Verfahren zur Herstellung eines Kokillenkörpers und Kokillenkörper

Abstract

 Ein Kokillenkörper (1) aus einer aushärtbaren Kupferlegierung wird mit einer inneren Verschleißschutzschicht (7) aus Chrom versehen, deren Härte von der strangseitigen Oberfläche (8) in Richtung zum Kokillenkörper (1) abnimmt. Die Verschleißschutzschicht (7) besteht aus zwei Chromschichten (9, 10). Dazu ist der Kokillenkörper (1) lösungsgeglüht, verchromt und anschließend ausgehärtet worden, wodurch die anfangs sehr hohe Härte der Chromschicht (9) erweicht. Die Härte der Chromschicht (9) beträgt dann etwa 650 HV. Anschließend wird zur Erhöhung des Verschleißschutzes die zweite Chromschicht (10) aufgetragen. Hierbei handelt es sich um eine konventionelle Hartchromschicht mit einer Härte zwischen 850 und 1050 HV.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines Kokillenkörpers gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 und andererseits einen Kokillenkörper gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 5.

[0002] Die Kokille ist eines der wichtigsten Bauteile einer Stranggießanlage. In ihr beginnt die Erstarrung der Schmelze. Der prinzipielle Aufbau besteht in der Regel aus einer äußeren Stahlkonstruktion und dem eigentlichen formgebenden Teil der Kokille, dem Kokillenkörper. Der Kokillenkörper besteht heute fast ausschließlich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der Stahlmantel hat die Aufgabe, den Kokillenkörper zu positionieren und den zur Kühlung erforderlichen Wasserkreislauf sicherzustellen.

[0003] Die Verschleißfestigkeit von Kupferlegierungen ist relativ gering. Insbesondere am Fuß des Kokillenkörpers besteht die Gefahr einer erhöhten Reibung zwischen Stahlstrang und der Wand des Kokillenkörpers infolge von Differenzen zwischen Kokillenkörpergeometrie und Schrumpfverhalten des Stahls oder infolge einer unzureichenden Führung des Strangs unterhalb der Kokille. Hierdurch kann ein erheblicher Abrieb mit einer entsprechenden Formänderung des Kokillenkörpers auftreten.

[0004] Aus Gründen des Verschleißschutzes wird der Kokillenkörper daher mit einer inneren Beschichtung aus einem verschleißfesten Werkstoff, wie Nickel oder Chrom, versehen. Ein solcher Kokillenkörper mit Verschleißschutzschicht geht beispielsweise aus der DE 31 42 196 C2 hervor. Hierdurch kann eine Verbesserung des Reibverhaltens und damit eine Erhöhung der Standzeit des Kokillenkörpers erreicht werden.

[0005] Eine Chrombeschichtung zeichnet sich in diesem Zusammenhang durch ihre gegenüber Nickel größere Härte und den damit verbundenen besseren Verschleißschutz aus. Eine galvanische Beschichtung der Innenfläche mit Hartchrom bietet daher einen wirksamen Verschleißschutz.

[0006] Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe von Kokillenkörper und der Verschleißschutzschicht kommt es jedoch zu erheblichen Spannungen in der Verschleißschutzschicht. Hierunter leidet die Haftfestigkeit und es besteht die Gefahr des Abplatzens oder der Ausbildung von Rissen.

[0007] Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen zur Herstellung von Kokillenkörpern aus einer aushärtbaren Kupferlegierung und einer inneren Verschleißschutzschicht aus Chrom mit einer verbesserten Haftung zwischen Kokillenkörper und Verschleißschutzschicht. Ferner zielt die Erfindung auf einen qualitativ verbesserten Kokillenkörper ab, welcher höhere Standzeiten ermöglicht.

[0008] Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Kokillenkörper gemäß Anspruch 1.

[0009] Demgemäß wird der aus einer aushärtbaren Kupferlegierung bestehende Kokillenkörper nach dem Lösungsglühen mit einer inneren Beschichtung aus Chrom versehen und im Anschluß daran ausgehärtet.

[0010] Durch diese Wärmebehandlung wird die anfangs sehr hohe Härte der Verschleißschutzschicht verringert mit der Folge einer Duktilitätserhöhung. Die Unterschiede in den Werkstoffeigenschaften der Kupferlegierung des Kokillenkörpers und der Verschleißschutzschicht aus Chrom sind dann geringer, wodurch die Gefahr einer Schädigung der Chromschicht durch die unterschiedlichen Eigenschaften wesentlich verringert wird.

[0011] Bei dem Kokillenkörper kann es sich grundsätzlich um ein einteiliges Kokillenrohr oder auch um eine mehrteilige Gießform, beispielsweise eine Plattenkokille handeln.

[0012] Nach den Merkmalen des Anspruchs 2 wird die Aushärtung unter Schutzgas in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen. Hierbei wird der Kokillenkörper auf seine Endfestigkeit gebracht.

[0013] Die Aushärtetemperatur wird auf die angestrebte Härte der Verschleißschutzschicht abgestimmt, um ein zu starkes Erweichen der Chromschicht zu vermeiden. Vorzugsweise wird die Aushärtung bei einer Temperatur zwischen 400°C und 550 °C durchgeführt (Anspruch 3). Sehr gute Ergebnisse wurden in praktischen Versuchen mit einer Temperatur von 460 °C unter Schutzgas erzielt, wobei die Dauer der Wärmebehandlung 10 Stunden betrug. Hierbei wird eine Härte der Verschleißschutzschicht von 650 HV bis 700 HV (Vickers-Härte) angestrebt. Die Verschleißschutzschicht besitzt dann eine ausreichend hohe Härte, jedoch aufgrund der höheren Duktilität eine günstigere Haftfestigkeit und eine geringere Neigung zur Rißbildung.

[0014] Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Maßnahme des Anspruchs 4 zu sehen. Danach wird die Verschleißschutzschicht zweilagig ausgebildet, indem nach dem Aushärten die innere Oberfläche zusätzlich hartverchromt wird. Die Chromschicht wird vorzugsweise elektrolytisch abgeschieden.

[0015] Auf diese Weise wird eine Mehrschichtverchromung mit einem graduellen Übergang der Härten erreicht. Die Gefahr von Rißbildungen und Abplatzungen wird hierdurch deutlich verringert. Ferner ist es möglich, durch diese Maßnahme größere Schichtdicken der Verschleißschutzschicht aus Chrom zu realisieren.

[0016] Ein erfindungsgemäßer Kokillenkörper ist gegenständlich in den Merkmalen des Anspruchs 5 charakterisiert. Kernpunkt bildet die Maßnahme, daß die Härte der Verschleißschutzschicht von der strangseitigen Oberfläche in Richtung zum Kokillenkörper abnimmt.

[0017] Hierdurch können die aus den unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften am Schichtübergang von Kokillenkörper und Verschleißschutzschicht resultierenden Materialbelstungen verringert werden.

[0018] Die Härte kann ausgehend von der Kupferlegierung stufenweise erhöht werden. Hierbei findet eine Steigerung statt von der weichen Kupferlegierung des Kokillenkörpers über die rohrseitige Chromschicht mit höherer Härte bis hin zur höchsten Härte der strangseitigen Chromschicht (Anspruch 6).

[0019] Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 besitzt die rohrseitige Chromschicht eine Härte zwischen 500 HV und 850 HV, wohingegen die strangseitige Chromschicht eine Härte zwischen 850 HV und 1050 HV aufweist.

[0020] Die Schichtdicken von rohrseitiger und strangseitiger Chromschicht liegen vorzugsweise jeweils zwischen 100 µm und 150 µm, wobei eine Gesamtschichtdicke von ca. 250 µm als für die Praxis besonders günstig angesehen wird.

[0021] Die Verschleißschutzschicht kann eine in Gießrichtung konstante Dicke aufweisen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß die Dicke der Verschleißschutzschicht in Gießrichtung zunimmt. Hierdurch wird eine hohe Wandtemperatur im Gießspiegelbereich gewährleistet bei gleichzeitiger Zunahme des Verschleißschutzes in Gießrichtung. Auf diese Weise kann eine effektive Abstimmung der für die Erstarrung zur Verfügung stehenden Kühlstrecke der Kokille hinsichtlich des Schrumpfverhaltens des Stranges erfolgen. Die Veränderung der Beschichtungsdicke kann linear oder stufenförmig erfolgen.

[0022] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

[0023] Die Figur 1 veranschaulicht ein Kokillenrohr 1 zum Stranggießen von Stahl. Das Kokillenrohr 1 besitzt einen Formhohlraum 2, dessen Querschnitt am eingießseitigen Stirnende 3 größer als am strangaustrittsseitigen Fußende 4 bemessen ist.

[0024] Der Grundkörper 5 des Kokillenrohrs 1 besteht aus einer Kupferlegierung vorzugsweise auf Kupfer/Chrom/Zirkon-Basis (CuCrZr).

[0025] Auf der Innenseite 6 ist das Kokillenrohr 1 mit einer Verschleißschutzschicht 7 aus Chrom versehen. Die Verschleißschutzschicht 7 ist zweilagig ausgebildet, wobei die Härte der Verschleißschutzschicht 7 von der strangseitigen Oberfläche 8 in Richtung zum Kokillenrohr 1 bzw. der Innenseite 6 des Kokillenrohrs 1 abnimmt.

[0026] Hierzu ist die Verschleißschutzschicht 7 aus zwei einzelnen Verschleißschutzschichten, den Chromschichten 9 und 10 mit unterschiedlicher Härte aufgebaut. Die rohrseitige Chromschicht 9 besitzt vorzugsweise eine Härte von 650 HV. Die strangseitige Chromschicht 10 ist demgegenüber mit einer Härte von 1000 bis 1050 HV härter.

[0027] Zur Erzeugung der ersten Chromschicht 9 ist das Kokillenrohr 1 bzw. dessen Grundkörper 5 im lösungsgeglühten Zustand verchromt und anschließend in einer Wärmebehandlung ausgehärtet worden. So erhält der Kokillenkörper 1 seine Endfestigkeit. Nach der Auslagerung weist die Chromschicht 9 dann eine Härte von 650 HV auf. Zur Erhöhung des Verschleißschutzes wird in einem weiteren Beschichtungsvorgang die zweite Chromschicht 10 aufgetragen, welche eine Härte von 1050 HV besitzt.

[0028] Die Verschleißschutzschicht 7 ist insgesamt 250 µm dick, wobei die Schichtdicke der Chromschicht 9 100 µm und die Schichtdicke der Chromschicht 10 150 µm beträgt.

[0029] Der Vorteil der zweilagigen Verschleißschutzschicht 7 liegt in einer verringerten Differenz zwischen Härte und Duktilität am Übergang vom Grundkörper 5 zur Chromschicht 9 unter Gewährleistung einer hohen Härte an der strangseitigen Oberfläche 8 durch die Chromschicht 10.

Bezugszeichenaufstellung

[0030] 

1 -

Kokillenrohr

2 -

Formhohlraum

3 -

Stirnende v. 1

4 -

Fußende v. 1

5 -

Grundkörper v. 1

6 -

Innenseite

7 -

Verschleißschutzschicht

8 -

strangseitige Oberfläche

9 -

rohrseitige Chromschicht

10 -

strangseitige Chromschicht

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung des aus einer aushärtbaren Kupferlegierung bestehenden formgebenden Kokillenkörpers einer Kokille für eine Stranggießanlage, bei welchem der Kokillenkörper mit einer inneren Verschleißschutzschicht aus Chrom versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenkörper lösungsgeglüht, anschließend die Verschleißschutzschicht auf den Kokillenkörper aufgebracht und danach der Kokillenkörper ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung in einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 550 °C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweilagige Verschleißschutzschicht (7) ausgebildet wird, indem nach dem Aushärten die innere Oberfläche (8) zusätzlich hartverchromt wird.

5. Kokillenkörper aus einer aushärtbaren Kupferlegierung für die Kokille einer Stranggießanlage, welcher eine innere Verschleißschutzschicht (7) aus Chrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Verschleißschutzschicht (7) von der strangseitigen Oberfläche (8) in Richtung zum Kokillenkörper (1) abnimmt.

6. Kokillenkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (7) aus zwei Chromschichten (9, 10) unterschiedlicher Härte besteht, wobei die strangseitige Chromschicht (10) härter als die rohrseitige Chromschicht (9) ist.

7. Kokillenkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrseitige Chromschicht (9) eine Härte zwischen 500 HV und 850 HV und die strangseitige Chromschicht (10) eine Härte zwischen 850 HV und 1050 HV besitzt.

Zeichnung