Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Kupfer­legierung zur Herstellung von Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen, bei denen die Schmelze im Spalt von zwei parallel geführten Bändern erstarrt. Die Seitendämme bestehen bei der beispielsweise aus der US-PS 3 865 176 bekannten Doppel­bandgießanlage aus Metallblöcken, die auf einem endlosen Band, zum Beispiel aus Stahl, aufgereiht sind und die sich synchron mit den Gießbändern in Längsrichtung bewegen. Die metallischen Seitendamm-Blöcke (dam blocks) grenzen dabei den durch die Gieß­bänder gebildeten Gießformhohlraum seitlich ein.

[0002] Die Leistungsfähigkeit von Doppelbandgießanlagen hängt entschei­dend von der einwandfreien Funktion der aus Blöcken gebildeten Seitendammkette ab. So ist es erforderlich, daß die Blöcke eine mög­lichst hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, damit die Schmelz­beziehungsweise Erstarrungswärme möglichst rasch abgeführt wer­den kann. Um einen frühzeitigen Verschleiß der Seitenkanten der Blöcke durch mechanische Beanspruchung zu vermeiden, die zur Spaltbildung zwischen den Blöcken und dann zum Eindringen der Schmelze in diesen Spalt führt, muß der Werkstoff neben einer hohen Härte und Zugfestigkeit auch eine geringe Korngröße auf­weisen. Von ganz entscheidender Bedeutung ist schließlich ein optimales Ermüdungsverhalten, 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. Treten nämlich derartige durch Thermoschock hervorgerufene Risse auf, fällt schon nach kurzer Zeit der be­ treffende Block aus der Kette heraus, wobei das schmelzflüssige Metall aus dem Gießformhohlraum unkontrolliert auslaufen und An­lagenteile beschädigen kann. Für das Auswechseln des schadhaften Blocks muß die Anlage angehalten und der Gießvorgang unterbrochen werden.

[0003] Zur Überprüfung der Rißneigung hat sich eine Testmethode bewährt, bei der die Blöcke einer zweistündigen Wärmebehandlung bei 500 °C unterzogen und anschließend in Wasser von 25 °C abgeschreckt wer­den. Auch bei mehrfacher Wiederholung dieser Thermoschockprüfung, dürfen bei einem geeigneten Material keine Risse im Bereich der T-Nut auftreten.

[0004] Als Werkstoff für die Blöcke von Seitendämmen ist in der US-Patent­schrift 3 955 615 eine aushärtbare Kupferlegierung beschrieben. Diese aus 1 ,5 bis 2,5 % Nickel, 0,4 bis 0,9 % Silizium, 0,1 bis 0,5 % Chrom und 0,1 bis 0,3 % Eisen, Rest Kupfer bestehende Le­gierung wird üblicherweise in Doppelbandgießanlagen zum konti­nuierlichen Stranggießen von Kupfer eingesetzt. Allerdings neigen die aus dieser Kupferlegierung hergestellten Seitendammblöcke schon nach relativ kurzer Betriebszeit der Gießanlage zu Ermü­dungsrissen im Bereich der T-Nut. Neben dem unbefriedigenden Ver­halten bei der Thermoschockprüfung weist die Legierung ferner mit etwa 35 % IACS eine relativ geringe elektrische Leitfähig­keit und damit auch eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit auf.

[0005] Ungeeignet für die Herstellung von Seitendammblöcken sind schließ­lich auch Kupferbasislegierungen, die Beryllium enthalten, da Ge­sundheitsschädigungen bei der Bearbeitung oder beim Nachschleifen der Blöcke nicht mit Sicherheit auszuschließen sind.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstoff für die Herstellung von Gießformen zur Verfügung zu stellen, der gegenüber einer Thermoschockbehandlung rißunempfindlich und der zudem eine hohe Warmfestigkeit aufweist.

[0007] Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in der Ver­wendung einer aushärtbaren Kupferlegierung aus 1 ,6 bis 2,4 % Nickel, 0,5 bis 0,8 % Silizium, 0,01 bis 0,20 % Zirkonium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze als Werkstoff zur Herstel­lung von beim Gießen einer permanent wechselnden Temperatur­beanspruchung unterliegenden Gießformen, insbesondere von Blök­ken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen. Zur Erhö­hung der Leitfähigkeit ist ein Zusatz von bis zu 0,4 % Chrom sowie - gegebenenfalls zur Reduzierung des Kornwachstums beim Lösungsglühen - ein Eisenzusatz von bis zu 0,2 % besonders vor­teilhaft. Die spezifische Wirkung des Zirkoniums auf die Unem­pfindlichkeit des Kupferwerkstoffs gegenüber Rißbildung wird durch derartige Zusätze innerhalb der angegebenen Gehaltsbe­reiche nicht negativ beeinflußt.

[0008] Desoxidationsmittel, wie zum Beispiel Bor, Lithium, Magnesium oder Phosphor, bis zu maximal 0,03 % sowie übliche herstel­lungsbedingte Verunreinigungen haben ebenfalls keinen negati­ven Einfluß auf die Rißneigung der erfindungsgemäß zu verwen­denden Legierung.

[0009] Aus der DE-OS 26 34 614 ist zwar schon eine aushärtbare Kupfer-­Nickel-Silizium-Zirkonium-Legierung bekannt, deren Zusammen­setzung aus 1 bis 5 % Nickel, 0,3 bis 1 ,5 % Silizium, 0,05 bis 0,35 % Zirkonium, Rest Kupfer besteht. Diese bekannte Le­gierung soll jedoch zur Herstellung von Gegenständen verwen­det werden, die im aushärtbaren Zustand bei Raumtemperatur eine erhöhte Zähigkeit aufweisen müssen. Aus der Beschreibung geht hervor, daß die Wirkung des Zirkoniums insbesondere dann günstig ist, wenn der Werkstoff zwischen dem Lösungsglühen und dem Aushärten einer Kaltverformung von 10 bis 40 % unterzogen wird.

[0010] Als um so überraschender ist es bei der vorliegenden Erfindung anzusehen, daß Zirkonium im lediglich ausgehärteten, und vor dem Aushärten nicht kaltverformten Zustand die Thermoschock­empfindlichkeit der bekannten Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung praktisch beseitigt. Durch ergänzende Untersuchungen wurde außerdem festgestellt, daß die Warmfestigkeit der erfindungs­gemäß zu verwendenden Legierung bei 500 °C diejenige der bis­her für die Herstellung von Blöcken von Seitendämmen einge­setzten Werkstoffe deutlich übertrifft.

[0011] Es hat sich ferner herausgestellt, daß weitere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften erreicht werden können, wenn ein Teil des Zirkoniumgehalts durch bis zu 0,15 % mindestens eines Elements aus der Gruppe Cer, Hafnium, Niob, Titan und Vanadium ersetzt ist.

[0012] Anhand von einigen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. An drei erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen (Legierungen A, B, C) und drei Vergleichslegierungen (Legierungen D, E, F) wird gezeigt, wie kritisch die Zusammensetzung der jeweiligen Beispiellegierun­gen ist, um die gewünschte Eigenschaftskombination zu errei­chen. Die Zusammensetzung der Beispiellegierungen ist in Tabelle 1 jeweils in Gew.% angegeben.

Tabelle 1

Leg.	Zusammensetzung in Gew.%
	Ni	Si	Cr	Fe	Zr	Cu
A	2,12	0,70			0,03	Rest
B	2,06	0,63	0,24		0,09	Rest
C	1,94	0,58	0,29	0,12	0,15	Rest
D	1,82	0,63				Rest
E	1,95	0,69	0,28			Rest
F	1,87	0,72	0,38	0,12		Rest

[0013] Die Legierungen A und D wurden im Vakuumofen, die übrigen Le­gierungen wurden an Luft in einem Mittelfrequenzofen erschmol­zen, jeweils zu Rundblöcken mit einem Durchmesser von 173 mm abgegossen und zu Stangen des Formats 55 x 55 mm stranggepreßt. Nach einem Lösungsglühen bei 790 bis 810 °C wurden die Stangen vier Stunden lang bei 480 °C ausgehärtet An den Beispielle­gierungen wurden jeweils die Zugfestigkeit R_m bei Raumtem­peratur, die Brinellhärte HB (2,5/62,5), die elektrische Leit­fähigkeit sowie die Warmfestigkeit (R_m bei 500 °C) ermittelt.

[0014] An Blöcken der Abmessung 50 x 50 x 40 mm wurde schließlich das Thermoschockverhalten überprüft. Hierzu wurden die Blöcke zunächst zwei Stunden bei 500 °C gehalten und dann in Wasser von 25 °C abgeschreckt. Ob die Blöcke nach dem Thermoschock­test Risse aufwiesen oder rißfrei waren, konnte in der Regel mit bloßem Auge festgestellt werden. Ergänzend wurde die T-Nut der Blöcke mit einem Mikroskop bei 10-facher Vergröße­rung überprüft. Die Ausdehnung der festgestellten Risse, die sämtlich von der T-Nut der Blöcke ausgingen, lag hauptsäch­lich im Bereich von 1 bis 7 mm, in Einzelfällen erreichten die Risse sogar eine Länge von über 20 mm.

[0015] Sämtliche Untersuchungsergebnisse sind in Tabelle 2 zusammen­gefaßt.

Tabelle 2

Leg.	Rm N/mm²	HB	Leitf. %IACS	Rm(500 °C) N/mm²	Verhalten nach Thermoschocktest
A	660	186	41,4	286	rißfrei
B	656	191	42,2	372	rißfrei
C	635	185	43,4	335	rißfrei
D	635	179	34,5	219	rissig
E	653	181	39,7	247	rissig
F	642	184	37,2	233	rissig

[0016] Der Gegenüberstellung ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen A, B und C bei vergleichbaren Festig­keitseigenschaften bei Raumtemperatur sowohl in ihren elektrischen Eigenschaften als auch insbesondere im Warmfestigkeits- und im Thermoschockverhalten insgesamt günstigere Werte aufweisen als die Vergleichslegierungen D, E und F.

[0017] Die erfindungsgemäß zu verwendende Kupferlegierung eignet sich daher hervorragend für sämtliche Gießformen, die beim Gießvor­gang einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unter­liegen. Dies sind neben den Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen vor allem Gießräder und Gießbänder, ferner Druckgießformen und Druckkolben für Druckgießmaschinen.

Ansprüche

1. Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung aus 1,6 bis 2,4 % Nickel, 0,5 bis 0,8 % Silizium, 0,01 bis 0,20 % Zir­konium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze als Werk­stoff zur Herstellung von Gießformen, die beim Gießen einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegen, insbesondere von Blöcken für die Seitendämme von Doppelband­gießanlagen.

2. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß Anspruch 1, die außer­dem noch bis zu 0,4 % Chrom und/oder bis zu 0,2 % Eisen ent­hält, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Zirkoni­umgehalt von 0,03 bis 0,15 % für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

4. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, die 1,9 bis 2,25 % Nickel, 0,55 bis 0,65 % Sili­zium, 0,20 bis 0,30 % Chrom, 0,08 bis 0,15 % Zirkonium, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze enthält, für den in An­spruch 1 genannten Zweck.

5. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Teil des Zirkoniumgehalts durch bis zu 0,15 % mindestens eines Elements aus der Gruppe Cer, Hafnium, Niob, Titan und Vanadium ersetzt ist, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

6. Verwendung einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die zunächst bei 700 bis 900 °C geglüht dann abge­schreckt und anschließend einer 0,5 bis 10-stündigen Aus­härtungsbehandlung bei 350 bis 520 °C unterworfen wird, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.