert.

Zunächst wird bei 950 °C ein rundes Rohr stranggepresst und dieses auf das gewünschte Vierkantformat durch Ziehen umgeformt. Das Vierkantrohr wird 45 Minuten bei 990 °C lösungsgeglüht. Nach dem Abkühlen werden abgelängte Rohrstücke mittels eines Domes und einer Matrize bei gleichzeitiger Wanddickenreduktion um 15% auf das End-mass kalibriert und bei 450 °C sechs Stunden ausgehärtet. Im Anschluss daran wird die Endkalibrierung wie oben beschrieben durch Explosionsumformung vorgenommen.

An der fertiggestellten Kokille wurden folgende Eigenschaften gemessen:

Thermische Leitfähigkeit 84%

Erweichungstemperatur 510 °C

Härte HB 2,5/62,5 159

Zugfestigkeit 521 N/mm2

Bruchdehnung 21 %

Bei einer derartig zwischenverformten Kokille wird die Verschleissfestigkeit am Kokillenfuss weiter erheblich verbessert.

Für Kokillen, bei denen eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit, zum Beispiel wegen einer schlechten Kühlwasserqualität erforderlich ist, lassen sich vorteilhaft Kokillen aus einer Kupfer-Legierung mit 0,05 bis 0,3 Gewichts-% Zirkon herstellen. Durch eine geeignete mechanische Zwi-schenkaltverformung sind Zugfestigkeitswerte um 350 N/ mm2 bei einer Wärmeleitfähigkeit von über 93% erreichbar. Die Erweichungstemperatur dieses Werkstoffes liegt oberhalb 550 °C.

Für Sonderfälle, bei denen ein magnetisches Rührverfahren im Bereich des Kokilleneinsatzes vorgesehen ist, wird ein Kokillenwerkstoff mit möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit gewünscht, um die Feldschwächung gering zu halten. Da bei einem solchen Werkstoff die Wärmeleitfähigkeit im gleichen Masse wie die elektrische Leitfähigkeit verringert wird, treten sehr hohe Wandtemperaturen auf. Um die Verzugsfreiheit zu gewährleisten, muss der Kokillenwerkstoff eine entsprechend höhere Warmfestigkeit aufweisen. Diesen Anforderungen genügen zum Beispiel die aushärtbaren Werkstoffe Kupfer-Nickel-Phosphor mit 0,6 bis 1,5 Gewichts-% Nickel, 0,1 bis 0,3 Gewichts-% Phosphor sowie Kupfer-Kobalt-Beryllium bzw. Kupfer-Nickel-Beryllium mit 1 bis 2,5 Gewichts-% Kobalt oder 1 bis 2,5 Gewichts-% Nickel oder 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Nickel+0,5 bis 1,5 Gewichts-% Kobalt und jeweils 0,3 bis 0,6 Gewichts-% Beryllium und ferner Kupfer-Nickel-Silizium mit 0,2 bis 1,1 Gewichts-% Silizium und 1,2 bis 3,5 Gewichts-% Nickel.

Weiter wurde zum Beispiel eine gebogene Rechteck-Rohrkokille mit dem Innenformat 200+220 mm und einer Wandstärke von 14 mm aus einer Kupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung mit 2,2 Gewichts-% Kobalt und 0,54% Beryllium wie folgt hergestellt.

Zunächst wurde ein Vierkantrohr durch Strangpressen hergestellt und anschliessend bei 935 °C 45 Minuten lösungsgeglüht. Auf einer Biegemaschine wurde die gewünschte Krümmung erzeugt. Anschliessend wurde ein Rohrstück durch Explosionsumformung wie oben beschrieben über einen Dorn kalibriert. Darauf wurde die Kokille bei 480 °C fünf Stunden ausgehärtet. Abschliessend wurde der Verzug durch das Aushärten durch Explosionsumformung über einen Dorn beseitigt und die Kokille dabei nachkalibriert.

An dieser Rohrkokille wurden folgende Eigenschaften gemessen:

Thermische Leitfähigkeit 54%

Erweichungstemperatur 505 °C

Härte HB 2,5/62,5 235

Zugfestigkeit 805 N/mm2

Bruchdehnung 17%

Warmfestigkeit bei 200 °C 735 N/mm2

Warmfestigkeit bei 350 °C 622 N/mm2

Als Einsatz in eine sogenannte Rührkokille wurde wegen der geringeren Feldschwächung eine erheblich bessere Rührwirkung als bei den bisher bekannten Kokillen erzielt.

Die Massstabilität war auch nach mehr als 100 Giessrei-sen noch vorzüglich.

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen geraden oder gekrümmten Stranggiesskokillen aus einer Kupferlegierung, bei dem die den Formhohlraum bildenden Kokillenwände durch Sprengstoff auf die geometrischen Abmessungen einer Matrize verformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein Rohr aus einer aushärtbaren Kupferlegierung verwendet wird, dass dieses Rohr zunächst auf Lösungsglühtemperatur gebracht wird, bei welcher Temperatur die Rohrformung vorgenommen wird, dass das lösungsgeglühte Rohr bei 400 bis 600 C über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten ausgehärtet wird und dass abschliessend die Explosionsumformung vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Operationen Lösungsglühen und Aushärten das Rohr kaltumgeformt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rohrkokille ein Dorn eingeführt und die Kokille gemeinsam mit dem Dorn zwecks Kaltverformung durch eine Matrize gedrückt wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit 0,3 bis 1,2 Gewichts-% Chrom und 0,05 bis 0,2 Gewichts-% Zirkon verwendet wird.