DE4142941A1

DE4142941A1 - Verwendung einer aushaertbaren kupferlegierung

Info

Publication number: DE4142941A1
Application number: DE4142941A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Gravemann; Thomas Dipl Ing Helmenkamp
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1993-07-01
Also published as: FI925597A; EP0548636B1; RU2102515C1; ES2109302T3; KR930013179A; FI97108B; CN1031762C; ATE158822T1; US6083328A; JP3504284B2; MX9206426A; ZA929480B; SK280704B6; AU661529B2; PL170470B1; CA2086063A1; DK0548636T3; BR9205131A; FI925597A0; FI97108C

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Kup ferlegierung zur Herstellung von Gießwalzen und Gießrädern, die beim endabmessungsnahen Gießen einer wechselnden Tempe raturbeanspruchung unterliegen.

Das weltweite Ziel, insbesondere der Stahlindustrie, das her zustellende Halbzeug möglichst endabmessungsnah zu gießen, um Warm- und/oder Kaltverformungsschritte einzusparen, hat seit etwa 1980 zu einer Reihe von Entwicklungen, beispielsweise den Ein- und Zweiwalzen-Stranggießverfahren, geführt.

Bei diesen Gießverfahren treten auf den wassergekühlten Wal zen oder Rollen beim Gießen von Stahllegierungen, Nickel, Kupfer sowie Legierungen, die sich nur schwer warmwalzen las sen im Eingießbereich der Schmelze sehr hohe Oberflächentem peraturen auf. Diese liegen z. B. beim endabmessungsnahen Gießen einer Stahllegierung, wobei die Gießwalzen aus einem CuCrZr-Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 48 m/Ω mm² und einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 320 W/mK be stehen, bei 350 bis 450°C. Werkstoffe auf CuCrZr-Basis wur den bisher vornehmlich für thermisch hochbelastete Strang gießkokillen und Gießräder eingesetzt. Die Oberflächentempe ratur fällt bei diesen Werkstoffen durch die Kühlung der Gießwalzen zyklisch bei jeder Umdrehung kurz vor dem Ein gießbereich auf etwa 150 bis 200°C ab. Auf der gekühlten Rückseite der Gießwalzen bleibt sie dagegen während des Um laufs weitgehend konstant bei etwa 30 bis 40°C. Der Tempe raturgradient zwischen Oberfläche und Rückseite in Kombina tion mit der zyklischen Änderung der Oberflächentemperatur der Gießwalzen bewirkt erhebliche thermische Spannungen im Oberflächenbereich des Walzenwerkstoffs.

Gemäß Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens an dem bisher verwendeten CuCrZr-Werkstoff bei verschiedenen Temperaturen mit einer Dehnungsamplitude von ± 0,3% und einer Frequenz von 0,5 Hz - diese Parameter entsprechen etwa einer Umdre hungsgeschwindigkeit der Gießwalzen von 30 U/min - ist bei spielsweise bei einer maximalen Oberflächentemperatur von 400°C - entsprechend einer Wanddicke von 25 mm oberhalb der Wasserkühlung - im günstigsten Fall eine Lebensdauer von 3000 Zyklen bis zur Rißbildung zu erwarten. Die Gießwalzen müßten daher bereits nach einer relativ kurzen Betriebszeit von etwa 100 Minuten zwecks Beseitigung von Oberflächenrissen nach gearbeitet werden. Für das Auswechseln der Gießwalzen muß die Gießmaschine angehalten und der Gießvorgang unterbrochen wer den.

Ein weiterer Nachteil des bewährten Kokillenwerkstoffs CuCrZr ist die für diesen Anwendungsfall relativ geringe Härte von etwa 110 bis 130 HB. Bei einem Ein- oder Zweiwalzen-Strang gießverfahren ist es nämlich nicht vermeidbar, daß bereits vor dem Eingießbereich Stahlspritzer auf die Walzenoberfläche gelangen. Die erstarrten Stahlpartikel werden dann in die re lativ weiche Oberfläche der Gießwalzen eingedrückt, wodurch die Oberflächenqualität der gegossenen Bänder von etwa 1,5 bis 4 mm Dicke erheblich beeinträchtigt wird.

Auch die geringere elektrische Leitfähigkeit einer bekannten CuNiBe-Legierung mit einem Zusatz von bis zu 1% Niob führt im Vergleich zu einer CuCrZr-Legierung zu einer höheren Ober flächentemperatur. Da sich die elektrische Leitfähigkeit um gekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit verhält, wird sich die Oberflächentemperatur einer Gießwalze aus der CuNiBe-Legierung im Vergleich zu einer Gießwalze aus CuCrZr mit einer maximalen Temperatur von 400°C an der Oberfläche und 30°C auf der Rückseite auf etwa 540°C erhöhen.

Ternäre CuNiBe- bzw. CuCoBe-Legierungen weisen zwar grund sätzlich eine Brinellhärte von über 200 HB auf, jedoch er reicht die elektrische Leitfähigkeit der aus diesen Werk stoffen hergestellten Standard-Halbzeugarten, wie bei spielsweise Stangen zur Herstellung von Widerstandsschweiß elektroden bzw. Blechen und Bändern zur Herstellung von Fe dern oder Leadframes, allenfalls im Bereich von 26 bis etwa 32 m/Ω mm² liegende Werte. Unter optimalen Bedingungen wäre mit diesen Standardwerkstoffen lediglich eine Oberflächentem peratur der Gießwalze von etwa 585°C zu erreichen.

Schließlich ergeben sich auch für die aus dem US-Patent 41 79 314 grundsätzlich bekannten CuCoBeZr- bzw. CuNiBeZr-Legierun gen keine Hinweise, daß bei gezielter Auswahl der Legierungs komponenten Leitfähigkeitswerte von < 38 m/-Ωmm² in Verbin dung mit einer Mindesthärte von 200 HB erreichbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstoff für die Herstellung von Gießwalzen, Gießwalzenmänteln und Gießrädern zur Verfügung zu stellen, der auch bei Gießge schwindigkeiten von über 3,5 m/min gegenüber wechselnder Tem peraturbeanspruchung unempfindlich ist, bzw. der eine hohe Ermüdungsbeständigkeit bei der Arbeitstemperatur der Gieß walzen aufweist.

Als besondere geeignet für diesen Anwendungsfall hat sich ei ne aushärtbare Kupferlegierung aus 1,0 bis 2,6% Nickel, 0,1 bis 0,45% Beryllium, Rest Kupfer einschließlich herstel lungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungs zusatze, mit einer Brinellhärte von mindestens 200 HB und ei ner elektrischen Leitfähigkeit über 38 m/Ω mm² erwiesen.

Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ins besondere eine Erhöhung der Zugfestigkeit kann vorteilhaft durch einen Zusatz von 0,05 bis 0,25% Zirkonium erreicht werden.

Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kupferlegierungen, bei denen das Verhältnis des Nickelgehalts zum Berylliumgehalt bei ei nem Nickelgehalt von über 1,2% in der Legierungszusammen setzung mindestens 5:1 beträgt.

Weitere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften können erreicht werden, wenn der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bis zu insgesamt maximal 0,15% mindestens eines Elements aus der Gruppe, Niob, Tantal, Vanadium, Titan, Chrom, Cer und Hafnium zugegeben wird.

Überraschenderweise wurden bei Untersuchungen der beispiels weise in ASTM und DIN genormten Legierungen gefunden, daß es bei Gehalten von 1,1 bis 2,6% Nickel möglich ist, die für Gießwalzen für das endabmessungsnahe Gießen benötigten Eigen schaften - d. h. eine Brinellhärte von < 200 HB und eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 38 m/Ω mm² - und daher auch hohe Ermüdungsfestigkeit zu erreichen, wenn der Nickelgehalt zum Berylliumgehalt in einem definierten Ver hältnis steht und eine angepaßte thermische bzw. thermomecha nische Behandlung durchgeführt wird.

Anhand von einigen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. An vier erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen (Legierung F bis K) und vier Ver gleichslegierungen (Legierungen A bis D) wird gezeigt, wie kritisch die Zusammensetzung ist, um die angestrebte Eigen schaftskombination zu erreichen. Die Zusammensetzung der Beispiellegierungen ist in Tabelle 1 jeweils in Gew.% an gegeben. Die entsprechenden Untersuchungsergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Tabelle 2

In Tabelle 2 sind für Legierungen mit verschiedenen Nickel- und Berylliumgehalten - entsprechend verschiedenen Ni/Be-Ver hältnissen - die erreichten Härte- und Leitfähigkeitswerte angegeben. Sämtliche Legierungen wurden in einem Vakuumofen erschmolzen, warmumgeformt und nach einer mindestens einstün digen Lösungsglühung bei 925°C und nachfolgendem Abschrecken in Wasser 4 bis 32 Stunden bei einer im Bereich von 350 bis 550°C liegenden Temperatur ausgehärtet.

Wie bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen F, G, H und K zu erkennen ist, ist die angestrebte Eigenschaftskom bination zu erreichen, wenn das Gewichtsverhältnis Nickel zu Beryllium mindestens 5 : 1 beträgt.

Wenn die Gießwalzen bzw. Gießwalzenmäntel nach dem Lösungs glühen einer zusätzlichen Kaltverformung um etwa 25% unter zogen werden, läßt sich eine weitere Verbesserung der elek trischen Leitfähigkeit erreichen.

So wird beispielsweise bei einer Legierung mit 1,48 Nickel und einem Ni/Be-Verhältnis von mindestens 5,1 durch eine 32- stündige Aushärtungsbehandlung bei 480°C eine Leitfähigkeit von 43 m/ω mm² und eine Brinellhärte von 225 HB erreicht. Mit steigendem Nickelgehalt ist eine weitere Optimierung der Eigenschaften durch Erhöhung des Ni/Be-Verhältnisses möglich. Eine Kupferlegierung mit 2,26% Nickel und einem Ni/Be-Ver hältnis von 6,5 weist nach einer 32-stündigen Aushärtungsbe handlung bei 480°C eine Brinellhärte von 230 HB und eine elektrische Leitfähigkeit von 40,5 m/Ω mm² auf. Als obere Grenze ist beispielsweise für einen Nickelgehalt von 2,3% ein Ni/Be-Verhältnis von 7,5 möglich, um die angestrebte Eigenschaftskombination zu erreichen.

Die Zusammensetzung und die technologischen Eigenschaften von sieben weiteren erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind in Tabellen 3 und 4 aufgeführt. Sämtliche Legierungen wurden bei 925°C lösungsgeglüht, dann 25% kaltumgeformt und anschließend einer 16-stündigen Aushärtungsbehandlung bei 480°C unterzogen.

Tabelle 3

Tabelle 4

Aus diesen Untersuchungsergebnissen läßt sich ferner fest stellen, daß sich auch bei CuNiBe-Legierungen mit einem Zir koniumzusatz bei Einhaltung des Ni/Be-Verhältnisses von 5 bis 7,5 hohe Leitfähigkeitswerke in Verbindung mit hohen Brinell härtewerten erreichen lassen. Mit einem Zusatz von bis zu 0,25% Zirkonium wird die Leitfähigkeit gegenüber einer zir koniumfreien CuNiBe-Legierung überraschenderweise nur gering fügig erniedrigt, wobei ein Mindestwert von 38 m/Ω mm² ge währleistet ist. Andererseits bietet der Zirkoniumzusatz bei der Verarbeitung Vorteile und verbessert die Warmplastizi tät.

Für die ergänzende Untersuchung des Ermüdungsverhaltens wurde die Beispiellegierung N ausgewählt, da diese eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist. Mit der Legie rung N ist eine maximale Oberflächentemperatur für eine Gieß walze von etwa 490 °C erreichbar. Unter der bisher bekannten Beanspruchung einer Gießwalze beim Gießen von Stahl vergrö ßert sich danach bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Le gierung N die Lebensdauer gegenüber einer CuCrZr-Legierung um das 2- bis 3-fache. Aufgrund der hohen Brinellhärte besteht ferner keine Gefahr, daß die Oberfläche der Gießwalze durch Eindrücken von Schmelzspritzern beschädigt wird.

Ähnliche kritische thermische Wechselbeanspruchungen treten auch in Gießrädern beim kontinuierlichen Gießen von Draht knüppeln mit den bekannten Southwire- und Properzi-Gießwalz anlagen auf. Auch für diese Verfahren steht mit der erfin dungsgemäß zu verwendenden CuNiBe(Zr)-Legierung nunmehr ein besonders geeigneter Werkstoff zur Herstellung der Gießräder zur Verfügung. Diese Gießverfahren haben sich aufgrund des ungenügenden Verhaltens der für die Gießräder verwendeten Werkstoffe bisher für das Gießen von Stahl nicht durchsetzen können.

Schließlich sind in den letzten drei Jahren weitere Verfahren zum endabmessungsnahen Gießen von Stahl entwickelt worden, bei denen die Kupferkokillen aufgrund der extrem hohen Gieß geschwindigkeit von 3,5 bis zu etwa 7 m/min auch extreme Oberflächentemperaturen bis zu 500°C erreichen. Um die Rei bung zwischen Kokille und Stahlstrang möglichst gering zu halten, ist es ferner erforderlich, hohe Oszillationsfrequen zen von 400 Hüben/min und mehr an der Kokille einzustellen. Der periodisch schwankende Badspiegel führt dabei ebenfalls zu einer erheblichen Ermüdungsbeanspruchung der Kokille im Meniskusbereich mit der Folge einer nicht befriedigenden Le bensdauer derartiger Kokillen. Beim Einsatz der erfindungsge mäßen CuNiBe(Zr)-Legierungen mit ihrer hohen Ermüdungsbestän digkeit kann auch für diese Anwendung eine wesentliche Erhö hung der Lebensdauer erreicht werden.

Claims

1. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung aus 1,0 bis 2,6% Nickel, 0,1 bis 0,45% Beryllium, Rest Kupfer ein schließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze, mit einer Brinellhärte von mindestens 200 HB und einer elektrischen Leitfähigkeit über 38 m/Ω mm² als Werkstoff zur Herstellung von Gieß walzen und Gießrädern, die beim endabmessungsnahen Gießen einer wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegen.

2. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung nach An spruch 1, die außerdem noch 0,05 bis 0,25% Zirkonium enthält, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung nach An spruch 1 und 2, die 1,4 bis 2,2% Nickel, 0,2 bis 0,35% Beryllium, 0,15 bis 0,2% Zirkonium, Rest Kupfer ein schließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze enthält, für den in An spruch 1 genannten Zweck.

4. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei der das Verhältnis von Nickel zu Beryllium (Ni/Be) bei einem Nickelgehalt oberhalb von 1,2% mindestens 5 beträgt, für den in Anspruch 1 genann ten Zweck.

5. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung nach An spruch 4, bei der das Verhältnis von Nickel zu Beryllium im Bereich von 5,5 bis 7,5 liegt, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

6. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung nach min destens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Nickel gehalt ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt ist, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.