DE2856472A1

DE2856472A1 - Kokille mit aufgerauhter oberflaeche zum giessen von metallen

Info

Publication number: DE2856472A1
Application number: DE19782856472
Authority: DE
Inventors: Martin Bollinger; Kurt Dr Rer Nat Buxmann; Ivan Gyoengyoes
Original assignee: Alusuisse Holdings AG; Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: LAUENER ENGINEERING AG THUN CH
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1980-05-14
Also published as: FR2440236B1; NO793517L; IT7926655A0; SE7909073L; GB2034217A; FR2440236A1; JPS5564950A; AU527675B2; IS2517A7; CA1143922A; IN151740B; JPS641227B2; IS1102B6; GB2034217B; NL7907798A; IT1125524B; AU5212179A; CH633206A5; DE2856472C2; ZA795516B

Description

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, 3965 Chippis Kokille mit aufgerauhter Oberfläche zum Giessen von Metallen

3.November 1978
FPA-Wie/Ri -13 07-

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Kokille mit aufgerauhter Oberfläche zum Giessen von Metallen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille mit aufgerauhter Oberfläche zum Giessen von Metallen, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen, bei welcher der Wärmeübergang beim ersten Kontakt mit der Schmelze derart gesteuert wird, dass die Schmelze nur die Rauhigkeitsspitzen der Kokillenoberfläche berührt, während sich zwischen der Schmelze und den Rauhigkeitstälern ein Luftspalt bildet.

Beim Stranggiessen mit mitlaufenden Kokillen wird die Schmelze zur Erstarrung in unmittelbaren Kontakt mit der Kokille gebracht. Aus Qualitätsgründen ist es dabei erforderlich, den Wärmeübergang beim ersten Kontakt zwischen Schmelze und Kokille genau zu kontrollieren. Bei zu starkem Wärmeentzug, wie er bei glatt gefrästen Kokillen auftritt, wird häufig Kaltlaufbildung beim Gussprodukt beobachtet, was zu Ausschuss führt. Ein starker anfänglicher Wärmedurchgang durch die Kokille bedeutet ausserdem eine erhebliche thermische Wechselbeanspruchung, welche zur Bildung von Brandrissen an der Kokillenoberfläche führt.

Zur Kontrolle des Wärmeüberganges zwischen Schmelze und Kokillen werden nach dem Stand der Technik die folgenden zwei Wege beschriften:

1. Die Kokillenoberfläche wird mit einer wärmeisolierenden Schutzschicht überzogen.

2. Die Kokillenoberfläche wird mechanisch aufgerauht.

Bei den wärmeisolierenden Schutzschichten handelt es sich häufig um Schlichten, welche vor Giessbeginn auf die Kokillen aufgesprüht werden. Es sind aber auch keramische Schichten bekannt, welche durch Plasmaspritzen aufgetragen werden.

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S -B-

Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Verwendung von Schlichten mit verschiedenen Nachteilen verbunden ist: Die Schlichteschicht muss nach jedem Abguss neu aufgetragen werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Kokillenoberflächen gleichmässig mit Schlichte belegt sind, was natürlich stark vom Geschick des Arbeiters abhängig ist. Ein unterschiedlicher Auftrag von Schlichte führt zu Bereichen des Gussstranges bzw. Gussbandes mit unterschiedlich schroffer Anfangserstarrung. Dies hat bei den meisten Werkstoffen Gussfehler zur Folge, die insbesondere in Form von Oberflächenporosität und Oberflächenrissen auftreten. Weiterhin muss stets mit Schlichteabrieb gerechnet werden, was zu einer für viele Produkte (z.B.Folien) untragbaren Kontamination der Gussoberfläche führt.

Schliesslich hat die Erfahrung gezeigt, dass das Giessen von vielen Aluminiumlegierungen mit mitlaufenden Kokillen nur gelingt, wenn die Anfangserstarrung so schroff erfolgt, dass die Oberflächenzellgrosse des Gussbandes bei 10 bis 20 /um liegt. Die üblichen Schlichteschichten führen aber zu milderer Erstarrung, was ein Auftreten von Oberflächenfehlern - insbesondere Oberflächenporosität - zur Folge hat.

Permanente kermische Schutzschichten haben den Nachteil, dass sie - angesichts der hohen Beschichtungskosten - eine nur beschränkte Lebensdauer aufweisen. Auch bei diesem Beschichtungsverfahren ist es schwierig, eine für das Giessen von Legierungen genügend schroffe Anfangserstarrung einzustellen.

Bei einer mechanisch aufgerauhten Kokille wird der Wärmeübergang durch die Schaffung einer geeigneten Oberflächenrauhigkeit kontrolliert. Tritt die Schmelze in Kontakt mit einer beispielsweise durch Bestrahlung mit Stahlkugelschrot aufgerauhten Kokillenoberfläche, so berührt sie, wenn der metallostatische Druck nicht zu hoch ist, lediglich die Rauhigkeits-

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spitzen, während zwischen der Schmelze und den Rauhigkeitstälern ein Luftpolster vorliegt.

Durch geeignete Dimensionierung der relativen Kontaktfläche

F.

i = 1
κ =

^Fo

wo F. die Kontaktfläche einer Rauhigkeitsspitze, F die gesamte Kokillenoberfläche, und η die Anzahl der Rauhigkeitsspitzen ist,

sowie der Rauhtiefe und des mittleren Abstandes benachbarter Rauhigkeitsspitzen gelingt es, den Wärmedurchgang durch die Kokille zu steuern.

Nach dem Stand der Technik gibt es zwei mechanische Verfahren, um Giessflächen von mitlaufenden Kokillen entsprechend aufzurauhen:

a) Es werden mit Hilfe spanabhebender Verfahren (Fräsen, Hobeln) Riefen in die Oberfläche hineingearbeitet. Dieses Verfahren ist mit verschiedenen Nachteilen verbunden. Infolge der hohen Anforderungen an die Gleichmässigkeit des Wärmedurchgangs durch die Kokillenoberfläche ist die Anforderung an die Gleichmässigkeit der Riefung extrem hoch. Moderne Bearbeitungswerkzeuge werden diesen Anforderungen aber nur für Riefungen mit Riefenabständen bis zu etwa 1 mm gerecht. Bei feineren Riefungen wird die Konstanthaltung der Riefentiefe sowie der Kontaktfläche problematisch. Darüberhinaus steigen die Bearbeitungskosten mit zunehmender Feinheit der Riefung beträchtlich an, zumal die zu bearbeitende Fläche bei Strang-

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giessanlagen mit mitlaufenden Kokillen recht gross ist (eine Anlage mit mitlaufenden, raupenkettenartigen Kokillenbändern hat beispielsweise bei einer Giessbreite von 2 m und einer Giesslänge von 3 m

2 eine Kokillenoberfläche von insgesamt etwa 30 m )·

Grobe Riefungen - d.h. Riefenabstände >0,5 mm führen jedoch gerade beim Giessen von breiten Bändern zu Rissen, weil durch ein zu tiefes Eindringen des Metalls in die Riefentäler die Haftreibung zwischen dem erstarrten Guss und der Kokille so gross ist, dass eine Erstarrungsschrumpfung behindert wird.

b) Es werden durch Bestrahlen der Kokillenoberflächen mit harten Partikeln - insbesondere Stahlkugeln Vertiefungen in die Oberfläche hineingedrückt. Dieses Verfahren führt zu einer gleichmässigen Hemmung des Wärmeflusses, welche bei geeignetem metallostatischem Druck das Giessen auch von höherlegierten Metallen (z.B. AlMg 4,5) mit mitlaufenden Kokillen gestattet, insbesondere, wenn die Kokille aus Kupfer besteht. Die praktische Erfahrung hat jedoch einen anderen Nachteil dieses Verfahrens offenkundig gemacht, welcher im folgenden erläutert werden soll:

Bei längerem Giessbetrieb lässt es sich nicht vermeiden, dass sich in den durch das Strahlen entstandenen Vertiefungen Verunreinigungen ansammeln, welche beim Erhitzen Gase abspalten. Hierzu zählen organische Substanzen, Hydroxide und verschiedene Salze, die Kristallwasser enthalten. Trifft nun beim Giessen das Metall auf eine derart verunreinigte Fläche auf, so spaltet sich dieses Gas ab. Vor allem bei höheren Giessgeschwindigkeiten wird dieses Gas zwischen Schmelze und Kokille blockiert, da wegen der Besonderheit der Aufrauhung - Nebeneinander von

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a /-

Kratern, die durch Grate voneinander getrennt sinddie Strömung des Gases parallel zur Kokillenoberfläche stark behindert ist, sobalb die Schmelze die Oberfläche berührt. Gasblasen zwischen der Kokille und der erstarrenden Schmelze führen aber zu Fehlern des Gussbandes, welche im allgemeinen Ausschuss bedeuten. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine Entfernung der Verunreinigungen durch verschiedene Reinigungsverfahren nicht mit der für den Produktionsbetrieb erforderlichen Sicherheit Abhilfe schafft.

Der Erfinder hat sich nur die Aufgabe gestellt, eine Kokille mit aufgerauhter Oberfläche zum Giessen von Metallen zu schaffen, welche Oberfläche die notwendige gleichmässige und genau dosierte Bremsung des Wärmeflusses zwischen Schmelze und Kokille bewirkt und gleichzeitig Fehler der Gussoberfläche, welche durch Gaseinschlüsse zwischen Schmelze und Kokille hervorgerufen werden, vermeidet.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Rauhigkeitstäler derart untereinander verbunden sind, dass bei der Berührung der Schmelze mit der Kokille freiwerdende Gase in den Rauhigkeitstälern ungehindert parallel zur Kokillenoberfläche entweichen können und dadurch ein Abheben der Schmelze von der Giessfläche durch ein zu starkes Ansteigen des Gasdruckes verhindert wird.

Nach einer vorteilhaften Ausbildungsform des Erfindungsgegenstandes weist die Kokillenoberfläche ein aus einer regelmässigen Anordnung von pyramiden- oder kegelstumpfartigen Erhebungen bestehendes Rauhigkeitsmuster auf.

Fliesst eine Metallschmelze auf diese Kokillenoberfläche, so berührt sie diese lediglich im Bereich der parallel zur gesamten Kokillenoberfläche liegenden Flächen f der Erhebungen.

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Demzufolge kann der Wärmeübergang bei der Anfangserstarrung durch Festlegung der Beziehung

oL = ^f/d²

eingestellt werden. Der Abstand d benachbarter Erhebungen wird hiebei definiert als der Abstand zwischen den Zentren der entsprechenden Flächen f.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes gilt für die Vierte von

0,05<e<< 0,5, vorzugsweise Ο,Κ^^ 0,25,

wobei der Abstand d 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise 0,2 bis o,5 mm, beträgt. Es hat sich des weiteren als vorteilhaft herausgestellt, die Höhe h der Erhebungen, d.h. der senkrecht zur Fläche f gemessene Abstand zwischen der Fläche f und der durch die tiefsten Punkte der Rauhigkeitstäler gedachten Ebene, in den Grenzen

0,1 d<h<d , vorzugsweise 0,15 d<h<0,4 d, zu halten.

Umfangreiche Betriebsversuche mit verschiedenen Aluminiumlegierungen auf einer Stranggiessanlage mit einem mitlaufenden, raupenkettenartigen Kokillenband haben ergeben, dass mit auf diese Weise aufgerauhten Kokillenoberflächen die Entstehung von besagten Gaseinschlüssen vermieden und damit eine perfekte Gussbandqualität erzielt werden kann.

Die Verbesserung der Gussbandqualität bei Verwendung der erfindungsgemässen Kokillen kann damit erklärt werden, dass das Gas, welches sich beim ersten Kontakt zwischen Schmelze und Kokillenoberfläche bildet, in den zusammenhängenden Kanälen zwischen den Erhebungen frei hindurchfliessen und somit entweichen kann.

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ΛΟ

Zur Herstellung des Rauhigkeitsmusters sind besonders Verfahren geeignet, die - ausgehend von einer glatten Kokillenoberflächekeine mechanische Verformungen auf der Kokillenoberfläche hervorrufen. Bevorzugt wird das Rauhigkeitsmuster in die Kokillenoberfläche eingeätzt.

Zur Erzeugung eines genau definierten Rauhigkeitsmusters hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, das Einätzen mit Hilfe von photochemischen Aetζverfahren, wie sie üblicherweise für die Herstellung von Textildruckwalzen oder für gedruckte Schaltungen der Elektronik verwendet werden, durchzuführen.

Vergleichende Versuche mit verschiedenen Aluminiumlegierungen auf einer Stranggiessanlage mit einem mitlaufenden, raupenkettenartigen Kokillenband haben gezeigt, dass insbesondere bei der Verwendung von Koiillen aus Kupfer das photochemische Aetzverfahren zur Erzeugung des definierten Rauhigkeitsmusters den mechanischen Verfahren vorzuziehen ist: Mechanisch aufgerauhte Kupferoberflächen weisen stets eine gewisse Oberflächenverformung auf. Diese sind erfahrungsgemäss anfälliger auf Korrosion, Wasserstoff - und Sauerstoffversprödung. Weiterhin werden bei den mechanisch aufgerauhten Oberflächen Kriechvorgänge beobachtet, welche die Geometrie der mitlaufenden Kokillen negativ beeinflussen können. Alle diese nachteiligen Erscheinungen werden bei den photochemisch und daher absolut verformungsfrei aufgerauhten Oberflächen nicht beobachtet.

Weiterhin haben Versuche gezeigt, dass photochemisch aufgerauhte Kokillenoberflächen - aus ähnlichen Gründen wie beim Giessen mit mitlaufenden Kokillen - auch beim Formgiessen und beim Stranggiessen mit Gleitkokillen zu einer wesentlichen Verbesserung der Gussoberfläche führen, was eine Verringerung der Nachbearbeitungskosten bedeutet.

Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand von schematischen Zeichnungen weiter veranschaulicht. Es zeigt

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Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer beispielsweise durch Bestrahlung mit Stahlkugelschrot aufgerauhten Kokillenoberfläche

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus der Oberfläche einer erfindungsgemässen Kokille.

In Fig. 1 ist die Schmelze (2) in Kontakt mit einer beispielsweise durch Bestrahlung mit Stahlkugelschrot aufgerauhten Kokillenoberflache (1) und berührt dabei lediglich den Bereich um die Rauhigkeitsspitzen (3), während zwischen der Schmelze (2) und den Rauhigkeitstälern (4) ein Luftpolster (5) liegt.

Durch geeigente Dimensionierung der relativen Kontaktfläche - d.h. hier das Verhältnis der Summe der Flächen F₁ bis F. zur entsprechenden Gesamtoberfläche F - sowie der Rauhtiefe t und des mittleren Abstandes a benachbarter Rauhigkeitsspitzen kann der Wärmeübergang zwischen Schmelze und Kokille gesteuert werden.

Der Ausschnitt aus der Oberfläche einer erfindungsgemässen Kokille weist ein regelmässiges Muster von pyramidenstumpfartigen Erhebungen (6) auf. Diese Erhebungen sind charakterisiert durch eine Höhe h sowie eine parallel zur gesamten Kokillenoberfläche liegende Fläche f. Benachbarte Erhebungen liegen in einem Abstand d zueinander.

Aus Fig. 2 wird ohne weiteres klar, dass ein derartiges, regelmässiges Rauhigkeitsmuster eine exakte und reproduzierbare Steuerung des Wärmeüberganges zwischen Schmelze und Kokille gestattet, wobei gleichzeitig das zusammenhängende Kanalsystem zwischen den einzelnen Erhebungen den ungehinderten Austritt sich bildender Gase gewährleistet.

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Claims

Patentansprüche

1. Kokille mit aufgerauhter Oberfläche zum Giessen von Metallen, insbesondere Aluminium und Alumxniumlegierungen, bei welcher der Wärmeübergang beim ersten Kontakt mit der Schmelze derart gesteuert wird, dass die Schmelze nur die Rauhigkextsspxtzen der Kokillenoberfläche berührt, während sich zwischen der Schmelze und den Rauhigkeitstälern ein Luftspalt bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeitstäler derart untereinander verbunden sind, dass bei der Berührung der Schmelze mit der Kokille freiwerdende Gase in den Rauhigkeitstälern ungehindert parallel zur Kokillenoberfläche entweichen können und dadurch ein Abheben der Schmelze von der Giessfläche durch ein zu starkes Ansteigen des Gasdruckes verhindert wird.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillenoberfläche ein aus einer regelmässigen Anordnung von pyramiden- oder kegelstumpfartigen Erhebungen bestehendes Rauhigkeitsmuster aufweist.

3. Kokille nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte pyramiden- oder kegelstumpfartige Erhebungen einen Abstand d von 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm, eine Höhe h von 0,1 d<h<d, vorzugsweise 0,15 <h< 0,4 d, aufweisen und die Pyramiden- oder Kegelstumpfflächen f der Bedingung 0,05<f/d < 0,5, vorzugs-

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weise 0,l<f/d < 0,25, genügen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Rauhigkeitsmusters auf der Oberfläche einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauhigkeitsmuster, von einer glatten Kokillenoberfläche ausgehend, ohne mechanische Verformung hergestellt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauhigkeitsmuster durch Aetzen, vorzugsweise photochemisches Aetzen, hergestellt wird.

6. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis

3 zum Strang- bzw. Bandgiessen mit mitlaufenden Kokillen.

7. Verwendung einer Kokille nach einer der Ansprüche 1 bis 3 zum Strang- bzw. Bandgiessen mit mitlaufenden, raupenkettenartigen Kokillenbändern.

8. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Formgiessen.

9. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Stranggiessen mit Gleitkokillen.

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