DE3525905C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls mit hoher Warmriß- und Warmbruchfestigkeit als Werkstoff für die Herstellung von Mänteln für Walzen in Aluminium-Stranggießanlagen.

Walzen für Aluminium-Stranggießanlagen bestehen aus einem Mantel und einem Kern die durch Aufschrumpfen bzw. Warmaufziehen miteinander verbunden sind. Während die Innenfläche des Mantels dauernd wassergekühlt wird, wird die Außenfläche durch Wärmeleitung gekühlt. Viele Aluminium- Stranggießanlagen weisen an der Ausgießöffnung für das geschmolzene Aluminium ein Walzenpaar auf, das wie zuvor beschrieben gekühlt wird. Die sich drehenden Walzen dienen zum Kühlen der beiden Flächen des Aluminiumblechs, das zwischen diesen hindurch stranggegossen wird.

Die Außenfläche des Walzenmantels kommt dabei mit dem geschmolzenen Aluminium auf einer Umfangsfläche von höchstens einigen cm in direkten Kontakt. Beim Kontakt mit den sich drehenden Walzen erstarrt das geschmolzene Metall augenblicklich, gleichzeitig steigt die Temperatur an der Außenfläche des Mantels steil an. Jedoch fällt die Außentemperatur durch die innen zugeführte Kühlung, noch bevor die Walze eine volle Umdrehung vollendet hat und erneut mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt, rasch auf die niedrigste bzw. die ursprüngliche Temperatur. Dieser Aufheiz- und Kühlzyklus wird immer wieder durchlaufen. Die Temperatur des geschmolzenen Metalls beträgt ungefähr 690°C bis 700°C, kann aber für reines Aluminium oder Aluminiumlegierungen, sowie bestimmte Gießertypen, Gießbedingungen und je nach Herstellerpraxis variieren. Die Temperatur der Mantelaußenfläche erreicht ungefähr 600°C während der Berührung mit dem geschmolzenen Aluminium und fällt durch die Kühlwirkung nach dem Kontakt auf ungefähr 45°C ab.

Aufgrund der drastischen Temperaturwechsel während der wechselnden Aufheiz- und Kühlphasen entstehen auf der Außenfläche des Mantels mit der Zeit Warmrisse oder Brandrisse. Die Warmrisse sind zunächst sehr fein, flach und unauffällig. Mit der Zeit werden die Wärmerisse jedoch länger und tiefer und der Gießvorgang muß abgebrochen werden, so daß die defekte Walze zum Nacharbeiten entfernt werden kann. Durch das Nachbearbeiten werden die Warmrisse entfernt. Bei tiefen Warmrissen muß entsprechend mehr nachgearbeitet werden, was zu einer entsprechenden Verkürzung der Lebensdauer des Mantels und damit zu einer Verringerung der gesamten Aluminiumblechproduktion mit dieser Walze führt. Für den Walzenmantel wird daher ein Stahl benötigt, der nicht zur Bildung von Warmrissen neigt, oder bei dem sich nur feine und flache Warmrisse bilden.

Zusätzlich zu den Warmrissen, die im allgemeinen gleichmäßig verteilt entstehen, bilden sich oft an der Außenfläche des Walzenmantels unregelmäßige Warmbrüche. Im Gegensatz zu den Warmrissen entstehen Warmbrüche nicht unter der Wirkung der wiederholten Temperaturzyklen, sondern plötzlich und zufällig durch Wärmeschock. Warmbrüche sind lang, tief und unregelmäßig in ihrer Struktur. Der Stahl für Walzenmäntel soll daher nur eine geringe Neigung zu Warmbrüchen zeigen.

Die Kühlwirkung ist umso größer, je niedriger die Temperatur der Außenfläche des Mantels kurz vor der Berührung mit dem geschmolzenen Metall ist. Bei einer größeren Kühlwirkung kann die Drehgeschwindigkeit der Walze und die Produktionsrate erhöht werden. Da die Außenfläche des Mantels durch Wärmeleitung von den wassergekühlten Innenflächen gekühlt wird, ist im Hinblick auf die Produktivität ein Stahl vorzuziehen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Wie zuvor beschrieben, soll der Stahl für Walzenmäntel die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• (1) Hohe Warmrißfestigkeit,
  (2) hohe Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock, und
  (3) große Wärmeleitfähigkeit.

Aus der US-PS 44 09 027 sind zur Verwendung von Aluminium- Stranggießanlagen Walzen aus Stahl bekannt, dessen Mo-Gehalt bei über 0,8 Gew.-% liegt. Dieser hohe Mo-Gehalt führt zur einer ungünstigen Stabilisierung der Restaustenite und damit zu einer relativ geringen Warmriß- und Warmbruchfestigkeit. Zur Wärmebehandlung und Oberflächenhärte des Stahls macht diese Druckschrift keine Angaben.

Aus der DE-AS 10 46 647 und der JP-OS 53-138 915 sind Walzen für Walzanlagen bekannt. Derartige Walzen sind ausgelegt auf das Übertragen großer Walzkräfte und müssen daher außerordentlich hohe Drucke auf ihrer Oberfläche aushalten. Dies steht in eklatantem Gegensatz zu den Anforderungen an Gießwalzen für Aluminium-Stranggießanlagen, da bei letzteren nur relativ geringe Kräfte einwirken, aber dafür die Walzen hohen thermischen Belastungen durch starke Temperaturänderungen unterworfen sind. Auch in diesen Druckschriften werden keine Angaben zur Oberflächenhärte der beschriebenen Walzen gemacht.

Aus "Werkstoff-Handbuch Stahl und Eisen", 1965, Seiten T 2-2 und P 61-4 sind Warmarbeitsstähle bekannt, wobei jedoch die spezifischen Anforderungen an Walzenmäntel in Al-Stranggießanlagen nicht angesprochen werden.

In jüngerer Zeit sind die Anforderungen an die Eigenschaften von Stahl für Walzenmäntel noch gestiegen. Durch den Zusatz von bestimmten Legierungselementen konnte zwar die Warmrißfestigkeit erhöht werden, jedoch nahm dabei im allgemeinen die Wärmeleitfähigkeit des Stahls durch den höheren Anteil der Legierungszusätze ab. Bei der Auswahl der Werkstoffzusammensetzung sind all diese Faktoren zu berücksichtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als Werkstoff zur Herstellung von Mänteln für Walzen in Aluminium- Stranggießanlagen verwendbaren Stahl für die Ummantelung bzw. den bereitzustellen, der eine verbesserte Warmrißfestigkeit, Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock und eine große Wärmeleitfähigkeit trotz des Zusatzes von Legierungselementen aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch wird die Lebensdauer der Walzenmäntel und die damit herstellbare Aluminiumblechmenge erhöht. Die Härtbarkeit und Zähigkeit des Stahls wird durch den Zusatz von höchstens 0,7 Gewichtsprozent Nickel, vorzugsweise mindestens 0,1 Gewichtsprozent Nickel erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren, die die Ergebnisse von Vergleichsversuchen mit verschiedenen Stählen gemäß der Erfindung und anderen konventionellen Stählen zeigt, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Balkendiagramm, in dem die maximale Tiefe von Warmrissen für verschiedene Testprüflinge nach einem Wärmezyklustest aufgetragen ist,

Fig. 2 ein Balkendiagramm, in dem die Streckgrenze, bei einer Längenänderung von 0,2%, die in einem Zugversuch bei einer Temperatur von 600°C ermittelt wurde, für die Testprüflinge aufgetragen ist, und

Fig. 3 ein Balkendiagramm, in dem die Wärmeleitfähigkeit der Testprüflinge bei drei verschiedenen Temperaturen 25°C, 300°C und 600°C aufgetragen ist.

Zum Nachweis der Warmrißfestigkeit der Stähle wurden die Tiefen der Warmrisse, die sich auf kleinen Testprüflingen bildeten, miteinander verglichen. Dazu wurden diese im kurzen Wechsel Aufheiz- und Kühlphasen ausgesetzt, denen auch die Außenfläche von Walzenmänteln ausgesetzt ist.

Die Versuche wurden mit einem Testgerät durchgeführt, das über eine Hochfrequenz-Induktionsheizung verfügt.

Wie man aus der Analyse der Art und Weise des Auftretens von regelmäßigen Brüchen auf Walzenmänteln bei Wärmeschock weiß, besteht zwischen der Festigkeit bei hohen Temperaturen, d. h. der Streckgrenze bei 0,2% Längenänderung, bzw. der Härtefestigkeit beim Anlassen des Stahls ein wichtiger Zusammenhang mit der Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock.

Die Wärmeleitfähigkeit des Stahls wurde nach der Laser- Strahlmethode bestimmt.

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Stahllegierung mit der folgenden chemischen Zusammensetzung am besten für die Ummantelung von Walzen für Aluminium- Stranggießanlagen geeignet ist.

Der erfindungsgemäß einsetzbare Stahl für die Ummantelung von Walzen weist eine hervorragende Warmrißfestigkeit und Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock auf. Durch den Zusatz von höchstens 0,7 Gewichtsprozent Nickel zu dem Stahl mit der oben genannten Zusammensetzung wird die Härtbarkeit und die Zähigkeit erhöht.

Bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,30 Gewichtsprozent ist die Warmrißfestigkeit von Stählen zwar noch höher, jedoch neigen die Warmrisse dazu in nah beieinanderliegenden und feinen Strukturen zu entstehen. Obgleich die Warmrißfestigkeit bei diesen Stählen höher ist, können sich aus den feinen Warmrissen durch starken Wärmeschock lange Warmbrüche auf den Walzenmänteln bilden. Daher liegt die untere Grenze für den Kohlenstoffgehalt bei mindestens 0,30%.

Zum Erhalten einer guten Warmrißfestigkeit und einer Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock liegt der Kohlenstoffgehalt bei 0,35 bis 0,45%.

Der Siliziumanteil bildet mit der Matrix einen Mischkristall und vermittelt den Stählen Härte. Als Oxidationshemmer ist Silizium in allen Stählen in bestimmten Mengen enthalten. Da das Atomgewicht von Silizium wie das von Kohlenstoff gering ist, wird die Wärmeleitfähigkeit von Stahlwerkstoffen, wenn es in größeren Mengen enthalten ist, verringert. Um eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit zu verhindern, liegt der Siliziumgehalt bei höchstens 0,50% und vorzugsweise bei höchstens 0,30%. Bevorzugt ist ein Siliziumgehalt von 0,1%.

Als Oxidationshemmer ist Mangan ebenso wie Silizium in allen Stählen vorhanden. Mangan erhöht zwar die Härtbarkeit von Stählen, dies ist aber bei Walzenmänteln bzw. Walzenüberzügen, die im allgemeinen sehr dünn sind, nicht so wichtig. Eine geringe Menge von Mangan hat keinen Einfluß auf die Warmrißfestigkeit und Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock. Jedoch bewirkt ein zu hoher Mangangehalt eine ungünstige Stabilisierung der Restaustenite, die nach dem Härten in dem Stahl enthalten sind. Daher beträgt der Mangangehalt höchstens 0,8% und vorzugsweise mindestens 0,1%.

Nickel bildet ein Mischkristall in dem Gefüge und erhöht die Härtbarkeit und Zähigkeit. Jedoch hat es nur einen geringen Einfluß auf die Warmrißfestigkeit und die Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock. Da ein zu großer Anteil von Nickel im Stahl die Restaustenite stabilisiert, die nach dem Härten im Stahl enthalten sind, wird sein Gehalt auf höchstens 0,70% und vorzugsweise mindestens 0,1% begrenzt.

Chrom verbessert wie allgemein bekannt, die Härtbarkeit, die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit. Ein Zusatz von Chrom erhöht unter anderem die Warmrißfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit. Mit einem höheren Chromgehalt erhöht sich die Warmrißfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit. Jedoch wird dabei die Wärmeleitfähigkeit von Stahl verringert. Unterhalb 2 Gew.-% Chrom nehmen die Warmrißfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit des Stahls soweit ab, daß die Eigenschaften des daraus hergestellten Walzenmantels schlechter als der aus herkömmlichen Stählen hergestellten Mäntel ist. Daher beträgt der Chromgehalt 3,0% bis 4,0%. Über 4,5% ist die Wärmeleitfähigkeit zu gering, auch wenn die Warmrißfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit noch ansteigt.

Molybdän ist geeignet, die Härte beim Anlassen zu erhöhen und eine Anlaßsprödigkeit zu vermeiden. Da Molybdän jedoch sehr teuer ist, wird sein Zusatz auf ein Minimum begrenzt. Es genügt zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften ein Zusatz von mindestens 0,5%. Andererseits ist ein Molybdängehalt von mehr als 0,8% nicht erforderlich, es sei denn, daß für eine hohe Temperaturfestigkeit und Verschleißfestigkeit eine Sekundärhärtung erwünscht ist. Deshalb wird der Molybdängehalt auf höchstens 0,8% bestimmt.

Vanadium, das die Korngröße verringert, ist schon in einer geringen Menge ausreichend. Der Vanadiumgehalt beträgt mindestens 0,10% und höchstens 0,20%.

Die aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Stahllegierungen mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung hergestellten Walzenmäntel werden zum Erhalten von gehärteten martensitischen Mikrostrukturen gehärtet und angelassen. Die Härte- und Anlaßtemperaturen betragen 900°C bis 970°C bzw. 500°C bis 650°C. Das Anlassen bei diesen hohen Temperaturen stabilisiert die Mikrostrukturen an der Außenfläche des Walzenmantels, die den hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Die Mantelfläche erhält dabei eine Härte von HRC 40 bis 50, das den Optimalwert für Walzenmäntel darstellt. Wenn die Härte der Mantelfläche HRC 50 übersteigt, neigt diese zu Warmbrüchen bei Wärmeschock. Ist die Härte andererseits kleiner als HRC 40, können Tieftemperaturermüdungsbrüche auftreten.

Zum Nachweis der hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung wurden Wärmezyklusversuche und Hochtemperaturzugversuche durchgeführt sowie die Wärmeleitfähigkeit bei den erfindungsgemäßen Walzenmantel- Stählen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und einem konventionellen Stahl (Vergleichsstahl) durchgeführt. Tabelle I zeigt die chemischen Zusammensetzungen der getesteten Walzenmantel-Stähle. Tabelle II zeigt die Bedingungen, bei denen die einzelnen Testprüflinge wärmebehandelt wurden. Die Wärmebehandlungsbedingungen wurden so eingestellt, daß die Testprüflinge etwa die gleiche Härte von HRC 44 bis 45 (Shore-Härte HSD 60 plus/minus 3) wie bei den eingesetzten Walzenmänteln erhielten. Wie aus Tabelle II ersichtlich, erhalten mehrere erfindungsgemäße Stähle, die einen höheren Kohlenstoff-, Chrom- und Molybdängehalt aufweisen, wegen der etwas höheren Anlaßtemperatur eine größere Warmbruchfestigkeit bei Wärmeschock als der Vergleichsstahl.

Die Testergebnisse sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Fig. 1 zeigt die Ergebnisse des Wärmezyklusversuchs, in dem die Tiefe der Warmrisse gemessen wurde, die sich bildeten, nachdem die Prüflinge 5000 mal im Temperaturbereich von 30°C bis 600°C schnell aufgeheizt und wieder abgekühlt wurden. Aufgrund der so erhaltenen Ergebnisse kann die Warmrißfestigkeit der einzelnen Stähle verglichen werden. Die erfindungsgemäßen Stähle haben eine hohe Warmrißfestigkeit, insbesondere die Stähle mit einem geringerem Kohlenstoff- und höherem Chrom- und Molybdängehalt.

Fig. 2 zeigt die Hochtemperaturfestigkeit bzw. die Streckgrenze bei 0,2% Längenänderung der verschiedenen Stähle bei einer Temperatur von 600°C. Dieser Versuch zeigt ebenfalls die Vorteile der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle, insbesondere der Stähle E und F mit einem geringerem Kohlenstoff- und höherem Chrom- und Molybdängehalt. Diese Eigenschaft steht für eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Wärmeschocks.

Fig. 3 zeigt die Wärmeleitfähigkeiten gemessen bei drei verschiedenen Temperaturen, 25°C, 300°C und 600°C. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, haben Stähle mit größeren Legierungszusätzen eine geringere Leitfähigkeit, jedoch ist der Unterschied der Wärmeleitfähigkeiten der Stähle mit hohen und geringen Legierungszusätzen gering.

Unter Berücksichtigung des Vorgenannten weisen die Stähle E und F mit einem geringerem Kohlenstoff- und höherem Chrom- und Molybdängehalt die bevorzugten Zusammensetzungen auf. Aber auch die Stähle mit einem höheren Kohlenstoffgehalt weisen bessere Eigenschaften als der Vergleichsstahl auf.

Tabelle I

Tabelle II

Vergleichsbeispiel

Ein Stahl mit 0,62% Kohlenstoff, 0,21% Silizium, 0,63% Mangan, 0,60% Nickel, 3,49% Chrom, 0,54% Molybdän und 0,13% Vanadium wurde zunächst als Block gegossen, geschmiedet und ungefähr in die Mantelform gebracht. Nach dem Härten bei 920°C und Anlassen bei 560°C wurde das Werkstück nachbearbeitet und ein Mantel mit einem Außendurchmesser von 949 mm, einem Innendurchmesser von 838 mm und einer Länge von 685 mm erhalten. Die Härte des nachbearbeiteten Mantels beträgt HSD 61 bis 62 (HRC 46 bis 47).

Der so gefertigte Mantel wurde auf einen Kern aufgeschrumpft. Für den Versuch wurde die so erhaltene Walze als obere Walze gemeinsam mit einer Walze, die aus einem Vergleichsstahl hergestellt wurde und die als untere Walze eingesetzt wurde, in einer Aluminium-Stranggießanlage eingesetzt. Bei Betrieb wurde das Auftreten von Warmrissen und das Aluminiumblech an beiden Seiten, die mit den zwei verschiedenen Walzen in Berührung standen, beobachtet. Obwohl der getestete Stahl einen recht hohen Kohlenstoffgehalt hatte, war die Warmrißfestigkeit höher als erwartet, und die auftretenden Warmrisse nur sehr fein. Die Produktionsrate war ebenfalls gut.

Claims (5)

1. Verwendung eines Stahls mit hoher Warmrißfestigkeit und Warmbruchfestigkeit, enthaltend 0,35 bis 0,45 Gewichtsprozent Kohlenstoff, höchstens 0,50 Gewichtsprozent Silizium, höchstens 0,80 Gewichtsprozent Mangan, 3,0 bis 4,0 Gewichtsprozent Chrom, 0,50 bis 0,80 Gewichtsprozent Molybdän, 0,10 bis 0,20 Gewichtsprozent Vanadium und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, als Werkstoff zur Herstellung von Mänteln für Walzen in Aluminium-Stranggießanlagen, mit der Maßgabe, daß der Stahl zum Erzielen einer Härte von HRC 40 bis HRC 50 bei 900 bis 960°C gehärtet und bei 500 bis 650°C angelassen wird.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl höchstens 0,7 Gewichtsprozent Nickel enthält.

3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 2 für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mindestens 0,1 Gewichtsprozent Nickel enthält.

4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgehalt wenigstens 0,3 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent beträgt.

5. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für den Zweck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mangangehalt mindestens 0,1 Gewichtsprozent beträgt.