Die Erfindung betrifft eine Gießwalze zum Gießen von Bändern aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen.
Zum Gießen von Aluminiumbändern im Bereich zwischen 1 mm bis 10 mm
Banddicke ist es bekannt, Gießwalzen aus höherfesten Stahlsorten einzusetzen. Die
mit solchen Gießwalzen erreichbaren Gießgeschwindigkeiten sind jedoch aufgrund
der begrenzten Wärmeableitung und höheren Betriebstemperaturen der Gießwalzen
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten unbefriedigend. Auch in Versuchen erprobte
Kupferwerkstoffe mit höherer Wärmeleitfähigkeit haben aufgrund ihrer relativ kurzen
Lebensdauer bislang keinen Eingang in die Praxis gefunden.
Im Verlauf der Versuche mit Kupferwerkstoffen hat es sich gezeigt, dass es beim
direkten Kontakt zwischen dem Kupferwerkstoff der Gießwalzen und der
Aluminiumschmelze zur Bildung von Oberflächenbelägen kommt. In der Randzone
des Kupferwerkstoffs bilden sich infolge Diffusion spröde harte Kupfer-Alumimium-Phasen
aus. Auf der Kupferseite sind dies typischerweise η-2-Phasen, während sich
auf der Aluminiumseite eine höher aluminiumhaltige Phase von etwa 60
at % Aluminium ausbildet.
Unter Betriebsbelastung einer Gießwalze neigen diese Phasen aufgrund ihrer sehr
geringen Elastizität und Duktilität zur Bildung von Rissen. Diese Risse breiten sich in
der Folgezeit auch in dem Kupfergrundwerkstoff aus, was zu einer Schädigung der
Gießwalze führt. Um die rissgeschädigten Zonen abarbeiten zu können, ist es
erforderlich, den Gießprozess zu unterbrechen und die Gießwalze nachzuarbeiten.
Der Umfang der Nacharbeit bestimmt sich hierbei aus der Risstiefe. Diese wiederum
ist einerseits abhängig von der Betriebsbeanspruchung und andererseits von der
Spannungserhöhung unterhalb der Anrisse in den spröden Phasen an der
Oberfläche.
Bei dem vorstehenden beschriebenen Schädigungsprozess einer Gießwalze ist eine
typische Verschleißsituation wie bei einer mitlaufenden Gießform zu beobachten, das
heißt, es liegt keinerlei Abrasivverschleiß vor. Mithin ist auch ein Denkansatz verfehlt,
über harte Beschichtungen zu einem verbesserten Verschleißbild zu gelangen. Im
Gegensatz zu einem Stahlbandguss sind hier auch Probleme durch
Schmelzespritzer nicht von Interesse. Möglicherweise auf einer Gießwalze erstarrte
Aluminiumtropfen können - anders als harte Stahlpartikel - aufgrund ihrer geringen
Härte keine Beschädigung der kupfernen Gießwalze hervorrufen.
Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde,
Maßnahmen zu treffen, mit welchen die Rissbildung an einer Gießwalze mit
zumindest einer kupfernen Mantelschicht zum Gießen von Bändern aus Aluminium
oder Aluminiumlegierungen verlangsamt werden kann, um die Standzeit der
Gießwalze zu erhöhen.
Zur Verhinderung der Diffusion von Aluminium in die Oberfläche der Mantelschicht
aus Kupfer einer Gießwalze wird nunmehr die Oberfläche der Mantelschicht mit einer
Schutzschicht versehen, welche eine Sperrwirkung gegen das Eindiffundieren von
Aluminium in die Kupferrandzone bewirkt. Dies hat dann zur Folge, dass keine
spröden harten Kupfer-Aluminium-Phasen mehr entstehen und folglich keinen
Ausgangspunkt für Risse im Kupfergrundwerkstoff bilden können. Die Gießwalze
wird nicht mehr geschädigt. Ihre Standzeit wird merklich erhöht.
Vorteilhaft wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 2 die
Diffusionssperre als einlagige Schutzschicht ausgeführt. Der zur Schaffung einer
Diffusionssperre erforderliche Aufwand hält sich mithin in Grenzen und beeinträchtigt
die Wirtschaftlichkeit der Fertigung und Bereitstellung einer Gießwalze in einem nur
unbedeutenden Umfang.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 3 ist es denkbar, dass die
Diffusionssperre aus einer durch ein hoch energetisches thermisches Spritzverfahren
aufgebrachten metallischen, metallkeramischen oder keramischen Schutzschicht
gebildet ist. Das thermische Spritzverfahren kann beispielsweise Plasma- oder
Laserspritzen sein. Die metallischen, metallkeramischen oder keramischen Schichten
können insbesondere auf Basis von Nickel, Kobalt sowie Oxiden und Karbiden
gebildet werden.
Vorstellbar ist es gemäß Patentanspruch 4 auch, dass die Diffusionssperre aus einer
galvanisch aufgebrachten Chromschicht gebildet ist. Eine derartige Diffusionssperre
braucht lediglich eine Dicke von ca. 5 µm bis 20 µm zu erhalten. Da eine wiederholte
Nacharbeit der Gießwalze im Einsatz erforderlich ist, wäre eine vor Ort relativ einfach
realisierbare Verchromung sinnvoll. Hierzu bietet sich die Tampongalvanisierung an,
die gegebenenfalls im Rahmen der normalen Nacharbeit in einer Gießerei
durchgeführt werden kann. Große Becken zur Aufnahme einer Gießwalze sind
hierbei nicht erforderlich.
Des Weiteren ist es in diesem Zusammenhang vorstellbar, dass die aufgebrachte
Chromschicht durch Nitrieren in ihrer Eigenschaft weiter verbessert werden kann,
weil hierdurch auch minimale Risse in der Chromschicht geschlossen werden
können.
Statt einer Diffusionssperre aus einer Chromschicht ist es gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 5 möglich, die Diffusionssperre aus einer galvanisch
aufgebrachten Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung zu bilden.
Entsprechend der Ausführungsform des Patentanspruchs 6 kann auf die Oberfläche
der Mantelschicht eine Lösung/Suspension mit oxid- oder phosphatbildenden
Metallen, wie Chrom, Zink, Titan oder Zirkonium, auch in Kombination mit Aluminium
oder Siliziumoxiden, aufgetragen werden. Ein solcher Auftrag wird dann
vorteilhafterweise vor der Inbetriebnahme einer Gießwalze durch eine geeignete
thermische Behandlung in die wirksame Schutzschicht umgewandelt.
Eine Diffusionssperre kann nach Patentanspruch 7 auch aus einer durch
Verbrennung erzeugten Kohlenstoffschicht gebildet sein. Zum Verbrennen der
Kohlenstoffschicht kann beispielsweise mindestens ein Acetylenbrenner
herangezogen werden.
Eine Kohlenstoffschicht kann ferner aus einem Öl/Schmierfilm gebildet werden.
Die im Patentanspruch 8 definierte Ausführungsform sieht als Diffusionssperre einen
aufgetragenen organischen Lack vor. Nach der Trocknung dieses Lacks soll eine
geschlossene Schutzschicht von mindestens 10 µm Dicke vorhanden sein. Als
oberer Grenzwert sollten 60 µm nicht überschritten werden. Hierbei ist auf eine
gleichmäßige Benetzung der Mantelschicht zu achten, die jedoch von der Viskosität
und der direkt anschließenden Trocknung des Lacks abhängt.
Eine Diffusionssperre kann nach Patentanspruch 9 auch mittels eines PVD/CVD-Verfahrens
(Physical bzw. Chemical Vapour Deposition) erzeugt werden, z.B. auf der
Basis von TiN, CrN oder TiAI.
Wird gemäß Patntanspruch 10 eine Diffusionssperre aus einer anorganischen
Schutzschicht gebildet, so liegt diese vorzugsweise im Bereich von 0,01 mm bis
0,2 mm.
Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn nach Patentanspruch 11 die Dicke der
Diffusionssperre im Bereich von 0,05 mm bis 0,12 mm liegt. Größere Schichtdicken
sind nachteilig, da sich dann unter der schwellenden Betriebsbelastung einer
Gießwalze wiederum Risse bilden können, die zu einem Rissfortschritt in dem
Grundwerkstoff führen.
Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 12 weist eine Diffusionssperre
aus einer anorganischen Schutzschicht zweckmäßigerweise eine Dicke zwischen
5 µm und 50 µm auf. Dies insbesondere dann, wenn die Diffusionssperre als
Kohlenstoffschicht aus einem Verbrennungsvorgang abgeschieden wird. Wesentlich
ist auch hierbei eine geschlossene gleichmäßige Schicht. Aufgebracht werden kann
auch ein Öl/Schmierfilm. Hierbei erfolgt idealerweise ein Vercracken zu einer
kohlenstoffhaltigen Schicht mit einer typischen Dicke von ca. 5 µm bis 40 µm.
Bevorzugt wird jedoch eine gleichmäßig dichte, wenig poröse Schicht im
Dickenbereich von 10 µm bis 30 µm angestrebt.
Je nach den Anforderungen an eine Gießwalze kann es nach Patentanspruch 13
angebracht sein, die Diffusionssperre aus einer mehrlagigen Schutzschicht mit
artgleichen Schichtkombinationen zu bilden. In diesem Zusammenhang sind z.B.
galvanische Schichten mit gegebenenfalls unterschiedlichen Eigenschaften in den
Lagen der Schutzschicht besonders vorteilhaft.
Schließlich ist es entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 14 vorstellbar,
dass die Diffusionssperre aus einer mehrlagigen Schutzschicht mit voneinander
abweichenden Schichtkombinationen gebildet ist. Hierbei kann es sich
beispielsweise um metallisch/metallkeramisch/keramische Basisschichten einerseits
und Decklagen andererseits aus einem Suspensionsauftrag aus einer
Kohlenstoffschicht etc. handeln, wodurch die Sperrwirkung gegenüber der Diffusion
von Aluminium in die kupferne Mantelschicht gezielt gesteigert werden kann. Auch
PVD-Schutzschichten auf metallischer Basisschicht stellen eine vorteilhafte
Schutzschicht dar.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- im schematischen vertikalen Längsschnitt eine Gießwalze und
- Figur 2
- ebenfalls im schematischen vertikalen Längsschnitt eine Gießwalze
gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Mit 1 ist in der Figur 1 eine Gießwalze zum Gießen von Bändern aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen bezeichnet. Die Darstellung ist unmaßstäblich.
Diese Gießwalze 1 weist eine Mantelschicht 2 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung
auf, während der Kern 3 aus Stahl besteht. Denkbar ist aber auch eine Gießwalze 1
mit mehreren, mindestens zwei, konzentrischen Mantelschichten.
Die umfangsseitige Oberfläche 4 der Mantelschicht 2 ist mit einer eine Sperrwirkung
gegen das Eindiffundieren von Aluminium in die kupferne Randzone ausübenden
Diffusionssperre 5 versehen. Die Diffusionssperre 5 ist als einlagige Schutzschicht
ausgeführt.
Die Diffusionssperre 5 kann aus einer durch ein hochenergetisches thermisches
Spritzverfahren aufgebrachten metallischen, metallkeramischen oder keramischen
Schutzschicht gebildet sein.
Auch eine Diffusionssperre 5 aus einer galvanisch aufgebrachten Chromschicht ist
denkbar.
Ferner kann die Diffusionssperre 5 aus einer galvanisch aufgebrachten Schicht aus
Nickel oder einer Nickellegierung gebildet sein.
Des Weiteren ist es denkbar, dass die Diffusionssperre 5 durch thermische
Behandlung einer auf die Oberfläche 4 der Mantelschicht 2 aufgebrachten
Lösung/Suspension mit oxid- oder phosphatbildenden Metallen gebildet ist.
Auch eine Diffusionssperre 5 aus einer durch Verbrennung erzeugten
Kohlenstoffschicht ist denkbar.
Die Diffusionssperre 5 kann ferner durch Aufbringen eines organischen Lacks
gebildet sein.
Darüberhinaus kann die Diffusionssperre 5 aus einer mittels PVD/CVD-Verfahren
aufgebrachten Schutzschicht gebildet sein.
Wenn die Diffusionssperre 5 aus einer anorganischen Schutzschicht besteht, besitzt
diese eine Dicke D zwischen 0,01 mm und 0,2 mm, bevorzugt 0,05 mm bis 0,12 mm.
Bei einer Diffusionssperre 5 aus einer anorganischen Schutzschicht wird eine Dicke
D zwischen 5 µm und 50 µm vorgesehen.
In der Figur 2 ist eine Gießwalze 1azum Gießen von Bändern aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen veranschaulicht, die ebenfalls eine Mantelschicht 2 aus Kupfer
auf einem Stahlkern 3 aufweist.
Hierbei ist auf die Oberfläche 4 einer Mantelschicht 2 aus Kupfer eine
Diffusionssperre 5a in Form einer mehrlagigen Schutzschicht aufgebracht.
Veranschaulicht sind zwei Lagen 6, 7. Diese Lagen 6, 7 können aus artgleichen
Schichtkombinationen gebildet sein.
Denkbar ist aber auch, dass die Lagen 6, 7 aus voneinander abweichenden
Schichtkombinationen gebildet sind.
Obwohl in den Figuren 1 und 2 Gießwalzen 1, 1a mit einer Mantelschicht 2 aus
Kupfer auf einem Stahlkern 3 veranschaulicht sind, ist es denkbar, dass die
Gießwalzen 1, 1a komplett aus Kupfer bestehen können.
Bezugszeichenaufstellung
- 1 -
- Gießwalze
- 1a -
- Gießwalze
- 2 -
- Mantelschicht v. 1
- 3 -
- Stahlkern v. 1
- 4 -
- Oberfläche v. 2
- 5 -
- Diffusionssperre
- 5a -
- Diffusionssperre
- 6 -
- Lage v. 5a
- 7 -
- Lage v. 5a
- D -
- Dicke v. 5