Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung als Werkstoff zur Herstellung von Blöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen.

[0002] Das weltweite Ziel, insbesondere der Stahl- und Kupferindustrie, Halbzeug möglichst endabmessungsnah zu gießen, um Warm- und/oder Kaltverformungsschritte einzusparen, hat schon vor 1970 zu der Entwicklung der sogenannten Hazelett-Bandgießanlagen geführt, bei denen die Metallschmelze im Spalt von zwei parallel geführten Bändern erstarrt. Die Seitendämme bestehen bei der beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 865 176 bekannten Bandgießanlage aus metallischen Form- oder Seitendammblöcken mit T-Nut, die auf einem flexiblen endlosen Band, z. B. aus Stahl, aufgereiht sind und die sich synchron mit den Gießbändern in Längsrichtung bewegen. Die Seitendammblöcke (Damblocks) grenzen dabei den durch die Gießbänder gebildeten Gießformhohlraum ein.

[0003] Weiterhin sind aus der EP 0 974 413 A1 aus Blöcken mit Nut und Feder gebildete Seitendammketten für Bandgießanlagen bekannt. Der Vorteil dieser weiterentwikkelten Formblöcke mit Nut und Feder liegt in einer genaueren Ausrichtung und Führung der Blöcke im Gießprozeß und führt zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität des gegossenen Strangs. Um einen frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten der Blöcke durch plastische Verformung und Rißbildung zu verhindern, muß ein geeigneter Werkstoff eine hohe Härte und Festigkeit, ein feinkörniges Gefüge und eine gute Langzeiterweichungbeständigkeit aufweisen. Um die Erstarrungswärme aus der flüssigen Metallschmelze abzuführen, ist ferner eine hohe thermische Leitfähigkeit des Formblockwerkstoffs erforderlich.

[0004] Von ganz entscheidender Bedeutung ist schließlich ein optimales Ermüdungsverhalten des Werkstoffs, welches sicherstellt, daß nach dem Verlassen der Gießstrecke die beim Rückkühlen der Blöcke auftretenden thermischen Spannungen nicht zum Reißen der Blöcke in den Ecken der für die Aufnahme des Stahlbandes eingearbeiteten T-Nut führt. Besonders hohe thermische Spannungen sind dabei - bedingt durch die ungünstigere Geometrie und Massenverteilung - bei Seitendammblöcken in der Ausführung mit Nut und Feder zu erwarten.

[0005] Treten derartige durch Thermoschock hervorgerufene Risse auf, fällt schon nach kurzer Zeit der betreffende Formblock aus der Seitendammkette der Bandgießmaschine heraus, wobei schmelzflüssiges Metall aus dem Gießformhohlraum unkontrolliert auslaufen und Anlagenteile beschädigen kann. Für das Auswechseln der schadhaften Formblöcke muß die gesamte Bandgießanlage angehalten und der Gießvorgang unterbrochen werden.

[0006] Zur Überprüfung der Rißneigung hat sich eine Testmethode bewährt, bei der die Formblöcke einer zweistündigen Wärmebehandlung bei 500°C unterzogen und anschließend in Wasser von 20 bis 25°C abgeschreckt werden. Auch bei mehrfacher Wiederholung dieser Thermoschockprüfung dürfen bei einem geeigneten Material keine Risse in der T-Nutfläche auftreten.

[0007] In der EP 0 346 645 B1 wird eine aushärtbare Kupferbasislegierung beschrieben, die aus 1,6 bis 2,4 % Nickel, 0,5 bis 0,8 % Silizium, 0,01 bis 0,2 % Zirkonium, wahlweise bis zu 0,4 % Chrom und/oder bis zu 0,2 % Eisen, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen besteht. Diese bekannte Kupferlegierung erfüllt grundsätzlich die Voraussetzungen für eine hohe Standzeit, falls sie als Werkstoff für die Herstellung von Standardformblöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen verwendet wird. Für diese Kupferlegierung wird folgende Eigenschaftskombination angegeben:

Rm bei 20°C:	635 bis 660 MPa
Rm bei 500°C:	286 bis 372 MPa
Brinellhärte:	185 bis 191 HB (entspricht etwa 195 bis 210 HV)
Leitfähigkeit:	41,4 bis 43,4 % IACS

[0008] Beim Thermoschocktest treten keine Risse auf. Ein Vorteil gegenüber Beryllium-haltigen Kupferbasislegierungen besteht in der Möglichkeit, die Formblöcke manuell trocken nachschleifen zu können, da kein Beryllium im Schleifstaub enthalten ist. Die Nachbearbeitung eingesetzter Seitendammblöcke mit Nut und Feder ist erheblich aufwendiger und erfordert in der Regel eine maschinelle (Naß)-Reinigung der T-Nut und der Gießflächen (z. B. in geschlossenen Kammern), wodurch die Freisetzung von Schleifstäuben unterbunden wird. Ein Einsatz Beryllium-haltiger Legierungen wäre unter diesen Bedingungen somit grundsätzlich möglich.

[0009] Ein Seitendammblock aus der in der EP 0 346 645 B1 beschriebenen CuNiSiZr-Legierung neigt jedoch nachteiligerweise bei sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen im Gießbetrieb einer Bandgießanlage zum frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten und Gießflächen. Dieser Verschleiß ist - wie Untersuchungsergebnisse gezeigt haben - auf eine Werkstofferweichung der Gießkanten und -flächen auf einen Wert unterhalb 160 HV zurückzuführen. Ferner reicht die Thermoschockresistenz der bekannten CuNiSiZr-Legierung bei Verwendung als Seitendammblock mit Nut und Feder nicht immer aus, um eine Rißbildung in der T-Nut im Gießeinsatz wirksam zu unterbinden.

[0010] EP 0 548 636 A und US 4 179 314 A offenbaren weitere Cu-Legierungen und deren Verwendung für Gießformen

[0011] Durch die Verwendung gemäß der Ansprüche kann einerseits eine ausreichende Aushärtbarkeit des Werkstoffs zur Erzielung einer hohen Festigkeit, Härte und Leitfähigkeit sichergestellt werden. Andererseits ist nur eine relativ geringe Kaltverformung von 5% bis zu maximal 30% erforderlich, um ein feinkörniges Gefüge mit ausreichender Plastizität einzustellen. Durch den gezielt abgestuften Zirkoniumgehalt werden sowohl die Ermüdungsfestigkeit als auch die Warmfestigkeitseigenschaften verbessert.

[0012] Mit der Abfolge der in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensstufen gelingt es in darüber hinaus in überraschend einfacher Weise, das von den bekannten CuCoBe-Legierungen beobachtete schlechte Rekristallisationsverhalten bei der Warmformgebung und Lösungsglühbehandlung zu beseitigen. Das schlechte Rekristallisationsverhalten führt bei der Herstellung von Formblöcken aus CuCoBe-Legierungen im warmumgeformten, lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand zu einer für den Verwendungszweck nicht akzeptablen grobkörnigen Gefügestruktur mit Korngrößen bis über 1 mm. Wird der Werkstoff jedoch zwischen der Warmumformung und der Lösungsglühbehandlung einer Kaltverformung von 5% bis zu maximal 30 %, vorzugsweise bis zu maximal 15 %, unterworfen, so führt dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt zu einer erheblich feinkörnigeren Gefügestruktur. Entsprechende Untersuchungsreihen haben bestätigt, daß Werkstoffe für Formblöcke für die Seitendämme von Bandgießmaschinen, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur kaltverformt und anschließend lösungsgeglüht werden eine deutlich feinere Gefügestruktur mit Korngrößen unterhalb 0,5 mm aufweisen, während höhere Kaltumformgrade oberhalb von etwa 40 % beim nachfolgenden Lösungsglühen zu einer Kornvergröberung durch sekundäre Rekristallisation mit Korngrößen über 1 mm führen.

[0013] Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. An drei erfindungsgemäßen Beispiel-(Legierungen A, B und C) und drei Vergleichsbeispiel-(Legierungen Vergleichsbeispiel- (D, E und F) werden die Vorteile der Erfindung aufgezeigt. Die Zusammensetzung der Kupferlegierungen in Gewichtsprozenten ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben:

Tabelle 1

Legierung	Co (%)	Ni (%)	Be (%)	Zr (%)	Si (%)	Cr (%)	Cu (%)
A	2,1	-	0,54	0,18	-	-	Rest
B	2,2	-	0,56	0,24	-	-	Rest
C	1,3	1,0	0,48	0,15	-	-	Rest
D	-	2,0	-	0,16	0,62	0.34	Rest
E	2,1	-	0,55	-	-	-	Rest
F	1,0	1,1	0,62	-	-	-	Rest

[0014] Bei der Zusammensetzung der Legierung D handelt es sich um eine bekannte CuNiSi-Basislegierung, während E und F genormte CuCo2Be- bzw. CuCoNiBe-Werkstoffe sind.

[0015] Sämtliche Kupferlegierungen wurden in einem Induktionstiegelofen erschmolzen und im Stranggießverfahren zu Rundblöcken mit einem Durchmesser von 280 mm vergossen. Die Rundblöcke der Beispiellegierungen A, B und C wurden auf einer Strangpresse bei einer Temperatur oberhalb 900 °C zu Flachstangen der Abmessung 79 x 59 mm stranggepreßt und anschließend mit einer Querschnittsabnahme von 12 % auf die Abmessung 75 x 55 mm gezogen. Die Blöcke der Vergleichslegierungen D, E und F wurden bei gleicher Temperatur direkt auf die Abmessung 75 x 55 mm stranggepreßt und keiner zusätzlichen Kaltumformung unterworfen. Die CuCoBe- bzw. CuCoNiBe-Werkstoffe wurden anschließend bei 900 bis 950 °C lösungsgeglüht und im Temperaturbereich zwischen 450 und 550 °C für 0,5 bis 16 Stunden lang ausgehärtet.

[0016] Die CuNiSi-Basislegierung wurde bei 800 bis 850 °C lösungsgeglüht und unter gleichen Bedingungen ausgehärtet. Im ausgehärteten Zustand wurden die Zugfestigkeit Rm, die Vickershärte HV10, die elektrische Leitfähigkeit (als Ersatzgröße für die Wärmeleitfähigkeit), die Korngröße nach ASTM E112, die Warmfestigkeit Rm bei 500 °C und die Erweichungsbeständigkeit über Vickershärtemessung (HV10) nach Auslagerung bei 500 °C nach einer Dauer von 500 Stunden ermittelt.

[0017] An Formblöcken (1) der Abmessung 70 x 50 x 40mm und Formblöcken (2) mit Nut und Feder der Abmessung 70 x 50 x 47mm wurde schließlich das Thermoschockverhalten geprüft. Hierzu wurden die Formblöcke zunächst zwei Stunden bei 500 °C geglüht und dann in Wasser von 20 bis 25 °C abgeschreckt. Die T-Nut der Blöcke wurde dann mit bloßem Auge und mit einem Mikroskop bei 10-facher Vergrößerung auf Risse untersucht.

[0018] Sämtliche Untersuchungsergebnisse sind in nachstehenden Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2:

Legierung	Rm MPa	HV 10	Leitf. % IACS	Korngröße µm	Rm (500 °C) MPa	Härte HV 10 nach Auslagerung bei 500°C über 500h	Verhalten nach Thermoschocktest
							Block (1)	Block (2)
A	801	254	50	30-90	523	173	rißfrei	rißfrei
B	804	245	51,5	45- 90	464	175	rißfrei	rißfrei
C	812	255	49,5	45 -90	485	167	rißfrei	rißfrei
D	652	205	43	45 -90	387	118	rißfrei	rissig
E	786	260	50,5	bis 5000	423	150	rissig	rissig
F	807	248	48,5	bis 3000	434	152	rissig	rissig

[0019] Die Ausdehnung festgestellter Risse in der T-Nut lag bei den mit als "rissig" klassifizierten Formblöcken bei 2 bis 5 mm, in Einzelfällen betrug die Rißlänge bis zu 10 mm. Der Gegenüberstellung ist zu entnehmen, daß im Vergleich zu den Werkstoffen E und F nur die erfindungsgemäßen Beispiele bei optimalen Eigenschaften ein überraschenderweise gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge und die notwendige Resistenz gegen Rißbildung bei Einsatz als Formblock mit Nut und Feder aufweisen. Auch bei Verwendung als üblicher Formblock weisen die erfindungsgemäßen Beispiele eine deutlich bessere Erweichungsbeständigkeit gegenüber der bekannten CuNiSi-Legierung D und eine etwas bessere Erweichungsbeständigkeit gegenüber den Legierungen E und F auf.

[0020] Die in Anspruch 1 offenbarte Kupferlegierung eignet sich daher hervorragend als Werkstoff zur Herstellung von sämtlichen beim Gießvorgang einer typischen wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegenden Formblöcken für die Seitendämme von Bandgießanlagen. Dies sind sowohl die bisher verwendeten Formblöcke als auch die Formblöcke in der Ausführung mit Nut und Feder gemäß EP 0 974 413 A1.

Ansprüche

1. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung für Gießformen - insbesondere für Seitendämme für Bandgießanlagen- indem eine aushärtbare Kupferlegierung gemäß folgender Zusammensetzung:

• 1,2-2,7 % Kobalt wobei bis zum 80 % des Kobalt-Gehaltes durch Nickel ersetz werden kann

• 0,01 % bis 0,5 % Zirkonium

• 0,3-0,7 % Beryllium

• wahlweise 0,005-0,2 % Magnesium und/oder Eisen

• ggf, bis zu maximal 0,15 % mindestens eines Elementes aus der Niob, Tantal, Vanadium, Hafnium, Chrom, Mangan, Titan und Cer umfassenden Gruppe

• Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen den Verfahrensschritten

• Kaltumformen des warmgeformten Gussrohlings zwischen 5 und maximal 30 %

• Lösungsglühen des 5-30 % kaltverformten Rohlings im Temperaturbereich von 850-970 °C

• 0,5 bis 16 stündiges Aushärten des lösungsgeglühten Rohlings bei 400 -550 °C.

unterworfen wird und im ausgehärteten Zustand eine

• Zugfestigkeit von mindestens 650 MPa

• Vickershärte von mindestens 210 HV

• el. Leitfähigkeit von mindestens 40 % IACS

• Warmzugfestigkeit bei 500 °C von mindestens 400 MPa

• Mindesthärte von 160 HV nach 500 stündiger Auslagerung bei 500 °C

• und nach ASTM E112 ermittelte maximale Korngröße von 0,5 mm aufweist.

2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1, die 1,8-2,4 % Kobalt, 0,45-0,65 % Beryllium, 0,15-0,3 % Zirkonium, bis 0,05 % Mg, bis zu 0,1 % Eisen, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen enthält, den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 mit einer Kaltumformung von 10-15 % nach der Warmformung unterworfen wird und im ausgehärteten Zustand eine

• Zugfestigkeit von 700-900 MPa

• Vickershärte von 230-280 HV

• el. Leitfähigkeit von 45-60 % IACS

• Warmzugfestigkeit bei 500 °C von mindestens 450 MPa

• Mindesthärte von 160 HV nach 500 stündiger Auslagerung bei 500 °C

• nach ASTM E112 ermittelte Korngröße zwischen 30 und 90 µm aufweist.

Claims

1. Use of a hardenable copper alloy for casting moulds - in particular for side dams for strip-casting installations, in that a hardenable copper alloy in accordance with the following composition:

• 1.2 to 2.7% cobalt, wherein up to 80% of the cobalt content can be replaced by nickel

• 0.01% to 0.5% zirconium

• 0.3 to 0.7% beryllium

• optionally 0.005 to 0.2% magnesium and/or iron

• optionally up to a maximum of 0.15% of at least one element from the group comprising niobium, tantalum, vanadium, hafnium, chromium, manganese, titanium and cerium

• remainder copper including impurities caused by production

is subjected to the method steps

• cold forming of the hot-formed cast blank by between 5 and a maximum of 30%

• solution annealing of the blank which has been cold formed by 5 to 30% in the temperature range of 850 to 970°C

• 0.5 to 16 hours of hardening of the solution annealed blank at 400 to 550°C and in the hardened state has

• a tensile strength of at least 650 MPa

• Vickers hardness of at least 210 HV

• electrical conductivity of at least 40% IACS

• hot tensile strength at 500°C of at least 400 MPa

• minimum hardness of 160 HV after 500 hours of ageing at 500°C

• and a maximum grain size determined according to ASTM E112 of 0.5 mm.

2. Use of a copper alloy according to claim 1, which contains 1.8 to 2.4% cobalt, 0.45 to 0.65% beryllium, 0.15 to 0.3% zirconium, up to 0.5% Mg, up to 0.1% iron, remainder copper including impurities caused by production, is subjected to the method steps according to claim 1 with a cold forming of 10 to 15% after the hot forming and has, in the hardened state, a

• tensile strength of 700 to 900 MPa

• Vickers hardness of 230 to 280 HV

• electrical conductivity of 45 to 60% IACS

• hot tensile strength at 500°C of at least 450 MPa

• minimum hardness of 160 HV after 500 hours of ageing at 500°C

• a grain size determined according to ASTM E112 of between 30 and 90 µm.

Revendications

1. Utilisation d'un alliage de cuivre durcissable pour moules de coulée, en particulier pour digues latérales pour installations de coulée en bande, selon laquelle un alliage de cuivre durcissable ayant la composition suivante :

• 1,2 à 2,7 % de cobalt, dont jusqu'à 80 % de la quantité de cobalt peuvent être remplacés par du nickel,

• 0,01 % à 0,5 % de zirconium,

• 0,3 à 0,7 % de béryllium,

• au choix 0,005 à 0,2 % de magnésium et/ou de fer,

• le cas échéant, jusqu'à 0,15 % maximum d'au moins un élément provenant du groupe comprenant le niobium, le tantale, le vanadium, l'hafnium, le chrome, le manganèse, le titane et le cérium,

• le reste étant du cuivre, y compris les impuretés, dues à la fabrication, est soumis aux étapes suivantes :

• façonnage à froid de l'ébauche en fonte moulée à chaud entre 5 et 30 % maximum,

• recuit en solution de l'ébauche redressée à froid à 5 à 30 % à une température de 850 à 970 °C,

• durcissement pendant 0,5 à 16 heures de l'ébauche recuite en solution à 400-550 °C

présente à l'état durci :

• une résistance à la traction d'au moins 650 Mpa,

• une dureté Vickers d'au moins 210 HV,

• une conductivité électrique d'au moins 40 % IACS,

• une résistance à la traction à chaud à 500 °C d'au moins 400 Mpa,

• une dureté minimale de 160 HV après 500 h d'exposition à 500 °C,

• et une granulométrie maximale de 0,5 mm, déterminée d'après la norme ASTM E112.

2. Utilisation d'un alliage de cuivre selon la revendication 1 qui contient de 1,8 à 2,4 % de cobalt, de 0,45 à 0,65 % de béryllium, de 0,15 à 0,3 % de zirconium, jusqu'à 0,05 % de Mg, jusqu'à 0,1 % de fer, le reste étant du cuivre y compris les impuretés liées à la fabrication, est soumis aux étapes de la revendication 1 avec un façonnage à froid de 10 à 15 % après le moulage à chaud et qui présente, à l'état durci :

• une résistance à la traction de 700 à 900 MPa

• une dureté Vickers de 230 à 280 HV,

• une conductivité électrique de 45 à 60 % IACS,

• une résistance à la traction à chaud à 500 °C d'au moins 450 Mpa,

• une dureté minimale de 160 HV après 500 h d'exposition à 500 °C, et

• une granulométrie maximale, déterminée d'après la norme ASTM E112, comprise entre 30 et 90 µm.