WO2007071542A1 - Beschichtung für eine kokille für eine stranggiessanlage und verfahren zur beschichtung - Google Patents

Beschichtung für eine kokille für eine stranggiessanlage und verfahren zur beschichtung Download PDF

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WO2007071542A1
WO2007071542A1 PCT/EP2006/069213 EP2006069213W WO2007071542A1 WO 2007071542 A1 WO2007071542 A1 WO 2007071542A1 EP 2006069213 W EP2006069213 W EP 2006069213W WO 2007071542 A1 WO2007071542 A1 WO 2007071542A1
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WO
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coating
mold
particles
nickel
hard
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PCT/EP2006/069213
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English (en)
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Inventor
Stefan Lechner
Thomas SÖNTGEN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials
    • 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
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/059—Mould materials or platings

Definitions

  • the invention relates to a mold for a continuous casting plant and to a process for producing such a mold.
  • a molten metal is poured continuously into and through a so-called Ko ⁇ kille over a ladle, for example, a plate mold or a tube mold.
  • a ladle for example, a plate mold or a tube mold.
  • Seg ⁇ elements is guided by means of so-called Seg ⁇ elements and simultaneously cooled, is solidified until the metal strand.
  • slabs billets or billets are obtained.
  • sheets are first produced, for example, by rolling first in a hot rolling mill and then cold rolling. Hot rolling can take place either directly after the continuous casting or at a later time and at a different location.
  • the components that come into contact with the tough liquid ⁇ mol, in particular the Ko kille a very high stress. Due to the very high temperatures, this is a very high thermal cycling. At the same time, these components are also exposed to considerable mechanical stress. The components are also exposed to a highly corrosive environment, since the melt is used corrosive flux and at the same time is used to cool the melt water.
  • the invention has for its object to increase the life and thus the life of a mold, to allow a total cost-effective operation of a continuous casting.
  • the object is achieved by a mold with the features of claim 1. Thereafter, it is provided that the mold, in particular a mold plate, having a base body on which a coating of a ductile metallic base material is applied as a matrix with incorporated therein hard material particles.
  • Under ductile metallic base material here is a relatively soft metallic base material understood that has a Vickers hardness of about 180-230 HV 0I maximum. The hardness determination according to Vickers can be found in the standard DIN EN ISO 6507. By contrast, the embedded hard material particles have a significantly higher hardness, for example a hardness that is more than a factor of 2 greater than that of the base material.
  • the mold By combining a ductile material with hard particles embedded in it, the mold is provided with a coating that can withstand extreme loads.
  • Ductility compared to a consistently hard and brittle coating, significantly reduces the risk of damage to the coating and cracks or microcracks during operation, which would quickly lead to undesirable severe corrosion due to the strong corrosive environment.
  • the risk of spalling of portions of the coating under mechanical stress due to the high ductility is significantly lower than in a brittle coating.
  • a very high Abriebfestig- are ness through the embedded hard material particles and thus a quasi very high surface hardness Sustainer ⁇ th, so that even with high mechanical loads and high abrasion forces a long life is achieved.
  • nickel or a nickel alloy is used as the base material.
  • the particular advantage of the nickel coating ⁇ for such components can be seen in the very high tightness of the nickel coating is very effectively protected whereby the construction part from corrosion.
  • nickel has a good thermal conductivity, so that a good controlled heat flow is made possible by means of this coating.
  • the coating is in this case formed of such ⁇ that the nickel matrix defining a surface over which the hard material particles, at least through the microscopic level. Due to this configuration, the actual mechanical contact is made via the hard and abrasion-resistant hard material particles and not via the comparatively soft nickel matrix coating.
  • a nickel alloy for the base material or the base matrix of the nickel proportion is vorzugswei- se in the range between 65 and 95 Vo1% and especially in the range of about 75% by volume, in each case based on the total ⁇ volume of the coating.
  • alloying components tungsten and / or iron and / or cobalt are preferably provided. Cobalt is particularly preferably used here.
  • a coating consisting of the components nickel, tungsten and iron has been found to be suitable.
  • the hard material particles preference ⁇ a size in the nanoscale range, nm, for example, in the range between 50 and 1,000 or alternatively microns in the micron range, for example in the range of 1 to 500, aufwei ⁇ sen.
  • the use of either nano-hard material particles or micro-hard material particles depends on the respective use and the intended use or mechanical requirements.
  • the hard material particles preferably boron carbide particles are in this case, is tungsten carbide or diamond particles is ⁇ .
  • Ceramic particles such as boron carbide used, which are characterized by their ex ⁇ tremely high hardness.
  • CNT particles Carbon Nano Tubes
  • the carbon nanotubes are carbon nanotubes whose diameters are typically less than 100 nm down to a few nm.
  • the walls of these tubular structures are made of carbon.
  • the CNT particles consist of a multiplicity of such carbon nanotubes.
  • the particular advantage of using CNT particles as hard particles is their very good electrical conductivity, their high thermal conductivity and their mechanical resistance. Due to the high planteleitfä ⁇ ability, the solidification of the liquid steel is accelerated in the mold. Thus, the productivity of the train ⁇ be increased caster.
  • the thickness of the coating is preferably in the range between about 0.7 to about 6 mm and is in particular in Be ⁇ rich between about 2 and 3 mm. It has been shown that the coating with such a layer thickness particularly meets the high requirements.
  • the coating is conveniently applied electrolytically.
  • the component to be coated is immersed in one or more electroplating baths.
  • electrode E ⁇ ne electrode is composed of the base material, for example a nickel or a nickel alloy electrode used.
  • the hard materials are added to the galvanic bath, so that they migrate with the metal ions of the nickel electrode to the component to be coated and deposited there together with the nickel ions forming the matrix.
  • An essential aspect here is, therefore, that the hard material particles are eliminated together with the matrix material on the base body der ⁇ .
  • the coating is applied by a so-called cold gas injection method, also referred to as cold spray method.
  • cold spraying the coating material is applied to the coating in powder form at very high speed on the support element positioned ⁇ .
  • a process gas is usually accelerated to supersonic speed with the aid of a Laval nozzle.
  • the powder particles are injected, and accelerate to a sufficiently high Ge ⁇ , it that at least melted part and a dense and adherent layer education the on impact on the base body due to the high energy.
  • no preceding melting or melting of the individual particles takes place in this case.
  • the particular advantage of the spraying method is the fact that it is relatively simple and inexpensive to carry out and, for example, by multiple sweeping of the surface to be coated, a sufficient layer thickness can be generated.
  • ⁇ sondere cold gas spraying is characterized in this case by the fact that it is carried out at low temperatures and in particular un ⁇ ter atmospheric pressure.
  • diverse materials can be sprayed on easily.
  • a metal powder and added hard material particles in any ratio can be mixed together, so that in a simple manner, almost any layer composition can be achieved. Bursts are in comparison to other application methods, such as the so-called plating method by means of bursting, in which usually thin metal plate on a substrate placed ⁇ , this method is significantly cheaper for comparable or improved thermal and electrical properties.
  • Typical process parameters for coating with a high-purity nickel powder are at a particle size of the nickel particles between 500 nm to 50 microns, at a temperature of the powder-gas mixture before coating between 180 0 C and 300 0 C and at a particle velocity between 600 m / s and 900 m / s.
  • the layer thickness is preferably in the Be ⁇ rich mm between 0.3 and 3 mm.
  • the coating is in this case therefore preferably of a high purity nickel matrix with diamond ⁇ particles.
  • a preferred coating comprises a nickel-cobalt-Le ⁇ with Government Borcarbidpumblen as hard materials. Such a coating has been found to be particularly suitable for the require ⁇ approximations of a mold. The object is further achieved by a method according to claim 15 or 16. The cited in view of the mold advantages and preferred embodiments are to be transferred analogously to the process.
  • FIG 2 shows a simplified sectional view through a mold, which is provided with the coating
  • FIG 3 is a further sectional view through a second mold, which is provided with a second coating.
  • the production of a metallic semi-finished product is carried out using a continuous casting machine 4 in a continuous process.
  • the viscous melt is poured into a mold 6 with the aid of a pouring ladle, which is not shown here in more detail, and is composed of a plurality of mold plates 8, for example.
  • After flowing through the mold 6 of the melt strand 10 is shown here in dashed lines with the aid of so-called Seg ⁇ elements deflected and guided 12th
  • the segments 12 each have a plurality of transport rollers 14. In the drawing, only a few of the segments 12 and also greatly simplified Darge ⁇ represents.
  • the segments 12 are complex components and have a support frame 16 to which the transport rollers 14 are connected.
  • the transport rollers 14 are in this case pressed in particular by means of cylinders 18 in a defined position against the melt strand 10.
  • the melt strand 10 is intensively cooled, so that it gradually solidifies.
  • the solidified melt strand 10 is then divided by a cutting device 20 in the so-called slabs 2.
  • a hot rolling mill 22 in which the example 25 cm thick slabs 2 are rolled to a thickness of a few millimeters at high temperatures depending on the material, for example, to approximately 1000 0 C.
  • the slabs 2 are formed between two work rolls 24.
  • the work rolls 24 are in this case pressed by means of support rollers 26 against the surface of the slab 2.
  • the metal sheet 28 thus obtained which is rolled up on a roller 30 is usually rolled in a cold rolling mill 32 to final ge ⁇ . Again, the metal sheet 28 is pressed between two now called cold rolls 34 work rolls.
  • the cold rollers 34 are in turn supported by means of support rollers 26. While during hot rolling, which takes place in particular immediately after continuous casting and solidification, the slabs still have a temperature of up to 1000 ° C., the cold rolling takes place approximately at room temperature.
  • the continuous casting machine 4, the hot rolling mill 22 and the cold- rolling train 32 are, for example, factory together in a steel ⁇ arranged 36th
  • these three parts of the system can just as ⁇ be arranged at different locations in different steel mills 36, in which case a system which exclusively has a continuous caster 4 or a rolling train 22, 32 is also referred to as a steel mill.
  • the components heavily loaded in the production of first the slab 2 and later of the metal sheet 28 are in particular the mold 6, the segments 12 with the transport rollers 14 as well as the rollers 24, 34, 26 of the rolling lines 22, 32
  • these components are un ⁇ differently charged.
  • the molten metal still has a very high temperature and the components are exposed to the flux used.
  • intensive cooling in particular with water, takes place in the region of the segments 12, so that here the segments 12 and transport rollers 14 are exposed to considerable corrosive stress.
  • the metal strand must also be guided mechanically with the aid of the segments 12, so that in addition to the high thermal and corrosive load, mechanical stress also occurs.
  • a coating or a coating system is now provided, which is adapted to the special requirements and in some cases significantly improves the service life and service life of each of these components in comparison with, for example, hard chrome-plated components.
  • the structure and composition of the coating or the coating system will be explained below with reference to FIGS 2 and 3.
  • a base coat 38 nickel-based coating is applied electrolytically.
  • the main body consists in the case of the mold 6 and the mold plates 8 made of copper.
  • the segments 12, transport rollers 14 and rollers 24, 26, 34 are made of steel, for example.
  • the base coating 38 comprises, in addition to the nickel matrix designated as the base material 39, a proportion of hard material particles. no 40, in particular boron carbide particles.
  • the use of nickel as the matrix material in combination, in particular of boron carbide, for the hard material particles 40 produces a very gas-tight and therefore corrosion-resistant coating, as well as a very good thermal conductivity coating with at the same time very high surface hardness and low abrasion.
  • the high gas-tightness is achieved by the nickel matrix even at a very small layer thickness of about 10 microns. Compared to a micro-cracked hard chrome coating, therefore, an improved corrosion resistance is given. Due to the good thermal conductivity of the nickel base material 39, the coating as a whole also has a high thermal conductivity, so that rapid heat dissipation is ensured.
  • the mechanical strength of the coating is in particular ⁇ special by the embedded hard material particles 40 he ⁇ reaches, which partly over the surface formed by the nickel matrix 39 surface 44 survive, so that only the
  • Hard material particles 40 come into contact with the molten metal 10 or the Bram ⁇ me 2 or the metal sheet 28.
  • a diamond layer 42 on the base coat 38 is additionally provided in preferred embodiments, as shown in FIG.
  • the component is a mold 6 or a mold plate 8, whose base body 37 usually consists of copper or a copper alloy, only the base coating 38 is applied.
  • the base material 39 is a nickel-cobalt-Le ⁇ is Government or watch superiors also a nickel-iron-tungsten alloy, wherein in this case the nickel content is in particular in the range of about 75 vol%, respectively.
  • the proportion of cobalt or of iron and tungsten is approximately between 10 and 20% by volume.
  • the remaining portion is formed by the boron carbide particles 40 whose size is in the Micrometer range is.
  • the thickness D1 of the base coat is in this case approximately in the range between 2 and 3 mm.
  • the same coating is also provided in the segments 12, also in the transport rollers 14 of the segments 12. Since these are in direct mechanical contact with the melt strand 10, they have a higher mechanical strength compared to the rest of the segment 12 Proportion of hard material particles 40 on.
  • nano-hard particles 40 are used to achieve a high Oberflä ⁇ chen 1949.
  • the proportion of hard material particles 40 for such rollers 24, 34 in the upper region is also between 15 and 25% by volume .
  • a coating based on a nickel-cobalt alloy in this case has, for example, a composition of about 63% by volume of nickel, 12% by volume of cobalt and 25% by volume of boron carbide particles 40.
  • the support rollers 26 have hard material particles 40 in the micrometer range.
  • the service life is significantly he höht again ⁇ .
  • the thickness D1 of the base coat 38 in this case is in the lower range between 0.5 and 2 mm.
  • the thickness D2 of the diamond coating is about 0.5 mm.
  • the basic coating 38 described here increases the service life of the components by approximately 4 to 6 times in comparison to a hard chrome coating.
  • the improvement in service life is many times greater.
  • the service life of the individual components in a steel mill 36 is significantly extended by the coating measures described here, so that incurred for the operation of the steel mill 36 significantly lower costs.

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Abstract

Um bei hochbelasteten Bauteilen (6, 8, 12, 14, 24, 26, 34) eines Stahlwerks deren Standzeit und Lebensdauer zu erhöhen, ist eine elektrolytisch aufgebrachte Beschichtung (38) aus einem duktilen metallischen Grundwerkstoff (39), insbesondere Niekel oder eine Nickellegierung, mit darin eingelagerten Hartstof fpartikeln (40), insbesondere Borcarbidpartikeln, vorgesehen. Durch diese Maßnahme ist eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion, eine gute thermische Leitfähigkeit und zugleich eine hohe mechanische Belastbarkeit erreicht.

Description

BESCHICHTUNG FÜR EINE KOKILLE FUR EINE STRANGGIESSANLAGE UND VERFAHREN ZUR BESCHICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Kokille für eine Stranggießanlage sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kokille.
In einer Stranggießanlage wird eine Metallschmelze über eine Gießpfanne kontinuierlich in und durch eine so genannte Ko¬ kille gegossen, beispielsweise eine Plattenkokille oder auch eine Rohrkokille. Im Anschluss an die Kokille wird der schmelzflüssige Metallstrang mit Hilfe von so genannten Seg¬ menten geführt und gleichzeitig gekühlt, bis der Metallstrang erstarrt ist. Durch ein Abtrennen werden beispielsweise so genannte Brammen, Vorblöcke oder Knüppel erhalten. Aus den Brammen werden beispielsweise durch Auswalzen zunächst in einer Warmwalzstraße und anschließendem Kaltwalzen Bleche erzeugt. Das Warmwalzen kann hierbei sowohl unmittelbar im An- Schluss an das Stranggießen erfolgen oder auch zu einem späteren Zeitpunkt und an einem anderen Ort.
Bei der Stranggießanlage sind die Bauteile, die mit der zäh¬ flüssigen Schmelze in Kontakt kommen, insbesondere die Ko- kille, einer sehr hohen Beanspruchung ausgesetzt. Aufgrund der sehr hohen Temperaturen ist dies eine sehr hohe thermische Wechselbeanspruchung. Zugleich sind diese Bauteile auch einer erheblichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Die Bauteile sind zudem einer hochkorrosiven Umgebung ausgesetzt, da für die Schmelze korrosive Flussmittel verwendet werden und zugleich zur Kühlung der Schmelze Wasser herangezogen wird.
Aufgrund dieser erheblichen Belastungen weisen diese Bauteile nur eine begrenzte Lebensdauer auf und müssen regelmäßig aus¬ getauscht werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit und damit die Lebensdauer einer Kokille zu erhöhen, um insgesamt einen kostengünstigeren Betrieb einer Stranggießanlage zu ermöglichen .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kokille mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass die Kokille, insbesondere eine Kokillenplatte, einen Grundkörper aufweist, auf den eine Beschichtung aus einem duktilen metallischen Grundwerkstoff als Matrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln aufgebracht ist.
Unter duktilem metallischem Grundwerkstoff wird hierbei ein vergleichsweise weicher metallischer Grundwerkstoff verstan- den, der eine Vickers-Härte von maximal etwa 180-230 HV0I aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, beispielsweise eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.
Durch die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln wird die Kokille mit einer Beschichtung versehen, die den extremen Belastungen stand- hält. Durch die Duktilität besteht im Vergleich zu einer durchgehend harten und spröden Beschichtung eine deutlich geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt und Risse oder Mikrorisse auftreten, was aufgrund der starken korrosiven Umgebung schnell zu einer unerwünsch- ten starken Korrosion führen würde. Auch ist die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung bei mechanischer Belastung aufgrund der hohen Duktilität deutlich geringer als bei einer spröden Beschichtung. Zugleich werden durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Abriebfestig- keit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhal¬ ten, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer erreicht ist. Zweckdienlicherweise wird als Grundwerkstoff Nickel oder eine Nickellegierung verwendet. Der besondere Vorteil der Nickel¬ beschichtung für derartige Bauteile ist in der sehr hohen Dichtheit der Nickelbeschichtung zu sehen, wodurch das Bau- teil sehr effektiv vor Korrosion geschützt wird. Zugleich weist Nickel eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass über diese Beschichtung auch ein guter gesteuerter Wärmeabfluss ermöglicht wird.
Zweckdienlicherweise ist die Beschichtung hierbei derart aus¬ gebildet, dass die Nickel-Matrix eine Oberfläche definiert, über die die Hartstoffpartikel zumindest im mikroskopischen Bereich überstehen. Aufgrund dieser Ausgestaltung erfolgt der tatsächliche mechanische Kontakt über die harten und abrieb- festen Hartstoffpartikel und nicht über die vergleichsweise weiche Nickelmatrixbeschichtung.
Bei der Verwendung einer Nickellegierung für den Grundwerkstoff oder die Grundmatrix liegt der Nickelanteil vorzugswei- se im Bereich zwischen 65 und 95 Vo1% und liegt insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol%, bezogen jeweils auf das Gesamt¬ volumen der Beschichtung. Als Legierungsbestandteile sind vorzugsweise Wolfram und/oder Eisen und/oder Kobalt vorgesehen. Besonders bevorzugt wird hierbei Kobalt eingesetzt. Auch eine Beschichtung bestehend aus den Bestandteilen Nickel, Wolfram und Eisen hat sich als geeignet herausgestellt.
Zweckdienlicherweise liegt hierbei der Anteil der Legierungs¬ bestandteile in einem Bereich zwischen etwa 10 und 20 Vol%. Weiterhin liegt vorzugsweise der Anteil der Hartstoffpartikel in einem Bereich zwischen 5 und 30 Vol%.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel vorzugs¬ weise eine Größe im nanoskaligen Bereich, beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 1.000 nm oder alternativ auch im μm- Bereich, beispielsweise im Bereich von 1 und 500 μm, aufwei¬ sen. Die Verwendung wahlweise von Nano-Hartstoffpartikeln o- der Mikro-Hartstoffpartikeln hängt von der jeweiligen An- wendung und dem Einsatzzweck bzw. den mechanischen Anforderungen ab.
Als Hartstoffpartikel werden hierbei vorzugsweise Borcarbid- partikel, Wolframcarbidpartikel oder Diamantpartikel einge¬ setzt. Es werden also insbesondere auch keramische Partikel wie die Borcarbidpartikel eingesetzt, die sich durch ihre ex¬ trem hohe Härte auszeichnen.
Zweckdienlicherweise werden als Hartstoffpartikel in einer
Variante so genannte CNT-Partikel (CNT : Carbon Nano Tubes) he¬ rangezogen. Die Carbon-Nano-Tubes sind Kohlenstoffnanoröhr- chen, deren Durchmesser typischerweise kleiner als 100 nm bis hin zu wenigen nm ist. Die Wände dieser röhrenförmigen Gebil- de bestehen aus Kohlenstoff. Die CNT-Partikel bestehen aus einer Vielzahl derartiger Kohlenstoffnanoröhrchen . Der besondere Vorteil der Verwendung von CNT-Partikeln als Hartstoffpartikel liegt in deren sehr guten elektrischen Leitfähigkeit, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie in ihrer mechani- sehen Widerstandsfähigkeit. Aufgrund der hohen Wärmeleitfä¬ higkeit ist das Erstarren des flüssigen Stahls in der Kokille beschleunigt. Somit lässt sich die Produktivität der Strang¬ gießanlage steigern.
Die Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,7 bis etwa 6 mm und liegt insbesondere im Be¬ reich zwischen etwa 2 und 3 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung mit einer derartigen Schichtdicke den hohen Anforderungen besonders genügt.
Um eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haftende Beschichtung auszubilden, ist die Beschichtung zweckdienlicherweise elektrolytisch aufgebracht. Zur Ausbildung der Beschichtung wird daher das zu beschichtende Bauteil in ein o- der mehrere Galvanikbäder eingetaucht. Als Elektrode wird ei¬ ne Elektrode bestehend aus dem Grundwerkstoff, beispielsweise eine Nickel- oder eine Nickellegierung-Elektrode verwendet. Die Hartstoffe werden hierbei dem Galvanikbad zugegeben, so dass sie mit den Metallionen der Nickelelektrode zu dem zu beschichtenden Bauteil wandern und sich dort gemeinsam mit den die Matrix bildenden Nickelionen ablagert. Wesentlicher Gesichtspunkt hierbei ist daher, dass die Hartstoffpartikel gemeinsam mit dem Matrixmaterial auf dem Grundkörper abge¬ schieden werden.
In einer anderen Variante wird die Beschichtung mit einem so genannten Kaltgas-Spritzverfahren, auch als Cold-Spray- Verfahren bezeichnet, aufgebracht. Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff für die Beschichtung in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägerelement aufge¬ bracht. Hierzu wird üblicherweise ein Prozessgas mit Hilfe einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. In diesen Gasstrahl des Prozessgases werden anschließend die Pulverpartikel injiziert und auf eine ausreichend hohe Ge¬ schwindigkeit beschleunigt, so dass sie beim Aufprall auf den Grundkörper aufgrund der hohen Energie zumindest zum Teil aufschmelzen und eine dichte und fest haftende Schicht bil- den. Im Unterschied zu anderen thermischen Spritzverfahren, beispielsweise dem Flammspritzen, erfolgt hierbei daher kein vorangehendes An- oder Aufschmelzen der einzelnen Partikel.
Der besondere Vorteil des Spritzverfahrens, insbesondere des Kaltgasspritzens, ist darin zu sehen, dass es vergleichsweise einfach und kostengünstig durchführbar ist und beispielsweise durch mehrfaches Überstreichen der zu beschichtenden Oberfläche eine ausreichende Schichtdicke erzeugbar ist. Insbe¬ sondere das Kaltgasspritzen zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass es bei niedrigen Temperaturen und insbesondere un¬ ter Atmosphärendruck durchgeführt wird. Dadurch lassen sich vielfältige Materialien problemlos aufspritzen. Außerdem lassen sich ein Metallpulver und zugesetzte Hartstoffpartikel in einem beliebigen Verhältnis miteinander mischen, so dass in einfacher Weise eine nahezu beliebige Schichtzusammensetzung erreichbar ist. Im Vergleich zu anderen Auftragsverfahren, wie beispielsweise dem so genannten Plattierverfahren mittels Aufsprengen, bei dem üblicherweise dünne Metallplatten auf ein Substrat aufge¬ sprengt werden, ist dieses Verfahren deutlich kostengünstiger bei vergleichbaren oder verbesserten thermisch-elektrischen Eigenschaften .
Alternativ zu einer Beschichtung mit eingelagerten Hartstoffpartikeln besteht die Möglichkeit, eine hochreine Nickel- Beschichtung mit diesem Verfahren aufzubringen. Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit werden jedoch Hartstoffpartikel, bevorzugt Diamantpartikel mit in die vorzugsweise hochreine Nickel-Matrix eingelagert.
Typische Verfahrensparameter für die Beschichtung mit einem hochreinen Nickelpulver liegen bei einer Korngröße der Nickelpartikel zwischen 500 nm bis 50 μm, bei einer Temperatur des Pulver-Gas-Gemischs vor dem Beschichten zwischen 1800C und 3000C und bei einer Partikelgeschwindigkeit zwischen 600 m/s und 900 m/s. Die Schichtdicke liegt vorzugsweise im Be¬ reich zwischen 0,3 mm und 3 mm.
Werden beim Kaltgasspritzen Hartstoffpartikel, insbesondere Diamantpartikel mit eingelagert, so wird als Pulver für das Kaltgasspritzen in einer bevorzugten Ausgestaltung Diamantpulver verwendet, das im Vorfeld des Spritzverfahrens mit Ni¬ ckel oder einer Nickellegierung ummantelt ist. Hierdurch ist eine besonders gute Einbindung der Hartstoffpartikel in die Nickelmatrix erreicht. Die Beschichtung besteht hierbei daher aus einer vorzugsweise hochreinen Nickelmatrix mit Diamant¬ partikel .
Eine bevorzugte Beschichtung umfasst eine Nickel-Kobalt-Le¬ gierung mit Borcarbidpartikeln als Hartstoffe. Eine derartige Beschichtung hat sich als besonders geeignet für die Anforde¬ rungen einer Kokille herausgestellt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16. Die im Hinblick auf die Kokille angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
FIG 1 eine Darstellung eines Stahlwerks mit einer Strang¬ gießanlage mit sich anschließender Warmwalzanlage und Kaltwalzanlage, sowie
FIG 2 ein vereinfachtes Schnittbild durch eine Kokille, welche mit der Beschichtung versehen ist, FIG 3 ein weiteres Schnittbild durch eine zweite Kokille, welche mit einer zweiten Beschichtung versehen ist.
In den einzelnen Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Erzeugung eines metallischen Halbzeugs, wie beispielswei¬ se eine Bramme 2, erfolgt mit Hilfe einer Stranggießanlage 4 in einem kontinuierlichen Verfahren. Hierbei wird die zähflüssige Schmelze mit Hilfe einer hier nicht näher darge- stellten Gießpfanne in eine Kokille 6 eingegossen, die sich beispielsweise aus mehreren Kokillenplatten 8 zusammensetzt. Nach Durchfließen der Kokille 6 wird der hier gestrichelt dargestellte Schmelzstrang 10 mit Hilfe von so genannten Seg¬ menten 12 umgelenkt und geführt. Die Segmente 12 weisen je- weils mehrere Transportrollen 14 auf. In der Zeichnung sind nur einige der Segmente 12 und zudem stark vereinfacht darge¬ stellt. Die Segmente 12 sind komplexe Bauteile und weisen ein Traggerüst 16 auf, mit dem die Transportrollen 14 verbunden sind. Die Transportrollen 14 werden hierbei insbesondere mit Hilfe von Zylindern 18 in eine definierte Position gegen den Schmelzstrang 10 gepresst. Im Bereich der Segmente 12 wird der Schmelzstrang 10 intensiv gekühlt, so dass er allmählich erstarrt. Der erstarrte Schmelzstrang 10 wird anschließend mit Hilfe einer Schneideinrichtung 20 in die so genannten Brammen 2 unterteilt.
Diese werden anschließend zur Weiterverarbeitung einer Warm- Walzstraße 22 zugeführt, in der die beispielsweise 25 cm starken Brammen 2 auf eine Dicke von wenigen Millimetern bei hohen Temperaturen materialabhängig von beispielsweise bis annähernd 10000C gewalzt werden. Hierzu werden die Brammen 2 zwischen zwei Arbeitswalzen 24 umgeformt. Die Arbeitswalzen 24 werden hierbei mittels Stützwalzen 26 gegen die Oberfläche der Bramme 2 gepresst.
Nachfolgend zu der Warmwalzstraße 22 wird das so erhaltene Metallblech 28, welches auf eine Rolle 30 aufgerollt wird, in einer Kaltwalzstraße 32 üblicherweise auf die Endstärke ge¬ walzt. Auch hier wird das Metallblech 28 zwischen zwei nunmehr als Kaltwalzen 34 bezeichneten Arbeitswalzen gepresst. Die Kaltwalzen 34 werden wiederum mit Hilfe von Stützwalzen 26 abgestützt. Während beim Warmwalzen, das insbesondere un- mittelbar nach dem Stranggießen und dem Erstarren erfolgt, die Brammen noch eine Temperatur von bis zu 10000C aufweisen, erfolgt das Kaltwalzen etwa bei Raumtemperatur.
Die Stranggießanlage 4, die Warmwalzstraße 22 sowie die KaIt- Walzstraße 32 sind beispielsweise gemeinsam in einem Stahl¬ werk 36 angeordnet. Diese drei Anlagenteile können aber eben¬ so an unterschiedlichen Orten in unterschiedlichen Stahlwerken 36 angeordnet sein, wobei hierbei eine Anlage, die ausschließlich eine Stranggießanlage 4 oder eine Walzstraße 22, 32 aufweist ebenfalls als Stahlwerk bezeichnet wird.
Die bei der Herstellung zunächst der Bramme 2 und später des Metallblechs 28 hoch belasteten Bauteile sind insbesondere die Kokille 6, die Segmente 12 mit den Transportrollen 14 so- wie die Walzen 24, 34, 26 der Walzstraßen 22, 32. Je nach
Prozessschritt bzw. -stufe werden hierbei diese Bauteile un¬ terschiedlich belastet. So ist beispielsweise am Beginn des beschriebenen Prozesses im Bereich der Kokille 6 eine sehr hohe thermische und korrosive Belastung der Bauteile gegeben. In diesem Bereich weist die Metallschmelze noch eine sehr ho¬ he Temperatur auf und die Bauteile sind den eingesetzten Flussmitteln ausgesetzt. Zudem erfolgt im Bereich der Seg- mente 12 eine intensive Kühlung insbesondere mit Wasser, so dass hier die Segmente 12 und Transportrollen 14 einer erheblichen korrosiven Belastung ausgesetzt sind. Zugleich muss jedoch auch der Metallstrang mit Hilfe der Segmente 12 mechanisch geführt werden, so dass neben der hohen thermischen und korrosiven Belastung auch eine mechanische Belastung auftritt.
Im Bereich der Warmwalzstraße 22 tritt die korrosive Belas¬ tung durch die Flussmittel etwas in den Hintergrund und auch die thermische Belastung nimmt zusehends ab. Gleichzeitig sind hier insbesondere die Arbeitswalzen 24 erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Schließlich ist die thermische Belastung bei der Kaltwalzstraße 32 vergleichsweise gering, jedoch treten erhebliche mechanische Belastungen auf.
Für alle diese hoch belasteten Bauteile ist nunmehr eine Be- schichtung bzw. ein Beschichtungssystem vorgesehen, welches an die speziellen Anforderungen angepasst ist und für jedes dieser Bauteile deren Standzeit und Lebensdauer im Vergleich zu beispielsweise hartchrombeschichteten Bauteilen teilweise erheblich verbessert. Der Aufbau und die Zusammensetzung der Beschichtung bzw. des Beschichtungssystems wird nachfolgend anhand der FIG 2 und 3 erläutert.
Auf einen Grundkörper 37 der Bauteile wird jeweils eine im Folgenden als Grundbeschichtung 38 bezeichnete Beschichtung auf Nickelbasis elektrolytisch aufgebracht. Der Grundkörper besteht im Falle der Kokille 6 und der Kokillenplatten 8 aus Kupfer. Die Segmente 12, Transportrollen 14 sowie Walzen 24, 26, 34 bestehen beispielsweise aus Stahl.
Die Grundbeschichtung 38 umfasst neben der als Grundwerkstoff 39 bezeichneten Nickelmatrix einen Anteil an Hartstoffparti- kein 40, insbesondere Borcarbidpartikel . Durch die Verwendung von Nickel als Matrixwerkstoff in Kombination insbesondere von Borcarbid für die Hartstoffpartikel 40 wird eine sehr gasdichte und damit korrosionsbeständige sowie eine thermisch sehr gut leitende Beschichtung mit zugleich sehr hoher Oberflächenhärte und geringem Abrieb erzeugt.
Die hohe Gasdichtheit wird durch die Nickelmatrix bereits bei einer sehr geringen Schichtdicke von etwa 10 μm erreicht. Ge- genüber einer mikrorissigen Hartchrombeschichtung ist daher eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegeben. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des Nickel-Grundwerkstoffs 39 weist die Beschichtung insgesamt auch eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, so dass ein schneller Wärmeab- transport gewährleistet ist.
Die mechanische Belastbarkeit der Beschichtung wird insbe¬ sondere durch die eingelagerten Hartstoffpartikel 40 er¬ reicht, die teilweise auch über der durch die Nickelmatrix 39 gebildete Oberfläche 44 überstehen, so dass lediglich die
Hartstoffpartikel 40 mit der Metallschmelze 10 bzw. der Bram¬ me 2 oder dem Metallblech 28 in Kontakt kommen.
Bei den Bauteilen, die einer erheblichen mechanischen Belas- tung ausgesetzt sind, insbesondere die Arbeitswalzen 24 und die Kaltwalzen 34, ist in bevorzugten Ausgestaltungen zusätzlich die Aufbringung einer Diamantschicht 42 auf der Grundbe- schichtung 38 vorgesehen, wie dies in FIG 3 dargestellt ist.
Ist das Bauteil eine Kokille 6 oder eine Kokillenplatte 8, deren Grundkörper 37 üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, ist lediglich die Grundbeschichtung 38 aufgebracht. Als Grundwerkstoff 39 ist eine Nickel-Kobalt-Le¬ gierung oder auch eine Nickel-Eisen-Wolfram-Legierung vorge- sehen, wobei hierbei jeweils der Nickelanteil insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol% liegt. Der Anteil des Kobalts bzw. von Eisen und Wolfram liegt etwa zwischen 10 und 20 Vol%. Den Restanteil bilden die Borcarbidpartikel 40, deren Größe im Mikrometerbereich liegt. Die Dicke Dl der Grundbeschichtung liegt hierbei etwa im Bereich zwischen 2 und 3 mm.
Die gleiche Beschichtung ist auch bei den Segmenten 12 vorge- sehen, ebenfalls bei den Transportrollen 14 der Segmente 12. Da diese in unmittelbarem mechanischen Kontakt mit dem Schmelzstrang 10 stehen, weisen diese zur Verbesserung des mechanischen Abriebs eine im Vergleich zu dem restlichen Segment 12 höheren Anteil an Hartstoffpartikeln 40 auf.
Insbesondere für den Fall, dass die Arbeitswalzen 24, 34 le¬ diglich mit der Grundbeschichtung 38 versehen sind, werden Nano-Hartstoffpartikel 40 verwendet, um eine hohe Oberflä¬ chenqualität zu erzielen. Auch liegt der Anteil der Hart- Stoffpartikel 40 für derartige Walzen 24, 34 im oberen Be¬ reich zwischen 15 und 25 Vol%. Eine Beschichtung auf Basis einer Nickel-Kobalt-Legierung weist hierbei beispielsweise eine Zusammensetzung von etwa 63 Vol% Nickel, 12 Vol% Kobalt und 25 Vol% Borcarbidpartikel 40 auf.
Die Stützwalzen 26 weisen demgegenüber Hartstoffpartikel 40 im Mikrometerbereich auf.
Mit der Verwendung eines Schichtsystems wie es in FIG 3 dar- gestellt ist, wird die Standzeit noch einmal erheblich er¬ höht. Die Dicke Dl der Grundbeschichtung 38 liegt in diesem Fall im unteren Bereich zwischen 0,5 und 2 mm. Gleichzeitig beträgt die Dicke D2 der Diamantbeschichtung etwa 0,5 mm.
Durch die hier beschriebene Grundbeschichtung 38 wird die Standzeit der Bauteile im Vergleich zu einer Hartchrombe- schichtung jeweils um etwa das 4- bis 6-fache erhöht. Bei der Verwendung der Diamantbeschichtung 42 liegt die Verbesserung der Standzeit um ein vielfaches darüber. Insgesamt wird durch die hier beschriebenen Beschichtungsmaßnahmen die Lebensdauer der einzelnen Bauteile in einem Stahlwerk 36 erheblich verlängert, so dass für den Betrieb des Stahlwerks 36 deutliche geringere Kosten anfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Kokille (6,8) für eine Stranggießanlage (4) mit einem Grundkörper (37), auf dem eine Beschichtung (38) aufge- bracht ist, wobei die Beschichtung (38) einen duktilen metallischen Grundwerkstoff (39) mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln (40) umfasst.
2. Kokille (6,8) nach Anspruch 1, bei der der Grundwerkstoff (39) Nickel oder eine Nickel¬ legierung ist.
3. Kokille (6,8) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hartstoffpartikel (40) über eine durch den Grundwerkstoff (39) definierte Oberfläche (44) überste¬ hen .
4. Kokille (6,8) nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Nickelanteil der Beschichtung (38) etwa zwi- sehen 65 Vo1% und 95 Vol% und insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol% liegt.
5. Kokille (6,8) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, bei der als Legierungsbestandteile Wolfram und/oder Ei- sen und/oder Kobalt vorgesehen sind.
6. Kokille (6,8) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der der Anteil der Legierungsbestandteile an der Be¬ schichtung (38) etwa zwischen 10 Vol% und 20 Vol% liegt.
7. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anteil der Hartstoffpartikel (40) an der Be¬ schichtung (38) im Bereich zwischen 5 Vol% und 30 Vol% liegt .
8. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hartstoffpartikel (40) eine Größe im Nanome- terbereich oder im Mikrometerbereich aufweisen.
9. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Hartstoffpartikel (40) Borcarbidpartikel und/oder Wolframcarbidpartikel und/oder Diamantpartikel verwendet werden.
10. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Hartstoffpartikel (40) CNT-Partikel vorgese¬ hen sind.
11. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Dicke (Dl) der Beschichtung (38) im Bereich zwischen etwa 0,7 mm bis etwa 6 mm, insbesondere im Be¬ reich zwischen etwa 2 mm und 3 mm liegt.
12. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung (38) elektrolytisch aufgebracht ist .
13. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung (38) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird.
14. Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung aus einer Nickel-Kobalt-Legie- rung mit Borcarbidpartikel als Hartstoffpartikel (40) besteht .
15. Verfahren zum Herstellen einer Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschich- tung (38) elektrolytisch aufgebracht wird.
16. Verfahren zum Herstellen einer Kokille (6,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung (38) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem für das Kaltgasspritzen ein Pulver verwendet wird, das zumindest teil¬ weise besteht aus Hartstoffpartikel (40), die mit einem Überzug aus Nickel oder einer Nickellegierung versehen sind.
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