EP0346645B1 - Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung - Google Patents

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EP0346645B1
EP0346645B1 EP89109136A EP89109136A EP0346645B1 EP 0346645 B1 EP0346645 B1 EP 0346645B1 EP 89109136 A EP89109136 A EP 89109136A EP 89109136 A EP89109136 A EP 89109136A EP 0346645 B1 EP0346645 B1 EP 0346645B1
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casting
zirconium
copper alloy
copper
blocks
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KM Kabelmetal AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0637—Accessories therefor
    • B22D11/0648—Casting surfaces
    • B22D11/066—Side dams

Definitions

  • the invention relates to the use of a hardenable copper alloy for the production of blocks for the side dams of double belt casting systems, in which the melt solidifies in the gap of two strips guided in parallel.
  • the side dams consist of metal blocks which are lined up on an endless belt, for example made of steel, and which move in the longitudinal direction synchronously with the casting belts.
  • the metallic dam blocks laterally delimit the mold cavity formed by the casting belts.
  • a hardenable copper alloy is described as a material for the blocks of side dams in US Pat. No. 3,955,615.
  • This alloy consisting of 1.5 to 2.5% nickel, 0.4 to 0.9% silicon, 0.1 to 0.5% chromium and 0.1 to 0.3% iron, the rest of copper, is usually used in double belt casting plants used for the continuous continuous casting of copper.
  • the side dam blocks made from this copper alloy tend to experience fatigue cracks in the area of the T-slot after a relatively short period of operation.
  • the alloy also has a relatively low electrical conductivity with about 35% IACS and thus also a too low thermal conductivity.
  • copper-based alloys containing beryllium are also unsuitable for the production of side dam blocks, since damage to health when machining or regrinding the blocks cannot be ruled out with certainty.
  • the object of the present invention is to provide a material for the production of casting molds which is insensitive to cracking under a thermal shock treatment and which also has a high heat resistance.
  • the solution to this problem according to the invention consists in the use of a hardenable copper alloy of 1.6 to 2.4% nickel, 0.5 to 0.8% silicon, 0.01 to 0.20% zirconium, the rest of copper including production-related impurities and more Processing additives as a material for the production of casting molds that are subject to permanent changing temperature stress, in particular blocks for the side dams of double belt casting plants.
  • a hardenable copper alloy of 1.6 to 2.4% nickel, 0.5 to 0.8% silicon, 0.01 to 0.20% zirconium, the rest of copper including production-related impurities and more Processing additives as a material for the production of casting molds that are subject to permanent changing temperature stress, in particular blocks for the side dams of double belt casting plants.
  • an addition of up to 0.4% chromium and - if necessary to reduce the grain growth during solution annealing - an iron addition of up to 0.2% is particularly advantageous.
  • the specific effect of the zirconium on the insensitivity of the copper material to crack formation is not adversely affected
  • Deoxidants such as boron, lithium, magnesium or phosphorus, up to a maximum of 0.03%, as well as usual manufacturing-related impurities also have no negative influence on the tendency to crack of the alloy to be used according to the invention.
  • a hardenable copper-nickel-silicon-zirconium alloy is already known from DE-OS 26 34 614, the composition of which consists of 1 to 5% nickel, 0.3 to 1.5% silicon, 0.05 to 0.35 % Zirconium, rest copper.
  • this known alloy is to be used for the production of objects which, in the hardenable state, must have increased toughness at room temperature.
  • the description shows that the effect of zirconium is particularly favorable if the material is subjected to a cold deformation of 10 to 40% between solution annealing and hardening.
  • zirconium in the merely hardened state and not cold-formed before hardening, practically eliminates the sensitivity to thermal shock of the known copper-nickel-silicon alloy. Additional studies also found that the heat resistance of the alloy to be used according to the invention at 500 ° C. significantly exceeds that of the materials previously used for the production of blocks of side dams.
  • alloys A, B, C Three alloys to be used according to the invention (alloys A, B, C) and three comparative alloys (alloys D, E, F) show how critical the composition of the respective example alloys is in order to achieve the desired combination of properties.
  • the composition of the example alloys is given in Table 1 in% by weight.
  • Alloys A and D were melted in a vacuum furnace, the remaining alloys were melted in air in a medium-frequency furnace, each cast into circular blocks with a diameter of 173 mm and extruded into rods of the format 55 ⁇ 55 mm. After solution annealing at 790 to 810 ° C, the bars were cured at 480 ° C for four hours.
  • the tensile strength R m at room temperature, the Brinell hardness HB (2.5 / 62.5), the electrical conductivity and the heat resistance (R m at 500 ° C.) were determined on the example alloys.
  • the thermal shock behavior was finally checked on blocks measuring 50 ⁇ 50 ⁇ 40 mm.
  • the blocks were first kept at 500 ° C. for two hours and then quenched in water at 25 ° C. It was usually possible to determine with the naked eye whether the blocks showed cracks or were free of cracks after the thermal shock test.
  • the T-slot of the blocks was checked with a microscope at 10x magnification. The extent of the cracks found, which all originated from the T-slot of the blocks, was mainly in the range from 1 to 7 mm, in individual cases the cracks even reached a length of over 20 mm.
  • the comparison shows that the alloys A, B and C to be used according to the invention have comparable strength properties at room temperature, both in terms of their electrical properties and, in particular, in terms of their heat resistance and thermal shock behavior, overall more favorable values than the comparative alloys D, E and F.
  • the copper alloy to be used according to the invention is therefore outstandingly suitable for all casting molds which are subject to a permanently changing temperature load during the casting process.
  • these are above all casting wheels and casting belts, as well as die casting molds and pressure pistons for die casting machines.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung zur Herstellung von Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen, bei denen die Schmelze im Spalt von zwei parallel geführten Bändern erstarrt. Die Seitendämme bestehen bei der beispielsweise aus der US-PS 3 865 176 bekannten Doppelbandgießanlage aus Metallblöcken, die auf einem endlosen Band, zum Beispiel aus Stahl, aufgereiht sind und die sich synchron mit den Gießbändern in Längsrichtung bewegen. Die metallischen Seitendamm-Blöcke (dam blocks) grenzen dabei den durch die Gießbänder gebildeten Gießformhohlraum seitlich ein.
  • Die Leistungsfähigkeit von Doppelbandgießanlagen hängt entscheidend von der einwandfreien Funktion der aus Blöcken gebildeten Seitendammkette ab. So ist es erforderlich, daß die Blöcke eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, damit die Schmelzbeziehungsweise Erstarrungswärme möglichst rasch abgeführt werden kann. Um einen frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten der Blöcke durch mechanische Beanspruchung zu vermeiden, die zur Spaltbildung zwischen den Blöcken und dann zum Eindringen der Schmelze in diesen Spalt führt, muß der Werkstoff neben einer hohen Härte und Zugfestigkeit auch eine geringe Korngröße aufweisen. Von ganz entscheidender Bedeutung ist schließlich ein optimales Ermüdungsverhalten, welches sicherstellt, daß nach dem Verlassen der Gießstrecke die beim Rückkühlen der Blöcke auftretenden thermischen Spannungen nicht zum Reißen der Blöcke in den Ecken der für die Aufnahme des Stahlbandes eingearbeiteten T-Nut führt. Treten nämlich derartige durch Thermoschock hervorgerufene Risse auf, fällt schon nach kurzer Zeit der betreffende Block aus der Kette heraus, wobei das schmelzflüssige Metall aus dem Gießformhohlraum unkontrolliert auslaufen und Anlagenteile beschädigen kann. Für das Auswechseln des schadhaften Blocks muß die Anlage angehalten und der Gießvorgang unterbrochen werden.
  • Zur Überprüfung der Rißneigung hat sich eine Testmethode bewährt, bei der die Blöcke einer zweistündigen Wärmebehandlung bei 500°C unterzogen und anschließend in Wasser von 25°C abgeschreckt werden. Auch bei mehrfacher Wiederholung dieser Thermoschockprüfung, dürfen bei einem geeigneten Material keine Risse im Bereich der T-Nut auftreten.
  • Als Werkstoff für die Blöcke von Seitendämmen ist in der US-Patentschrift 3 955 615 eine aushärtbare Kupferlegierung beschrieben. Diese aus 1,5 bis 2,5% Nickel, 0,4 bis 0,9% Silizium, 0,1 bis 0,5% Chrom und 0,1 bis 0,3% Eisen, Rest Kupfer bestehende Legierung wird üblicherweise in Doppelbandgießanlagen zum kontinuierlichen Stranggießen von Kupfer eingesetzt. Allerdings neigen die aus dieser Kupferlegierung hergestellten Seitendammblöcke schon nach relativ kurzer Betriebszeit der Gießanlage zu Ermüdungsrissen im Bereich der T-Nut. Neben dem unbefriedigenden Verhalten bei der Thermoschockprüfung weist die Legierung ferner mit etwa 35% IACS eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit und damit auch eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Ungeeignet für die Herstellung von Seitendammblöcken sind schließlich auch Kupferbasislegierungen, die Beryllium enthalten, da Gesundheitsschädigungen bei der Bearbeitung oder beim Nachschleifen der Blöcke nicht mit Sicherheit auszuschließen sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstoff für die Herstellung von Gießformen zur Verfügung zu stellen, der gegenüber einer Thermoschockbehandlung rißunempfindlich und der zudem eine hohe Warmfestigkeit aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung aus 1,6 bis 2,4% Nickel, 0,5 bis 0,8% Silizium, 0,01 bis 0,20% Zirkonium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze als Werkstoff zur Herstellung von beim Gießen einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegenden Gießformen, insbesondere von Blökken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit ist ein Zusatz von bis zu 0,4% Chrom sowie ― gegebenenfalls zur Reduzierung des Kornwachstums beim Lösungsglühen ― ein Eisenzusatz von bis zu 0,2% besonders vorteilhaft. Die spezifische Wirkung des Zirkoniums auf die Unempfindlichkeit des Kupferwerkstoffs gegenüber Rißbildung wird durch derartige Zusätze innerhalb der angegebenen Gehaltsbereiche nicht negativ beeinflußt.
  • Desoxidationsmittel, wie zum Beispiel Bor, Lithium, Magnesium oder Phosphor, bis zu maximal 0,03% sowie übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen haben ebenfalls keinen negativen Einfluß auf die Rißneigung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung.
  • Aus der DE-OS 26 34 614 ist zwar schon eine aushärtbare Kupfer-Nickel-Silizium-Zirkonium-Legierung bekannt, deren Zusammensetzung aus 1 bis 5% Nickel, 0,3 bis 1,5% Silizium, 0,05 bis 0,35% Zirkonium, Rest Kupfer besteht. Diese bekannte Legierung soll jedoch zur Herstellung von Gegenständen verwendet werden, die im aushärtbaren Zustand bei Raumtemperatur eine erhöhte Zähigkeit aufweisen müssen. Aus der Beschreibung geht hervor, daß die Wirkung des Zirkoniums insbesondere dann günstig ist, wenn der Werkstoff zwischen dem Lösungsglühen und dem Aushärten einer Kaltverformung von 10 bis 40% unterzogen wird.
  • Als um so überraschender ist es bei der vorliegenden Erfindung anzusehen, daß Zirkonium im lediglich ausgehärteten, und vor dem Aushärten nicht kaltverformten Zustand die Thermoschockempfindlichkeit der bekannten Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung praktisch beseitigt. Durch ergänzende Untersuchungen wurde außerdem festgestellt, daß die Warmfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bei 500°C diejenige der bisher für die Herstellung von Blöcken von Seitendämmen eingesetzten Werkstoffe deutlich übertrifft.
  • Es hat sich ferner herausgestellt, daß weitere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften erreicht werden können, wenn ein Teil des Zirkoniumgehalts durch bis zu 0,15% mindestens eines Elements aus der Gruppe Cer, Hafnium, Niob, Titan und Vanadium ersetzt ist.
  • Anhand von einigen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. An drei erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen (Legierungen A, B, C) und drei Vergleichslegierungen (Legierungen D, E, F) wird gezeigt, wie kritisch die Zusammensetzung der jeweiligen Beispiellegierungen ist, um die gewünschte Eigenschaftskombination zu erreichen. Die Zusammensetzung der Beispiellegierungen ist in Tabelle 1 jeweils in Gew.% angegeben.
    Figure imgb0001
  • Die Legierungen A und D wurden im Vakuumofen, die übrigen Legierungen wurden an Luft in einem Mittelfrequenzofen erschmolzen, jeweils zu Rundblöcken mit einem Durchmesser von 173 mm abgegossen und zu Stangen des Formats 55 × 55 mm stranggepreßt. Nach einem Lösungsglühen bei 790 bis 810°C wurden die Stangen vier Stunden lang bei 480°C ausgehärtet. An den Beispiellegierungen wurden jeweils die Zugfestigkeit Rm bei Raumtemperatur, die Brinellhärte HB (2,5/62,5), die elektrische Leitfähigkeit sowie die Warmfestigkeit (Rm bei 500°C) ermittelt.
  • An Blöcken der Abmessung 50 × 50 × 40 mm wurde schließlich das Thermoschockverhalten überprüft. Hierzu wurden die Blöcke zunächst zwei Stunden bei 500°C gehalten und dann in Wasser von 25°C abgeschreckt. Ob die Blöcke nach dem Thermoschocktest Risse aufwiesen oder rißfrei waren, konnte in der Regel mit bloßem Auge festgestellt werden. Ergänzend wurde die T-Nut der Blöcke mit einem Mikroskop bei 10-facher Vergrößerung überprüft. Die Ausdehnung der festgestellten Risse, die sämtlich von der T-Nut der Blöcke ausgingen, lag hauptsächlich im Bereich von 1 bis 7 mm, in Einzelfällen erreichten die Risse sogar eine Länge von über 20 mm.
  • Sämtliche Untersuchungsergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
    Figure imgb0002
  • Der Gegenüberstellung ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen A, B und C bei vergleichbaren Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur sowohl in ihren elektrischen Eigenschaften als auch insbesondere im Warmfestigkeits- und im Thermoschockverhalten insgesamt günstigere Werte aufweisen als die Vergleichslegierungen D, E und F.
  • Die erfindungsgemäß zu verwendende Kupferlegierung eignet sich daher hervorragend für sämtliche Gießformen, die beim Gießvorgang einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegen. Dies sind neben den Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen vor allem Gießräder und Gießbänder, ferner Druckgießformen und Druckkolben für Druckgießmaschinen.

Claims (6)

1. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung aus 1,6 bis 2,4% Nickel, 0,5 bis 0,8% Silizium, 0,01 bis 0,20% Zirkonium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze als Werkstoff zur Herstellung von Gießformen, die beim Gießen einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegen, insbesondere von Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen.
2. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß Anspruch 1, die außerdem noch bis zu 0,4% Chrom und/oder bis zu 0,2% Eisen enthält, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
3. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Zirkoniumgehalt von 0,03 bis 0,15% für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
4. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, die 1,9 bis 2,25% Nickel, 0,55 bis 0,65% Silizium, 0,20 bis 0,30% Chrom, 0,08 bis 0,15% Zirkonium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze enthält, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
5. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Teil des Zirkoniumgehalts durch bis zu 0,15% mindestens eines Elements aus der Gruppe Cer, Hafnium, Niob, Titan und Vanadium ersetzt ist, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
6. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die zunächst bei 700 bis 900°C geglüht dann abgeschreckt und anschließend einer 0,5 bis 10-stündigen Aushärtungsbehandlung bei 350 bis 520°C unterworfen wird, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
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