DE4136076C2

DE4136076C2 - Verfahren zur Herstellung eines Stranggußkokillenmaterials

Info

Publication number: DE4136076C2
Application number: DE19914136076
Authority: DE
Inventors: Kunio Nakashima; Ryoichi Ishigane; Takayuki Tanaka; Kenzo Yamamoto
Original assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Current assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2011-10-31
Also published as: DE4136076A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stranggußkokillenmaterials ge mäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Um die Lebensdauer von Stranggußkokillen zu verlängern oder die Qualität von Gußartikeln zu verbessern, besteht ein Bedarf an Kokillenmaterialien, die eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Wärmedeformierung und gegen Reißen durch Wärmeermüdung besitzen.

Zu diesem Zweck haben wir ausscheidungshärtende Kokillenmaterialien auf der Basis von Cu-Ni-Be entwickelt und in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-3940 vorgeschla gen, die eine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Im Stand der Technik werden Stranggußkokillen mit einem Verfahren hergestellt, das die Schritte Warmverformen oder -walzen, Wärmebehandlung für die feste Lösung und Alte rungsbehandlung umfaßt oder Warmverformen oder -walzen, Wärmebehandlung für die feste Lösung, Kaltverformen oder -walzen und Wärmebehandlung umfaßt.

Bekannte Kupferlegierungen, die als ausscheidungshärtende Kokillenmaterialien nützlich sind, werden über Chrom-Kupfer-Legierungen oder Chrom-Zirkonium-Kuper-Legierungen im Hinblick auf die Hochtemperaturfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Wärmede formierung der resultierenden Kokille verbessert. Es tritt jedoch dabei das Problem auf, daß, in Abhängigkeit von der Art des zugesetzten Elements, die Wärmeleitfähigkeit abgesenkt und die Temperatur der Kokille erhöht wird. Der Temperaturanstieg der Kokille erhöht die in der Kokille erzeugte thermische Belastung. Insbesondere bei hohen Temperaturen kann ein Aus härtungsgrad, der notwendig ist, um die Festigkeit des Kokillenmaterials aufrechtzuerhalten, nicht erreicht werden, mit der Möglichkeit, daß Wärmedeformierung oder Reißen durch Wärmeermüdung die Folge sind.

Aus der JP 142740 ist die Herstellung von Stranggußkokillen aus aushärtbaren Kupferlegie rungen bekannt.

Aus der DE 16 08 146 A ist bereits bekannt, eine aushärtbare Kupferlegierung mit guter Leitfähigkeit und Festigkeit dadurch herzustellen, daß die Legierungen um 50 bis 75% warmverformt, anschließend bei 950 bis 1000°C homogenisiert, abgekühlt und um 75% kaltverformt, bei 450 bis 600°C ausgelagert und abschließend um 60 bis 75% kaltverformt wird.

Aus der US 4,047,980 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit von Legierungen beschrieben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Strang gußkokillenmaterials zur Verfügung zu stellen, mit dem ein hochfestes Kokillenmaterial ohne Absenkung sowohl der Wärmeleitfähigkeit als auch der elektrischen Leitfähigkeit erhalten werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem gattungsgemäßen Verfahren gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich aus Un teranspruch 2.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material gegenüber den nach den Ver fahren nach dem Stand der Technik erhaltenen Produkten bedeutend verbessert und besitzt eine sehr hohe Festigkeit und weist eine stabile Dehnung bei hohen Temperaturen und eine gute Zähigkeit auf. Demgemäß ist kein zusätzliches Element zur Erreichung hoher Festigkeit erforderlich, und der Anstieg der Kokillentemperatur kann unterdrückt werden.

Im allgemeinen wird die elektrische Leitfähigkeit (% I.A.C.S.) bei ausscheidungshärtenden Kokillenmaterialien durch Einbeziehung eines zusätzlichen dritte Elementes, das für eine hö here Festigkeit zugegeben wird, abgesenkt. Die elektrische Leitfähigkeit steht in direktem Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit, d. h. eine höhere "% I.A.C.S." führt zu einer hohen Wär meleitfähigkeit und umgekehrt. Demgemäß führt die Absenkung der "% I.A.C.S." zu einer Absenkung der Wärmeleitfähigkeit, was den Anstieg der Kokillentemperatur begünstigt.

Die ausscheidungshärtenden Kokillenmaterialien, die für die vorliegende Erfindung nützlich sind, sind alle Kupferlegierungen, die in der Lage sind, durch Erhitzen auf niedrige Tempe raturen und Abkühlen (Altern) nach Erhitzen auf hohe Temperaturen und Abschrecken (Festl sungsbehandlung) auszuhärten. Spezifische Beispiele solcher Materialien schließen Cr-Cu, Cr-Zr-Cu, Cu-Ni-Be-Cr, Cu-Ni-Be, Cu-Ni-Si, Cu-Be-Co, Cu-Ti und Kupferlegierungen, die andere Elemente enthalten, ein.

Bei der praktischen Umsetzung der Erfindung kann das Kokillenmaterial in seinen charakteri stischen Eigenschaften noch mehr verbessert werden, wenn die Schritte der Wärmebehand lung für das Aushärten und der Warm- oder Kaltverformung durch Walzen wenigstens einmal wiederholt werden. Das resultierende Kokillenmaterial hat eine höhere Festigkeit. Wenn die Anzahl der Wiederholungen jedoch unerwünscht größer wird, werden die Verarbeitungsei genschaften wegen höheren Festigkeit schlechter, und die Festigkeit wird nicht proportional zur Anzahl der Wiederholungen verbessert. Demgemäß ist es bevorzugt, die Schritte nur ein mal zu wiederholen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Figs. 1 bis 3 jeweils graphische Darstellungen der Hochtemperatur-Zugfestigkeit, Hochtem peratur-Dehngrenze und Hochtemperatur-Dehnung für ein Kokillenmaterial, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und für ein Kokillenmaterial, das nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wurde.

Die entsprechenden Schritte des Verfahrens nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden im folgenden beschrieben.

Eine zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignete und oben dargelegte Kupfer legierung wird bereitgestellt.

1. Die Legierung wird einer Warmverformung oder Warmwalzung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C unterworfen, um eine Kupferlegierungsplatte mit einem gewünschten Quer schnitt zu erhalten.
2. Die Kupferlegierungsplatte wird auf eine Temperatur erwärmt, die für eine Festlösungs behandlung ausreicht, z. B. auf eine Temperatur von etwa 1000°C, und abgekühlt.
3. Die Kupferlegierungsplatte wird einer Warmverformung oder Warmwalzung bei einer Temperatur von nicht mehr als 500°C und vorzugsweise einer Warmverformung oder Kalt verformung bei Raumtemperatur unterworfen, so daß der Querschnittsbereich der Legie rungsplatte um 2 bis 50%, vorzugsweise etwa 30% verringert wird.
4. Das so verdünnte Blatt wird dann auf eine Temperatur von etwa 500°C erwärmt und zur Alterung abgekühlt.
5. Anschließend wird die so gealterte Platte einer Warmverformung oder Warmwalzung bei einer Temperatur von nicht mehr als 500°C, vorzugsweise einer Kaltverformung oder Kalt walzung bei Raumtemperatur unterworfen, so daß der Querschnittsbereich der Platte um 2 bis 50% vorzugsweise um etwa 30% verringert wird.

In einer bevorzugteren Ausführungsform werden die Schritte (4) und (5) wenigstens einmal wiederholt, wodurch ein Kupferblatt mit höherer Festigkeit erhalten wird. Die vorliegende Erfindung wird im folgenden noch genauer beschrieben.

In Tabelle 1 sind Verfahren zur Herstellung von Kokillenmaterialien gemäß der Erfindung und gemäß Verfahren nach dem Stand der Technik gezeigt, zusammen mit der Leitfähigkeit (% I.A.C.S.) der Materialien, die nach den entsprechenden Verfahren erhalten wurden. In den Figs. 1, 2 und 3 werden typische Kokillenmaterialien, wie oben erhalten, miteinander im Hin blick auf die Hochtemperatur-Zugfestigkeit, Hochtemperatur-Dehngrenze und Hochtempera tur-Dehnung verglichen.

Das zu bearbeitende Ausgangsmaterial ist eine Kupferlegierung, die aus 0,8% Cr, 0,2% Zr und Rest Cu besteht.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 und Fig. 1 bis 3 deutlich wird, besitzen die gemäß der Erfindung erhalte nen Kokillenmaterialien eine sehr viel größere Festigkeit als diejenigen der Vergleichsmate rialien und weisen eine stabile Dehnung bei hohen Temperaturen und eine gute Zähigkeit auf.

Das Kaltverformen oder -walzen nach der Festlösungsbehandlung gemäß dem Verfahren der Erfindung ist nicht wirkungsvoll, wenn der Umformungsgrad geringer ist als 2%. Über 50% wird die Festigkeit nicht im Verhältnis zur Bearbeitungsrate erhöht, ist aber befriedigend. Das Kaltverformen oder -walzen kann durch ein Warmverformen oder -walzen bei Temperaturen von nicht mehr als 500°C ersetzt werden. Wie das Kaltverformen oder -walzen nach der Festlösungsbehandlung ist das Kaltverformen oder -walzen nach der Alterung nicht wir kungsvoll, wenn der Umformungsgrad geringer ist als 2%. Über 50% sind die Bearbeitungs eigenschaften aufgrund der Bearbeitungshärtung verschlechtert, und die Festigkeit steigt nicht im Verhältnis mit dem Umformungsgrad an. Das Kaltverformen oder -walzen kann durch Warmverformen oder -walzen bei Temperaturen von nicht mehr als 500°C ersetzt werden.

Ähnliche Experimente wurden unter Verwendung anderer Kupferlegierungen durchgeführt, einschließlich eine Legierung, die 0,8% Cr und Rest Cu enthält, einer Legierung, die 1% Ni, 0,15% Be, 0,20% Zr, 0,05% Mg und Rest Cu enthält, einer Legierung, die 1,5% Ni, 0,3% Be und Rest Cu enthält, einer Legierung, die 1,8% Ni, 0,7% Si und Rest Cu enthält, und ei ner Legierung, die 0,5% Be, 2,5% Co und Rest Cu enthält. Die Ergebnisse und -verfahren sind in den Tabellen 2 bis 6 unten zusammengefaßt.

Es ist anzumerken, daß die oben erwähnten Legierungen alle aus dem Stand der Technik als ausscheidungshärtende Kokillenmaterialien bekannt sind. Zum Beispiel ist bei der Chrom/Zirkonium/Kupfer-Legierung, die bei dem in Tabelle 1 dargestellten Test verwendet worden ist, eine Festlösungsbehandlungstemperatur im Bereich von 900 bis 1000°C und eine Alterungstemperatur im Bereich von 400 bis 500°C allgemein anerkannt, und diese Tempe raturbedingungen sind im Test von Tabelle 1 verwendet worden. Sofern nicht anders angege ben, werden diese Bedingungen in den in den Tabellen 2 bis 6 gezeigten Test verwendet. Ge nauer gesagt werden in den Tabellen 2 bis 6 die folgenden Bedingungen verwendet, und die in den Tabellen verwendeten Abkürzungen werden ebenfalls unten dargestellt.

a) Warmverformen/-walzen: 900°C
b) Festlösungsbehandlung: 1000°C/Abkühlen mit Wasser
c) Alterungsbehandlung: 500°C × 3 Stunden
HW: Warmverformen/-walzen
ST: Festlösungsbehandlung
AG: Alterung

"%" in Klammern zeigt die Verringerungsrate einer Querschnittsfläche oder eine Bearbei tungsrate an.

Tabelle 2

Legierung aus 0,8% Cr und Rest Cu

Tabelle 3

Legierung aus 1% Ni, 0,15% Be, 0,20% Zr, 0,05% Mg und Rest Cu

Tabelle 4

Legierung aus 1,5% Ni, 0,3% Be und Rest Cu

Tabelle 5

Legierung aus 1,8% Ni, 0,7% Si und Rest Cu

Tabelle 6

Legierung aus 0,5% BE, 2,5% Co und Rest Cu

Wie aus dem vorstehenden deutlich wird, können die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Kokillenmaterialien gegenüber ihren Gegenstücken aus dem Stand der Technik im Hinblick auf die Zugfestigkeit, die Dehngrenze und die Dehnung merkbar verbessert werden und werden in ihrer Wärmeleitfähigkeit nicht abgesenkt, da kein zusätzliches Element, das die Leitfähigkeit nachteilig beeinflussen könnte, zugesetzt wird. Wenn das Gemäß der Erfindung erhaltene Gießformmaterial bei einer Kokille für Strangguß verwendet wird, kann sie einer Verwendung unter Hochtemperaturbedingungen widerstehen und Wär medeformierung und Reißen durch Wärmeermüdung verhindern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Stranggußkokillenmaterials aus einem aushärtbaren Ma terial auf Cu-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß das bereitgestellte Material warmver formt wird; das Material einer Behandlung unterzogen wird, um eine feste Lösung zu er halten; die feste Lösung einer Warm- oder Kaltverformung mit einem Umformgrad im Bereich von 2 bis 50% unterzogen wird; das bearbeitete Material ausgelagert wird; und das ausgehärtete Material erneut einer Warm- oder Kaltverformung mit einem Umform grad im Bereich von 2 bis 50% unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslagerungsschritt und der anschließende Schritt der Warm- oder Kaltverformung wenigstens einmal wiederholt werden.