Verfahren zur Herstellung von Gießformteilen sowie nach dem Verfahren hergestellte Gießformteile

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gießformteilen aus einer Silizium, Nickel, Chrom und Zirkonium sowie intermetallische Primärphasen enthaltenden Kupferlegierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft ferner Gießformteile hergestellt nach diesem Verfahren.

Die EP 0 346 645 B1 beschreibt die 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 Gießformteilen, die beim Gießen einer permanent wechselnden Temperaturbeanspruchung unterliegen, insbesondere in Form von Blöcken für Seitendämme von Doppelbandgießanlagen. 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 Schmelz- bzw. 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 führen. Treten derartige durch Thermoschock hervorgerufene Risse auf, fällt schon nach kurzer Zeit der betreffende Block aus der Kette heraus, wobei das schmelzflüssige Metall unkontrolliert aus dem Gießformhohlraum auslaufen und Anlagenteile beschädigen kann. Für das Auswechseln des schadhaften Blocks muss die Anlage angehalten und der Gießvorgang unterbrochen werden.

Zur überprüfung der Rissneigung hat sich eine Testmethode bewährt, bei der die Blöcke einer zweistündigen Wärmebehandlung bei 500 ⁰ C unterzogen und anschließend in Wasser von 25 ⁰ C abgeschreckt werden. Auch bei mehrfacher Wiederholung dieser Thermoschockprüfung dürfen bei einem geeigneten Material keine Risse im Bereich der T-Nut auftreten.

Die in der EP 0 346 645 B1 beschriebene zirkoniumhaltige, aushärtbare CuNiSiCr-Legierung eignet sich hervorragend für Blöcke von Seitendämmen von Doppelbandgießanlagen. Durch den Zusatz von Chrom erhöht sich die Leitfähigkeit des Werkstoffs. Der Fe-Zusatz begrenzt das Kornwachstum beim Lösungsglühen, ohne die anderen Eigenschaften des Werkstoffs negativ zu beeinflussen.

Es ist bekannt, dass im Gefüge des chrom- und zirkoniumhaltigen Werkstoffs intermetallische Primärphasen auftreten, die bei der Erstarrung der Schmelze untereutektisch, d.h. in inhomogener Verteilung auskristallisieren. Diese CrSi-

haltigen und NiZr-haltigen Phasen treten verfahrensbedingt bereits in den gegossenen Rundbolzen auf, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Blöcken für die Seitendämme von Doppelbandgießanlagen eingesetzt werden. Das gegossene Material wird üblicherweise zur Einstellung eines feinkörnigen Gefüges und zur Erzielung der erforderlichen Härte und elektrischen Leitfähigkeit mit gängigen Umformverfahren, wie Strangpressen, Schmieden oder Walzen warm umgeformt, anschließend lösungsgeglüht und ausgehärtet, wobei die eutektische, inhomogene Verteilung der intermetallischen Primärphasen des Gusszustandes mehr oder weniger gut zerstört und die Primärphasen dabei in der Hauptumformrichtung zeilig ausgerichtet werden. Bei der üblichen Herstellung der Blöcke aus stranggepressten oder warmgewalzten Stangen, liegt eine relativ ungleichmäßig verteilte, ausgeprägt zeilig ausgerichtete Primärphasenanordnung in der Gießfläche der Blöcke vor. Beim Schmieden von Platten aus einem Gussrohling wird üblicherweise die netzförmige Verteilung der intermetallischen Primärphasen des Gusszustandes nur unzureichend beseitigt, da der Gesamtumformgrad begrenzt ist und die Platte in Längs- und Querrichtung annähernd gleichermaßen ausgeformt wird.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gießformteilen, insbesondere zur Herstellung von Blöcken für Seitendämme von Doppelbandgießanlagen so zu optimieren, dass der Verschleiß der mit einer Metallschmelze in Kontakt kommenden Gießflächen später einsetzt und langsamer fortschreitet, so dass über einen längeren Produktionszeitraum unter Einsatz der Gießformteile ein gegossenes Metallband mit einwandfreier Oberflächenqualität hergestellt werden kann. Ferner soll ein Gießformteil mit den verbesserten Eigenschaften aufgezeigt werden.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Gießformteil mit den vorteilhaften Eigenschaften ist Gegenstand des Patentanspruchs 6.

Die jeweils abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die intermetallischen Primärphasen, welche in der Kupferlegierung enthalten sind, durch gerichtete Warmumformung so orientiert werden, dass eine mit der Metallschmelze in Kontakt kommende Gießfläche eines aus dem abgestreckten Gussblock hergestellten Gießformteils in einem Winkel von 90 ± 10°, d.h. im wesentlichen senkrecht, gewählt wird zur Abstreckrichtung des Gussblocks. Nachfolgend wird unter "im wesentlichen senkrecht" ein Winkel von 90 ± 10° zur Abstreckrichtung des Gussblocks verstanden. Senkrecht meint einen Winkel von 90°.

Wesentlich bei dieser Vorgehensweise ist, dass bei der Warmformgebung des Gussblocks neben der feinkörnigen Gefügerekristallisation des ursprünglich grobkörnigen Gussgefüges eine ausgeprägte Faserorientierung mit Zerkleinerung und Ausrichtung der intermetallischen Primärphasen längs dieser Fasern erzeugt wird. Hierbei ist wichtig, dass die Faserorientierung möglichst fein und gleichmäßig verteilte Primärphasen aufweist, was im Rahmen der Erfindung dadurch erreicht wird, dass eine Abstreckung durch Warmumformung in nur eine einzige Richtung erfolgt, wobei der Gussblock in einem Verhältnis von mindestens 4 : 1 , vorzugsweise mehr als 7:1 , abgestreckt wird. Die Warmumformung kann dabei durch Verfahren wie Schmieden und oder Warmwalzen erfolgen. Eine summarische Gesamtumformung von mindestens 4 : 1 oder vorzugsweise von mindestens 7 : 1 in verschiedene Richtungen führt dagegen nicht zu dem erfindungsgemäß gewünschten Faserverlauf.

Ein weiteres wichtiges Verfahrensmerkmal ist, dass die aus dem abgestreckten Gussblock hergestellten Gießformteile, eine mit einer Metallschmelze in Kontakt kommende Gießfläche aufweisen, die im wesentlichen senkrecht (= 90 ± 10°) , vorzugsweise exakt senkrecht zur Abstreckrichtung gewählt wird. Nur in diesem Fall wird der Verschleiß der Gießflächen signifikant reduziert, so dass es möglich ist, über einen längeren Produktionszeitraum ein gegossenes Metallband mit einwandfreier Oberflächenqualität herzustellen.

Durch die Orientierung der Fasern treten die intermetallischen Primärphasen in der Gießfläche im Wesentlichen nur als gleichmäßig verteilte Punkte in Erscheinung. Es wird als zweckmäßig angesehen, wenn das Mengenverhältnis der in einem Schliffbild angeschnittenen intermetallischen Primärphasen zwischen der Gießfläche und den im senkrecht zu der Gießfläche stehenden Seiten des abgestreckten Gussblocks größer als 1 ,5 : 1 eingestellt wird. Das bedeutet, dass in der Gießfläche bzw. in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur Abstreckrichtung mindestens 50% mehr intermetallische Primärphasen angeschnitten werden als in einer Seite bzw. Ebene senkrecht zu der Gießfläche.

Das auf diese Weise eingestellte Mengenverhältnis der angeschnittenen intermetallischen Primärphasen in Kombination mit der Orientierung der Gießfläche, führt zu Gießformteilen mit optimiertem Einsatzverhalten, da die Risseinleitung und Rissausbreitung in der Gießfläche gehemmt wird. Dadurch sinkt der Verschleiß der Gießformteile im Einsatz, da die Rissausbreitung langsamer voranschreitet, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer beiträgt. Die Resistenz gegenüber Ermüdungsrissbildung ist gegenüber Gießformteilen, bei welchen die intermetallischen Primärphasen im Wesentlichen ungerichtet sind, deutlich größer.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gießformteil besitzt einen Faserverlauf, der bedingt, dass auch die intermetallischen Primärphasen in Fasern bzw. Zeilen angeordnet sind. Die mittlere Länge einer in einer Ebene liegenden Primärphase ist messbar. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn das Verhältnis zwischen der mittleren Länge einer in der Ebene der Gießfläche liegenden Zeile zur mittleren Länge einer Zeile, die im wesentlichen senkrecht (= 90 ± 10°), vorzugsweise exakt senkrecht, zur Gießfläche verläuft, kleiner 3 : 10 ist. Mit anderen Worten befinden sich in der Gießfläche Zeilen intermetallischer Primärphasen deren Länge höchstens 30% der Länge einer Zeile einer intermetallischen Primärphase entspricht, die im wesentlichen oder exakt senkrecht zur Gießfläche verläuft.

Das erfindungsgemäße Gießformteil besteht aus einer aushärtbaren Kupferlegierung, die zu diesem Zweck Legierungsbestandteile beinhaltet, welche sich als intermetallische Phasen ausscheiden. Die aushärtbare Kupferlegierung enthält bevorzugt Nickel, das zumindest teilweise durch Cobalt ersetzt werden kann. Zusätzlich enthält die Legierung wenigstens eines der folgenden Legierungselemente: Chrom, Zirkonium, Beryllium, Silizium.

Das fertige Gießformteil zeichnet sich durch auf den spezifischen Anwendungsfall zugeschnittene, hervorragende Materialeigenschaften aus, nämlich insbesondere eine Zugfestigkeit von wenigstens 600 MPa bei einer Raumtemperatur von 20 ⁰ C sowie einer Zugfestigkeit von wenigstens 350 MPa bei einer Temperatur von 500 ⁰ C.

Die Kupferlegierung besitzt im ausgehärteten Zustand bei 20 ⁰ C eine 0,2%- Dehngrenze von wenigstens 470 MPA, eine Bruchdehnung A ₅ von wenigstens 15%, eine Härte von wenigstens 190 HV10 sowie bei 20 ⁰ C eine elektrische

Leitfähigkeit von wenigstens 40% IACS (IACS = International Annealed Copper Standard, elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer = 100%). Vorzugsweise liegt die elektrische Leitfähigkeit bei wenigstens 45%.

Die ausgehärtete Kupferlegierung soll eine Korngröße von höchstens 130 μm gemessen nach ASTM E 112 aufweisen. Die US-Norm ASTM E 112 (American Society for Testing and Materials) ist ein Standarttestverfahren zur Bestimmung der mittleren Korngröße.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Beispiele erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schliffbild eines gegossenen Rundbolzens, der als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Gießformteilen von Seitendämmen einer Doppelbandgießanlage eingesetzt wird. Es handelt sich um das typische Gussgefüge einer CuNiSiCrZr-Legierung mit CrSi-haltigen bzw. NiZr-haltigen intermetallischen Primärphasen in eutektischer Anordnung. Der Werkstoff wird anschließend zur Einstellung eines feinkörnigen Gefüges und zur Erzielung der erforderlichen Härte und elektrischen Leitfähigkeit mit Umformverfahren, wie dem Strangpressen, Schmieden oder Walzen umgeformt, anschließend lösungsgeglüht und ausgehärtet, so dass sich die eutektische, inhomogene Verteilung der intermetallischen Primärphasen verändern wird.

Wird der in Figur 1 dargestellte Gussrohling mit einer netzförmigen Verteilung der intermetallischen Primärphasen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung gleichermaßen ausgeformt, ändert sich die Phasenorientierung nicht in der gewünschten Art und Weise.

Dahingegen zeigt Figur 2 die Verteilung der intermetallischen Primärphasen eines bereits warmumgeformten Gussblocks und somit das Schliffbild im Bereich der Gießfläche eines späteren Gießbauteils. Es ist deutlich zu erkennen, dass die intermetallischen Primärphasen sehr fein und gleichmäßig verteilt sind. Die Faserausrichtung bzw. die Ausrichtung der intermetallischen Primärphasen steht senkrecht zur Gießfläche, wodurch die angeschnittenen Primärphasen in dieser Figur als Punkte erscheinen.

Die Anzahl der angeschnittenen Primärphasen ist etwa 1 ,7 x so hoch, wie in Figur 3, welche ein Schliffbild senkrecht zur Gießfläche und somit senkrecht zu dem der Figur 2 zeigt. Während in Figur 2 die Phasenzeilen nur ansatzweise erkennbar und maximal ca. 100 μm lang sind, sind in Figur 3 erheblich mehr Primärphasenzeilen zu erkennen, wobei die Phasenzeilenlängen in Bereichen von 100 bis 400 μm und teilweise in Bereichen über 400 μm liegen. Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht die mechanischen Eigenschaften sowie die Ermüdungsresistenz von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gießformteilen aus CuNiSiCrZr-Legierungen.

CO

Dem Ausfϋhrungsbeispiel A liegt eine Legierung mir folgender Zusammensetzung in Gew.-% zu Grunde: 2,1% Ni

0,62% Si 0,30% Cr 0,15% Fe Rest = Cu einschließlich unvermeidbarer Beimengungen.

Diese Legierung wurde in einem Induktionstiegelofen erschmolzen und im Stranggussverfahren zu einem Rundblock vergossen. Der Rundblock würde auf einer Schmiedepresse in einem Temperaturbereich zwischen 950 ⁰ C und 750 ⁰ C vorgestaucht und dann zu einem Quader ausgeformt. Der Quader wurde dann in Längsrichtung zu einer Platte ausgeschmiedet. Diese vorgeschmiedete Platte wurde dann auf einem Warmwalzwerk zwischen 950 °C und 800 ⁰ C an Endabmessung ausgewalzt. Das Gesamtumformungsverhältnis V in Längsrichtung betrug ausgehend von der Vorstauchlänge bis zur fertig ausgewalzten Plattenlänge 5,3 : 1. Die Platte wurde anschließend lösungsgeglüht und ausgehärtet. Die Abkühlung nach der Aushärtung erfolgte in einem Ofen mit definierter Abkühlgeschwindigkeit. Anschließend wurde die Platte in Querstreifen zersägt und aus diesen Streifen wurden Gießformteile, die so genannten Dammblöcke mit den Abmessungen 70 mm x 50 mm x 40 mm gefertigt.

Alternativ können in gleicher Weise die Gießformteile der Abmessungen 60 mm x 50 mm x 40 mm bzw. 50 mm x 50 mm x 40 mm entnommen werden. Die Gießflächen der Gießformteile kommen dabei im wesentlichen vorzugsweise exakt senkrecht zur Längsrichtung der Platte und damit auch im wesentlichen vorzugsweise exakt senkrecht zur Abstreckrichtung des umgeformten Gussblocks bzw. der Faserausrichtung zu liegen.

In der Tabelle sind die mechanisch/technischen Eigenschaften sowie die Ermüdungsresistenz so entnommener Gießformteile im Vergleich zu Gießformteilen, deren Fasern parallel zur Gießfläche liegen oder die keine bevorzugte Umformung mit einem Verhältnis von mindestens 4 : 1 erfahren haben, wiedergegeben. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gießformteile mit einer Ausrichtung der intermetallischen Primärphasen senkrecht zur Gießfläche zeigen im Labortest eine um 17% bessere Ermüdungsresistenz als Gießformteile, deren Faserlage parallel zur Gießfläche verläuft.

Das Ausführungsbeispiel B basiert auf einer Legierung mit der Zusammensetzung: 2,2% Ni

0,60% Si 0,33% Cr 0,12% Fe Rest = Cu einschließlich unvermeidbarer Beimengungen.

Auch diese Legierung wurde in einem Induktionstiegelofen erschmolzen und im Stranggussverfahren zu einem Rundblock vergossen. Der Rundblock wurde anschließend auf einem Warmwalzwerk zwischen 950 ⁰ C und 800 ^C C zu einer Platte

verwalzt. Das Gesamtumformungsverhältnis V in Längsrichtung beträgt, bezogen auf die Ausgangslänge des Gussblocks, 7,4 : 1 und entspricht damit der bevorzugten erfinderischen Vorgabe von mindestens 7 : 1.

Die weitere Behandlung der warmgewalzten Platte und die Entnahme der Gießformteile erfolgt, wie im Ausführungsbeispiel A.

In Tabelle 1 sind wiederum die Festigkeitseigenschaften der Gießformteile mit senkrecht zur Abstreckrichtung verlaufenden Primärphasen wiedergegeben, im Vergleich zu Gießformteilen, deren intermetallischen Primärphasen parallel zur Gießrichtung verlaufen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Gießformteile gemäß Ausführungsbeispiel B zeigen bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften im Labortest sogar eine um 26% bessere Ermüdungsresistenz als Gießformteile mit einer Faserausrichtung parallel zur Gießfläche.

Die Ausführungsbeispiele zeigen, dass die erfindungsgemäß hergestellten Gießformteile ein um 17 bis 26% besseres Ermüdungsverhalten der Gießfläche aufweisen als vergleichbare Gießformteile mit Faser- und Phasenausrichtung parallel zu der Gießfläche oder ohne Vorzugsorientierung.