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Title:
MOLD WALL, ESPECIALLY A BROADSIDE WALL OF A CONTINUOUS CASTING MOLD FOR STEEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/083136
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mold wall for plate molds, tubular molds or similar, especially a broadside wall of a continuous casting mold for steel. The inventive mold wall comprises plates consisting of copper or a copper alloy, which are either provided with coolant channels or are in thermally conductive contact with a water tank. Said plates have a surface which comes into direct contact with the steel melt and a protective layer applied to said surface. The wear resistance and mechanical workability are improved as a result of the protective layer consisting of a galvanically manufactured binary or ternary metal alloy dispersion, e.g. based on nickel with intercalated dispersants.

Inventors:
GNASS ERWIN (DE)
FEHLEMANN GEREON (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/004491
Publication Date:
November 08, 2001
Filing Date:
April 20, 2001
Export Citation:
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Assignee:
SMS DEMAG AG (DE)
GNASS ERWIN (DE)
FEHLEMANN GEREON (DE)
International Classes:
B22D11/059; C25D7/00; C25D15/02; (IPC1-7): B22D11/04
Foreign References:
US4197902A1980-04-15
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 004, no. 128 (M - 031) 9 September 1980 (1980-09-09)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 093 (M - 074) 17 June 1981 (1981-06-17)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 006, no. 097 (M - 134) 5 June 1982 (1982-06-05)
Attorney, Agent or Firm:
Valentin, Ekkehard (Gihske, Große Hammerstrasse 2 Siegen, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Kokillenwand für Plattenkokillen, Rohrkokillen oder dergleichen, insbe sondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl, umfassend entweder mit Kühlmittelkanälen versehene, oder mit einem Wasserka sten in wärmeleitendem Kontakt befindliche Platten aus Kupfer bzw. ei ner Kupferlegierung, mit einer in unmittelbarem Kontakt mit Stahischmel ze befindlichen Fläche und einer auf dieser aufgebrachten Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einer galvanisch hergestellten binären oder ternären MetallLegierungsdispersion besteht, bspw. auf der Basis von Nickel mit Einlagerungen von Dispersanten.
2. Kokillenwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Maßgabe der Beanspruchung der Kokillenwände durch Stahl qualität, Temperatur und/oder Turbulenz der Schmeize in der Kokille dem Nickel galvanisch die Werkstoffe Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer, Man gan und Chrom zulegiert werden.
3. Kokillenwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersanten zur weitergehenden Verbesserung der mechani schen und/oder physikalischen Eigenschaften der Schutzschicht ver wendet werden : a) Karbide von Titan, Tantal, Wolfram, Zirkon, Bor, Chrom, Silizium, b) die Oxide von Aluminium, Chrom, Silizium, Beryllium und Zirkon.
4. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersanten mit einer Teilchengröße von 1, um bis 5 im bzw. nanoskalige Teilchen mit einer Größe von 101000 Nanometer ver wendet werden.
5. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen sowie physikalischen Eigenschaften einer Dis persionsschicht wie Verschleißresistenz und/oder Temperaturbeständig keit und/oder Tribologie nach Maßgabe der Einlagerung nanoskaliger Teilchen, insbesondere Siliziumkarbidteilchen, in ihre Mikrostruktur ein stellbar sind.
6. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die binären oder ternären NickelLegierungsModifikationen eine Basis für eine insbesondere mehrschichtige Dispersionsbeschichtung der Kokillenplattenlnnenflächen bilden.
7. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsschichten mit einer Schichtstärke von 10 um bis 10.000 pm aufgetragen werden.
8. Kokillenwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersanten nichtmetallische Hartstoffe wie BorNitrid mit un terschiedlichen Modifikationen, SiliziumNitride sowie Ultradiamanten verwendet werden.
Description:
Kokillenwand, insbesondere Breitseiten- wand einer Stranggießkokille für Stahl Die Erfindung betrifft eine Kokillenwand für Plattenkokillen, Rohrkokillen oder dergleichen, insbesondere Breitseitenwand einer Stranggießkokille für Stahl, umfassend entweder mit Kühimittelkanälen versehene, oder mit einem Wasser- kasten in wärmeleitendem Kontakt befindliche Platten aus Kupfer bzw. aus ei- ner Kupferlegierung mit einer im unmittelbaren Kontakt mit Stahlschmelze be- findlichen Fläche und einer auf dieser aufgebrachten Schutzschicht.

Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Kupferkokillen, wie CSP- Kokillenplatten, Brammenkokillenplatten, Rohrkokillen und Beam-Blank- Kokillen, werden diese galvanisch mit Chrom und/oder Nickel, neuerdings auch mit Nickel-Kobalt-Legierungen beschichtet. Diese Beschichtungen erhöhen auf- grund ihrer großen Härte und Zunderbeständigkeit die Verschleißfestigkeit der Kokillen erheblich, und führen somit zu einer deutlichen Standzeiterhöhung.

Je nach Anwendungsfall werden die Schichten in unterschiedlicher Stärke auf die Kupferkokillen aufgebracht. Der Nachteil einiger dieser Beschichtungen liegt darin, dass sie aufgrund ihrer großen Härte nur schwer in der mechanischen Fertigung zu bearbeiten sind und somit vergleichsweise hohe Fertigungskosten verursachen.

Infolgedessen wird vielfach ein Kompromiß zwischen Verschleißfestigkeit und wirtschaftlicher Fertigbearbeitung der Schichten zu erreichen gesucht.

Weiterhin fällt die Härte von Nickel bei steigenden Temperaturen um ca. 50%, von Nickel-Kobalt und von Hartnickel um ca. 30% ab.

In der Industrie, z. B. im Rennmotorenbau oder Werkzeugbau, werden seit eini- ger Zeit Nickel-Siliziumkarbid-Dispersionsschichten eingesetzt. Hierbei handelt es sich um hochverschleißfeste Beschichtungen, die zugleich eine hohe thermi- sche Beständigkeit besitzen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Mikrostruktur von Metallen oder Metalllegierungen durch Einlagerung von Dispersanten verändert. In der Mehr- zahl der Fälle bewirkt diese Veränderung eine Erhöhung der Verschleißfestig- keit und Warmfestigkeit. Es ist bekannt, dass außer Silizium-Karbid-Teilchen die Einlagerung von Ultradiamanten zu einer Verbesserung der Werkstoffeigen- schaften, d. h. der Verschleißresistenz führt. Der Korngrößenbereich der einzu- lagemden Dispersanten reicht von etwa 10 bis zu 1000 Nanometern bei der Mehrzahl der praktischen Anwendungen. Aus Untersuchungen geht weiter her- vor, dass die Werkstoffeigenschaften von Dispersionen durch die Größe der Dispersanten beeinflußbar ist. Aus diesem Grunde werden, je nach Beanspru- chungsfall, unterschiedliche Dispersantengrößen eingesetzt.

Eine noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 18 504.5 berichtet über eine Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegie- rung für Kokillen. Die Erfindung besteht in der Verwendung einer aushärtbaren Kupferlegierung für Kokillen mit einem Gehalt an Beryllium von 0,1 bis 0,5 % und einem Gehalt an Nickel von 0,5 bis 2 %, insbesondere zur Herstellung von Breitseitenplatten für Dünnbrammen-Stranggießkokillen.

Das Dokument DE 26 34 633 A1 offenbart bei einer Stranggießkokille zum Gie- ßen von Stahl, umfassend einen Metalikörper mit einer inneren Beschichtung aus einem verschleißfesten Werkstoff, dass die verschleißfeste Schicht aus einer elektrolytisch oder stromlos abgeschiedenen Metallschicht mit im Kristall- gitter eingelagerten, im Elektrolyten unlöslichen Feststoffpartikeln besteht. Da- bei kann die verschleißfeste Schicht Nickel mit im Nickelgitter eingelagerten Metallkarbid-Partikeln enthalten. Weiterhin kann das Metalikarbid Siliziumkarbid sein und die Feststoffpartikel können Diamantstaub sein. Die Feststoffpartikel können aber auch aus Metalloxid bestehen. Die binären Nickel- Dispersionsbeschichtungen verfügen über eine Härte von ca. 380 bis 450 HV 1 und über hohe Abschleifwiderstände bei Raumtemperatur, sowie bei 350 bis 500 °C.

Aus dem Dokument DE 198 01 728 C1 ist eine Stranggießkokille zum Gießen von Strängen aus Stahl bekannt, bestehend aus Kokillenplatten und Wasserka- sten, die miteinander verbunden sind, zwischen welchen eine Wasserkühlung mit Hilfe von Wasserführungskanälen aufgebaut ist, wobei die Wasserführungs- kanäle in der der Kokillenplatte zugewandten Seite des Wasserkastens ange- ordnet sind, mit dem Kennzeichen, dass die Kokillenbreitseite mit ihren Ele- menten wie Kupferplatte und Wasserkasten mit oder ohne Wasserführungska- näle, jedoch mit einer Wasserführungskanäle aufweisenden Verbindungsplatte, durch Spannbolzen mit konischen Spannbolzenköpfen, die in entsprechenden, im wesentlichen konischen Ausnehmungen der Kupferplatte gehalten sind, und mittels Spannelementen, zusammengehalten ist.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf- gabe zugrunde, eine Kokillenwand der im Oberbegriff von Anspruch 1 genann- ten Art hinsichtlich ihrer Verschleißresistenz bei hohen Temperaturen im Kon- takt mit einer Stahlschmelze, sowie ihrer wirtschaftlichen Bearbeitung, bspw. zur Glättung, derart zu verbessern, dass die Verfügbarkeit der Kokillenwände gegenüber dem Stand der Technik signifikant verbessert wird.

Zur Lösung ist mit der Erfindung bei einer Kokillenwand der eingangs genann- ten Art vorgesehen, dass die Schutzschicht aus einer galvanisch hergestellten binären oder temären Metall-Legierungsdispersion besteht, bspw. auf der Basis von Nickel mit Einlagerungen von Dispersanten. Die Bearbeitbarkeit und die Verschleißresistenz der sogenannten"hot face"einer Kokillenwand wird durch diese Maßnahme deutlich verbessert.

Nach Maßgabe der Beanspruchung der Kokillenwände durch Stahlqualität, Temperatur und/oder Turbulenz der Schmelze in der Kokille werden dem Nickel galvanisch bevorzugt die Werkstoffe Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer, Mangan und Chrom zulegiert.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Disper- santen zur weitergehenden Verbesserung der mechanischen oder physikali- schen Eigenschaften der Schutzschicht verwendet werden : a) Karbide von Titan, Tantal, Wolfram, Zirkon, Bor, Chrom, Silizium, b) die Oxide von Aluminium, Chrom, Silizium, Beryllium und Zirkon.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass bspw. Nickel- Kobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtungen bei höheren Temperaturen, bspw. im Bereich zwischen 350 und 500 °C, einen weitaus geringeren Härte- abfall aufweisen, als bspw. Reinst-Nickel, Nickel-Kobalt und Hart-Nickel. Die Abschleifrate von Nickel ist fast 16 mal höher als z. B. die Abschleifrate einer binären Nickelkobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtung mit 380 bis 450 HV 1, obgleich die Dispersionsschichten nur etwa doppelt so hart sind, wie die Reinnickelschichten mit 380 bis 450 HV 1 gegen 220 HV 1.

Gegenüber einer Nickel-Silizium-Dispersionsbeschichtung beträgt die Ab- schleifrate einer binären Nickel-Kobalt-Siliziumkarbid-Dispersionsbeschichtung nur ca. 10%.

Die Gründe für diese Unterschiede liegen einerseits in den Siliziumkarbidteil- chen, und andererseits in der Mikrostruktur der Dispersionsschichten.

Trotz des hierbei erzielten hohen Abschleifwiderstandes lassen sich die binären Legierungs-Dispersionsbeschichtungen wirtschaftlich bearbeiten, weil sie ge- genüber z. B. einer Hart-Nickel-Legierung mit ca. 600 HV 1 bei Raumtempera- tur, in einem Härtebereich zwischen 380 und 450 HV 1 liegen, innerhalb dessen sie erfahrungsgemäß noch wirtschaftlich zu bearbeiten sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die binären oder temären Nik- kel-Legierungs-Modifikationen eine Basis für eine insbesondere mehrschichtige Dispersionsbeschichtung der Kokilleninnenplatten bilden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen sowie physikalischen Eigenschaften einer Dispersionsschicht wie Verschleißresistenz und/oder Temperaturbeständigkeit und/oder Tribologie nach Maßgabe der Einlagerung nanoskaliger Teilchen, insbesondere Silizium- karbidteilchen, in ihre Mikrostruktur einstellbar sind.

Damit hat es der Fachmann in der Hand, für die genannten Beanspruchungen der Kokillenwand optimale Bedingungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens sowie der wirtschaftlichen Bearbeitbarkeit zu wählen.

Vorzugsweise werden dabei die Dispersanten mit einer Teilchengröße von 1 pm-5 Rm bzw. nanoskalige Teilchen mit einer Größe von 10-1000 Nanometer verwendet. Größe und Einbaurate der Dispersanten richtet sich bspw. nach den tribologischen Anforderungen.

Und weiterhin sieht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kokillenwand nach der Erfindung vor, dass als Dispersanten zur weitergehenden Verbesse- rung der mechanischen Eigenschaften der Schutzschicht nichtmetallische Hart- stoffe wie Bor-Nitride, Bor-Karbide, Silizium-Nitride sowie Ultradiamanten ge- eignet sind : Und schließlich ist die Kokillenwand erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsschichten mit einer Schichtstärke von 10-10.000 um auf- getragen werden, wobei diese sich nach den Beanspruchungen beim Gießen und der erforderlichen Nachbearbeitung richten.

Die hiernach beigefügten Grafiken : Grafik 1 : Härte von Ni-Modifikationen bei Raumtemperatur bzw. nach ther- mischer Behandlung sowie Grafik 2 : Abschleifrate vor und nach thermischer Behandlung verdeutlichen die großen Vorteile der binären NiCo 30, Nickelkobalt- Siliziumkarbid-Dispersion, mit einer Härte von ca. 450 HV 1 gegenüber.

* Ni (Reinst-Nickel)<BR> * NiCo (Nickelkobalt-Legierung)<BR> * Ni (Hart-Nickel) * NiP 12 (Elektrolytisch hergestellte Nickellegierung mit mehr als 12% Phosphor) * Nickel Siliziumkarbid Dispersionsbeschichtungen NiSiC mit Einlagerung von 5 % SiC * NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 360 HV 1 * NiSiC Dispersion mit einer Abscheidungshärte von 440 HV 1 * NiSiC Dispersion aus einem modifizierten Elektrolyten mit Härte von 420 HV.