DE3120978A1 - "ausscheidungshaertbare legierung fuer straggiesskokillen" - Google Patents

"ausscheidungshaertbare legierung fuer straggiesskokillen"

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DE3120978A1
DE3120978A1 DE19813120978 DE3120978A DE3120978A1 DE 3120978 A1 DE3120978 A1 DE 3120978A1 DE 19813120978 DE19813120978 DE 19813120978 DE 3120978 A DE3120978 A DE 3120978A DE 3120978 A1 DE3120978 A1 DE 3120978A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine neue Kupferlegierung mit verschiedenen ausgezeichneten Eigenschaften, welche die Legierung als Werkstoff für Kokillen für das Stranggießen von Stahl und anderen Metallen oder Legierungen geeignet machen.
Bekanntlich sind Kokillen aus Zähkupfer, mit Phosphor desoxidiertem Kupfer oder anderen Reinkupferwerkstoffen weit verbreitet beim Stranggießen vcn Stahl und anderen Metallen oder Legierungen, seit die Technik des Stranggießens entwickelt worden ist. Der vorherrschende Grund für die Verwendung von Reinkupferwerkstoffen zur Herstellung von Kokillen ist darin zu sehen, daß dieser Werkstoff eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, die kein anderer Werkstoff besitzt.
Es ist jedoch nicht jeder für das Herstellen von Kokillen dieses Typs verwendete Werkstoff als perfekt zu betrachten, selbst wenn er ein hohes Wärmeleitvermögen besitzt. Ein solcher Werkstoff sollte zusätzlich eine Festigkeit aufweisen, die es dem Werkstoff ermöglicht, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen thermisch bedingte Deformationen zu erhalten, wenn beispielsweise flüssiger Stahl in eine Kokille eingegossen wird. Auch sollte die Härte ausreichend hoch sein, um die Verschleißfestigkeit der Kokille zu steigern.
Besitzt der Werkstoff eine nur geringe Wärmeleitfähigkeit, so ist die Temperaturdifferenz zwischen der Kokillenoberfläche und der wassergekühlten Innenfläche sehr groß mit der Wirkung, daß die Wärmebeanspruchung des Materials
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_ Zj. -
steigt, was zu Deformationen sowie, zur Rißbildung in der Kokille führen kann. Zähkupfer und phosphordesoxidiertes Kupfer, wie bis jetzt zur Herstellung von Kokillen benutzt, neigen zur Rekristallisation und erweichen bei etwa 30O0C. Eine hohe Härte ist eine sehr wichtige Eigenschaft für ein zur Herstellung von Stranggießkokillen benutztes Material. Vom Material wird eine beträchtlich hohe Härte gefordert, um Verformungen der Kokille als Folge von thermischen Werkstoff-beanspruchungen zu vermeiden und um Verschleiß und Verkratzungen der Kokille als Folge der gleitenden Vorwärtsbewegung der erstarrten Gießstranghülle während des Stranggießens zu vermindern oder auszuschalten. Eine unzureichende Härte des Werkstoffes führt zur Diffusion von Abriebpulver in den Stahl während des Durchschiebens des erstarrten Gußstranges, wodurch sogenannte Starrrisse hervorgerufen werden. Sind die Kratzer groß und tief, so besteht die Gefahr von Ausbrüchen.
Somit sollte ein Werkstoff für Stranggießkokillen außer einer hohen Wärmeleitfähigkeit auch imstande sein, das Auftreten von Verschleiß und Aufrauhungen auf den inneren Kokillenoberseiten zu vermeiden und die thermische Beanspruchung sowie die thermisch bedingte Deformation der Kokille auf einem Minimum zu halten. Wie bereits erwähnt sind Zähkupfer und phosphordesoxidiertes Kupfer über einen langen Zeitraum seit der Entwicklung des Stranggießens verwendet worden. Diese Werkstoffe haben jedoch in den jüngsten Jahren zu Deformations- und Rißbildungsproblemen in den Kokillen geführt, wenn sie bei Hochleistungs-Stranggießanlagen benutzt wurden, die in jüngerer Zeit auf dem Vormarsch sind. Bei einem derartigen
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_ 5 —
Hochgeschwindigkeits-Stranggießen werden die Kokillen schweren Beanspruchungen ausgesetzt, die die bisher benutzten Werkstoffe an die Grenzen ihrer Belastbarkeit beanspruchen. Somit besteht gegenwärtig in der Stranggießindustrie ein Bedürfnis nach einem Werkstoff mit hoher Härte sowohl bei Raum- als auch bei erhöhten Temperaturen, selbst wenn diese in einem gewissen Ausmaß auf Kosten des Wärmeableitungsvermögens geht. In diesem Zusammenhang sind als ausscheidungshärtbarer Werkstoff bekanntes Chrom-Kupfer sowie eine C-Legierung, die unter dem Namen Corson-Legierung bekannt ist, in den Bereich des Stranggießens eingetreten als Ersatzwerkstoffe für Zähkupfer und phosphordesoxidiertes Kupfer nach dem Stand der Technik.
Bie Ursache, weshalb diese Werkstoffe populär geworden sind, besteht darin, daß ein ausscheidungshärtbarer Werkstoff eine sehr hohe festigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist, obgleich seine Wärmeleitfähigkeit nur geringfügig schlechter ist als die eines nicht alternden Werkstoffes, so daß aus diesem Werkstoff hergestellte Kokillen sehr selten Deformationen entwickeln, was jedoch ein bestimmender Faktor hinsichtlich der Kokillen-Lebensdauer ist.
Chrom-Kupfer ist imstande, Deformationen, zu widerstehen, die durch thermische Beanspruchungen während des Stranggießvorganges auftreten. Dieser Werkstoff ist jedoch auch nicht unbeschränkt verfügbar und setzt der Entwicklung seiner Eigenschaften Grenzen. Die Corson-Legierung beinhaltet das Eisiko der Bißentwicklung, weil sie bei erhöhten Temperaturen eine niedrige Festigkeit trotz ihrer
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geringen Wärmeleitfähigkeit hat. Außerdem zeigt die Corson-Legierung eine geringe prozentuale Dehnung. Somit fehlt es den beiden Werkstoffen an Eigenschaften, welche sie geeignet machen könnten, um den vorstehenden erwähnten Bedingungen zu genügen, unter welchen die Stranggießkokille betätigt wird. Folglich besteht eine gesteigerte Nachfrage nach einem qualitativ hochwertigen Werkstoff für Stranggießkokillen.
Das Stranggießen wird zukünftig mit hohen Geschwindigkeiten, also mit hohen Durchsätzen, ausgeführt werden, so daß sich das je Produktionsanlage erzeugbare Volumen steigern läßt. Im Blick auf diese Zukunftsentwicklung ergibt sich das Problem der Deformationen hinsichtlich des Chrom-Kupfer-Werkstoffes. Nach einem Werkstoff indes mit gesteigerter Festigkeit bei erhöhten Temperaturen selbst bei etwas geringerer Wärmeleitfähigkeit, wird eine lebhafte Nachfrage bestehen.
Eine Be-Cu-Legierung, in welcher Beryllium dem Kupfer zugesetzt ist, ist als ausscheidungshärtbare Legierung bekannt, welche als Werkstoff mit hoher Festigkeit bei erhöhten Temperaturen verwendet werden kann. Dieser Werkstoff ist im Handel als hochfestes Material mit hohem Wärmeleitungsvermögen bekannt. Bei dieser Legierung wird durch gesteigerte Berylliumzusätze zum Kupfer die Festigkeit deutlich gesteigert, jedoch die Wärmeleitfähigkeit herabgesetzt. Demgegenüber führt eine Absenkung des Berylliumanteils auf weniger als 0,6% zum Ausbleiben der Ausscheidungshärtung. Deshalb wird bei einem Typ dieser Legierung Nickel einer Zusammensetzung zugefügt, die weniger als 0,5% Beryllium enthält, um die Löslichkeit des Berylliums im Kupfer herabzusetzen, so daß.der Ausscheidungshartungsvorgang in Erscheinung tritt, selbst wenn der Berylliumanteil weniger als 0,6% beträgt.
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Eine Cu-Ni-Be-Legierung besitzt eine hohe Festigkeit und eine hohe Wärmeleitung bei Raumtemperatur sowie eine große Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen. Eine solche Legierung zeigt jedoch einen Verlust an Festigkeit und Dehnung, insbesondere hinsichtlich der Dehnung, bei Verwendung unter Bedingungen, in welchen die Temperaturen bis in den Bereich zwischen 350 und 4000C steigen. Diese Temperaturen treten gedoch bei Stranggießanlagen auf. Dieses gilt auch für den Chrom-Kupfer-Werkstoff und diese Werkstoffe beinhalten stets das Risiko einer niedrigen Zähigkeit bei Verwendung unter Bedingungen hoher Temperaturen und hoher Beanspruchungen.
Die Cu-Be-Ni-Legierung neigt zu Schwankungen ihrer Eigenschaften wegen eines geringfügigen Unterschiedes bei der Wärmebehandlung zwecks Durchführung des Lösungsglühens. Eine Alterung kann eine große Eigenschaftsveränderung sowie eine Vergröberung der Kristallitkörner hervorrufen. Zum Vermeiden dieses Nachteils ist vorgeschlagen worden, die in Rede stehende Legierung durch Kobaltzusätze zu stabilisieren. Da jedoch Kobalt einen nachteiligen Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit der Legierung ausübt, ist ein Kobaltzusätze aufweisendes Material nicht geeignet als eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzender Werkstoff. Die vorliegende Erfindung ist für den Zweck gemacht worden, die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Folglich verfolgt die Erfindung den Zweck, eine neue ausscheidungshärtbare Legierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Festigkeit und hoher Dehnung bei erhöhten Temperaturen zu schaffen, die sich als Werkstoff zur Herstellung von Stranggießkokillen eignet.
Das hervorstechende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß entweder Niob oder Zirkonium zu einer Cu-Ni-Be-Legierung zugesetzt sind, um eine Basislegierung
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mit gesteigerter Festigkeit und Dehnung bei erhöhten Temperaturen zu schaffen, welche über die hohe Wärmeleitfähigkeit der Cu-M-Be-Legierung verfügt, wobei diese Basislegierung mit Zirkoniumzusätzen ferner entweder Hangan oder Titan in geringen Mengen enthalten kann, um eine Legierung zu schaffen, die sich als geeigneter Werkstoff zum Herstellen von Stranggießkokillen mit verbesserter hoher Festigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Wärmebeständigkeit und hoher Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen erweist. Die erfindungsgemäße Legierung umfaßt die vier im nachfolgenden beschriebenen Ausführungsformen, wobei jede Ausführungsform unter Bezug auf wenigstens ein Beispiel und anhand der Zeichnungen beschrieben wird.
Die Figuren 1 bis 4 sind graphische Schaubilder, welche die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung und einer Legierung nach dem Stand der Technik hinsichtlich der Härte bei erhöhten Temperaturen, Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, 0,2% Dehngrenze bei erhöhten Temperaturen und Weichglühen darstellen;
Die Figuren 5 bis 7 sind Schaubilder, welche die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung und einer Legierung nach dem Stand der Technik darstellen, in bezug auf Hochtemperatureigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung bei erhöhten Temperaturen;
Die Figuren 8 bis 10 sind graphische Schaubilder, welche die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung und einer
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Legierung nach dem Stand der Technik darstellen im Hinblick auf solche Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung bei erhöhten Temperaturen und
Figuren 11 bis 13 sind Schaubilder, welche die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zwischen der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung und einer Legierung nach dem Stand der Technik darstellen, im Hinblick auf solche Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung bei erhöhten Temperaturen.
AusführunKsform I
Der Kokillenwerkstoff gemäß dieser Ausführungsform ist eine Legierung mit hoher Festigkeit, hoher Leitfähigkeit und hoher Värmebeständigkeit und mif Eignung zur Verwendung als ausscheidungshärtbarer Werkstoff zur Ausformung von Stranggießkokillen für Stahl, wobei die Legierung besteht (in Gewichtsprozent) aus 0,2 bis 2,0% Nickel, 0,05 bis 0,5% Beryllium, 0,01 bis 1,0% Mob, Rest Kupfer.
Beispiel
Die nachfolgenden Tafel 1 und 2 zeigen die mechanischen Eigenschaften und die elektrischen Leitfähigkeiten bei Raumtemperatur sowie die chemische . Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu den entsprechenden Eigenschaftei von Zähkupfer, phosphordesoxidiertem Kupfer, Chrom-Kupfer und Corson-Legierung.
Die Figuren 1 bis A- zeigen diagrammartig die verschiedenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich
zu den Eigenschaften der vorstehend genannten Legierungen nach dem Stand der Technik, mit Ausnahme des Zähkupfers, "bei erhöhten Temperaturen.
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co σ ο
Tafel 1 Mechanische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (RT)
Zug-Eigenschaften 0,2% Dehn
grenze.
Qrp/mnr)		 Dehnung
(%)		 Härte
HB
(10/3000)		 Elektrische
Leitfähig
keit
(IAGS %)		 Bemerkungen
Zähkupfer
(H)		 Zugfestig
keit
(kp/mm2)		 27 16 85 100 Schmiedezu
stand
Pho sphor-
desoxidier-
tes Kupfer
(H)		 29 30 23 89 95 Schmiedezu
stand
Chromkupfer 32 28 29 110 88 geschmiedet
und wärmehe-
handelt *
σ-Legierung 38 49 18 185 40 geschmiedet
und wärme-
behandelt *
Legierung
Nr. 1 nach
der Erfindung		 59. 29 31 115 80 geschmiedet
und warmehe-
handelt.*
40
Portsetzung Seite
K) O CD
Portsetzung Tafel 1
Co ο σ σ>
Zug-Eigenschaften 0,2% Dehn
grenze
(kp/mm^)		 Dehnung
(%)		 Härte
HB
(10/3000)		 Elektrische
Leitfähig
keit
(IAGS %) 		Bemer
kungen
Legierung
Nr. 2 nach
der Erfin
dung		 Zugfestig
keit
(kp/mm^)		 40 23 165 65 geschmiedet
und wärmebe
handelt
Legierung
NTr. 3 nach
der Erfin
dung		 63 59 10 188 45 geschmiedet
und wärme-
behandelt*
78
ro ι
* lösungsgeglüht und gealtert
ro
CD CD -<3 OO
Tafel 2 Chemische Zusammensetzung
CJ
OT OT
Cu Ni Si Cr Nb P Mn Be
Zähkupfer 99,95 - - - - Tr. - _,
Phosphor-
desoxidiertes
Kupfer		 99,93 mm 0,01
Chromkupfer Rest - - 0,8 - ■ - - -
C-Legierung Best 2,3 0,46 - - - 0,12 -
Legierung Nr. 1
nach der Er
findung		 Rest 0,22 mm* 0,01 0,06
Legierung Nr. 2
nach der Er
findung		 Rest 1,03 M 0,12 0,19
Legierung Nr. 3
nach der Er
findung		 Rest 1,98 - - — 0,48
V>J I
Diese Tafeln zeigen deutlich die Eigenschaften der vorstehend erörterten herkömmlichen Legierungen. Insbesondere zeigen die Tafeln deutlich, daß Zähkupfer und Phosphordesoxidiertes Kupfer den übrigen Legierungen einschließlich den erfindungsgemäßen Legierungen, deutlich hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit und Härte, unterlagen sind, obgleich diese Werkstoffe ein hohes Wärmeabführvermögen (elektrische Leitfähigkeit) besitzen, so daß diese Werkstoffe durch Deformationen und Eißbildungen geschädigt würden, wenn sie zur Herstellung von Kokillen für das Stranggießen von Stahl verwendet würden, welches heute unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen, bei hoher Werkstoffbeanspruchung erfolgt. Durch Zusatz von Chrom, Nickel, Silicium und Magnesium konnten bei Chrom-Kupfer und der C-Legierung die mechanischen Eigenschaften in gewissem Ausmaß auf Kosten ihrer Wärmeleitfähigkeit verbessert werden. Die vorstehend diskutierten Nachteile sind jedoch bei diesen Legierungen nicht vollständig überwunden, so daß sich diese Legierungen noch immer dem Problem ihrer Dauerbelastbarkeit oder Lebensdauer gegenüber sehen.
Die nachfolgende Tafel 3 bewertet die Durabilität der vorstehend genannten verschiedenen Werkstoffe, welche bestimmt ist durch Berechnung der thermischen Spannungen, die in den Kokillen auf der Grundlage der Wärmeübergangsrate (elektrische Leitfähigkeit) eines jeden Materials berechnet wurde, wobei die erhaltenen Ergebnisse mit der im Betrieb ermittelten Festigkeit der Kokillenwerkstoffe verglichen wurde.
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Tafel 3
Co O σ σ> σ>
co
Kokillen
werkstoff		 Wärme
über
gang s-
rate
(%)		 Kokillen
tempera
tur im Be
trieb
(°c) 		Therm. Be
anspruchung
der Kokille
(kp/mm2)		 Zugfestig
keit des
Kokillen
werkstoffes
(kp/mra2)		 Streckgrenze
des Kokillen
werkstoffs im
Betrieb
(kp/mm2)		 Härte,
des
Kokillen
werkstoffs
im Betrieb
(Hv)		 Durabilität
Püosphor-
desoxidier-
tes Kupfer		 95 260 21 21 18 55 Δ Dehnung
Chrom-
Kupfer		 85- 280 22 28 25 110 ο Durabel
C-Le-
gierung		 40 400 40 36 33 160 χ Rißbil
dung
Legierung
Nr. 1 nach
der Erfin
dung		 80 270 23 30 27 112 ο Durabel
Legierung
Nr. 2 nach
der Erfin
dung		 65 305 27 46 38 160 ο Durabel
Legierung
Nr. 3 nach
der Erfin
dung		 45 380 37 58 56 185 ο Durabel
vn
KJ Q CO
Aus Tafel 3 ist ersichtlich, daß phosphor-desoxidiertes Kupfer (H) nicht imstande ist, den thermisch bedingten Beanspruchungen im Betrieb zu widerstehen und dazu neigt, bei diesen Temperaturen gedehnt zu werden, so daß dieser Werkstoff als Folge der spannungsbedingten Dehnung relativleicht und rasch Verformungen erfährt. Chrom-Kupfer kann der Beanspruchung in gewissem Ausmaß widerstehen, aber ist hinsichtlich der thermischen Beanspruchung an der Grenze seiner Belastbarkeit, wohingegen die C-Legierung bei erhöhten Temperaturen trotz ihrer ziemlich niedrigen Wärmeübergangsrate nicht ausreichend fest ist und eine ziemlich geringe Dehnung aufweist, so daß das Problem der Rißbildung besteht. Außerdem läßt sich erkennen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 1, 2 und 3 für die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Härte Werte aufweisen, welche sie als geeignet zum Herstellen von Kokillen erscheinen lassen, welche den schweren Betriebsbedingungen gewachsen sind, wie aus den in der Tafel zusammengestellten Daten ersichtlich.
Die erfindungsgemäße Kupfer-Legierung zum Herstellen von Kokillen für das Stranggießen von Stahl ist zu dem Zweck entwickelt worden, eine Legierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit zu erzielen. Von den der Basislegierung zugefügten Elementen zum Erreichen dieses Ziels wird Nickel zugesetzt, um eine Verminderung des Ausscheidungshartungs— Vermögens zu kompensieren, welches durch eine Verminderung des Berylliumgehaltes hervorgerufen ist, um die Löslichkeitsgrenze des Berylliums herabzusetzen. Beträgt die zugesetzte Nickelmenge weniger als 0,2 %, so lassen sich durch einen solchen Zusatz keine befriedigenden Ergebnisse erzielen. Beläuft sich die zugesetzte Nickelmenge auf mehr als 2,0%, so sind die erzielten Ergebnisse trotz der gesteigerten Menge nicht entsprechend hoch und wird die Wärmeleitfähigkeit nachteilig durch eine solche Zugabe beeinträchtigt. Beryllium
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ist ein wichtiges Element zum Steigern der Festigkeit der Legierung durch Ausscheidungshärtung, aber Berylliumzusätze haben keinen nennenswerten Effekt hinsichtlich der Festigkeitssteigerung, wenn die zugesetzte Menge weniger als 0,05 % beträgt, wobei der Berylliumzusatz die Wärmeleitfähigkeit nachteilig beeinflußt, wenn die zugesetzten Mengen mehr als 0,5 % betragen. Höhere Zusätze dieses Elementes als erforderlich sind wegen der hohen Kosten für dieses Element unwirtschaftlich. Niob wird aus Gründen der Kornfeinung sowie wegen gesteigerter Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zugesetzt. Der Zusatz dieses Elementes in geeigneten Mengen gestattet eine Verringerung der Hochtemperatur-Streckgrenze als Folge einer zu minimierenden Temperatursteigerung. Beläuft sich der Gehalt jedoch auf weniger als 0,01 %, so lassen sich keine vorteilhaften Ergebnisse erzielen. Beläuft sich der Gehalt auf mehr als 1,0%, so ist der erzielte Effekt gering und wird die Oxidation des geschmolzenen Stahl verstärkt, was die Gießbarkeit des geschmolzenen Stahls vermindert.
Ausführungsform II
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung besteht (in Gewichtsprozent) aus 0,2 bis 2,0 % Nickel, 0,05 bis 0,5 % Beryllium, 0,03 bis 0,6% Zirkonium, Rest im wesentlichen Kupfer. Aus dieser Zusammensetzung hergestellte Gußblöcke werden durch Warmschieden und Walzen verformt und sodann einer Wärmebehandlung, wie einem Lösungsglühen und einer Alterung unterworfen, um eine Legierung mit hoher Festigkeit nnd hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hoher Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen zu schaffen.
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Beispiel
Tafel 4· enthält die chemischen Zusammensetzungen und die elektrischen Leitfähigkeiten der erfindungsgemäßen Legierung in Gegenüberstellung zu den entsprechenden Werten des Chrom-Kupfer-Werkstoffes sowie einer Cu-Ni-Be-Legierung nach dem Stand der Technik. Die Figuren 5 "bis 7 zeigen die Ergebnisse von Materialprüfungen, die an Legierungen mit den vorstehend genannten Zusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen hinsichtlich Zugfestigkeit (Figur 5)? Streckgrenze (Figur 6) und Dehnung bei erhöhten Temperaturen (Figur 7) durchgeführt wurden.
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Tafel M-
Cu Ni Cr Be Zr Elektrische
Leitfähigkeit
IACS (%)		 Erz eugungsver-
fahren
Chromkupfer Rest - 0,82 - - 85 geschmiedet und
wärmebehandelt
Cu-Ni-Be-
Le gierung		 Rest 1,2 _ 0,21 _ 65 geschmiedet und
wärmebehandelt
Legierung
nach der Er
findung		 Rest 1,1 - 0,19 0,20 66 geschmiedet und
wärmebehandelt
CD -J OQ
Aus Tafel 4 wie auch aus den Figuren 4 bis 7 ist deutlich zu sehen, daß die erfindungsgemäße Legierung eine höhere Festigkeit und eine höhere Zähigkeit bei hinreichender Dehnung bei Temperaturen von mehr als 70O0C aufweist als der Chrom-Kupfer-Werkstoff und die Cu-Ni-Be-Legierung.
Von den Legierungskomponenten dieser Ausführungsform der erfindungsgemaßen Legierung besitzen Nickel und Beryllium jeweils obere und untere Gehaltsgrenzen, welche mit den entsprechenden Grenzen bei der Ausführungsform I übereinstimmen, wobei die Gründe für das Festlegen dieser Gehaltsbereiche bei der Ausführungsform II die gleichen sind, wie unter Bezug auf die Ausführungsform I beschrieben.
Der Zusatz von Zirkonium hat den Effekt einer gesteigerten Kornfeinung der rekristallisierten Körner und einer gesteigerten Festigkeit und Dehnung bei erhöhten Temperaturen. Beläuft sich der Zirkongehalt auf weniger als 0,03 %i so hat er nur geringen Einfluß und liegt der Zirkongehalt oberhalb von 0,6 %, so sind die erzielten Ergebnisse nur gering trotz der großen zugesetzten Menge und wird die Oxidation des geschmolzenen Stahls gesteigert, was das Schmieden der Legierung erschwert.
Ausführungsform III
Die Legierung gemäß dieser Ausführungsforrtf stellt eine Verbesserung gegenüber der Legierung gemäß Ausführungsform II dar, wobei 0,01 bis 0,1 % Magnesium zugesetzt sind, um die Eigenschaften der Legierung zu verbessern. Diese Legierung
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besteht (in Gewichtsprozent) aus 0,2 bis 2,0 % Nickel, 0,05 bis 0,5 % Beryllium, 0,03 bis 0,6 % Zirkonium, 0,01 bis 0,1 % Magnesium, Rest im wesentlichen Kupfer. Die Legierung dieser Zusammensetzung wird einer Wärmebehandlung unterworfen, welche ein Lösungsglühen und eine Alterung umfaßt, um der Legierung hohe Festigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen zu erteilen. Insbesondere sind Nickel und Beryllium dem Kupfer zugesetzt, um eine ausscheidungshärtbare Legierung zu schaffen, die eine hohe Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist. Der weitere Zusatz an Zirkonium und Magnesium steigert die Festigkeit der Legierung und verbessert ihre Dehnung bei erhöhten Temperaturen.
Beispiel
Tafel 5 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und elektrischen Leitfähigkeiten der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu den entsprechenden Angaben für den Chrom-Kupfer-Werkstoff und eine herkömmliche Ni-Be-Legierung. Die Figuren 8 bis 10 zeigen die Ergebnisse von Werkstoffprüfungen, die an den Legierungen der vorstehend genannten Zusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wurden hinsichtlich Zugfestigkeit (Figur 8), Streckgrenze (Figur 9) und Dehnung bei erhöhter Temperatur (Figur 10).
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Tafel 5
co σ ο cd σ>
ο -j
CO
Cu Cr - Be Zr Mg Elektrische
Leitfähigkeit
IACS (%)
Rest 0,81 1,2 - - - 84-
Chromkupfer Rest - 1,0 0,20 - - 62
ETi-Be-
Kupfer		 Rest - 0,19 0,20 0,03 66
Legierung
nach der Er
findung
ro
Bemerkung: Alle Proben wurden einer Wärmebehandlung unterworfen, welche ein Lösungsglühen und eine Alterung im Anschluß an das Warmschmieden umsdioß.
ro ο
CD
CO
Aus Tafel 5 wie auch aus den Figuren 8 bis 10 geht deutlich hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung eine hohe Festigkeit und eine hohe Zugfestigkeit besitzt, weil sie fester ist als der derzeit zum Herstellen von Kokillen für das Stranggießen von Stahl verwendeten Chrom-Kupfer-Werkstoff, wobei der erfindungsgemäße Werkstoff außerdem bei Temperaturen von 300 bis 35O0C eine höhere Zähigkeit aufweist, d.h. bei den Betriebstemperaturen, denen derartige Kokillen ausgesetzt sind. Es ist außerdem ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Legierung höhere Festigkeits- und Zähigkeitswerte besitzt als der Ni-Be-Kupferwerkstoff, welcher zu einer Legierung desselben Systems zählt.
Wie bereits erwähnt, wurden die erfindungsgemäße Kupferlegierung entwickelt, um eine Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu schaffen und in der Tat, hat die neu geschaffene Legierung diese Eigenschaften. Von den dem Kupfer zugesetzten Legierungskomponenten zum Erzielen der angestrebten Ergebnisse, sind Nickel, Beryllium und Zirkonium in denselben Mengen zugesetzt, wie unter Bezug auf die Ausführungsformen I und II beschrieben. Die Gründe zum Festsetzen der oberen und unteren Gehaltsbereiche für diese Legierungsbestandteile in der vorliegenden Ausführungsfccm sind die gleichen,wie im Zusammenhang mit den Ausführungsformen I und II beschrieben.
Magnesium ist zugesetzt, um das Dehnungsverhalten der Legierung bei höheren Temperaturen zu verbessern. Be-, tragen die Magnesiumgehalte weniger als 0,01 %, so ist der erzielte Effekt gering, und wenn die Magnesiumgehalte mehr als 0,1 % betragen, so wird die Wärmeleitfähigkeit der nachteilig beeinflußt, was die Legierung ungeeignet zum Ausbilden von Kokillen macht.
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Ausführungsform IV
Die Legierung nach dieser Ausführungsform enthält Titan, welches zur Legierung gemäß Ausführungsform II anstelle von Magnesium, welches der Ausfuhrungsform III zugesetzt wurde, zugesetzt ist und besteht (in Gewichtsprozent) aus 0,2 bis 2,0 % Nickel, 0,05 bis 0,5 % Beryllium, 0,03 bis 0,6 % Zirkonium, 0,01 bis 0,2 % Titan, Rest im wesentlichen Kupfer- Diese Legierung wird einer Wärmebehandlung unterworfen, welche ein Lösungsglühen und eine Alterung umfaßt, um der Legierung hohe Festigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen zu erteilen.
Insbesondere sind Mckel und Beryllium dem Kupfer zugesetzt, um eine ausscheidungshärtbare Legierung zu schaffen, die sich bei erhöhten Temperaturen durch hohe Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Durch weiteren Zusatz von Zirkonium und Titan wird das Dehnungsverhalten bei erhöhter Temperatur verbessert, ohne daß die Festigkeit vermindert wird.
Beispiel
Die Tafel 6 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung in Gegenüberstellung mit den entsprechenden Angaben des Chrom-Kupfer-Werkstoffes und der Fi-Be-Kupferlegierung nach dem Stand der Technik. Die Figuren 11 bis 13 zeigen die Ergebnisse von Werkstoffprüfungen, denen die Legierungen mit den vorstehenden Zusammensetzungen bei erhöhten Temperaturen unterworfen wurden, im Hinblick auf Zugfestigkeit (Figur 11), Streckgrenze (Figur 12) und Dehnung bei erhöhten Temperaturen (Figur 13)-
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Tafel 6
Co
co co
Cu Cr ITi Be Zr Ti Elektrische Leitfähigkeit
IACS (%)
Chromkupfer Rest 0,81 -' - - - 84-
Ni-Be-Kupfer Rest - 1,2 0,20 - - 62
Legierung
nach der Er
findung		 Rest - 1,0 0,20 0,20 0,05 60
ro
Bemerkung: Alle Proben wurden einer Wärmebehandlung unterworfen, welche
ein Lösungsglühen und eine Alterung im Anschluß an das
Warmschmieden umschloß.
K) CD CD
Aus Tafel 6 wie auch aus den Figuren 11 bis 13 geht deutlich hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit besitzt, weil sie eine höhere Festigkeit besitzt als der derzeit zur Herstellung von Kokillen für das Stranggießen von Stahl benutzte Chrom-Kupfer-Werkstoff. Ferner-besitzt die erfindungsgemäße Legierung eine höhere Zähigkeit im Temperaturbereich von 300 bis 35O°C, d.h. in dem Temperaturbereich, in dem sich die Kokille im Betrieb befindet. Es wird auch deutlich, daß die erfindungsgemäße Legierung eine höhere Festigkeit und eine höhere Zähigkeit aufweist als der Ui-Be-Kupferwerkstoff, bei dem es sich um eine Legierung aus dem gleichen System handelt.
Wie vorstehend beschrieben, ist die erfindungsgernäße Kupferlegierung entwickelt worden, um eine Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit sowie hoher Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen.zu erhalten. Wie dargestellt, weist die erhaltene Legierung diese Eigenschaften auf. Von den Legierungskomponenten, die dem Kupfer zugesetzt sind, um die angestrebten Ergebnisse zu erreichen, stimmen die oberen und unteren Gehaltsbereich des Nickels, Zirkoniums und Berylliums mit den entsprechenden Gehaltsgrenzen der Ausführungsforraen II und III überein und die Gründe für das Festlegen dieser Gehaltsbereiche für die vorliegende Ausführungsform sind dieselben, wie im Zusammenhang mit den Ausführungsformen II und III erörtert.
Titan ist zugesetzt, um die Dehnung bei erhöhten Temperaturen zu erhöhen. Beträgt der Titangehalt weniger als 0,01 %, so hat er nur geringen Einfluß,und wenn, der Titangehalt mehr als 0,2 % beträgt, so vermindert dieser
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Zusatz merklich die Wärmeleitfähigkeit der Legierung und macht diese somit ungeeignet zum Ausbilden von Kokillen. Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß jede der Ausführungsformen I bis IV der erfindungsgemäßen Legierung über Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen verfügt, die selbst dann nicht herabgesetzt sind, wenn die Legierung zeitlich ausgedehnten Beanspruchungen bei etwa 35O0C ausgesetzt ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung verbessert ist als Ergebnis der Verminderung des Berylliumgehaltes, weil die Legierung einem Lösungsglühen und nachfolgend einer Ausscheidungshärtungs-Behandlung unterzogen worden ist. Die erfindungsgemäße Legierung besitzt somit eine höhere Festigkeit, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen als der Chrom-Kupfer-Werkstoff und die Cu-M-Be-Legierung, bei welchen es sich um ausscheidungshärtbare Legierungen handelt.Selbstredend ist die erfindungsgemäße Legierung dem Zähkupfer, dem phosphor-desoxidierten Kupfer sowie dem mit Silber modifizierten phosphor-desoxidierten Kupfer überlegen, wobei es sich bei den letztgenannten Legierungen nicht um ausscheidungshärtbare Legierungen handelt. Die erfindungsgemäße Legierung ist insbesondere geeignet als Werkstoff zum Herstellen von Kokillen für das Stranggießen von Stahl und .anderen Metallen.
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Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1« Ausscheidungshärtbare Legierung für Stranggießkokillen, bestehend im wesentlichen aus» in Gewichtsprozent, 0,2 bis 2,0% Nickel, 0,05 bis 0,5% Beryllium, 0,01 bis 1,0% Niob, Best im wesentlichen Kupfer, wobei diese Legierung eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist.
  2. 2. Ausscheidungshärtbare Legierung für Stranggießkokillen, bestehend im wesentlichen aus, in Gewichtsprozent, 0,2 bis 2,0% Nickel, 0,05 bis 0,5% Beryllium, 0,03 bis 0,6% Zirkonium, Rest Kupfer, wobei die Legierung hohe Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen als Folge einer Wärmebehandlung aufweist, die ein Lösungsglühen und eine Alterungsbehandlung einschließt.
    130066/0791
    TELEFON (083)23 2802
    TELEX 05-29 39Ο
  3. 3- Ausscheidungshärtbare Legierung für Stranggießkokillen, bestehend im wesentlichen aus, in Gewichtsprozent, 0,2 bis 2,0% Nickel, 0,05 bis 0,5% Beryllium, 0,03 bis 0,6% Zirkonium, 0,01 bis 0,1% Magnesium, Rest Kupfer, wobei die Legierung hohe Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen als Folge einer Wärmebehandlung aufweist, die ein Lösungsglühen und eine Alterungsbehandlung einschließen.
  4. 4. Ausscheidungshärtbare Legierung für Stranggießkokillen, bestehend im wesentlichen aus, in Gewichtsprozent, 0,2 bis 2,0% Nickel, 0,05 bis 0,5% Beryllium, 0,03 bis 0,6% Zirkonium, 0,01 bis 0,2% Titan, Rest Kupfer, wobei die Legierung hohe Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen als Folge einer Wärmebehandlung besitzt, die ein Lösungsglühen und eine Alterungsbehandlung umschließt.
  5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-,wobei Nickelgehalt 0,2 bis weniger als 1,0 Gew.-% beträgt.
  6. 6. Legierung nach einem der Ansprüche 2 bis 4·, bei welcher der Zirkoniumgehalt 0,03 bis weniger als 0,5 Gew.-% beträgt.
    7- Legierung nach einem der Ansprüche 2 bis 4-, wobei der Nickelgehalt 0,2 bis weniger als 1,0 Gew.-% beträgt und die Zirkoniummenge 0,03 bis weniger als 0,5 Gew.-% beträgt.
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