DE4103963A1 - Verfahren zum kontinuierlichen stranggiessen von kupferlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Stranggießen von dünnen Brammen oder runden Blöcken mit einem Durchmesser von 8 bis 40 mm aus während der Erstarrung zur Entmischung neigenden Kupferlegierungen.

Insbesondere Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen mit höheren Nickel- und Zinngehalten, beispielsweise 15% Nickel und 8% Zinn, neigen dazu, während der Erstarrung bei einem konven­ tionellen Gießverfahren starke Seigerungen auszubilden. Dies führt dazu, daß auf den Korngrenzen Ausscheidungen auftreten, die stark mit Zinn angereichert sind. Außerdem ist das Gußge­ füge relativ grobkörnig, wobei der Korndurchmesser im cm- Bereich liegt und die Dendritenarme mit etwa 100 µm einen re­ lativ großen Abstand besitzen. Wünschenswert sind dagegen möglichst homogene Gefüge mit möglichst wenig Ausscheidungen, kleinen Korndurchmessern und geringen Dendritenarmabständen. Ein Gußgefüge mit starken Schwankungen der Zusammensetzung, wie sie durch Seigerungen hervorgerufen werden, muß ausrei­ chend homogenisiert werden, bevor es durch Umformung weiter­ verarbeitet werden kann. So beträgt die Glühdauer für das un­ günstige Gußgefüge einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit etwa 15% Nickel und 8% Zinn für eine bei einer Temperatur von etwa 900°C durchgeführten Homogenisierungsbehandlung beispielsweise mehrere Wochen. Es ist grundsätzlich bekannt, daß sich mit steigender Dauer und/oder Temperatur der Glüh­ behandlung die Gefügestruktur eines Werkstoffs durch Korn­ wachstum vergröbert. Eine Kornvergröberung führt jedoch dazu, daß sich die Verformbarkeit eines Werkstoffs noch weiter verschlechtert.

Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Kupfer-Nickel-Zinn- Legierungen sind an sich bekannt. Bei den bekannten Verfahren wurde im wesentlichen konventionell gegossenes Material ver­ wendet und dieses entweder nach der Homogenisierungsglühung kaltverformt oder nach der Warmverformung zunächst homogeni­ siert und dann kaltverformt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von spinoda­ len Legierungsbändern aus Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen ver­ wendet den pulvermetallurgischen Weg, um zu kommerziell ver­ wertbaren Produkten zu kommen (EP 00 79 755 B1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gießverfahren bereitzustellen, mit dem stark zur Entmischung neigende, bzw. schwer verformbare Kupferlegierungen, beispielsweise höher legierte Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen kontinuierlich, und damit wirtschaftlich hergestellt werden können, ohne daß bei der nachfolgenden Verarbeitung der Gußstränge zu Bändern, Stangen oder Drähten Schwierigkeiten auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der im Anspruch 1 genannten Verfahrensmaßnahmen gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Das elektromagnetische Rühren von erstarrender Schmelze beim Stranggießen von Stahl ist bekannt. Beim Stranggießen von Kupferlegierungen konnte dieses Verfahren allerdings bisher nicht erfolgreich eingesetzt werden.

Die Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des erstarrten Me­ talls gegenüber der flüssigen Schmelze ist bei der Kupferle­ gierung deutlich größer als bei Stahl. Wegen der größeren Strangschalendicke und der gegenüber der Schmelze deutlich höheren elektrischen Leitfähigkeit ergibt sich für die elek­ tromagnetischen Felder der Rührspulen ein viel stärkerer Ab­ schirmeffekt der zu rührenden Schmelze durch die Strangscha­ le. Wegen der relativ dicken Strangschale müßte eine Rühr­ einrichtung sinnvollerweise im Kokillenbereich untergebracht werden. Dabei stellt sich jedoch ein weiterer Abschirmeffekt durch die kupfernen Kokillenplatten ein, die aus Stabilitäts­ gründen in der Regel ebenfalls 30 mm oder dicker sind.

Um diese Abschirmeffekte zu überwinden, sind leistungsfähige elektromagnetische Rühreinrichtungen notwendig, die eine be­ trächtliche Energiezufuhr zu der Schmelze bewirken, was prin­ zipiell zu Nachteilen führt.

Bekannt sind ferner Gießverfahren, bei denen die erstarrende Schmelze induktiv gerührt wird. Es sind dieses sogenannte Le­ vitationsverfahren, bei denen die Schmelze während der Er­ starrung durch Magnetfelder gehalten wird, ohne daß sie Kon­ takt zu den Kokillenwänden bekommt. Beispiele hierfür sind das horizontale Gießen von flachen Gußblöcken bzw. das verti­ kale Aufwärtsgießen von Strängen.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Kokille be­ sitzt sehr dünne kühlbare Kokillenwände von nur wenigen mm Dicke. Um die erforderliche mechanische Stabilität zu erzie­ len, weist die äußere Kokillenwand vorzugsweise eine Verstei­ fung durch ein Rippenprofil auf. Die Kokillenwand und das Rippenprofil wurden so ausgelegt, daß die elektromagnetischen Felder einer Rührspule nur relativ gering abgeschirmt werden. Der Formhohlraum dieser Kokille wurde mit einer dünnen Gra­ phitauskleidung von etwa 3 mm versehen, die der Wärmeabfuhr einen nur sehr geringen Widerstand entgegensetzt. Die Gra­ phitauskleidung war auf der Außenseite gerundet und wurde durch mechanisches Verspannen mit der gekühlten Kokillenwand in intensiven Kontakt gebracht. Auf der gekühlten Außenseite der Kokille wurde eine 3-Phasen Induktionsspule angeordnet, mit der die Schmelze innerhalb der Kokille induktiv gerührt werden konnte. Die Rührrichtung konnte so gewählt werden, daß die Schmelze an den Kokillenseiten in Abziehrichtung bewegt wurde und im Kokillenzentrum zurückströmen konnte, und umge­ kehrt. In den Formhohlraum der Kokille wurde Schmelze einge­ leitet, die dann wie beim konventionellen Stranggießen inten­ siven Kontakt zu den Kokillenwänden besaß. Die Schmelze wurde während der Erstarrung gerührt und der erstarrte Strang wurde an dem anderen Kokillenende abgeführt. Der erstarrte Strang bewegte sich dabei im Verhältnis zur Kokillenoberfläche ab­ wechselnd vor und zurück, wobei der Vorwärtshub größer als der Rückwärtshub war.

Es wurde so im kontinuierlichen Stranggußverfahren ein Strang von 14 mm Dicke mit 0,25 m/min mit gleichbleibend glatter Oberfläche gegossen. Aufgrund des intensiven Kontakts zur Ko­ killenwand und der geringen Strangdicke ergaben sich derart gute Abkühlbedingungen, daß die Schmelze auch im Innern des Strangs relativ schnell durcherstarrte, ohne daß es dort zu einem deutlichen Ausseigern oder einer Kornvergrößerung kam. Eine geringe Strangdicke ist für das erfindungsgemäße Verfah­ ren von großer Bedeutung, da eine Kupferlegierung eine nur geringe thermische Leitfähigkeit im Bereich von 1 bis 10 % der Leitfähigkeit von Kupfer aufweist. Aus diesem Grund ist die Wärmeabfuhr aus dem Stranginnern etwas behindert. Bei zu großer Strangdicke besteht zudem die Gefahr, daß ein ver­ stärktes Entmischen und ein Kornwachstum im Stranginnern auf­ tritt.

Eine ausreichende Rührwirkung und eine gute Erstarrung der Schmelze läßt sich überraschenderweise miteinander in Ein­ klang bringen, wenn die Strangdicke im Bereich von 8 mm bis 40 mm liegt.

Von ebenso großer Bedeutung ist außerdem die Intensität der induktiven Rührung der Schmelze. Falls die Rührintensität zu gering ist, werden nicht genügend Fremdkeime durch abgebro­ chene Dendritenteile innerhalb der Schmelze als Keimbildner bereitgestellt. Die Folge einer ungenügenden Rührintensität ist ein für die Weiterverarbeitung ungünstiges grobkörniges Gefüge. Andererseits besitzt auch eine allzu große Rührin­ tensität erhebliche Nachteile, da diese mit einem hohen Ein­ bringen von Energie durch die induzierten Wirbelströme in den Strang verbunden ist.

Die Rührintensität läßt sich durch die Energiemenge beschrei­ ben, die pro Zeiteinheit durch den Rührer in das zu vergie­ ßende Metall eingebracht wird. Diese Energiemenge läßt sich mit Hilfe eines metallischen Probekörpers messen, der in die Kokille eingeführt wird und die gleiche Leitfähigkeit und räumliche Abmessung wie das Metall besitzt, das während des Gießvorgangs in die Kokille eingeführt wird. Wenn die Rühr­ spule erregt wird, führt dieses zu einem Temperaturanstieg in dem Probekörper. Aus diesem Temperaturanstieg läßt sich dann die eingebrachte Leistung berechnen.

In eingehenden Untersuchungen hat es sich gezeigt, daß beson­ ders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die eingebrachte Rührleistung im Bereich von 0,5 bis 100 W/cm³, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 70 W/cm³ liegt. Die Rührleistung ist da­ bei auf ein Volumenelement des zu vergießenden Metalls bezo­ gen, das sich - in Abzugsrichtung - zwischen der vorderen und hinteren Begrenzung der Rührspule befindet.

Weitere wesentliche Kriterien sind die Abziehgeschwindigkeit des Strangs und die Relativbewegung zwischen Strang und Ko­ killenwand. Die durchschnittliche Abziehgeschwindigkeit darf nicht zu niedrig sein, da dann die Erstarrungsfront entgegen der Abziehrichtung aus dem gekühlten Bereich der Kokille her­ auswandert. Die Wärme wird unter diesen Bedingungen nur noch indirekt, also über den bereits vollständig durcherstarrten Strang abgeführt. Dadurch nimmt die Abkühlgeschwindigkeit ab, während die Größe der Ausscheidung und der Körner im erstarr­ ten Gußgefüge unzulässig stark zunimmt.

Andererseits darf die durchschnittliche Abziehgeschwindigkeit auch nicht zu hoch sein, da dann der Sumpf der noch nicht er­ starrten Schmelze zu lang und schmal wird. Die aufeinander zurückenden Erstarrungsfronten bremsen dann die Rührgeschwin­ digkeit der viskosen Schmelze im Stranginneren ab, so daß das Innere des Strangs quasi ungerührt erstarrt.

Die durchschnittliche Abziehgeschwindigkeit muß daher im Be­ reich von 0,05 bis maximal 1,3 m/min, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,7 m/min liegen.

Der Strang kann einerseits kontinuierlich abgezogen werden, wobei die Kokille mit Vorteil oszilliert. Andererseits kann der Strang aber auch im "push-pull"-Verfahren aus der nicht bewegten Kokille abgezogen werden. Wesentlich ist dabei je­ doch die Relativbewegung zwischen Strang und Kokille. Der Strang bewegt sich - relativ zur Kokille - jeweils periodisch ein größeres Stück vorwärts (Vorhub) und dann ein kleineres Stück wieder zurück (Rückhub). Während des Vorhubs wird die Strangschale leicht gedehnt und der Wärmeübergang dadurch verschlechtert.

Beim Rückhub wird die Strangschale dagegen gestaucht, wodurch sie auch an die Kokillenwände gedrückt wird, was den Wärme­ übergang verbessert.

Es hat sich ferner gezeigt, daß ein Stranggefüge mit gleich­ mäßig feiner Korngröße und Ausscheidungsfeinheit nur erzeugt werden kann, wenn der Vorhub nicht allzu groß gewählt wird. Andererseits darf er auch nicht zu klein gewählt werden, da noch genügend Spielraum für den Rückhub vorhanden sein muß. Gleichzeitig darf auch die untere Bereichsgrenze für die Ab­ zugsgeschwindigkeit nicht unterschritten werden. Ferner müs­ sen die Hubhöhe der oszillierenden Kokille bzw. des vorwärts­ rückenden Strangs so gewählt werden, daß der Vorhub im Be­ reich von 0,5 bis 30 mm liegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Stranggießverfahren läßt sich bei­ spielsweise ein gegossener Kupfer-Nickel-Zinn-Strang erzeu­ gen, der ein extrem feinkörniges Gefüge besitzt. Einzelne Körner sind in einem Längsschliff mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar. Aufgrund der günstigen Erstarrungsbedingungen sind auch die Ausscheidungen sehr klein und feinverteilt. Der Gußstrang kann daher ohne Schwierigkeiten weiterverarbeitet werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im fol­ genden noch weiter erläutert werden.

Mit einer sehr dünnwandigen Stranggießkokille aus einer aus­ härtbaren Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, deren Formhohl­ raum mit 3 mm dicken Graphitplatten ausgekleidet war, wurde eine dünne Bramme aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit 15% Nickel und 8% Zinn kontinuierlich gegossen. Die Bramme war 14 mm dick und 80 mm breit. Die Gießgeschwindigkeit be­ trug etwa 0,25 m/min, während die über dem Querschnitt des Formhohlraums gemittelte Rührleistung auf 20 bis 30 W/cm³ eingestellt war.

In einem Längsschliff durch den Gußstrang (Fig. 1) ist das Makrogefüge dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Guß­ strang über den gesamten Querschnitt ein gleichmäßiges und extrem feinkörniges Gefüge aufweist, wobei die maximale Korn­ größe 0,05 mm beträgt.

In Fig. 2 ist ein weiterer Längsschliff dargestellt. Er zeigt im Vergleich zu Fig. 1 das Gußgefüge eines Strangs einer entsprechenden Kupferlegierung, bei der die Schmelze nicht elektromagnetisch gerührt wurde. Die Korngröße dieses Gußgefüges beträgt mehrere mm.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegossene Strang ließ sich nach einem Fräsen der Oberfläche ohne Homogeni­ sierung um 70 bis 80% rißfrei kaltverformen. Eine Warmver­ formung war ebenfalls nach kurzzeitiger Homogenisierung bei 800 bis 850°C durchgeführt worden.

Nach einer Kaltverformung und einer geeigneten Wärmebehand­ lung wurden bei einem Band von 0,5 mm Dicke folgende Eigen­ schaften erreicht:

Zugfestigkeit:
1217 N/mm²
0,2-Dehngrenze:	1162 N/mm²
Dehnung:	6%
Rockwell-Härte (30 N):	61
Korngröße:	0,005 bis 0,01 mm

Auch nach mehrstündiger Homogenisierung ließ dagegen der in Fig. 2 dargestellte gegossene Strang nur eine geringe Kalt- bzw. Warmverformung zu, da eine starke Rißbildung auf der Oberfläche und insbesondere an den Gußkanten einsetzte, wobei die Risse entlang der alten Gußkorngrenzen verliefen.

Claims (9)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Stranggießen von dünnen Brammen oder runden Blöcken mit einem Durchmesser von 8 bis 40 mm aus während der Erstarrung zur Entmischung neigenden Kupferlegierungen, insbesondere aus Kupfer- Nickel-Zinn-Legierungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innerhalb der Kokille befind­ liche Schmelze elektromagnetisch gerührt wird, wobei die Rührspule so dimensioniert ist, daß die Rührleistung in­ nerhalb der Schmelze etwa 0,5 bis 100 W/cm³ beträgt und die Abzugsgeschwindigkeit des Gußstrangs im Bereich von 0,05 bis 1,3 m/min liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rührleistung 5 bis 70 W/cm³ und die Abzugsgeschwindigkeit des Gußstrangs 0,2 bis 0,7 m/min beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch eine relative Bewegung des Gußstrangs zur Kokille mit einem Vorhub des Gußstrangs im Bereich von 0,5 bis 30 mm, wobei der Gußstrang intermittierend oder im "push-pull"-Verfahren abgezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch die Verwendung einer oszillierenden Kokille, wobei die Hubhöhe der Kokillenbewegung im Be­ reich von 0,5 bis 30 mm liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußstrang unmit­ telbar am Austritt aus der Kokille zusätzlich gekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum der Kokille mit Graphit ausgekleidet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferbasislegie­ rung aus 2 bis 40%, vorzugsweise 9 bis 18% Nickel und 2 bis 18%, vorzugsweise 5 bis 10% Zinn, Rest Kupfer ein­ schließlich geringer Desoxidations- und Verarbeitungszu­ sätze sowie zufälliger Verunreinigungen besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferbasislegie­ rung aus 5 bis 18%, vorzugsweise 8 bis 12% Zinn, Rest Kupfer einschließlich geringer Desoxidations- und Verar­ beitungszusätze sowie zufälliger Verunreinigungen be­ steht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferbasislegie­ rung zusätzlich bis zu maximal 1% mindestens eines Ele­ ments aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Mangan, Zink, Zirko­ nium, Chrom, Molybdän, Niob enthält.