DE10062490A1 - Kokillenwand, insbesondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl - Google Patents
Kokillenwand, insbesondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für StahlInfo
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Abstract
Die Erfindung besteht aus einer Kokillenwand für Plattenkokillen, Rohrkokillen oder dergleichen, insbesondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl, umfassend entweder mit Kühlmittelkanälen versehene, oder mit einem Wasserkasten in wärmeleitendem Kontakt befindliche Platten aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, mit einer in unmittelbarem Kontakt mit Stahlschmelze befindlichen Fläche und einer auf dieser aufgebrachten Schutzschicht. Die Verschleißresistenz und mechanische Bearbeitbarkeit wird verbessert, indem die Schutzschicht aus einer galvanisch hergestellten binären oder tertiären Metall-Legierungsdispersion besteht, bspw. auf der Basis von Nickel mit Einlagerungen von Dispersanten.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kokillenwand für Plattenkokillen, Rohrkokillen oder der
gleichen, insbesondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl, umfas
send entweder mit Kühlmittelkanälen versehene, oder mit einem Wasserkasten in
wärmeleitendem Kontakt befindliche Platten aus Kupfer bzw. aus einer Kupferle
gierung mit einer im unmittelbaren Kontakt mit Stahlschmelze befindlichen Fläche
und einer auf dieser aufgebrachten Schutzschicht.
Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Kupferkokillen, wie CSP-
Kokillenplatten, Brammenkokillenplatten, Rohrkokillen und Beam-Blank-Kokillen,
werden diese galvanisch mit Chrom und/oder Nickel, neuerdings auch mit Nickel-
Kobalt-Legierungen beschichtet. Diese Beschichtungen erhöhen aufgrund ihrer
großen Härte und Zunderbeständigkeit die Verschleißfestigkeit der Kokillen erheb
lich, und führen somit zu einer deutlichen Standzeiterhöhung.
Je nach Anwendungsfall werden die Schichten in unterschiedlicher Stärke auf die
Kupferkokillen aufgebracht. Der Nachteil einiger dieser Beschichtungen liegt darin,
dass sie aufgrund ihrer großen Härte nur schwer in der mechanischen Fertigung
zu bearbeiten sind und somit vergleichsweise hohe Fertigungskosten verursa
chen.
Infolgedessen wird vielfach ein Kompromiß zwischen Verschleißfestigkeit und
wirtschaftlicher Fertigbearbeitung der Schichten zu erreichen gesucht.
Weiterhin fällt die Härte von Nickel bei steigenden Temperaturen um ca. 50%, von
Nickel-Kobalt und von Hartnickel um ca. 30% ab.
In der Industrie, z. B. im Rennmotorenbau oder Werkzeugbau, werden seit einiger
Zeit Nickel-Siliziumkarbid-Dispersionsschichten eingesetzt. Hierbei handelt es sich
um hochverschleißfeste Beschichtungen, die zugleich eine hohe thermische Be
ständigkeit besitzen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Mikrostruktur von Metallen oder
Metalllegierungen durch Einlagerung von Dispersanten verändert. In der Mehr
zahl der Fälle bewirkt diese Veränderung eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit
und Warmfestigkeit. Es ist bekannt, dass außer Silizium-Karbid-Teilchen die Ein
lagerung von Ultradiamanten zu einer Verbesserung der Werkstoffeigenschaften,
d. h. der Verschleißresistenz führt. Der Korngrößenbereich der einzulagernden
Dispersanten reicht von etwa 10 bis zu 1000 Nanometern bei der Mehrzahl der
praktischen Anwendungen. Aus Untersuchungen geht weiter hervor, dass die
Werkstoffeigenschaften von Dispersionen durch die Größe der Dispersanten be
einflußbar ist. Aus diesem Grunde werden, je nach Beanspruchungsfall, unter
schiedliche Dispersantengrößen eingesetzt.
Eine noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 18 504.5
berichtet über eine Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung für
Kokillen. Die Erfindung besteht in der Verwendung einer aushärtbaren Kupferle
gierung für Kokillen mit einem Gehalt an Beryllium von 0,1 bis 0,5% und einem
Gehalt an Nickel von 0,5 bis 2%, insbesondere zur Herstellung von Breitseiten
platten für Dünnbrammen-Stranggießkokillen.
Das Dokument DE 26 34 633 A1 offenbart bei einer Stranggießkokille zum Gießen
von Stahl, umfassend einen Metallkörper mit einer inneren Beschichtung aus ei
nem verschleißfesten Werkstoff, dass die verschleißfeste Schicht aus einer elek
trolytisch oder stromlos abgeschiedenen Metallschicht mit im Kristallgitter eingela
gerten, im Elektrolyten unlöslichen Feststoffpartikeln besteht. Dabei kann die ver
schleißfeste Schicht Nickel mit im Nickelgitter eingelagerten Metallkarbid-Partikeln
enthalten. Weiterhin kann das Metallkarbid Siliziumkarbid sein und die Feststoff
partikel können Diamantstaub sein. Die Feststoffpartikel können aber auch aus
Metalloxid bestehen. Die binären Nickel-Dispersionsbeschichtungen verfügen über
eine Härte von ca. 380 bis 450 HV 1 und über hohe Abschleifwiderstände bei
Raumtemperatur, sowie bei 350 bis 500°C.
Aus dem Dokument DE 198 01 728 C1 ist eine Stranggießkokille zum Gießen von
Strängen aus Stahl bekannt, bestehend aus Kokillenplatten und Wasserkasten,
die miteinander verbunden sind, zwischen welchen eine Wasserkühlung mit Hilfe
von Wasserführungskanälen aufgebaut ist, wobei die Wasserführungskanäle in
der der Kokillenplatte zugewandten Seite des Wasserkastens angeordnet sind, mit
dem Kennzeichen, dass die Kokillenbreitseite mit ihren Elementen wie Kupfer
platte und Wasserkasten mit oder ohne Wasserführungskanäle, jedoch mit einer
Wasserführungskanäle aufweisenden Verbindungsplatte, durch Spannbolzen mit
konischen Spannbolzenköpfen, die in entsprechenden, im wesentlichen konischen
Ausnehmungen der Kupferplatte gehalten sind, und mittels Spannelementen, zu
sammengehalten ist.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Kokillenwand der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art
hinsichtlich ihrer Verschleißresistenz bei hohen Temperaturen im Kontakt mit einer
Stahlschmelze, sowie ihrer wirtschaftlichen Bearbeitung, bspw. zur Glättung, der
art zu verbessern, dass die Verfügbarkeit der Kokillenwände gegenüber dem
Stand der Technik signifikant verbessert wird.
Zur Lösung ist mit der Erfindung bei einer Kokillenwand der eingangs genannten
Art vorgesehen, dass die Schutzschicht aus einer galvanisch hergestellten binären
oder ternären Metall-Legierungsdispersion besteht, bspw. auf der Basis von Nickel
mit Einlagerungen von Dispersanten. Die Bearbeitbarkeit und die Verschleißresi
stenz der sogenannten "hot face" einer Kokillenwand wird durch diese Maßnahme
deutlich verbessert.
Nach Maßgabe der Beanspruchung der Kokillenwände durch Stahlqualität, Tem
peratur und/oder Turbulenz der Schmelze in der Kokille werden dem Nickel galva
nisch bevorzugt die Werkstoffe Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer, Mangan und Chrom
zulegiert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Dispersanten
zur weitergehenden Verbesserung der mechanischen oder physikalischen Eigen
schaften der Schutzschicht verwendet werden:
- a) Karbide von Titan, Tantal, Wolfram, Zirkon, Bor, Chrom, Silizium,
- b) die Oxide von Aluminium, Chrom, Silizium, Beryllium und Zirkon.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass bspw. Nickel-
Kobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtungen bei höheren Temperaturen,
bspw. im Bereich zwischen 350 und 500°C, einen weitaus geringeren Härteabfall
aufweisen, als bspw. Reinst-Nickel, Nickel-Kobalt und Hart-Nickel. Die Ab
schleifrate von Nickel ist fast 16 mal höher als z. B. die Abschleifrate einer binären
Nickelkobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtung mit 380 bis 450 HV 1, ob
gleich die Dispersionsschichten nur etwa doppelt so hart sind, wie die Reinnickel
schichten mit 380 bis 450 HV 1 gegen 220 HV 1.
Gegenüber einer Nickel-Silizium-Dispersionsbeschichtung beträgt die Ab
schleifrate einer binären Nickel-Kobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtung nur
ca. 10%.
Die Gründe für diese Unterschiede liegen einerseits in den Siliziumkarbidteilchen,
und andererseits in der Mikrostruktur der Dispersionsschichten.
Trotz des hierbei erzielten hohen Abschleifwiderstandes lassen sich die binären
Legierungs-Dispersionsbeschichtungen wirtschaftlich bearbeiten, weil sie gegen
über z. B. einer Hart-Nickel-Legierung mit ca. 600 HV 1 bei Raumtemperatur, in
einem Härtebereich zwischen 380 und 450 HV 1 liegen, innerhalb dessen sie er
fahrungsgemäß noch wirtschaftlich zu bearbeiten sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die binären oder ternären Nickel-
Legierungs-Modifikationen eine Basis für eine insbesondere mehrschichtige Dis
persionsbeschichtung der Kokilleninnenplatten bilden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die
mechanischen sowie physikalischen Eigenschaften einer Dispersionsschicht wie
Verschleißresistenz und/oder Temperaturbeständigkeit und/oder Tribologie nach
Maßgabe der Einlagerung nanoskaliger Teilchen, insbesondere Siliziumkarbidteil
chen, in ihre Mikrostruktur einstellbar sind.
Damit hat es der Fachmann in der Hand, für die genannten Beanspruchungen der
Kokillenwand optimale Bedingungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens sowie
der wirtschaftlichen Bearbeitbarkeit zu wählen.
Vorzugsweise werden dabei die Dispersanten mit einer Teilchengröße von 1 µm -
5 µm bzw. nanoskalige Teilchen mit einer Größe von 10-1000 Nanometer ver
wendet. Größe und Einbaurate der Dispersanten richtet sich bspw. nach den tri
bologischen Anforderungen.
Und weiterhin sieht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kokillenwand nach
der Erfindung vor, dass als Dispersanten zur weitergehenden Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften der Schutzschicht nichtmetallische Hartstoffe wie
Bor-Nitride, Bor-Karbide, Silizium-Nitride sowie Ultradiamanten geeignet sind.
Und schließlich ist die Kokillenwand erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
dass die Dispersionsschichten mit einer Schichtstärke von 10-10.000 µm aufge
tragen werden, wobei diese sich nach den Beanspruchungen beim Gießen und
der erforderlichen Nachbearbeitung richten.
Die hiernach beigefügten Grafiken:
Grafik 1: Härte von Ni-Modifikationen bei Raumtemperatur bzw. nach thermi scher Behandlung sowie
Grafik 2: Abschleifrate vor und nach thermischer Behandlung
verdeutlichen die großen Vorteile der binären NiCo 30, Nickelkobalt- Siliziumkarbid-Dispersion, mit einer Härte von ca. 450 HV 1 gegenüber
* Ni (Reinst-Nickel)
* NiCo (Nickelkobalt-Legierung)
* Ni (Hart-Nickel)
* NiP 12 (elektrolytisch hergestellte Nickellegierung mit mehr als 12% Phos phor)
* Nickel Siliziumkarbid Dispersionsbeschichtungen NiSiC mit Einlagerung von 5% SiC
* NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 360 HV 1
* NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 440 HV 1
* NiSiC Dispersion aus einem modifizierten Elektrolyten mit Härte von 420 HV.
Grafik 1: Härte von Ni-Modifikationen bei Raumtemperatur bzw. nach thermi scher Behandlung sowie
Grafik 2: Abschleifrate vor und nach thermischer Behandlung
verdeutlichen die großen Vorteile der binären NiCo 30, Nickelkobalt- Siliziumkarbid-Dispersion, mit einer Härte von ca. 450 HV 1 gegenüber
* Ni (Reinst-Nickel)
* NiCo (Nickelkobalt-Legierung)
* Ni (Hart-Nickel)
* NiP 12 (elektrolytisch hergestellte Nickellegierung mit mehr als 12% Phos phor)
* Nickel Siliziumkarbid Dispersionsbeschichtungen NiSiC mit Einlagerung von 5% SiC
* NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 360 HV 1
* NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 440 HV 1
* NiSiC Dispersion aus einem modifizierten Elektrolyten mit Härte von 420 HV.
Claims (8)
1. Kokillenwand für Plattenkokillen, Rohrkokillen oder dergleichen, insbeson
dere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl, umfassend entwe
der mit Kühlmittelkanälen versehene, oder mit einem Wasserkasten in
wärmeleitendem Kontakt befindliche Platten aus Kupfer bzw. einer Kupfer
legierung, mit einer in unmittelbarem Kontakt mit Stahlschmelze befindli
chen Fläche und einer auf dieser aufgebrachten Schutzschicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschicht aus einer galvanisch hergestellten binären oder ter
nären Metall-Legierungsdispersion besteht, bspw. auf der Basis von Nickel
mit Einlagerungen von Dispersanten.
2. Kokillenwand nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Maßgabe der Beanspruchung der Kokillenwände durch Stahl
qualität, Temperatur und/oder Turbulenz der Schmelze in der Kokille dem
Nickel galvanisch die Werkstoffe Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer, Mangan und
Chrom zulegiert werden.
3. Kokillenwand nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Dispersanten zur weitergehenden Verbesserung der mechani
schen und/oder physikalischen Eigenschaften der Schutzschicht verwendet
werden:
- a) Karbide von Titan, Tantal, Wolfram, Zirkon, Bor, Chrom, Silizium,
- b) die Oxide von Aluminium, Chrom, Silizium, Beryllium und Zirkon.
4. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dispersanten mit einer Teilchengröße von 1 µm bis 5 µm bzw.
nanoskalige Teilchen mit einer Größe von 10-1000 Nanometer verwendet
werden.
5. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mechanischen sowie physikalischen Eigenschaften einer Disper
sionsschicht wie Verschleißresistenz und/oder Temperaturbeständigkeit
und/oder Tribologie nach Maßgabe der Einlagerung nanoskaliger Teilchen,
insbesondere Siliziumkarbidteilchen, in ihre Mikrostruktur einstellbar sind.
6. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die binären oder ternären Nickel-Legierungs-Modifikationen eine Basis
für eine insbesondere mehrschichtige Dispersionsbeschichtung der Kokil
lenplatten-Innenflächen bilden.
7. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dispersionsschichten mit einer Schichtstärke von 10 µm bis
10.000 µm aufgetragen werden.
8. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Dispersanten nichtmetallische Hartstoffe wie Bor-Nitrid mit unter
schiedlichen Modifikationen, Silizium-Nitride sowie Ultradiamanten verwen
det werden.
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