DE3109438A1 - "METHOD FOR THE PRODUCTION OF TUBULAR, STRAIGHT OR CURVED CONTINUOUS CASTING CHILLS WITH PARALLELS OR CONICAL INTERIOR CONTOURS FROM CURABLE copper ALLOYS" - Google Patents
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Description
Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte AktiengesellschaftCable and metal works Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft
2-246 10.03.812-246 03/10/81
Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen, geraden oder gekrümmten Stranggießkokxllen mit parallelen oder konischen Innenkonturen aus aushärtbaren Kupferlegierungen Process for the production of tubular, straight or curved continuous casting molds with parallel or conical inner contours from hardenable copper alloys
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen, geraden oder gekrümmten Stranggießkokxllen aus Kupferlegierungen, bei dem die den Formhohlraum bildenden Kokillenwände durch Sprengstoff auf die geometrischen Abmessungen einer Matrize gebracht werden.The invention relates to a method for producing tubular, straight or curved continuous casting molds made of copper alloys, in which the mold walls forming the mold cavity are hit by explosives on the geometric Dimensions of a die are brought.
Aus der DE-AS 25 33 528 ist ein Verfahren zum Verformen der Wände von Stranggießkokxllen bekannt, bei dem auf die den Formhohlraum bildenden Kokillenwände eine diese Wände verformende Kraft durch Sprengstoff aufgebracht und durch diese die Wände auf die geometrischen Abmessungen einer Matrize verformt werden. Der Vorteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß die nach diesem Verfahren verformten Kokillen aus Kupfer oder Kupferlegierungen eine besonders gute Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit im Formhohlraum aufweisen. Darüber hinaus wird durch die Verformungskräfte eine Aufhärtung der Oberfläche erreicht. Dabei kann ein Ausgangswerkstoff mit der Härte Rockwell B auf eine Härte zwischen 50 und 75 Rockwell B aufgehärtet werden.From DE-AS 25 33 528 a method for deforming the walls of Stranggießkokxllen is known in which on the the mold walls forming the mold cavity, a force which deforms these walls is applied by means of explosives and through these the walls are deformed to the geometric dimensions of a die. The advantage of the known method is that the molds deformed by this process made of copper or copper alloys a particularly good surface quality and dimensional accuracy have in the mold cavity. In addition, the deformation forces cause the surface to harden. A starting material with a Rockwell B hardness of between 50 and 75 Rockwell B can be used hardened.
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die Standzeit bei hochbeanspruchten Kokillen stark eingeschränkt ist. Höhere Festigkeitswerte lassen sich bei dem bekannten Verfahren evtl. durch Verwendung höherlegierter Kupfersorten erreichen. Diese haben jedoch den Nachteil einer unzureichenden Wärmeleitfähigkeit sowie die Neigung zur Bildung von Rissen im Badspiegelbereich.the service life of highly stressed molds is severely limited. Higher strength values can be achieved with the known processes possibly through the use of higher alloyed Achieve copper grades. However, these have the disadvantage of insufficient thermal conductivity and the tendency for the formation of cracks in the bathroom mirror area.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Kokillen beliebiger Formate, zum Beispiel auch sehr dickwandige Rohrkokillen großer Abmessungen für Vorblockanlagen hergestellt werden können, die neben einer sehr hohen Festigkeit über die gesamte Wanddicke eine hohe Erweichungstemperatur und Warmfestigkeit aufweisen, wobei es durch Auswahl geeigneter Legierungskomponenten möglich ist, sehr hohe oder zum Beispiel bei Kokillen für magnetische Rührung auch definierte geringere Wärme-bzw. elektrische Leitfähigkeitswerte einzustellen. The present invention is based on the object of specifying a method with which molds of any format, For example, very thick-walled tubular molds with large dimensions can also be produced for bloom systems, which in addition to a very high strength over the entire wall thickness, a high softening temperature and high temperature resistance have, whereby it is possible by selecting suitable alloy components, very high or for example in the case of molds for magnetic stirring, also defined lower heat or. set electrical conductivity values.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß als Ausgangsmaterial ein Rohr aus einer aushärtbaren Kupferlegierung verwendet wird, daß dieses Rohr zunächst in dem für die Legierung typischen Temperaturbereich lösungsgeglüht bzw. die Rohrformung bei der Lösungsglühtemperatur vorgenommen wird, daß das lösungsgeglühte Rohr bei 400 - 600 C über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten ausgehärtet wird, und daß abschließendIn a method, this task is the one mentioned at the beginning Art solved in that a tube made of a hardenable copper alloy is used as the starting material, that this tube is initially solution annealed in the temperature range typical for the alloy or the tube is formed the solution annealing temperature is made that the solution annealed Tube is cured at 400 - 600 C for a period of at least 15 minutes, and that finally
die Explosionsumformung vorgenommen wird. Bei gekrümmten Rohrkokillen wird zusätzlich zwischen Lösungsglühung und Aushärtung eine Biegeoperation eingeschaltet.the explosion forming is carried out. In the case of curved tubular molds, there is an additional difference between solution heat treatment and Curing turned on a bending operation.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Kokillen weisen bereits Festigkeitswerte auf, die wesentlich höher liegen, als die nach dem bekannten Verfahren hergestellten Kokillen. Der Grund liegt darin, daß als Kokillenmaterial aushärtbare Kupferlegierungen verwendet werden. Die Festigkeitszunahme wird bei diesen Werkstoffen durch Glühen bei 400 - 600 C durch Ausscheidungseffekte (Aushärtung) erreicht. Die verbesserten Eigenschaften der Kokille führen zu einer höheren Standzeit, die aus einer höheren Formbeständigkeit gegenüber thermischen Spannungen, insbesondere bei höheren Temperaturen und aus einer höheren Verschleißfestigkeit, die zu einem geringeren Abrieb führt, resultiert.The molds produced by this process show already have strength values that are significantly higher than the molds produced by the known process. The reason is that hardenable copper alloys are used as the mold material. The increase in strength is achieved with these materials by annealing at 400 - 600 C through precipitation effects (hardening). The improved Properties of the mold lead to a longer service life, which is compared to a higher dimensional stability thermal stresses, especially at higher temperatures and from a higher wear resistance, which leads to less abrasion, results.
Eine weitere Festigkeitssteigerung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch möglich, daß nach dem Lösungsglühen das weiche Rohr mit üblichen Verfahren mechanisch kaltverformt wird. Dieses wird zweckmäßigerweise dadurch erzielt, daß in die Rohrkokille ein Dorn - bei gekrümmten Rohrkokillen ein entsprechend gekrümmter Dorn - eingeführt und die Kokille gemeinsam mit dem Dorn durch eine Matrize gedrückt wird. Der Kaltverformungsgrad kann dabei je nach gewünschter Endfestigkeit zwischen 2 und 30 % eingestellt werden. Wegen der sich nach der anschließenden Aushärtung ergebenden, zum Teil sehr hohen Festigkeitswerte ist es ferner zweckmäßig, die geometrische Endabmessung der Rohrkokille bereits bei der Kalibrierung nach dem Lösungsglühen anzustreben. Dadurch ist es möglich, den bei der Aushärtung auftretenden Verzug in einem Explosionsschritt zu beseitigen und ein optimales Endprodukt zu erzeugen. A further increase in strength is possible in the method according to the invention in that, after the solution heat treatment, the soft tube is mechanically cold-worked using conventional methods. This is expediently achieved by inserting a mandrel into the tubular mold - a correspondingly curved mandrel in the case of curved tubular molds - and pressing the mold together with the mandrel through a die. The degree of cold deformation can be set between 2 and 30 % depending on the desired final strength. Because of the in part very high strength values that result after the subsequent hardening, it is also expedient to aim for the final geometric dimensions of the tubular mold during the calibration after the solution heat treatment. This makes it possible to eliminate the distortion that occurs during curing in an explosion step and to produce an optimal end product.
Die Wahl der zu verwendenden aushärtbaren Kupferlegierungen hängt von den spezifischen Anforderungen an den Kokillentyp ab. Für die gängigsten Anwendungen wird mit besonderemThe choice of age-hardenable copper alloys to be used depends on the specific requirements of the mold type. For the most common applications, special
Vorteil eine Kupferlegierung mit 0,3 - 1,2 % Chrom und 0,05 - 0,2 % Zirkon verwendet. Mit diesem Werkstoff wird die für Kokillen erforderliche hohe thermische Leitfähigkeit gewährleistet. Im Vergleich zu den bisher standardmäßig eingesetzten Werkstoffen wie SF-Kupfer, Kupfer-Silber-Phosphor-Legierungen besitzen Kokillen aus dem aushärtbaren Kupfer-Chrom-Zirkon-Werkstoff, die nach dem erfindunsgemäßen Verfahren hergestellt sind, eine wesentlich höhere Warm- und Verschleißfestigkeit. Sie sind im Einsatz praktisch verzugsfrei und haben sehr hohe Standzeiten. Advantage of a copper alloy with 0.3 - 1.2% chromium and 0.05-0.2% zirconium used. With this material ensures the high thermal conductivity required for molds. Compared to the previous standard materials used such as SF copper, copper-silver-phosphorus alloys have molds made of the hardenable copper-chromium-zirconium material, which according to the Process according to the invention are produced, a significantly higher heat resistance and wear resistance. You are in Use practically distortion-free and have a very long service life.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kokille aus Kupfer-Chrom-Zirkon ist anhand eines Beispiels näher erläutert.The method according to the invention for producing a mold from copper-chromium-zirconium is based on an example explained in more detail.
Aus einer Kupferlegierung mit 0,7 % Chrom und 0,18 % Zirkon, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen wurde zunächst ein Bolzen gegossen und dieser bei 1.030 C zu einem Rohr stranggepreßt. Das stranggepreßte Rohr wurde in Wasser abgeschreckt. Von diesem Rohr wurden Rohrstücke abgetrennt, auf einer Biegemaschine vorgebogen und in den Hohlraum des Rohrstücks eine Matrize mit kreisrundem Querschnitt eingeführt. An der Außenseite des Rohrstücks wurde eine Sprengladung gleichmäßig verteilt und diese gezündet. Anschließend wurde die Matrize aus dem Rohrstück entfernt und das Rohrstück bei 475°C 4 1/2 Stunden lang geglüht. In das aus dem Glühofen entnommene Rohrstück, welches leicht verzogen war, wurde nach dem Erkalten eine Matrize eingesetzt, deren Querschnitt dem Querschnitt des zu gießenden Stranges exakt entspricht. Dabei wurde darauf geachtet, daß die leicht gekrümmte Matrize so in das gekrümmte Rohrstück eingeführt wurde, daß die Krümmungsrichtung des Rohrstücks und die Krümmungsrichtung der Matrize in die gleiche Richtung weisen. Wie oben beschrieben, wurde die Explosionsum— formung nochmals durchgeführt und die Rohrkokille dadurch auf das gewünschte Maß kaltverformt.A bolt was first cast from a copper alloy with 0.7 % chromium and 0.18 % zirconium, the remainder being copper and the usual impurities, and this was then extruded into a tube at 1,030 ° C. The extruded tube was quenched in water. Pipe sections were cut off from this pipe, pre-bent on a bending machine and a die with a circular cross-section was inserted into the cavity of the pipe section. An explosive charge was evenly distributed on the outside of the pipe section and detonated. The die was then removed from the pipe section and the pipe section was annealed at 475 ° C. for 4 1/2 hours. After it had cooled down, a die was inserted into the pipe section removed from the annealing furnace, which was slightly warped. Care was taken to ensure that the slightly curved die was inserted into the curved pipe section in such a way that the direction of curvature of the pipe section and the direction of curvature of the die point in the same direction. As described above, the explosion forming was carried out again and the tubular mold was thereby cold-formed to the desired extent.
An dieser fertiggestellten Kokille wurden folgende Eigenschaften gemessen:The following properties were found on this completed mold measured:
Thermische Leitfähigkeit 87 % Thermal conductivity 87 %
Erweichungstemperatur 525°CSoftening temperature 525 ° C
(10 % Abfall der Festigkeit bei R.T. nach 1 Stunde Glühdauer)(10% drop in strength at R.T. after 1 hour of annealing)
Härte HB 2,5/62,5 145Hardness HB 2.5 / 62.5 145
2 Zugfestigkeit 442 N/mm2 tensile strength 442 N / mm
Bruchdehnung 26 % Elongation at break 26 %
Warmfestigkeit bei 2000C 380 N/mm2 Warmfestigkeit bei 350°C 318 N/mmHot strength at 200 0 C 380 N / mm 2 temperature strength at 350 ° C 318 N / mm
Die nach dem obengenannten Verfahren hergestellte Stranggußkokille war auch nach einer Gießreise von 450 Chargen im Badspiegelbereich noch ausreichend maßhaltig und zeigte nur am Kokillenfuß geringe Verschleißerscheinungen.The continuous casting mold produced by the above-mentioned process was still sufficiently dimensionally stable and showed even after a casting trip of 450 batches in the bathroom mirror area only slight signs of wear at the base of the mold.
Die Fertigung einer geraden konischen Vierkantkokille aus dem gleichen Werkstoff Kupfer-Chrom-Zirkon mit noch höheren Festigkeitseigenschaften sei an einem weiteren Beispiel gemäß der Lehre der Erfindung erläutert.The production of a straight, conical square mold from the same material copper-chrome-zircon with even higher Strength properties are shown in a further example the teaching of the invention explained.
Zunächst wurde bei 950 C ein rundes Rohr stranggepreßt und dieses auf das gewünschte VJerkantformat durch Ziehen umgeformt. Das Vierkantrohr wurde 45 Minuten bei 990 C lösungsgeglüht. Nach dem Abkühlen wurden abgelängte Rohrstücke mittels eines Dornes und einer Matrize bei gleichzeitiger Wanddickenreduktion um 15. % auf das Endmaß kalibriert und bei 450 C sechs Stunden ausgehärtet. Im Anschluß daran wurde die Endkalibrierung wie oben beschrieben durch Explosionsumformung vorgenommen.First, a round tube was extruded at 950 C and then formed into the desired square-edged format by drawing. The square tube was solution heat treated at 990 ° C. for 45 minutes. After cooling, pipe sections cut to length were calibrated to the final dimension using a mandrel and a die with a simultaneous reduction in wall thickness of 15 % and cured at 450 ° C. for six hours. Subsequently, the final calibration was carried out as described above by means of explosion forming.
An dieser fertiggestellten Kokille wurden folgende Eigenschäften gemessen:The following properties were obtained on this completed mold measured:
Bei einer derartig zwischenverformten Kokille wird die Verschleißfestigkeit am Kokillenfuß weiter erheblich verbessert.With such an intermediate deformed mold, the wear resistance becomes at the base of the mold further improved considerably.
Für Kokillen, bei denen eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit, zum Beispiel wegen einer schlechten Kühlwasserqualität erforderlich ist, lassen sich vorteilhaft Kokillen aus einer Kupfer-Legierung mit 0,05 - 0,3 % Zirkon nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen. Durch eine geeignete mechanische Zwischenkaltverformung sind Zug-For molds which require particularly high thermal conductivity, for example because of poor cooling water quality, molds made of a copper alloy with 0.05-0.3 % zirconium can advantageously be produced using the method according to the invention. By means of a suitable mechanical intermediate cold deformation, tensile
2
festigkeitswerte um 350 N/mm bei einer Wärmeleitfähigkeit von über 93 % erreichbar. Die Erweichungstemperatur dieses
Werkstoffes liegt oberhalb 550 C.2
strength values of around 350 N / mm can be achieved with a thermal conductivity of over 93%. The softening temperature of this material is above 550 C.
Für Sonderfälle, bei denen ein magnetisches Rührverfahren im Bereich des Kokilleneinsatzes vorgesehen ist, wird ein Kokillenwerkstoff mit möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit gewünscht, um die Feldschwächung gering zu halten. Da bei einem solchen Werkstoff die Wärmeleitfähigkeit im gleichen Maße wie die elektrische Leitfähigkeit verringert wird, treten sehr hohe Wandtemperaturen auf. Um die Verzugsfreiheit zu gewährleisten, muß der Kokillenwerkstoff eine entsprechend höhere Warmfestigkeit aufweisen. Diesen Anforderungen genügen zum Beispiel die aushärtbaren Werkstoffe Kupfer-Nickel-Phosphor mit 0,6 - 1,5 % Nickel, 0,1 0,3 % Phosphor sowie Kupfer-Kobalt-Beryllium bzw. Kupfer-Nickel-Beryllium mit 1 - 2,5 % Kobalt oder 1 - 2,5 % Nickel oder 0,5 - 1,5 % Nickel + 0,5 - 1,5 % Kobalt und jeweils 0,3 - 0,6 % Beryllium und ferner Rupfer-Nickel-Silizium mit 0,2 - 1,1 % Silizium und 1,2 - 3,5 % Nickel.For special cases in which a magnetic stirring process is provided in the area of the mold insert, a mold material with the lowest possible electrical conductivity is desired in order to keep the field weakening low. Since the thermal conductivity of such a material is reduced to the same extent as the electrical conductivity, very high wall temperatures occur. In order to ensure freedom from distortion, the mold material must have a correspondingly higher heat resistance. These requirements are met, for example, by the hardenable materials copper-nickel-phosphorus with 0.6 - 1.5 % nickel, 0.1 0.3 % phosphorus and copper-cobalt-beryllium or copper-nickel-beryllium with 1 - 2, 5 % cobalt or 1 - 2.5 % nickel or 0.5 - 1.5 % nickel + 0.5 - 1.5 % cobalt and 0.3 - 0.6 % beryllium and also Rupfer-nickel-silicon 0.2-1.1 % silicon and 1.2-3.5 % nickel.
Ί VΊ i.^r^. ^ 310943'SΊ V Ί i. ^ R ^. ^ 310943'S
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde zum Beispiel eine gebogene Rechteck-Rohrkokille mit dem Innenformat 200 χ 220 mm und einer Wandstärke von 14 mm aus einer Kupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung mit 2,2 % Kobalt und 0,54 % Beryllium wie folgt hergestellt.According to the method according to the invention, for example, a curved rectangular tubular mold with the internal format 200 × 220 mm and a wall thickness of 14 mm from a copper-cobalt-beryllium alloy with 2.2% cobalt and 0.54 % beryllium was produced as follows.
Zunächst wurde ein Vierkantrohr durch Strangpressen hergestellt und anschließend bei 935 C 45 Minuten lösungsgeglüht. Auf einer Biegemaschine wurde die gewünschte Krümmung erzeugt. Anschließend wurde ein Rohrstück durch Explosionsumformung wie oben beschrieben über einen Dorn kalibriert.First a square tube was produced by extrusion and then solution annealed at 935 ° C. for 45 minutes. The desired curvature was produced on a bending machine. A piece of pipe was then made by explosive forming calibrated using a mandrel as described above.
Darauf wurde die Kokille bei 480°C fünf Stunden ausgehärtet. Abschließend wurde der Verzug durch das Aushärten durch Explosionsumformung über einen Dorn beseitigt und die Kokille dabei nachkalibriert.The mold was then cured at 480 ° C. for five hours. Finally, the warpage was caused by curing Explosion deformation eliminated with a mandrel and the mold recalibrated.
An dieser Rohrkokille wurden folgende Eigenschaften gemessen:The following properties were measured on this tubular mold:
Thermische Leitfähigkeit 54 % Erweichungstemperatur
Härte HB 2,5/62,5
Zugfestigkeit
BruchdehnungThermal conductivity 54 % softening temperature
Hardness HB 2.5 / 62.5
tensile strenght
Elongation at break
Warmfestigkeit bei 2000C Warmfestigkeit bei 350 CHigh temperature strength at 200 ° C. High temperature strength at 350 ° C.
Als Einsatz in eine sogenannte Rührkokille wurde wegen der geringeren Feldschwächung eine erheblich bessere Rührwirkung als bei den bisher bekannten Kokillen erzielt. Die Maßstabilität war auch nach mehr als 100 Gießreisen noch vorzüglich. When used in a so-called agitating mold, a considerably better agitating effect was achieved because of the lower field weakening than achieved with the previously known molds. The dimensional stability was still excellent even after more than 100 casting trips.
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