DE10227034A1

DE10227034A1 - Kupfer-Gießform

Info

Publication number: DE10227034A1
Application number: DE10227034A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Hemschemeier; Ralf Rethmann; Juergen Merker; Dirk Rode; Gerhard Hugenschuett; Hark Schulze; Frank Maiwald; Hans-Guenter Wobker
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: KME Special Products GmbH and Co KG
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2003-12-24
Also published as: TW200400092A; AU2003204752A1; CN1493415A; MXPA03005439A; BR0302145A; RU2003117753A; JP2004017162A; EP1375032A1; TWI270422B; US7096922B2; US20030230394A1; KR20040002598A

Abstract

Eine Kupfer-Gießform (1) für das Stranggießen von Stahlschmelzen ist bei Anwesenheit von Zink und/oder Schwefel in dem thermisch am höchsten beanspruchten Kontaktbereich (2) mit der Stahlschmelze mit einer wenigstens einlagigen Diffusionssperrschicht (3) aus mindestens einem metallischen/metalloiden Werkstoff versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Gießform für das Stranggießen von Stahlschmelzen bei Anwesenheit von Zink und/oder Schwefel.
Beim Einsatz von Kupfer-Gießformen für das Stranggießen von Stahlschmelzen kommt es bei Anwesenheit von Zink und/oder Schwefel in den thermisch am höchsten beanspruchten Kontaktbereichen mit den Stahlschmelzen zu vorzeitigen Schädigungen.
Zink als Bestandteil z. B. von geschmolzenem Automobilschrott (Zink als Korrosionsschutz) reagiert dabei mit der heißen Kupferoberfläche und bildet in einem Diffusionsprozeß spröde a/β/γ-Messingphasen. Diese platzen ab und führen in Folge zu einer Rißbildung.
Schwefel, der beispielsweise durch Gießhilfsmittel vorhanden ist, reagiert mit Kupfer zu großvolumigen und spröden Kupfersulfiden. Diese können ebenfalls abplatzen. Die insofern durch lokale Korrosion entstehende Kerbwirkung ist somit ein idealer Startpunkt für Rißbildungen.
Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Gießform für das Stranggießen von Stahlschmelzen bei Anwesenheit von Zink und/oder Schwefel bereit zu stellen, welche eine deutlich längere Standzeit aufweist, ohne daß der Wärmefluß und damit die Kühlleistung der Kupfer-Gießform relevant beeinflußt werden.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Danach ist die Kupfer-Gießform in dem thermisch am höchsten beanspruchten Kontaktbereich mit der Stahlschmelze mit einer Diffusionssperrschicht versehen.
Eine solche wenigstens einlagige Diffusionssperrschicht kann gemäß Patentanspruch 2 z. B. aus Metallen bzw. Metalloiden bestehen, deren Löslichkeit mit Zink und/oder Schwefel im Bereich der Einsatztemperaturen vernachlässigbar ist. Zu diesen Materialien gehören insbesondere Ruthenium (Ru), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Silizium (Si), Bor (B), Wolfram (W), Chrom (Cr) und Niob (Nb). Falls nur Zink anwesend ist, können auch noch Molybdän (Mo), Titan (Ti), Rhodium (Rh) und Tellur (Te) zum Einsatz gelangen.
Die Diffusionssperrschicht kann mit Hilfe eines CVD-(Chemical Vapour Deposition) oder PVD-(Physical Vapour Deposition) Prozesses direkt auf eine Kupferoberfläche einer Kupfer-Gießform aufgebracht werden.
Des Weiteren ist es denkbar, daß die Diffusionssperrschicht auf Chrom oder auf andere galvanische Schichten aufgebracht werden kann.
Ferner kann eine Diffusionssperrschicht als Zwischenschicht vor dem Aufbringen einer Verschleißschicht, z. B. aus Chrom und/oder Nickel, ausgeführt werden. Die Wahl des Schichttyps wird von zwei Faktoren bestimmt. Einerseits muß das vorrangige Ziel einer Diffusionssperre erfüllt sein. Andererseits ist die zwingende Voraussetzung einer guten Haftung als Zwischen- oder Deckschicht zu erfüllen.
Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung einer Diffusionssperrschicht ist Chromoxid als Decklage. Deren Löslichkeit mit Zink und/oder mit Schwefel ist im Bereich der Einsatztemperaturen einer Kupfer-Gießform vernachlässigbar. Das Chromoxid kann durch eine thermisch/chemische Behandlung einer Chrombeschichtung, z. B. in einer oxidierenden Atmosphäre, erzeugt werden. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß nicht nur die Oberfläche an sich durch ein Oxid gegen die Diffusion von Zink und/oder Schwefel in das Chrom geschützt wird, sondern daß auch die typischerweise immer vorhandenen Mikro- und Makrorisse der Chrombeschichtung durch das Oxid geschlossen werden.
Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, daß als Diffusionssperrschicht eine Chromschicht wenigstens eines Chromtyps abgeschieden wird. Hierzu können sogenannte rißfreie-, mikrorissige und standardisierte Hartchromschichten kombiniert werden. Die Kombination wird so durchgeführt, daß keine Risse von der Schichtoberfläche bis zum Grundwerkstoff durchgängig sind oder im Einsatz durchgängig werden. Besonders geeignet kann z. B. ein Schichtaufbau sein, der aus einer Zwischenschicht aus rißfreiem oder mikrorissigem Chrom besteht und darauf eine Decklage aus Standardhartchrom aufgebracht ist.
Die Erfindung läßt es ferner zu, daß als Diffusionssperrschicht eine Schicht aus Carbiden, Nitriden, Boriden oder auch Oxiden und deren Mischtypen, z. B. auf Titan/Aluminium (Ti-/Al) und Chrom (Cr)-Basis ausgebildet wird. In diesem Zusammenhang eignen sich Carbide, Nitride und Boride bevorzugt als Zwischenlagen. Oxide sind eher als Decklagen einsetzbar. Ein günstiges Verhalten sieht die Erfindung insbesondere bei der Verwendung von Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Chromcarbid (CrC), Chromnitrid (CrN), Titancarbid (TiC), Titannitrid (TiN), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN) und Titanborid (TiB₂) an.
Auch durch Aufbringen einer Aluminiumverbindung, beispielsweise Aluminiumnitrat, auf die Oberfläche einer Kupfer-Gießform, z. B. eine verchromte Oberfläche, kann eine Diffusionssperrschicht gebildet werden. Durch das Aufbringen wird die Oberflächenschicht der Gießform komplett von der Salzlösung benetzt und infiltriert. Durch Glühen bei einer moderaten Temperatur kommt es zur Zersetzung zu γ- Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf der gesamten Oberfläche sowie in den Mikrorissen und offenen Poren. Auch hierbei wird folglich die Diffusion von Zink und Schwefel und somit die Messingbildung bzw. Schwefelkorrosion verhindert. Das Aufbringen der Aluminiumnitrat-Lösung kann durch Tauchen, Sprühen oder Auftragen mittels Pinsel oder Rolle erfolgen. Die Schutzwirkung der Infiltration kann durch mehrfaches Tauchen bzw. Auftragen verstärkt werden.
Denkbar ist auch eine Kombination von Kupfer als Kokillenwerkstoff mit Nickel als Verschleißschutz zuzüglich einer der vorerwähnten Diffusionssperren.
Entsprechend den Merkmalen des Patenanspruchs 3 kann auch durch Aufbringen von geeigneten Lacken, Harzen oder Kunststoffen auf die Oberfläche einer Kupfer- Gießform, z. B. eine verchromte Oberfläche, eine Diffusionssperrschicht geschaffen werden. Geeignete Materialien sind insbesondere Lacke, Harze oder Kunststoffe auf Basis von Silikon oder Epoxid. Durch das Aufbringen wird die Oberflächenschicht der Gießform komplett benetzt und infiltriert. Durch Auslagerung bei Raumtemperatur oder höherer Temperatur härtet bzw. oxidiert der Auftrag an der gesamten Oberfläche sowie in den Mikrorissen und Poren der darunter liegenden Beschichtung. Auch hierbei wird die Diffusion von Zink und Schwefel und somit die Messingbildung bzw. Schwefelkorrosion verhindert.
Nach Patentanspruch 4 ist es darüber hinaus vorstellbar, daß die Diffusionssperrschicht aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist.
Besteht die Kupfer-Gießform aus einer Rohr- oder Plattenkokille, so wird die Diffusionssperrschicht gemäß Patentanspruch 5 bevorzugt in der oberen Hälfte und hier zweckmäßig im oberen Viertel bzw. Drittel der Kokillenlänge aufgebracht.
Speziell ist nach Patentanspruch 6 die Diffusionssperrschicht bei einer Rohr- oder Plattenkokille im Höhenbereich des Badspiegels vorgesehen. Dabei wird die Diffusionssperrschicht in einer Höhe aufgebracht, die ausreicht, um die bei Oszillation des Badspiegels thermisch insgesamt hoch beanspruchte Kontaktfläche einwandfrei zu bedecken. Typischerweise liegt dieser Bereich etwa ± 50 mm über bzw. unter dem Badspiegelniveau oder etwa in einem Bereich bis zu etwa 250 mm von der Oberkante der Rohr- oder Plattenkokille entfernt. Vorteilhaft ist der Bereich zwischen 50 mm und 250 mm, bevorzugt 150 mm bis 200 mm von der Oberkante entfernt.
Eine mitlaufende Kokille (Gießrolle, Gießwalze) wird gemäß Patentanspruch 7 mit einer Diffusionssperrschicht versehen, die sich auf dem gesamten mit der Stahlschmelze in Kontakt befindlichen Umfang befindet.
Interne Versuche haben gezeigt, daß nach Patentanspruch 8 die Diffusionssperrschicht eine Dicke von 0,002 mm bis 0,3 mm aufweisen sollte.
Eine bevorzugte Dicke der Diffusionssperrschicht wird nach Patentanspruch 9 mit 0,005 mm bis 0,1 mm erblickt.
Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 10 kann als Diffusionssperrschicht auch eine Multilayerschicht ausgebildet werden. Bei einer Multilayerschicht werden mehrere Schichten und Schichtwerkstoffe miteinander kombiniert.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Schema eine Kokillenplatte mit Ansicht auf die Gießplatte;
Fig. 2 im Schema ein Kokillenrohr in der Perspektive;
Fig. 3 im Längsschnitt eine auf einen Grundwerkstoff einer Gießform aufgebrachte einlagige Diffusionssperrschicht;
Fig. 4 im Längsschnitt eine auf einen Grundwerkstoff einer Gießform aufgebrachte Multilayerschicht;
Fig. 5 im Längsschnitt eine auf einen Grundwerkstoff einer Gießform aufgebrachte einlagige Diffusionssperrschicht mit einer Zwischenschicht und
Fig. 6 im Längsschnitt eine auf eine Schutzschicht des Grundwerkstoffs einer Gießform aufgebrachte Sperrschicht.
In der Fig. 1 ist mit 1 eine Kokillenplatte aus Kupfer bezeichnet. Der schraffierte Bereich 2 veranschaulicht den thermisch am höchsten beanspruchten Kontaktbereich mit einer Stahlschmelze. Er ist mit einer Diffusionssperrschicht 3 versehen. Der Badspiegel 4 ist in strichpunktierter Linienführung angedeutet. Der Badspiegel 4 kann vertikal oszillieren, so daß zur Abdeckung des Bereichs 2 die Diffusionssperrschicht 3 etwa 50 mm über bzw. unter dem Badspiegel 4 erstreckt. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann der Badspiegel 4 auch etwa 150 mm bis 200 mm von der Oberkante 5 der Plattenkokille 1 entfernt liegen. Die Diffusionssperrschicht 3 besteht aus einem metallischen Werkstoff.
In der Fig. 2 ist im Schema eine Rohrkokille 6 angedeutet. Auch hier ist eine Diffusionssperrschicht 7 aus einem metallischen/metalloiden Werkstoff veranschaulicht, die in einem Bereich 8 liegt, der etwa 150 mm bis 200 mm von der Oberseite 9 der Rohrkokille 6 entfernt ist. Der Höhenbereich zum Badspiegel 10 beträgt etwa 50 mm.
Die Fig. 3 zeigt im Längsschnitt den Grundwerkstoff Kupfer 11 einer Gießform 12, wie eine Platten- oder Rohrkokille 1, 6 oder einer nicht näher veranschaulichten mitlaufenden Kokille, wie eine Gießwalze oder Gießrolle. Auf diesen Grundwerkstoff 11 ist eine einlagige Diffusionssperrschicht 13 aus beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufgebracht.
In Fig. 4 ist mit 11 wiederum der Grundwerkstoff Kupfer einer Gießform 12 bezeichnet. Auf den Grundwerkstoff 11 ist eine Multilayerschicht 14 aufgebracht, die sich beim Ausführungsbeispiel aus einer mit dem Grundwerkstoff 11 in Kontakt gebrachten Lage 15 Chromnitrid (CrN), einer Lage 16 Aluminiumoxid (Al₂O₃) und einer Lage 17 als Decklage aus Titannitrid (TiN) zusammensetzt.
In der Fig. 5 ist mit 11 ebenfalls der Grundwerkstoff Kupfer einer Gießform 12 bezeichnet. Auf den Grundwerkstoff 11 ist eine einlagige Diffusionssperrschicht 18 aus beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN) aufgebracht. Außerdem ist eine einlagige Verschleißschicht 19, beispielsweise aus Chrom und/oder Nickel, im Übergangsbereich von dem Grundwerkstoff 11 Kupfer auf die Diffusionssperrschicht 18 vorgesehen.
Letztlich zeigt die Fig. 6 wiederum den Grundwerkstoff 11 Kupfer einer Gießform 12. Hierauf ist eine Schutzschicht 20 aus Chrom aufgebracht, die wiederum mit einer in der Dicke in die Oberfläche der Schutzschicht 20 auslaufenden Diffusionssperrschicht 21, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), versehen ist. Bezugszeichenaufstellung 1 Kokillenplatte
2 Bereich v. 1
3 Diffusionssperrschicht
4 Badspiegel
5 Oberkante v. 1
6 Rohrkokille
7 Diffusionssperrschicht
8 Bereich v. 6
9 Oberseite v. 6
10 Badspiegel
11 Grundwerkstoff v. 12
12 Gießform
13 Diffusionssperrschicht
14 Multilayerschicht
15 Lage v. 14
16 Lage v. 14
17 Lage v. 14
18 Diffusionssperrschicht
19 Verschleißschicht
20 Schutzschicht
21 Diffusionssperrschicht

Claims

1. Kupfer-Gießform für das Stranggießen von Stahlschmelzen bei Anwesenheit von Zink und/oder Schwefel, welche in dem thermisch am höchsten beanspruchten Kontaktbereich (2, 8) mit der Stahlschmelze mit einer Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) versehen ist.

2. Kupfer-Gießform nach Patentanspruch 1, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) aus mindestens einem metallischen/metalloiden Werkstoff gebildet ist.

3. Kupfer-Gießform nach Patentanspruch 1, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) aus Lacken, Harzen oder Kunststoffen gebildet ist.

4. Kupfer-Gießform nach Patentanspruch 1, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist.

5. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) in der oberen Hälfte einer Rohr- oder Plattenkokille (6, 1) vorgesehen ist.

6. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) im Höhenbereich des Badspiegels (4, 10) einer Rohr- oder Plattenkokille (6, 1) vorgesehen ist.

7. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) auf dem gesamten mit der Stahlschmelze in Kontakt befindlichen Umfang einer mitlaufenden Kokille vorgesehen ist.

8. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) eine Dicke von 0,002 mm bis 0,3 mm aufweist.

9. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, bei welcher die Diffusionssperrschicht (3, 7, 13, 14, 18, 21) eine Dicke von 0,005 mm bis 0,1 mm aufweist.

10. Kupfer-Gießform nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, bei welcher die Diffusionssperrschicht (14) als Multilayerschicht ausgebildet ist.