EP1340564B1 - Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung - Google Patents

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EP1340564B1
EP1340564B1 EP03001084A EP03001084A EP1340564B1 EP 1340564 B1 EP1340564 B1 EP 1340564B1 EP 03001084 A EP03001084 A EP 03001084A EP 03001084 A EP03001084 A EP 03001084A EP 1340564 B1 EP1340564 B1 EP 1340564B1
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EP
European Patent Office
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mpa
copper alloy
tensile strength
hot
cobalt
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EP03001084A
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EP1340564A3 (de
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Thomas Dipl.-Ing. Helmenkamp
Dirk Dr.-Ing. Rode
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Cunova GmbH
Original Assignee
KME Germany GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • 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 curable copper alloy as a material for the production of blocks for the side dams of strip casting plants.
  • the side dams consist in the example of the U.S. Patent 3,865,176 known strip casting from metallic form or Soendammblöcken with T-groove, which on a flexible endless belt, z. As steel, are lined up and move in synchronism with the casting belts in the longitudinal direction. The side dam blocks (dam blocks) thereby limit the mold cavity formed by the casting belts.
  • EP 0 346 645 B1 describes a curable copper-based alloy consisting of 1.6 to 2.4% nickel, 0.5 to 0.8% silicon, 0.01 to 0.2% zirconium, optionally up to 0.4% chromium and / or bis to 0.2% iron, balance copper including manufacturing impurities.
  • This known copper alloy basically meets the requirements for a long service life, if it is used as a material for the production of standard shaped blocks for the side dams of strip casting plants.
  • CuNiSiZr alloy described disadvantageously tends at very high mechanical and thermal stresses in the casting operation of a strip casting plant for premature wear of the side edges and casting surfaces. This wear is - as research results have shown - due to a material softening of the casting edges and surfaces to a value below 160 HV.
  • the thermal shock resistance of the known CuNiSiZr alloy when used as a side dam block with tongue and groove is not always sufficient to effectively prevent cracking in the T-slot in the casting insert.
  • EP 0 548 636 A and US 4 179 314 A disclose other Cu alloys and their use for molds
  • composition of alloy D is a known CuNiSi base alloy, while E and F are standardized CuCo2Be and CuCoNiBe materials, respectively.
  • All copper alloys were melted in an induction crucible furnace and cast in a continuous casting process into round blocks with a diameter of 280 mm.
  • the round blocks of the example alloys A, B and C were extruded on an extruder at a temperature above 900 ° C to flat bars of dimension 79 x 59 mm and then drawn with a cross-sectional decrease of 12% to the dimension 75 x 55 mm.
  • the blocks of the comparative alloys D, E and F were extruded directly at the same temperature to the dimension 75 x 55 mm and subjected to no additional cold working.
  • the CuCoBe or CuCoNiBe materials were then solution-annealed at 900 to 950 ° C and cured in the temperature range between 450 and 550 ° C for 0.5 to 16 hours.
  • the CuNiSi-based alloy was solution-annealed at 800 to 850 ° C and cured under the same conditions. When cured, tensile strength Rm, Vickers hardness HV10, electrical conductivity (as a substitute for thermal conductivity), ASTM E112 grain size, Rm heat resistance at 500 ° C and softening resistance via Vickers hardness measurement (HV10) after aging at 500 ° C determined after a period of 500 hours.
  • thermoforming blocks (1) measuring 70 x 50 x 40mm and shaped blocks (2) with tongue and groove measuring 70 x 50 x 47mm the thermal shock behavior was finally tested.
  • the mold blocks were first annealed for two hours at 500 ° C and then quenched in water at 20 to 25 ° C.
  • the T-slot of the blocks was then examined for cracks with the naked eye and a microscope at 10x magnification.
  • Table 2 alloy Rm MPa HV 10 Guide% IACS Grain size ⁇ m Rm (500 ° C) MPa Hardness HV 10 after aging at 500 ° C over 500h Behavior after thermal shock test Block (1)
  • Block (2) A 801 254 50 30-90 523 173 crack-free crack-free B 804 245 51.5 45-90 464 175 crack-free crack-free C 812 255 49.5 45 -90 485 167 crack-free crack-free D 652 205 43 45 -90 387 118 crack-free cracked e 786 260 50.5 up to 5000 423 150 cracked cracked cracked F 807 248 48.5 up to 3000 434 152 cracked cracked cracked
  • the copper alloy disclosed in claim 1 is therefore eminently suitable as a material for the production of all mold blocks for the side dams of strip casting plants subject to the casting process of a typical alternating temperature stress. These are both the previously used mold blocks and the mold blocks in the design with tongue and groove according to EP 0 974 413 A1 ,

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung als Werkstoff zur Herstellung von Blöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen.
  • Das weltweite Ziel, insbesondere der Stahl- und Kupferindustrie, Halbzeug möglichst endabmessungsnah zu gießen, um Warm- und/oder Kaltverformungsschritte einzusparen, hat schon vor 1970 zu der Entwicklung der sogenannten Hazelett-Bandgießanlagen geführt, bei denen die Metallschmelze im Spalt von zwei parallel geführten Bändern erstarrt. Die Seitendämme bestehen bei der beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 865 176 bekannten Bandgießanlage aus metallischen Form- oder Seitendammblöcken mit T-Nut, die auf einem flexiblen endlosen Band, z. B. aus Stahl, aufgereiht sind und die sich synchron mit den Gießbändern in Längsrichtung bewegen. Die Seitendammblöcke (Damblocks) grenzen dabei den durch die Gießbänder gebildeten Gießformhohlraum ein.
  • Weiterhin sind aus der EP 0 974 413 A1 aus Blöcken mit Nut und Feder gebildete Seitendammketten für Bandgießanlagen bekannt. Der Vorteil dieser weiterentwikkelten Formblöcke mit Nut und Feder liegt in einer genaueren Ausrichtung und Führung der Blöcke im Gießprozeß und führt zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität des gegossenen Strangs. Um einen frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten der Blöcke durch plastische Verformung und Rißbildung zu verhindern, muß ein geeigneter Werkstoff eine hohe Härte und Festigkeit, ein feinkörniges Gefüge und eine gute Langzeiterweichungbeständigkeit aufweisen. Um die Erstarrungswärme aus der flüssigen Metallschmelze abzuführen, ist ferner eine hohe thermische Leitfähigkeit des Formblockwerkstoffs erforderlich.
  • Von ganz entscheidender Bedeutung ist schließlich ein optimales Ermüdungsverhalten des Werkstoffs, 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. Besonders hohe thermische Spannungen sind dabei - bedingt durch die ungünstigere Geometrie und Massenverteilung - bei Seitendammblöcken in der Ausführung mit Nut und Feder zu erwarten.
  • Treten derartige durch Thermoschock hervorgerufene Risse auf, fällt schon nach kurzer Zeit der betreffende Formblock aus der Seitendammkette der Bandgießmaschine heraus, wobei schmelzflüssiges Metall aus dem Gießformhohlraum unkontrolliert auslaufen und Anlagenteile beschädigen kann. Für das Auswechseln der schadhaften Formblöcke muß die gesamte Bandgießanlage angehalten und der Gießvorgang unterbrochen werden.
  • Zur Überprüfung der Rißneigung hat sich eine Testmethode bewährt, bei der die Formblöcke einer zweistündigen Wärmebehandlung bei 500°C unterzogen und anschließend in Wasser von 20 bis 25°C abgeschreckt werden. Auch bei mehrfacher Wiederholung dieser Thermoschockprüfung dürfen bei einem geeigneten Material keine Risse in der T-Nutfläche auftreten.
  • In der EP 0 346 645 B1 wird eine aushärtbare Kupferbasislegierung beschrieben, die aus 1,6 bis 2,4 % Nickel, 0,5 bis 0,8 % Silizium, 0,01 bis 0,2 % Zirkonium, wahlweise bis zu 0,4 % Chrom und/oder bis zu 0,2 % Eisen, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen besteht. Diese bekannte Kupferlegierung erfüllt grundsätzlich die Voraussetzungen für eine hohe Standzeit, falls sie als Werkstoff für die Herstellung von Standardformblöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen verwendet wird. Für diese Kupferlegierung wird folgende Eigenschaftskombination angegeben:
    Rm bei 20°C: 635 bis 660 MPa
    Rm bei 500°C: 286 bis 372 MPa
    Brinellhärte: 185 bis 191 HB (entspricht etwa 195 bis 210 HV)
    Leitfähigkeit: 41,4 bis 43,4 % IACS
  • Beim Thermoschocktest treten keine Risse auf. Ein Vorteil gegenüber Beryllium-haltigen Kupferbasislegierungen besteht in der Möglichkeit, die Formblöcke manuell trocken nachschleifen zu können, da kein Beryllium im Schleifstaub enthalten ist. Die Nachbearbeitung eingesetzter Seitendammblöcke mit Nut und Feder ist erheblich aufwendiger und erfordert in der Regel eine maschinelle (Naß)-Reinigung der T-Nut und der Gießflächen (z. B. in geschlossenen Kammern), wodurch die Freisetzung von Schleifstäuben unterbunden wird. Ein Einsatz Beryllium-haltiger Legierungen wäre unter diesen Bedingungen somit grundsätzlich möglich.
  • Ein Seitendammblock aus der in der EP 0 346 645 B1 beschriebenen CuNiSiZr-Legierung neigt jedoch nachteiligerweise bei sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen im Gießbetrieb einer Bandgießanlage zum frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten und Gießflächen. Dieser Verschleiß ist - wie Untersuchungsergebnisse gezeigt haben - auf eine Werkstofferweichung der Gießkanten und -flächen auf einen Wert unterhalb 160 HV zurückzuführen. Ferner reicht die Thermoschockresistenz der bekannten CuNiSiZr-Legierung bei Verwendung als Seitendammblock mit Nut und Feder nicht immer aus, um eine Rißbildung in der T-Nut im Gießeinsatz wirksam zu unterbinden.
  • EP 0 548 636 A und US 4 179 314 A offenbaren weitere Cu-Legierungen und deren Verwendung für Gießformen
  • Durch die Verwendung gemäß der Ansprüche kann einerseits eine ausreichende Aushärtbarkeit des Werkstoffs zur Erzielung einer hohen Festigkeit, Härte und Leitfähigkeit sichergestellt werden. Andererseits ist nur eine relativ geringe Kaltverformung von 5% bis zu maximal 30% erforderlich, um ein feinkörniges Gefüge mit ausreichender Plastizität einzustellen. Durch den gezielt abgestuften Zirkoniumgehalt werden sowohl die Ermüdungsfestigkeit als auch die Warmfestigkeitseigenschaften verbessert.
  • Mit der Abfolge der in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensstufen gelingt es in darüber hinaus in überraschend einfacher Weise, das von den bekannten CuCoBe-Legierungen beobachtete schlechte Rekristallisationsverhalten bei der Warmformgebung und Lösungsglühbehandlung zu beseitigen. Das schlechte Rekristallisationsverhalten führt bei der Herstellung von Formblöcken aus CuCoBe-Legierungen im warmumgeformten, lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand zu einer für den Verwendungszweck nicht akzeptablen grobkörnigen Gefügestruktur mit Korngrößen bis über 1 mm. Wird der Werkstoff jedoch zwischen der Warmumformung und der Lösungsglühbehandlung einer Kaltverformung von 5% bis zu maximal 30 %, vorzugsweise bis zu maximal 15 %, unterworfen, so führt dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt zu einer erheblich feinkörnigeren Gefügestruktur. Entsprechende Untersuchungsreihen haben bestätigt, daß Werkstoffe für Formblöcke für die Seitendämme von Bandgießmaschinen, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur kaltverformt und anschließend lösungsgeglüht werden eine deutlich feinere Gefügestruktur mit Korngrößen unterhalb 0,5 mm aufweisen, während höhere Kaltumformgrade oberhalb von etwa 40 % beim nachfolgenden Lösungsglühen zu einer Kornvergröberung durch sekundäre Rekristallisation mit Korngrößen über 1 mm führen.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. An drei erfindungsgemäßen Beispiel-(Legierungen A, B und C) und drei Vergleichsbeispiel-(Legierungen Vergleichsbeispiel- (D, E und F) werden die Vorteile der Erfindung aufgezeigt. Die Zusammensetzung der Kupferlegierungen in Gewichtsprozenten ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben: Tabelle 1
    Legierung Co (%) Ni (%) Be (%) Zr (%) Si (%) Cr (%) Cu (%)
    A 2,1 - 0,54 0,18 - - Rest
    B 2,2 - 0,56 0,24 - - Rest
    C 1,3 1,0 0,48 0,15 - - Rest
    D - 2,0 - 0,16 0,62 0.34 Rest
    E 2,1 - 0,55 - - - Rest
    F 1,0 1,1 0,62 - - - Rest
  • Bei der Zusammensetzung der Legierung D handelt es sich um eine bekannte CuNiSi-Basislegierung, während E und F genormte CuCo2Be- bzw. CuCoNiBe-Werkstoffe sind.
  • Sämtliche Kupferlegierungen wurden in einem Induktionstiegelofen erschmolzen und im Stranggießverfahren zu Rundblöcken mit einem Durchmesser von 280 mm vergossen. Die Rundblöcke der Beispiellegierungen A, B und C wurden auf einer Strangpresse bei einer Temperatur oberhalb 900 °C zu Flachstangen der Abmessung 79 x 59 mm stranggepreßt und anschließend mit einer Querschnittsabnahme von 12 % auf die Abmessung 75 x 55 mm gezogen. Die Blöcke der Vergleichslegierungen D, E und F wurden bei gleicher Temperatur direkt auf die Abmessung 75 x 55 mm stranggepreßt und keiner zusätzlichen Kaltumformung unterworfen. Die CuCoBe- bzw. CuCoNiBe-Werkstoffe wurden anschließend bei 900 bis 950 °C lösungsgeglüht und im Temperaturbereich zwischen 450 und 550 °C für 0,5 bis 16 Stunden lang ausgehärtet.
  • Die CuNiSi-Basislegierung wurde bei 800 bis 850 °C lösungsgeglüht und unter gleichen Bedingungen ausgehärtet. Im ausgehärteten Zustand wurden die Zugfestigkeit Rm, die Vickershärte HV10, die elektrische Leitfähigkeit (als Ersatzgröße für die Wärmeleitfähigkeit), die Korngröße nach ASTM E112, die Warmfestigkeit Rm bei 500 °C und die Erweichungsbeständigkeit über Vickershärtemessung (HV10) nach Auslagerung bei 500 °C nach einer Dauer von 500 Stunden ermittelt.
  • An Formblöcken (1) der Abmessung 70 x 50 x 40mm und Formblöcken (2) mit Nut und Feder der Abmessung 70 x 50 x 47mm wurde schließlich das Thermoschockverhalten geprüft. Hierzu wurden die Formblöcke zunächst zwei Stunden bei 500 °C geglüht und dann in Wasser von 20 bis 25 °C abgeschreckt. Die T-Nut der Blöcke wurde dann mit bloßem Auge und mit einem Mikroskop bei 10-facher Vergrößerung auf Risse untersucht.
  • Sämtliche Untersuchungsergebnisse sind in nachstehenden Tabelle 2 zusammengefaßt. Tabelle 2:
    Legierung Rm MPa HV 10 Leitf. % IACS Korngröße µm Rm (500 °C) MPa Härte HV 10 nach Auslagerung bei 500°C über 500h Verhalten nach Thermoschocktest
    Block (1) Block (2)
    A 801 254 50 30-90 523 173 rißfrei rißfrei
    B 804 245 51,5 45- 90 464 175 rißfrei rißfrei
    C 812 255 49,5 45 -90 485 167 rißfrei rißfrei
    D 652 205 43 45 -90 387 118 rißfrei rissig
    E 786 260 50,5 bis 5000 423 150 rissig rissig
    F 807 248 48,5 bis 3000 434 152 rissig rissig
  • Die Ausdehnung festgestellter Risse in der T-Nut lag bei den mit als "rissig" klassifizierten Formblöcken bei 2 bis 5 mm, in Einzelfällen betrug die Rißlänge bis zu 10 mm. Der Gegenüberstellung ist zu entnehmen, daß im Vergleich zu den Werkstoffen E und F nur die erfindungsgemäßen Beispiele bei optimalen Eigenschaften ein überraschenderweise gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge und die notwendige Resistenz gegen Rißbildung bei Einsatz als Formblock mit Nut und Feder aufweisen. Auch bei Verwendung als üblicher Formblock weisen die erfindungsgemäßen Beispiele eine deutlich bessere Erweichungsbeständigkeit gegenüber der bekannten CuNiSi-Legierung D und eine etwas bessere Erweichungsbeständigkeit gegenüber den Legierungen E und F auf.
  • Die in Anspruch 1 offenbarte Kupferlegierung eignet sich daher hervorragend als Werkstoff zur Herstellung von sämtlichen beim Gießvorgang einer typischen wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegenden Formblöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen. Dies sind sowohl die bisher verwendeten Formblöcke als auch die Formblöcke in der Ausführung mit Nut und Feder gemäß EP 0 974 413 A1 .

Claims (2)

  1. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung für Gießformen - insbesondere für Seitendämme für Bandgießanlagen- indem eine aushärtbare Kupferlegierung gemäß folgender Zusammensetzung:
    • 1,2-2,7 % Kobalt wobei bis zum 80 % des Kobalt-Gehaltes durch Nickel ersetz werden kann
    • 0,01 % bis 0,5 % Zirkonium
    • 0,3-0,7 % Beryllium
    • wahlweise 0,005-0,2 % Magnesium und/oder Eisen
    • ggf, bis zu maximal 0,15 % mindestens eines Elementes aus der Niob, Tantal, Vanadium, Hafnium, Chrom, Mangan, Titan und Cer umfassenden Gruppe
    • Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen den Verfahrensschritten
    • Kaltumformen des warmgeformten Gussrohlings zwischen 5 und maximal 30 %
    • Lösungsglühen des 5-30 % kaltverformten Rohlings im Temperaturbereich von 850-970 °C
    • 0,5 bis 16 stündiges Aushärten des lösungsgeglühten Rohlings bei 400 -550 °C.
    unterworfen wird und im ausgehärteten Zustand eine
    • Zugfestigkeit von mindestens 650 MPa
    • Vickershärte von mindestens 210 HV
    • el. Leitfähigkeit von mindestens 40 % IACS
    • Warmzugfestigkeit bei 500 °C von mindestens 400 MPa
    • Mindesthärte von 160 HV nach 500 stündiger Auslagerung bei 500 °C
    • und nach ASTM E112 ermittelte maximale Korngröße von 0,5 mm aufweist.
  2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1, die 1,8-2,4 % Kobalt, 0,45-0,65 % Beryllium, 0,15-0,3 % Zirkonium, bis 0,05 % Mg, bis zu 0,1 % Eisen, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen enthält, den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 mit einer Kaltumformung von 10-15 % nach der Warmformung unterworfen wird und im ausgehärteten Zustand eine
    • Zugfestigkeit von 700-900 MPa
    • Vickershärte von 230-280 HV
    • el. Leitfähigkeit von 45-60 % IACS
    • Warmzugfestigkeit bei 500 °C von mindestens 450 MPa
    • Mindesthärte von 160 HV nach 500 stündiger Auslagerung bei 500 °C
    • nach ASTM E112 ermittelte Korngröße zwischen 30 und 90 µm aufweist.
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