WO2011038704A2 - Kokille zum stranggiessen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a copper mold or copper mold plate for the continuous casting of metals or metal alloys with a coating on the mold inner wall or the cast strand facing Kokillenplattenseite.
  • Molds of the type mentioned consist of individual plates, which are assembled into a mold.
  • For cooling cooling channels are provided in the mold plates, which are flowed through by a cooling liquid, usually water.
  • Such an SiC particle-doped Ni coating of the inner mold walls was also successfully used in copper molds that were so worn by use on the inside that they were no longer useful for continuous casting.
  • the inner wall coating allows the restoration of a mold with the desired internal dimensions, which ensures optimal continuous casting. It is an object of the present invention to provide a mold or mold plate, which is inexpensive to produce and has the same good wear resistance. It is also the object of the present invention to provide a process for working up a copper mold or copper mold plate.
  • the mold according to claim 1 wherein the coating consists of electrolytically applied copper.
  • the advantage of such a mold is that on the one hand, copper is a cheaper raw material than nickel.
  • the mold, in particular the copper mold with copper a better bond can be achieved.
  • the wear resistance of such a mold is better than with a nickel coating.
  • the thickness of the coating depends on the desired final dimension of the mold inside dimension and is between 1 mm and 25 mm, preferably 3 mm to 15 mm.
  • the coated Cu layer has a greater hardness than the base body.
  • copper with silicon carbide grains is deposited electrolytically on the mold walls.
  • the galvanic deposition of metal layers of electrolyte solutions is known in principle from the document mentioned above.
  • a suspension of hard material particles and a wetting agent is prepared, and a pasty mass thus obtained is then placed in an electrolyte solution and dispersed therein.
  • the wetting agent essentially serves to avoid agglomeration of the hard material particles in the electrolyte.
  • the Cu layer with embedded SiC particles leads to an improvement in the abrasion resistance of the inner mold wall, which can also be produced sufficiently smoothly if small SiC grains are adhered to.
  • the SiC grains preferably have a size of 0.3 ⁇ to 1 ⁇ and represent in the coating a volume fraction of at least 5% to a maximum of 15%.
  • Process can also be used in molds or mold plates, which are produced by casting and in which finally is applied electrolytically to reach the desired final gauge copper, optionally with the addition of SiC grains of the aforementioned size and quantity.
  • molds or mold plates which have been produced by casting and subsequent forging, arise on the surface of fine-grained, harder and homogeneous structure, which lead to longer service life.
  • the mold inner side or the Kokillenplatteninnenseite can still be provided with a nickel coating, which is applied below the subsequent G manakible.
  • the applied layer is aftertreated by deep rolling, preferably with a hydraulic deep rolling tool.
  • a deep rolling tool If the surface of the mold or the mold plate still has a roughness of more than 100 .mu.m, it is expedient first to smooth the surface by means of cutting removal until approximately a roughness measure of 50 .mu.m to 70 .mu.m is achieved.
  • a deep-rolling tool is pressed for final treatment with a pressure of 1, 5 x 10 7 Pa to 6 x 10 7 Pa to the workpiece, the hydrostatically mounted ball of the deep rolling tool by a meandering guide on the mold or chill plate surface a final boundary layer solidification brought about, in which the compressive residual stress is increased in the boundary layer.
  • a rectangular sample measuring 25 mm ⁇ 30 mm ⁇ 105 mm made of copper was copper-plated on one side.
  • the applied copper layer had a thickness of about 10 mm.
  • the transition region from the base material to the layer has no malposition or binding error. While the Cu base material produced by casting and forging shows deformed grains with low precipitates, the Cu overlay is characterized by a very fine structure in which individual Cu grains could no longer be triggered by light microscopy. Hardness measurements of the main body have given hardnesses in the range of 74 to 78 HV 0.01, whereas the hardness of the electrodeposited copper layer was 80 HV 0.01.
  • a rectangular sample of the same geometry has been coated with a 10 mm thick layer of copper with a volume fraction of 10% SiC particles having an average size of 0.5 ⁇ m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte sowie ein Verfahren zur Aufarbeitung solcher verschlissener Kokillen oder Kokillenplatten, die zum Stranggießen von Metallen oder Metall-Legierungen verwendet werden. Erfindungsgemäß wird eine Beschichtung auf der Kokilleninnenwand oder der dem Gießstrang zugewandten Kokillenplattenseite aus Kupfer, welches elektrolytisch aufgetragen wird, verwendet.

Description

A
Kokilie zum Stranggießen
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte zum Stranggießen von Metallen oder Metall-Legierungen mit einer Beschichtung auf der Kokilleninnenwand oder der dem Gießstrang zugewandten Kokillenplattenseite.
Kokillen der genannten Art bestehen aus einzelnen Platten, die zu einer Kokille zusammengebaut werden. Zur Kühlung sind in den Kokillenplatten Kühlkanäle vorgesehen, die von einer Kühlflüssigkeit, zumeist Wasser, durchströmt werden.
Bereits in der DE 30 38 289 A1 wird beschrieben, dass die Kokilleninnenwände häufig galvanisch behandelt werden, um die Kokilleninnenwand gegenüber den zu Beginn des Stranggießens in den kokillenbewegten Anfahrsträngen sowie später gegenüber dem flüssigen bzw. fest werdendem Stahl widerstandsfähig zu erhalten. Zunächst ist zur Oberflächenbehandlung eine Hartverchromung vorgeschlagen worden, allerdings waren die Standzeiten derartiger Kokillen verhältnismäßig gering, weshalb eine Metallschicht aus Nickel zusammen mit in einer temperierten Lösung eines oder mehrerer Nickelsalze suspendierten Hartstoffpartikeln auf die Kokilleninnenwand zur Abscheidung vorgeschlagen wird. Als Hartstoffpartikel soll insbesondere Siliziumkarbid mit (SiC) verwendet werden. Seinerzeit konnte überraschend festgestellt werden, dass mit SiC-Partikeln dotierte Nickelschichten eine Verschleißminderung bewirken. Es war überraschend, dass insbesondere beim Stahlguss das in der Kokille bewegte flüssige Metall weder die SiC-Partikel chemisch angreift noch beim Aushärten des Stahls ein mechanisches Herausbrechen der Partikel eintritt.
Eine solche mit SiC-Partikeln dotierte Ni-Beschichtung der Kokilleninnenwände wurde mit Erfolg auch bei Kupfer-Kokillen verwendet, die durch Gebrauch auf der Innenseite so stark verschlissen waren, dass sie für den Strangguss nicht mehr brauchbar waren. Die Innenwandbeschichtung ermöglicht die Wiederherstellung einer Kokille mit den gewünschten Innenmaßen, welche einen optimalen Strangguss gewährleisten. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kokille oder Kokillenplatte anzugeben, die preiswert herstellbar ist und eine gleichgute Verschleißbeständigkeit besitzt. Es ist femer Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufarbeitung einer Kupferkokille oder Kupferkokillenplatte zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Kokille nach Anspruch 1 vorgeschlagen, bei der die Beschichtung aus elektrolytisch aufgetragenem Kupfer besteht.
Der Vorteil einer solchen Kokille besteht darin, dass Kupfer einerseits ein preiswerterer Rohstoff als Nickel ist. Andererseits kann durch die Beschichtung der Kokille, insbesondere der Kupferkokille mit Kupfer ein besserer Haftverbund erzielt werden. Überraschenderweise ist die Verschleißbeständigkeit einer solchen Kokille besser als bei einer Nickelbeschichtung. Die Dicke der Beschichtung richtet sich nach dem gewünschten Endmaß der Kokillen-Innenabmessung und liegt zwischen 1 mm und 25 mm, vorzugsweise 3 mm bis 15 mm. Vorzugsweise besitzt die aufgetragene Cu- Schicht eine größere Härte als der Basiskörper.
Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird Kupfer mit Siliziumkarbidkörner elektrolytisch auf den Kokillenwänden abgeschieden. Die galvanische Abscheidung von Metallschichten aus Elektrolytlösungen ist im Prinzip aus der eingangs genannten Schrift bekannt. Zunächst wird vorzugsweise eine Suspension aus Hartstoffpartikeln und einem Benetzungsmittel hergestellt und eine auf diese Weise erhaltene pastöse Masse anschließend in eine Elekrolytiösung gegeben und hierin verteilt. Das Benetzungsmittel dient im Wesentlichen dazu, eine Agglomeration der Hartstoffparti- kel im Elektrolyten zu vermeiden. Insgesamt führt die Cu-Schicht mit eingebetteten SiC-Partikeln zu einer Verbesserung der Abriebfestigkeit der Kokillenwandinnenseite, die bei Einhaltung von kleinen SiC-Körnern auch hinreichend glatt hergestellt werden kann. Die SiC-Körner besitzen vorzugsweise eine Größe von 0,3 μητι bis 1 μηη und stellen in der Beschichtung einen Volumenanteil von mindestens 5 % bis maximal 15 % dar. Zur Reparatur von verschlissenen Kokillen oder Kokillenplatten wird das in Anspruch 7 beschriebene Verfahren vorgeschlagen, bei dem die durch Stranggießen verschlissene(n) Innenfläche(n) bis zu einer maximalen Tiefe der Verschleißriefen mechanisch abgetragen und anschließend wieder mit Kupfer elektrolytisch beschichtet wird (werden), bis das gewünschte Endmaß erreicht ist. Dieses
Verfahren kann auch bei Kokillen oder Kokillenplatten verwendet werden, die durch Gießen hergestellt und bei denen abschließend bis zum Erreichen des gewünschten Endmaßes Kupfer elektrolytisch aufgetragen wird, gegebenenfalls unter Zusatz von SiC-Körnern der vorerwähnten Größe und Menge. Im Unterschied zu solche Kokillen oder Kokillenplatten, die durch Gießen und anschließendes Schmieden hergestellt worden sind, ergeben sich an der Oberfläche feinkörnige, härtere und homogene Gefüge, die zu längeren Standzeiten führen.
Falls es im Hinblick auf die Stranggießprozess sinnvoll oder erforderlich erscheint, kann die Kokilleninnenseite bzw. die Kokillenplatteninnenseite noch mit einer Nickel- Beschichtung versehen werden, die unterhalb der späteren Gießspiegelhöhe aufgetragen wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die aufgetragene Schicht durch Festwalzen nachbehandelt, vorzugsweise mit einem hydraulischen Festwalzwerkzeug. Soweit die Oberfläche der Kokille oder der Kokillenplatte noch eine Rau- tiefe von mehr als 100 pm besitzt, ist es zweckmäßig, zunächst die Oberfläche durch zerspanende Abtragung zu glätten, bis etwa ein Rauigkeitsmaß von 50 pm bis 70 pm erreicht ist. Ein Festwalzwerkzeug wird zur abschließenden Behandlung mit einem Druck von 1 ,5 x 107Pa bis 6 x 107Pa an das Werkstück gepresst, wobei die hydrostatisch gelagerter Kugel des Festwalzwerkzeuges durch eine meanderförmige Führung über die Kokillen- oder Kokillenplatten-Oberfläche eine abschließende Randschichtverfestigung herbeiführt, bei der die Druckeigenspannung in der Randschicht erhöht wird.
Insgesamt ist es überraschend, dass sowohl bei neuen, bisher unbenutzten Kokillenplatten als auch bei solchen Kokillen oder Kokillen platten, die bereits durch Stranggießen verschlissen sind, elektrolytisch aufgetragene Kupferschichten sowohl hinsichtlich ihrer Bindung an den Grundwerkstoff als auch hinsichtlich ihrer Struktur, Homogenität, Fehlerfreiheit sowie Härte zu optimalen Ergebnissen führen. Dies gilt sowohl für reine Cu-Schichten als auch für solche Cu-Schichten, die zusätzlich mit SiC-Partikeln versehen sind.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde eine Rechteckprobe mit den Maßen 25 mm x 30 mm x 105 mm aus Kupfer einseitig elektrolytisch verkupfert. Die aufgetragene Kupferschicht hatte eine Dicke von ca. 10 mm. Der Übergangsbereich vom Grundwerkstoff zur Schicht weist keine Fehlstellung oder Bindefehler auf. Während das durch Gießen und Schmieden hergestellte Cu-Grundmaterial verformte Körner mit geringen Ausscheidungen zeigt, zeichnet sich die Cu-Auflage durch eine sehr feine Struktur, bei der einzelne Cu-Körner lichtmikroskopisch nicht mehr auszulösen waren. Härtemessungen des Grundkörpers haben Härten im Bereich von 74 bis 78 HV 0,01 ergeben, wohingegen die Härte der galvanisch aufgebrachten Kupferschicht bei 80 HV 0,01 lag.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Rechteckprobe derselben Geometrie mit einer 10 mm dicken Schicht aus Kupfer mit einem Volumenanteil von 10 % SiC- Partikeln einer mittleren Größe von 0,5 pm beschichtet worden.

Claims

Ansprüche
1. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte zum Stranggießen von Metallen oder Metall-Legierungen, mit einer Beschichtung auf der Kokilleninnenwand oder der dem Gießstrang zugewandten Kokillenplattenseite, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine elektrolytisch aufgetragene Cu-Schicht.
2. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Kupferschicht eine Dicke von 1 mm bis 25 mm, vorzugsweise 3 mm bis 15 mm besitzt.
3. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht eine größere Härte als der Basiskörper aufweist.
4. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kupferschicht SiC-Körner eingebettet sind.
5. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die SiC-Körner eine Größe von 0,3 pm bis 1 pm aufweisen.
6. Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil an SiC-Körnern in der Cu-Schicht mindestens 5% bis maximal 15% beträgt.
7. Verfahren zur Aufarbeitung einer Kupfer-Kokille oder Kupfer-Kokillenplatte zum Stranggießen, bei dem die durch Stranggießen verschlissene Innenfläche bis zur maximalen Tiefe der Verschleißriefen mechanisch abgetragen und anschließend wieder beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
als Beschichtungsmaterial Kupfer verwendet wird, das elektrolytisch aufgetragen wird, vorzugsweise in einer Dicke von 1 mm bis 25 mm.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Cu- Kokille oder Cu-Kokillenplatte mit einer zusätzlichen Ni-Außenschicht versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Schicht durch Festwalzen nachbehandelt wird.
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