CN101945719B - 制备铸模部件的方法以及根据该方法制备的铸模部件 - Google Patents

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Abstract

由包含硅，镍，铬和锆以及金属间初生相的铜合金制备铸模部件的方法，其中将铸锭通过热成型在仅只一个方向上以至少4∶1的比例拉伸，其中与金属熔体接触的、由经拉伸的铸锭制备的铸模部件的铸造面选择为基本垂直于铸锭的拉伸方向。由此方式制备的铸模部件的特征在于高耐磨强度和提高的寿命，特别是在用作双带铸造装置的侧面坝的块体的情况下。

Description

制备铸模部件的方法以及根据该方法制备的铸模部件
技术领域
本发明涉及根据以下第1项的特征的，由包含硅、镍、铬和锆以及金属间初生相的铜合金制备铸模部件的方法。
此外本发明涉及根据该方法制备的铸模部件。
背景技术
EP 0 346 645 B1描述了使用可硬化的铜合金和常规加工添加剂作为原料制备铸模部件，所述铜合金由1.6至2.4％的镍，0.5至0.8％的硅，0.01至0.20％的锆，余量的铜，包括制备引起的杂质所组成，该铸模部件在铸造时经受持续变化的热负荷，并特别是作为用于双带铸造装置(Doppelbandgieβanlagen)的侧坝(
Figure GSB00000896341200011
)的块体(
Figure GSB00000896341200012
)的形式。双带铸造装置的生产能力决定性地取决于由块体形成的侧坝的无缺陷的功能。因此，需要块体具有尽可能高的热传导性，从而可以尽可能快地导走熔融热和凝固热。为了避免块体侧边由于机械负荷而提早磨损(所述机械负荷导致块体之间形成缝隙并随后导致熔体涌入该缝隙中)，原料除了高的硬度和抗拉强度之外还必须具有很小的颗粒尺寸。最终，具有非常重要的意义的是最佳的疲劳特性，其确保在离开铸造段后在块体的再冷却过程中出现的热应力不导致在用于容纳钢带而加入的T形槽的边角处开裂。如果出现由于热突变引起的裂纹，那么在短时间后所涉及的块体就会已从生产链(Kette)中脱落，其中熔融液态的金属不受控制地从铸模空腔流出并损害装置部件。为了更换损坏的部件必须将装置停车并中断铸造过程。
为了检测裂纹敏感性，适用以下测试方法：其中将块体在500℃经两小时的热处理，并随即在25℃的水中淬火。即使在多次重复该热突变测试情况下对于适合的材料也不允许在T形槽区域内出现裂纹。
在EP 0 346 645 B1中描述的含有锆的可硬化的CuNiSiCr-合金卓越地适合于双带铸造装置的侧坝的块体。通过添加铬提高了材料的传导性。Fe-添加物限制了在扩散退火时颗粒生长，而不会不利地影响原料的其他性质。
已知的是，在含有铬和锆的原料的组织中出现金属间初生相，其在熔体凝固时低共熔地(untereutektisch)，即非均匀分布地结晶出来。这种含有CrSi和含有NiZr的相在铸造的圆头螺栓中就已经由于方法而出现，该相用作制备用于双带铸造装置的侧坝的块体的初始材料。为了调节细粒组织和为了获得必需的硬度和电导性，通常用常规成型方法来将该铸造材料热成型，所述常规成型方法如挤压、锻压或轧制，并随即进行扩散退火和硬化，其中或多或少地有利地破坏铸造状态的金属间初生相的低共熔、非均匀分布并且在此过程中使初生相成行地沿着主成型方向取向。在由挤压或热轧制的条材常规地制备块体时，在块体的铸造表面存在相对不均匀分布的、明显成行取向的初生相排列。在由铸坯锻造板材的过程中，通常仅不足地消除铸造状态的金属间初生相的网状分布，因为总成型度受到限制并且板材在纵向和横向上几乎均匀地被成型。
发明内容
由此本发明的目的在于，如此优化用于制备铸模部件，特别是用于制备用于双带铸造装置的侧坝的块体的方法，使得与金属熔体接触的铸造面的损耗较晚出现并进展较慢，从而在较长的生产时期内在使用铸模部件的情况下可以制备具有无缺陷的表面质量的铸造金属带。此外，应该提供具有改善的特性的铸模部件。
该目的的方法部分通过以下第1项的特征实现。
具有有利特征的铸模部件是以下第6项的主题。
其他各项涉及本发明构思的有利的进一步实施方式。
本发明包括以下各项：
1.由至少一种合金元素以及包含金属间初生相的铜合金制备铸模部件的方法，所述合金元素分别选自组a)和b)之一，其中组a)包含镍和钴和组b)包含铬，锆，铍和硅，其中将铸锭通过热成型在仅只一个方向上以至少4∶1的比例拉伸，其中与金属熔体接触的、由经拉伸的铸锭制备的铸模部件的铸造面选择为与铸锭的拉伸方向呈90±10°的角度。
2.根据第1项的方法，其特征在于，将在铸造面和与铸造面呈90±10°角度的经拉伸铸锭的侧面之间的在显微图像中所横截出的金属间初生相的量比例调节为大于1.5∶1。
3.根据第1或2项的方法，其特征在于，所述铸锭通过热成型在仅只一个方向上以至少7∶1的比例被拉伸。
4.根据第1至3项之一的方法，其特征在于，将所述铸锭通过热锻压拉伸。
5.根据第1至4项之一的方法，其特征在于，将所述铸锭通过热轧制拉伸。
6.根据第1至5项之一的方法制备的铸模部件。
7.根据第6项的铸模部件，其特征在于，在铸造面和与铸造面呈90±10°角度的经拉伸铸锭的侧面之间的在显微图像中所横截出的金属间初生相的量比例为大于1.5∶1。
8.根据第6或7项的铸模部件，其特征在于，金属间初生相成行排列，其中位于铸造面的平面内的行列的平均长度对与铸造面呈90±10(角度延伸的行列的平均长度的比例小于3∶10。
9.根据第6至8项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下于20℃具有至少600MPa的抗拉强度并且在500℃具有至少350MPa的抗拉强度。
10.根据第6至9项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下在20℃具有至少470MPa的0.2％-拉伸极限。
11.根据第6至10项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下于20℃具有至少15％的断裂伸长A5。
12.根据第6至11项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少190 HV10的硬度。
13.根据第6至12项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少40％ IACS电导性。
14.根据第6至12项之一的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少45％ IACS的电导性。
15.根据第6至14项之一的铸模部件，其特征在于，所述经硬化的铜合金具有最高130μm的颗粒尺寸，根据ASTM E 112测量。
16.根据第6至15项之一的铸模部件，其特征在于，其是双带铸造装置的侧面坝的块体。
本发明所基于的目的通过如下实现，即，使金属间初生相(其包含在铜合金中)通过定向的热成型而这样取向，使得相对于铸锭(Gussblock)的拉伸方向，以90±10°的角度(即基本垂直)选择由经拉伸的铸锭制备的铸模部件的与金属熔体接触的铸造面。在下文中，“基本垂直”是指与铸锭的拉伸方向成90±10°。垂直是指90°角。
在该过程中重要的是，在铸锭的热成型过程中，除了产生原有的粗粒状铸造组织的细粒组织重结晶以外，还产生明显的纤维取向，并且内金属初生相的破碎和取向都沿着该纤维的方向。在此重要的是，纤维取向具有尽可能精细并均匀分布的初生相，这在本发明的范围内如下实现，即，通过热成型在仅一个方向上进行拉伸，其中将铸锭以至少4∶1，优选大于7∶1的比例进行拉伸。在此，热变型可以通过方法如锻压或热轧制进行。相反，在不同方向上至少4∶1或优选至少7∶1的总体的总变型过程则不会导致根据本发明的所希望的纤维走向。
另一个重要的方法特征在于，由经拉伸的铸锭制备的铸模部件具有一个与金属熔体接触的铸造面，且选择该铸造面与拉伸方向基本垂直(＝90±10°)，优选精确垂直。只有在这种情况下铸造面的磨损才显著降低，从而使得在较长的生产时期内制备具有无缺陷的表面质量的铸造金属带成为可能。
通过纤维的取向，金属间初生相在铸造面内在外观上基本上仅出现呈均匀分布的点。认为符合目的的是，使在铸造面和经拉伸铸锭的与铸造面垂直的侧面之间在显微图像中所横截的金属间初生相的量比例调节到大于1.5∶1。这意味着，与在垂直于铸造面的侧面或平面相比，在铸造面或在基本垂直于拉伸方向的平面中横截出至少多出50％的金属间初生相。
以此方式调整得的、所横截出的金属间初生相的量比例与铸造面的取向相结合，导致具有优化的使用特性的铸模部件，因为抑制了在铸造面内的裂纹起始和裂纹扩展。由此，在使用时铸模部件的磨损降低，因为裂纹扩展发展得较缓慢，这有助于提高寿命。相比其中内金属初生相基本未经取向的铸模部件，对疲劳裂纹形成的抵抗力显著较高。
根据本发明的方法制备的铸模部件具有这样的纤维走向，其致使金属间初生相也排布于纤维或行列(Zeilen)中。位于平面内的初生相的平均长度是可测量的。认为有利的是，位于铸造面的平面内的行列的平均长度与基本垂直(＝90±10°)、优选精确垂直于铸造面延伸的行列的平均长度之间的比例小于3∶10。换言之，其长度对应于基本垂直或精确垂直于铸造面延伸的金属间初生相的行列长度的最高30％的金属间初生相的行列位于铸造面内。
根据本发明的铸模部件由可硬化的铜合金构成，为此目的其包含作为金属间相析出的合金成分。可硬化的铜合金优选包含镍，且其可以至少部分地被钴替代。此外，所述合金包含至少一种以下的合金元素：铬，锆，铍，硅。
制成的铸模部件的特征在于针对特殊应用情况调适(zugeschnittene)的、出色的材料特性，即特别是在20℃的室温下至少600MPa的抗拉强度以及在500℃下至少350MPa的抗拉强度。
所述铜合金在20℃于硬化状态下具有至少470MPA的0.2％-拉伸极限，至少15％的断裂伸长A5，至少190 HV10的硬度以及在20℃下至少40％ IACS的电导性(IACS＝国际退火铜标准(International AnnealedCopper Standard)，相比于铜＝100％的电导性)。优选电导性为至少45％。
根据ASTM E 112测量，硬化的铜合金应该具有最高130μm的颗粒尺寸。美国标准ASTM E 112(美国试验与材料协会)是用于测定平均颗粒尺寸的标准测试方法。
以下依据若干实施例阐述本发明。
图1显示了浇铸的圆头螺栓显微图像，该螺栓用作用于制备双带铸造装置的侧坝的铸模部件的初始材料。其涉及具有含CrSi或含NiZr的低共熔结构的金属间初生相的CuNiSiCrZr-合金的典型的铸造组织。接着，为了调节细粒组织和为了获得必需的硬度和电导性，用成型方法来将该原料成型，所述成型方法如挤压、锻压或轧制，并随即进行扩散退火和硬化，使得金属间初生相的低共熔、非均匀分布改变。
如果在图1中描述的具有金属间初生相网状分布的铸坯在纵向和横向上都均匀成型，则相取向不会以希望的方式和方法变化。
相反，图2显示了已经热成型的铸锭的金属间初生相的分布以及因此在之后的铸造零件的铸造面范围内的显微图像。明显可以看出，金属间初生相非常精细并均匀地分布。纤维的取向和金属间初生相的取向与铸造面垂直，由此在该图中经横截的初生相看起来为点。
经横截的初生相的数目为约1.7x那么高，如在图3中所示，图3显示了与铸造面垂直并因此垂直于图2显微图象的显微图象。在图2中，相行列(Phasenzeilen)仅可初步地辨别并最大为约100μm长，而在图3中，明显可识别显著更多的初生相行列，其中相行列长度在100至400μm的范围内并部分地在超过400μm的范围内。下表阐明了根据本发明的方法由CuNiSiCrZr-合金制得的铸模部件的机械性能以及抗疲劳性。
Figure GSB00000896341200071
实施例A的基础是具有以下以重量％表示的组成的合金：
2.1％  Ni
0.62％ Si
0.30％ Cr
0.15％ Fe
余量＝Cu，包括不可避免的杂质。
将该合金在感应坩埚炉中熔融并以连续铸造法铸造为圆形铸锭。所述圆形铸锭在锻压机上在介于950℃和750℃的温度范围内镦冲(vorstauchen)并接着成型为长方体。然后，将该长方体在纵向上锻造为板材。然后将该预锻造的板材在热轧制工具上于950℃和800℃之间的温度下轧制为最终尺寸。在纵向上的总成型比V，由镦冲长度开始直至最终经轧制的板材长度计为5.3∶1。将板材随即进行扩散退火并硬化。硬化后的冷却过程在炉中以规定的冷却速度进行。然后将板材锯为横条并由该横条制为铸模部件，即所谓的具有70mm×50mm×40mm尺寸的坝块体。
替代地，以相同的方式，可以取出尺寸60mm×50mm×40mm或50mm×50mm×40mm的铸模部件。在此，铸模部件的铸造面基本上、优选精确垂直于板材的纵向并因此也基本上、优选精确垂直于经成型的铸锭的拉伸方向或纤维取向。
在表中描述了，相比于其纤维平行于铸造面或已经历具有至少4∶1比例的非优选成型过程的铸模部件，如此取出的铸模部件的机械/技术性能以及抗疲劳性。相比纤维位置平行于铸造面延伸的铸模部件，根据本发明的方法制备的具有垂直于铸造面的金属间初生相取向的铸模部件在实验室测试中显示高出17％的更好的抗疲劳性。
实施例B基于具有以下组成的合金：
2.2％  Ni
0.60％ Si
0.33％  Cr
0.12％  Fe
余量＝Cu，包括不可避免的杂质。
该合金也在感应坩埚炉中熔融并以连续铸造法铸造为圆形铸锭。将该圆形块体随即在热轧制工具上于950℃和800℃之间轧制为板材。在纵向上的总成型比V以铸锭的初始长度计为7.4∶1，并且因此符合至少7∶1的优选的本发明的规定。
热轧制板材的进一步处理和铸模部件的取出如实施例A地进行。
在表1中，又描述了相比于金属间初生相平行于铸造方向走向的铸模部件，具有垂直于拉伸方向走向的初生相的铸模部件的强度性能。
相比具有平行于铸造面的纤维取向的铸模部件，根据实施例B的根据本发明制备的铸模部件在具有可类比的机械性质的情况下，在实验室测试中甚至显示高出26％的更好的抗疲劳性。
实施例表明，相比于可类比的、具有平行于浇铸面的纤维取向和相取向或者不具有优选取向的铸模部件，本发明制备的铸模部件具有高出17至26％的更好的铸造面疲劳特性。

Claims (16)

1.由至少一种合金元素以及包含金属间初生相的铜合金制备铸模部件的方法，所述合金元素分别选自组a)和b)之一，其中组a)包含镍和钴和组b)包含铬，锆，铍和硅，其中将铸锭通过热成型在仅只一个方向上以至少4∶1的比例拉伸，其中与金属熔体接触的、由经拉伸的铸锭制备的铸模部件的铸造面选择为与铸锭的拉伸方向呈90±10°的角度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将在铸造面和与铸造面呈90±10°角度的经拉伸铸锭的侧面之间的在显微图像中所横截出的金属间初生相的量比例调节为大于1.5∶1。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述铸锭通过热成型在仅只一个方向上以至少7∶1的比例被拉伸。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，将所述铸锭通过热锻压拉伸。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，将所述铸锭通过热轧制拉伸。
6.根据权利要求1至5之一的方法制备的铸模部件。
7.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，在铸造面和与铸造面呈90±10°角度的经拉伸铸锭的侧面之间的在显微图像中所横截出的金属间初生相的量比例为大于1.5∶1。
8.根据权利要求6或7的铸模部件，其特征在于，金属间初生相成行排列，其中位于铸造面的平面内的行列的平均长度对与铸造面呈90±10°角度延伸的行列的平均长度的比例小于3∶10。
9.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下于20℃具有至少600MPa的抗拉强度并且在500℃具有至少350MPa的抗拉强度。
10.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下在20℃具有至少470MPa的0.2％-拉伸极限。
11.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金在硬化状态下于20℃具有至少15％的断裂伸长A5。
12.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少190 HV10的硬度。
13.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少40％ IACS电导性。
14.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述铜合金于20℃具有至少45％ IACS的电导性。
15.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，所述经硬化的铜合金具有最高130μm的颗粒尺寸，根据ASTM E 112测量。
16.根据权利要求6的铸模部件，其特征在于，其是双带铸造装置的侧面坝的块体。
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