DE10003827A1 - Verfahren zur Herstellung einer Stranggießkokille mit verschleißfester Schicht - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kokille aus Kupferwerkstoffe für Stahlstranggießanlagen mit einer verschleißfesten Beschichtung auf den den Formhohlraum begrenzenden, formgebenden Flächen beschrieben. Die verschleißfeste Beschichtung besteht aus zumindest einer amorphen Kohlenstoffschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Herstellung einer Kokille aus Kupferwerkstoffen für Stahlstranggießanlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Stranggießen hochschmelzender Metalle, wie beispielsweise Eisen und Stahl, finden bekanntlich Strangguß-Durchlaufkokillen Anwendung, die aus Kupferwerkstoffen wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien hergestellt sind. Je nach dem Verwendungszweck sind einteilige oder auch mehrteilige Kokillen zu unterscheiden, die, handelt es sich um einteilige, aus nahtlos gepreßten oder gegossenen Rohren oder auch aus verschweißten Blechen oder Bändern hergestellt sind, oder auch, wenn mehrteilige Kokillen verlangt werden, aus miteinander in einem Rahmen verspannten, den Formhohlraum bildenden Formstücken bestehen.

Allen diesen Kokillenbauarten ist gemeinsam, daß infolge des hohen Wärmedurchgangs im Badspiegelbereich der gegossene Knüppel oder die Bramme an der der Kokillenwand zugekehrten Außenzone schnell erstarrt, so daß sich eine dünne Schale bildet, die sich von der Kokillenwand abhebt und von der nachfließenden Schmelze wieder angedrückt wird. Die dadurch bedingten ungleichen Abkühlungsverhältnisse über den Strangumfang und die Stranglänge verursachen mechanische Spannungen in der Strangschale, die bis zu Warmrissen und Durchbrüchen führen können.

Strangguß-Kokilleneinsätze aus Kupferwerkstoffen unterliegen im Formhohlraum durch die Reibung der erstarrten Strangschale und durch die zwischen Strang und Kokillenformraum einfließenden Schlacketeilchen aber auch einem erheblichen Verschleiß. Die hierdurch bewirkte Formänderung der Kokilleninnenmaße verkürzt die mögliche Einsatzdauer der Kokillen entscheidend. Nachteilig ist ferner, daß bestimmte Stahlsorten Kupfer aufnehmen, was zu einer Korngrenzendiffusion und somit zur gefürchteten Rotbrüchigkeit des Stahles führt.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man deshalb bereits vorgeschlagen, verschleißfeste Überzüge auf den mit der Schmelze in Berührung stehenden inneren Oberflächen der Kokilleneinsätze aufzubringen oder auch im Badspiegelbereich Einsätze aus einem Material mit gegenüber dem Material des Kokillenkörpers geringeren Wärmeleitfähigkeit vorzusehen (DE-OS 19 57 332). Die Überzüge sollen die Abriebfestigkeit der Kokille und somit deren Standzeit erhöhen, die Einsätze bieten eine Reguliermöglichkeit des Wärmedurchgangs in Abhängigkeit von der Kokillenhöhe.

Beispielsweise hat man auf die mit der Schmelze in Berührung stehenden Oberfläche der Kokille elektrolytisch eine Chrom- oder Nickelschicht aufgebracht. Trotz seiner hohen Härte hat Chrom z. B. jedoch den Nachteil, daß nur relativ dünne Schichten, etwa bis zu 250 µm, aufgetragen werden können, da sonst diese Schicht aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kokillenwerkstoff und Auftragsmaterial und geringen Haftung abplatzt. Die dünnen, elektrolytisch aufgetragenen Schichten von üblicherweise 60 bis 150 µm haben ferner den Nachteil, daß diese wegen der geringen Festigkeit der tragenden Grundschicht aus Kupferwerkstoff bei mechanischer Beanspruchung durch harte Gegenstände leicht durchbrochen werden kann.

Nickel oder z. B. mit Kobalt oder Eisen legierte Nickellegierungen verhalten sich hier günstiger als Chrom, es lassen sich auch auf ebenen oder leicht geformten Platten Schichten bis zu einigen Millimetern auftragen. Die Härte solcher Schichten ist jedoch im Vergleich zu Chrom gering, zudem ist die erreichbare Schichtdicke bei rechteckigen oder quadratischen Kokillen, z. B. bei den Kokillenrohren zur Herstellung von Knüppeln, durch die ungünstige Streufähigkeit des Elektrolyten auf ca. 150 bis 200 µm beschränkt, da sich andernfalls die Innenkontur und die Maßgenauigkeit der Kokille unzulässig ändern würde.

Neben den Verfahren zur elektrolytischen oder chemischen Beschichtung, etwa Nickel mit Dispersionen von Phosphor, Bor oder Einlagerung von Hartstoffen, z. B. Siliziumkarbid, ist ferner die Anwendung thermischer Spritzverfahren wie Drahtflammspritzen, Pulverflammspritzen, Plasmaspritzen oder Detonationsplasmaspritzen vorgeschlagen worden. Als Beschichtungswerkstoffe sind dabei Molybdän, Aluminiumbronzen, Manganbronzen und Hartmetalle auf Nickel- Chrom-Bor-Silizium-Eisen-Kohlenstoff-Basis eingesetzt worden.

Die Haftung dieser durch Spritzverfahren aufgebrachten Schichten hat sich jedoch als unzureichend erwiesen, außerdem sind solche Spritzschichten mehr oder minder porös, sie weisen Mikrorisse auf und sind heterogen und anisotrop. Eine mögliche Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen dem Kokillenwerkstoff und der aufgetragenen Schicht durch eine Vorwärmung des Kokilleneinsatzes zu erreichen, scheidet aus, da hierbei eine Erweichung der kalt verformten Kokille und bei offenen Arbeiten, d. h. ohne Schutzgasabdeckung, zudem eine unzulässige Qxidation der formgebenden Kokillenwände eintreten würde.

Aus der DE-A-34 15 050 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kokille aus Kupferwerkstoffen für Stahlstranggießanlagen bekannt, bei welchem auf den den Formhohlraum begrenzenden, formgebenden Fläche eine verschleißfeste Schicht durch Einwirken eines Laserstrahls erzeugt wird. Hierbei wird auf die Kokillenwandung ein pulverförmiges Material aus einer Mischung aus Wolframkarbid, Nickel, Chrom, Bor, Silizium und Eisen aufgebracht und mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen. Durch die Energie des Laserstrahls wird auch die Oberfläche der Kokille angeschmolzen, so daß die aus dem Pulvermaterial erschmolzene Verschleißschicht fest mit dem Kokillenmaterial verbunden wird. Mit diesem Verfahren lassen sich verschleißfeste Schichten mit einer Vickershärte von höchstens 1070 erzeugen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß eine glatte Oberfläche nur schwerlich zu erzeugen ist. Eine Nacharbeitung ist wegen der Härte der Schicht kaum möglich. Darüber hinaus hat sich die geringe Wärmeleitfähigkeit der Schichten als nachteilig erwiesen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, Schichten aus verschleißfesten Materialien von guter Qualität und hoher Härte dauerhaft auf die formgebenden Flächen von Kokillen bzw. Kokilleneinsätzen aufzubringen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 erfaßten Merkmale gelöst.

Neben den sich aus der Aufgabenstellung selbst ergebenden Vorteil hat die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Schicht eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, so daß die Kühlwirkung der Kokille gegenüber den bekannten Kokillen mit verschleißfesten Beschichtungen wesentlich besser ist. Infolge der extrem hohen Härte der erfindungsgemäßen Schicht ist das Gleitverhalten des gegossenen Stranges in der Kokille erheblich verbessert. Die Haftfestigkeit der verschleißfesten Schicht auf der Kokillenoberfläche ist sehr hoch. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Aufnahme von Kupfer in den Stahl vermieden ist.

In Durchführung der Erfindung werden wasserstofffreie Kohlenstoffschichten durch eine PVD-Methode (Physical Vapour Deposition) auf der Oberfläche der Kokille hergestellt, bei dem im Vakuum die Kohlenstoffatome von einem festen Graphittarget durch lokale Energiezufuhr freigesetzt werden. Damit die gewünschten amorphen Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichem Kohlenstoffnetzwerk abgeschieden werden, ist es erforderlich, daß die Kohlenstoffteilchen eine hohe Energie besitzen, die zum Eindringen in die obersten Atomlagen der Kokille ausreichen. Dazu wird ein Vakuumbogen durch einen kurzen, intensiven Laserpuls an derjenigen Stelle einer Graphitkathode gezündet, an welcher der fokussierte Laserstrahl auftrifft. Bevor die am Zündort gebildeten Kathodenflecken ihre unkontrollierten Bewegungen aufnehmen können, wird der Vakuumbogen nach ca. 100 ms abgeschaltet und an einer anderen Stelle durch einen nächsten Laserpuls erneut gezündet. Auf diese Weise wird ein gesteuerter und gleichmäßiger Kohlenstoffabtrag und gleichzeitig eine starke Reduzierung der Emission von Mikropartikeln erreicht. Infolge der den Beschichtungsteilchen erteilten hohen Energie von in etwa 60 eV wird eine hohe Oberflächenqualität durch weitgehende Vermeidung von Mikropartikeln erreicht. Es können auf diese Weise Kohlenstoffschichten mit einen Anteil von über 80% Diamantbindungen erzeugt werden.

Der E-Modul der erzeugten Schicht liegt zwischen 300 und 800 GPa. Die Härte, die maßgeblich für den Abrasivverschleiß ist, beträgt zwischen 30 und 80 GPa. Die Schichtdicken für den Einsatz bei Kokillen sollte zwischen 0,5 und 2 µm liegen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kokille aus Kupferwerkstoffen für Stahlstranggießanlagen mit einer verschleißfesten Beschichtung auf den den Formhohlraum begrenzenden, formgebenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Beschichtung aus zumindest einer amorphen Kohlenstoffschicht besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Beschichtung aus einem dichten Kohlenstoffnetzwerk mit überwiegenden Diamantbindungen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumbogen durch einen kurzen, intensiven Laserpuls an einer Stelle eines Kohlenstofftargets gezündet wird, an der der fokussierte Laserstrahl auftrifft, daß nach einer kurzen Zeit der Vakuumbogen abgeschaltet wird und an einer anderen Stelle durch einen nächsten Laserpuls erneut gezündet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschalten des Vakuumbogens nach weniger als 200 Mikrosekunden erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß den Kohlenstoffteilchen eine hohe Energie von mehr als 50 eV erteilt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschleißfeste Beschichtung aus Vielfachkohlenstoffschichten aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung mit einer Wanddicke von 0,5-2 µm erzeugt wird.

8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden für die Beschichtung von Strangguß-Kokilleneinsätzen.