DE4126079A1 - Bandgiessverfahren fuer ausscheidungsbildende und/oder spannungsempfindliche und/oder seigerungsanfaellige kupferlegierungen - Google Patents
Bandgiessverfahren fuer ausscheidungsbildende und/oder spannungsempfindliche und/oder seigerungsanfaellige kupferlegierungenInfo
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- B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
- B22D11/0631—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a travelling straight surface, e.g. through-like moulds, a belt
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß eine Reihe von Kupferlegierungen mit der
herkömmlichen Methode des Blockgießens mit anschließender Warm- und
Kaltumformung mit Zwischenglühungen nicht oder nur unter
schlechter Wirtschaftlichkeit herzustellen sind, weil
- a) die Warmumformung aufgrund von Korngrenzenausscheidungen, Seigerungen oder anderen Inhomogenitäten schwierig ist oder
- b) die Gußplatten nach dem konventionellen Abkühlen spannungs empfindlich sind.
Ein Teil der geschilderten Probleme kann zwar durch das seit
Jahren geübte konventionelle Gießen von Streifen in der Dicke von
etwa 10-20 mm abgeschwächt werden, jedoch lassen sich die
geschilderten Nachteile, insbesondere das Auftreten von Seige
rungen, nicht weit genug unterdrücken. Diese dickeren Streifen
erfordern daher noch eine umständliche Nachbehandlung, bei
spielsweise eine Homogenisierungsglühung bei hohen Temperaturen
direkt nach dem Gießen bzw. nach einer geringen Kaltvorumformung
vor der eigentlichen Weiterverarbeitung zu Band.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gießverfahren
für ausscheidungsbildende und/oder spannungsempfindliche und/oder
seigerungsempfindliche Kupferlegierungen anzugeben, bei dem,
sofern es sich um ausscheidungsbildende Kupferlegierungen han
delt, die Ausbildung der Ausscheidungen ganz unterdrückt oder nur
in Form von sehr feinen Dispersionen ohne weitere Nachbehandlung
erzielt wird, und bei dem hinsichtlich der spannungsempfindlichen
Kupferlegierungen der Aufbau von Eigenspannungen weitgehend
vermieden wird und bei dem, sofern es sich um seigerungs
empfindliche Legierungen handelt, das Auftreten von Seigerungen
soweit abgeschwächt wird, daß die Legierungen direkt kaltumform
bar werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Strang
bis zu einer Dicke D 8 mm unter Einhaltung einer Erstarrungs
geschwindigkeit x=0,2-8 mm/s gegossen wird.
Unter Erstarrungsgeschwindigkeit soll dabei die mittlere Ge
schwindigkeit verstanden werden, mit der die Kristallisations
front in die flüssige Phase fortschreitet.
Durch die Einhaltung dieser Bedingungen wird ein gezielter
Gefügezustand "in situ" eingestellt, welcher die unmittelbare
Weiterverarbeitung, eventuell nach einem mechanischen Entfernen
der Gußhaut durch Zerspanen, durch Kaltwalzen ermöglicht. Die
geringe Gußdicke führt gleichzeitig zu geringen erträglichen
Spannungen im Produkt.
Es ist zwar aus der DE-PS 38 03 194 ein Bandgießverfahren für
Phosphor-Bronze bekannt, bei dem zur Vermeidung von Seigerungen
hohe Abkühlgeschwindigkeiten empfohlen werden. Dabei ist jedoch
nicht erkannt worden, daß die Abkühlgeschwindigkeit von der
Schmelzetemperatur bis zur Endtemperatur des Gießverfahrens
metallkundlich unerheblich ist, um die geschilderten Nachteile
bei ausscheidungsbildenden, spannungsempfindlichen oder stark
seigernden Kupferlegierungen zu vermeiden. Entscheidend ist
vielmehr die Einstellung einer geeigneten Kombination zwischen
der Geschwindigkeit der Erstarrungsfront bei der Verfestigung der
Schmelze und dem lokal wirkenden Temperaturgradienten.
Auch die Definition einer Abkühlgeschwindigkeit im Flüssig-
Fest-Phasengemenge kann diese Einstellung und ihre dauernde
Aufrechterhaltung nicht zutreffend beschreiben. Das erfin
dungsgemäße Gießverfahren läßt jedoch gerade hierbei eine
zielgerichtete Arbeitsweise zu.
Es ist durch die Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeiten und
lokal wirkenden Temperaturgradienten mit dem erfindungsgemäßen
Gießverfahren möglich, die Verteilungsgleichgewichte vor der
Erstarrungsfront so zu gestalten, daß bestimmte Erstarrungsvor
gänge gezielt unterdrückt und andere Erstarrungsvorgänge bevor
zugt werden können. Auf diesem Wege können z. B. peritektische
Erstarrungsvorgänge, wie sie im System Kupfer-Eisen oder Kup
fer-Zinn mit den unerwünschten Folgen primärer Eisenausscheidung
(bei CuFe) oder extremer Seigerungen (bei CuSn) bekannt sind, so
umgeformt werden, daß sie eutektisch ablaufen und die uner
wünschten Folgen ausbleiben. Diese beim erfindungsgemäßen Einsatz
des Gießverfahrens gemachten Beobachtungen werden durch neueste
Ergebnisse der Forschung (z. B. D.H. StJohn, Acta metall. mater. 38
(1990), 631-636) gestützt. Die Einstellung der notwendigen
Erstarrungsgeschwindigkeit geschieht bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren durch die Festlegung einer geeigneten Gießdicke, wobei
Werkstoffe mit höherer Wärmeleitfähigkeit das Gießen dickerer
Bänder im oberen erfindungsgemäßen Dickenbereich erlauben; bei
niedrigerer Wärmeleitfähigkeit wird vorzugsweise am unteren Ende
der Banddicke gearbeitet. Weitere mögliche Einstellparameter sind
die Kühlwirkung über die Menge des auf gebrachten Wassers und die
Gießgeschwindigkeit.
Bei Kupferlegierungen mittlerer Wärmeleitfähigkeit (10-80 W/mK)
wird vorzugsweise ein Strang im Dickenbereich von 1-5 mm
gegossen. Es empfiehlt sich, vor allem bei ausscheidungs- und
seigungsempfindlichen Legierungen eine Erstarrungsgeschwindig
keit x von 6-8 mm/s einzuhalten. Die hohe Erstarrungsgeschwin
digkeit wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Schmelze auf
ein umlaufendes, intensiv gekühltes Metallband gegossen wird. Die
Aufgabe der Schmelze erfolgt hierbei entweder auf die Umlenkrolle
des Bandes in Positionen zwischen der 9- und 12-Uhr-Lage oder auf
das zwischen den beiden Transportrollen aufgespannte Kühlerband.
Nach dem erfindungsgemäßen Gießverfahren lassen sich insbesondere
Gruppen ausscheidungsbildender und/oder spannungsempfindlicher
und/oder seigerungsanfälliger Kupferlegierungen behandeln:
- 1. Kupfer-Eisen-Zink-Phosphor-Legierung der folgenden Zusam
mensetzung:
1,8-2,6% Eisen; 0,05-0,2% Zink; 0,015-0,15% Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Titan, Zirkon, Magnesium, Zinn bis maximal 0,5%. - 2. Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung der folgenden
Zusammensetzung:
0,05-1,5% Eisen; 0,01-0,45% Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Magnesium, Titan, Zirkon, Beryllium, Zinn bis maximal 0,4%. - 3. Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,3-1,2% Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Eisen, Silizium bis maximal 0,5%. - 4. Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden
Zusammensetzung:
0,1-0,5% Chrom; 0,01-0,5% Titan; 0,01-0,25% Sili zium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahl weiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4%. - 5. Kupfer-Zirkon-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,02-0,3% Zirkon; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Chrom, Zinn, Phosphor bis maximal 0,4%. - 6. Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
5,0-15,5% Nickel; 2-8,5% Zinn; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink bis 1,5%; Chrom, Titan, Magnesium, Zirkon bis 0,5%; Phosphor bis 0,3%. - 7. Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden
Zusammensetzung:
0,2-3,0% Nickel; 0,2-3,0% Zinn; 0,1-1,5% Titan; 0,5-1% Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1%. - 8. Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgenden
Zusammensetzung:
4-10% Nickel; 1-3% Zinn; 1-3% Aluminium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink, Silizium bis 1%; Zirkon, Chrom, Titan bis 0,5%; Magnesium und Phosphor bis 0,3%. - 9. Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden
Zusammensetzung:
1-4% Nickel; 0,2-0,8% Silizium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Eisen, Mangan, Zink, Zinn bis 1,5%; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,8%; Zirkon, Phosphor bis 0,3%. - 10. Kupfer-Zinn-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
1-11% Zinn; 0,01-0,35% Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie möglicher Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Zink bis 6%; Eisen, Mangan, Nickel bis 2,5%; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5%; Zirkon bis 0,2%. - 11. Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
2-51% Zink; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Blei bis 4%; Eisen, Zinn bis 2%; Nickel bis 3%; Silizium bis 2%; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5%; Zirkon bis 0,3%; Phosphor bis 0,2%.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Gießvorrichtung zur kontinuierlichen
Herstellung eines endabmessungsnahen Metallstrangs 1 der Dicke D.
Die in einem Verteiler 2 vorhandene Metallschmelze 3 wird über
einen Kanal 4 von oben auf ein endloses Kühlband 5 aus Metall
gegeben, das über Umlenkrollen 6, 7 umläuft. Das Metallband 5
wird von der Unterseite intensiv gekühlt (vgl. die mit Ziffer 8
bezeichneten Wasserdüsen). Durch die intensive Kühlung wird ein
rascher Wärmeentzug erreicht, welcher in Verbindung mit den
anderen Verfahrensparametern zur Erzielung einer hohen Erstar
rungsgeschwindigkeit führt.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung wurde ein Strang 1 aus der
Legierung CuNi8Al1,6 Sn1,7 in einer Dicke D = 7 mm und einer
Breite von 200 mm mit einer Gießgeschwindigkeit von 10 m/min
gegossen. Die Erstarrungsgeschwindigkeit wurde hierbei zu x=2,2 mm/s
ermittelt. Nach Abfräsen von jeweils 0,5 mm der Dicke von
der Ober- und Unterseite des gegossenen Streifens konnte das
Material um 90% kaltgewalzt werden ohne Kantenrisse oder sonstige
Walzfehler.
Beim konventionellen Strangguß von Warmwalzplatten des Formates
820×130× ca. 5000 mm wurde ein Gefüge erzeugt, das durch
Warmwalzen nicht weiter und nach einer Homogenisierung nur mit
extrem starken Kantenrissen, welche sich über etwa ein Drittel
der Plattenbreite erstreckten, warmgewalzt werden konnte.
In Fig. 2 ist das Gußgefüge des gemäß der Erfindung gefertigten
Bandes dargestellt bei 50facher Vergrößerung. Man erkennt zwar
noch eine feine Dendritenstruktur, der Dendritenarmabstand ist
jedoch auf 1/5 des Wertes für den konventionellen Guß abgefallen,
weiter sind die Korngrenzen ausscheidungsfrei.
Ein Strang 1 aus der Legierung CuNi6Sn6 in einer Dicke D von 6,5 mm
und einer Breite von 150 mm wurde mit einer Gießgeschwindig
keit von 12 m/min gegossen. Die Erstarrungsgeschwindigkeit wurde
hierbei zu x=2,1 mm/s ermittelt.
Nach Abfräsen von jeweils 0,5 mm der Dicke von der Ober- und
Unterseite des gegossenen Streifens konnte das Material um 87%
kaltgewalzt werden ohne Kantenrisse oder sonstige Walzfehler. Das
Gefüge des gegossenen Bandes zeigt die Fig. 3 bei 1000facher
Vergrößerung. Es sind geringe Ausscheidungen zu erkennen, welche
jedoch die Umformbarkeit nicht beeinträchtigen.
Gießt man dagegen nach dem konventionellen Stranggießverfahren
Stangen oder Platten, so erhält man ein Gefüge, wie es Fig. 4
darstellt (ebenfalls 1000fache Vergrößerung). Es sind hier sehr
große Bereiche zu erkennen, in denen das Gefüge eine mehrphasige
Struktur aufweist. In diesen dunkel gestreiften Gefügebereichen
ist der mittlere Zinngehalt gegenüber der Umgebung um etwa
5 Gew.-% angehoben. Es handelt sich hier also um Seigerungen,
welche in Form eines Eutektikums erstarrt sind. Dieses Gefüge
weist eine sehr eingeschränkte Umformbarkeit sowohl in der Wärme
als auch bei niedrigen Temperaturen auf.
Claims (17)
1. Gießverfahren zur Herstellung eines streifenförmigen Strangs
(1) aus einer Schmelze (3) aus einer ausscheidungsbildenden
und/oder spannungsempfindlichen und/oder seigerungsanfälligen
Kupferlegierung,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) bis zu einer Dicke D 8 mm unter Ein
haltung einer Erstarrungsgeschwindigkeit x=0,2-8 mm/s
gegossen wird.
2. Gießverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) im Dickenbereich D = 1-5 mm gegossen
wird.
3. Gießverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Erstarrungsgeschwindigkeit x=6-8 mm/s einge
halten wird.
4. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze (3) auf ein umlaufendes, intensiv gekühltes
Metallband (5) gegossen wird.
5. Gießverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze (3) im Bereich der Umlenkrolle (6) zwischen
der 9- und 12-Uhr-Lage auf das Metallband (5) aufgegeben
wird.
6. Gießverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze (3) hinter der Scheitelposition der Um
lenkrolle (6) auf das Metallband (5) aufgegeben wird.
7. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Eisen-Zink-Phosphor-
Legierung der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
1,8-2,6% Eisen; 0,05-0,2% Zink; 0,015-0,15% Phosphor;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser
Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Titan,
Zirkon, Magnesium, Zinn bis maximal 0,5%.
8. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung
folgender Zusammensetzung gegossen wird:
0,05-1,5% Eisen; 0,01-0,45% Phosphor; Rest Kupfer und
übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder
mehrerer Elemente aus der Gruppe Magnesium, Titan, Zirkon,
Beryllium, Zinn bis maximal 0,4%.
9. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Chrom-Legierung der
folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
0,3-1,2% Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen
sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der
Gruppe Zirkon, Titan, Eisen, Silizium bis maximal 0,5%.
10. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-
Legierung der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
0,1-0,5% Chrom; 0,01-0,5% Titan; 0,01-0,25% Silizium;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser
Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink,
Eisen, Nickel bis maximal 0,4%.
11. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Zirkon-Legierung der
folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
0,02-0,3% Zirkon; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen
sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der
Gruppe Eisen, Chrom, Zinn, Phosphor bis maximal 0,4%.
12. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung
der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
5,0-15,5% Nickel; 2-8,5% Zinn; Rest Kupfer und übliche
Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer
Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink bis 1,5%;
Chrom, Titan, Magnesium, Zirkon bis 0,5%; Phosphor bis 0,3%.
13. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-
Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
0,2-3,0% Nickel; 0,2-3,0% Zinn; 0,1-1,5% Titan;
0,5-1% Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie
wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der
Gruppe Eisen, Zink bis 1%.
14. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-
Legierung der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
4-10% Nickel; 1-3% Zinn; 1-3% Aluminium; Rest Kupfer
und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines
oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink,
Silizium bis 1%; Zirkon, Chrom, Titan bis 0,5%; Magnesium
und Phosphor bis 0,3%.
15. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Nickel-Silizium-Legie
rung der folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
1-4% Nickel; 0,2-0,8% Silizium; Rest Kupfer und übliche
Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer
Elemente aus den Gruppen Eisen, Mangan, Zink, Zinn bis 1,5%;
Chrom, Titan, Magnesium bis 0,8%; Zirkon, Phosphor bis 0,3%.
16. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Zinn-Legierung der
folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
1-11% Zinn; 0,01-0,35% Phosphor; Rest Kupfer und übliche
Verunreinigungen sowie möglicher Zusatz eines oder mehrerer
Elemente aus den Gruppen: Zink bis 6%; Eisen, Mangan, Nickel
bis 2,5%; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5%; Zirkon bis 0,2%.
17. Gießverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strang (1) aus einer Kupfer-Zink-Legierung der
folgenden Zusammensetzung gegossen wird:
2-51% Zink; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie
wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den
Gruppen: Blei bis 4%; Eisen, Zinn bis 2%; Nickel bis 3%;
Silizium bis 2%; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5%; Zirkon
bis 0,3%; Phosphor bis 0,2%.
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