DE2634633C2

DE2634633C2 - Stranggießkokille aus einem Kupferwerkstoff, insbesondere zum Stranggießen von Stahl

Info

Publication number: DE2634633C2
Application number: DE2634633A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. 4500 Osnabrück Gravemann; Wolfgang von Ing.(grad.) 5227 Windeck Jan
Original assignee: Kabel und Metallwerke Gutehoffnungshuette Ag 3000 Hannover
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1976-07-31
Filing date: 1976-07-31
Publication date: 1984-07-05
Also published as: GB1546307A; SE7708708L; CA1097024A; FR2360362A1; JPS5319930A; ES460895A1; DE2634633A1; YU39681B; FR2360362B1; FI772271A; US4197902A; JPS6124100B2; BE857251A; AT360684B; ZA774567B; IT1079888B; YU184977A; DD130559A5; CH624860A5; ATA555577A

Description

Die Erfindung betrifft eine Stranggießkokille aus einem Kupferwerkstoff, insbes. zum Stranggießen von Stahl, mit einer inneren Beschichtung aus abgeschiedenem Nickel.

Bekanntlich müssen Stranggießkokillen zum Stranggießen von hochschmelzenden Metallen wie Eisen und Stahl aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen, deren Wandstärke in allen Fällen mindestens so groß gewählt werden muß, daß sie in ausreichender Weise den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen genügt.

Wegen seiner hohen thermischen Leitfähigkeit hat sich Kupfer als Werkstoff für Stranggießkokillen durchgesetzt. Da die mechanischen Eigenschaften des Kupfers vielfach nicht ausreichend waren, haben sich in letzter Zeit Stranggießkokillen aus einer niedrig legierten Kupferlegierung als vorteilhafter erwiesen, wobei man bewußt den etwas niedrigeren thermischen Leitwert in Kauf nahm (AT-PS 2 34 930).

Nachteilig bei Stranggießkokillen aus Kupfer oder Kupferlegierungen beim Stranggießen von Stahl ist, daß der Stahl Kupfer aufnimmt, was zu einer Korngrenzendiffusion und somit zur gefürchteten Rotbrüchigkeit des Stahls führt.

Man hat deshalb schon vorgeschlagen, verschleißfeste Überzüge auf der mit der Schmelze in Berührung stehenden Seite aufzubringen. Diese Überzüge sollen einmal die Abriebfestigkeit der Stranggießkokille und somit die Standzeit erhöhen und weiterhin durch Verringerung der Reibung zwischen dem Gußstrang und der Stranggießkokille höhere Gießgeschwindigkeiten ermöglichen.

So ist eine Stranggießkokille bekanntgeworden, bei der an der Seite, an der das flüssige Metall eintritt, die mit dem flüssigen Metall bzw. dem heißen Strang in Berührung stehende Oberflächenzone aus rein keramischem Werkstoff gebildet ist. Die Nachteile dieser Beschichtung sind in der relativ hohen Sprödigkeit des Beschichtungswerkstoffs zu sehen. Darüber hinaus besitzen die Werkstoffe im Falle von Kupfer und keramischen Werkstoff so unterschiedliche Ausdehnungswerte, daß die Beschichtung vorn Kokillenkörper abplatzt.
E-j ist auch schon vorgeschlagen, Stranggießkokillen auf der mit der Schmelze in Berührung stehenden Oberfläche elektrolytisch mit einer Chromschicht zu versehen. Die Chromschicht zeichnet sich durch eine hohe Härte und somit eine gute Verschleißfestigkeit sowie durch gute Gleiteigenschaften aus. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Chromschicht im Falle einer Beschädigung leicht entfernt und erneuert werden kann. Nachteile der Chromschicht sind die geringe Zähigkeit sowie die Neigung zu Mikrorissen. Ein weiterer Nachteil ist, daß die elektrolytisch abgeschiedene Chromschicht auf vielen Metallen, beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen, schlecht haftet. Darüber hinaus ergibt die schlechte Streufähigkeit des Chrombades Schwierigkeiten beim Beschiciiten von komplizierten Formen für Stranggießkokillen, zum Beispiel Rechleck-Rohrkokillen, was eine gleichmäßige Beschichtung insbesondere in den Radien unmöglich macht.

Ein weiterer Vorschlag ging dahin, die Beschichtung durch Flammspritzen bzw. Plasmaspritzen aufzubringen. Diese Versuche wurden beispielsweise mit Molybdän durchgeführt. Die aufgespritzten Schichten wiesen eine hohe Härte und somit eine gute Verschleißfestigkeit auf. Weiterhin war es möglich, die Schichten relativ dick aufzubringen. Da auf diese Weise keine Metalle porenfrei aufgebracht werden können, war die Schicht relativ korrosionsanfällig. Ein weiterer Nachteil bestand in der geringen Haftfestigkeit und Schockbeständigkeit der aufgebrachten Schicht. Für Rohrkokillen läßt sich dieses Verfahren nicht anwenden, außerdem lassen sich Schichten von gleicher Wanddicke nicht aufbringen, so daß ein Nachschleifen erforderlich wird, was dieses Verfahren unwirtschaftlich macht.

Ein weiterer Vorschlag ging dahin, auf die Wandung von Stranggießkokillen eine verschleißfeste Schicht durch Sprengplattieren aufzubringen. Versuche wurden mit Nickel durchgeführt, aber letztlich hat sich dieses Verfahren als zu teuer erwiesen.

In der japanischen Auslegeschrift 48-28 255 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Grundoberfläche einer Stranggießkokille mit Nickel plattiert und die plattierte Stranggießkokille dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf 600—1000⁰C erhitzt wird, wodurch zwischen der Nickelschicht und der Grundoberfläche eine Diffusionsschicht entsteht. Dieses Glühverfahren führt zu einer zähen, innigen Verbindung zwisehen der Nickelschicht und der Grundoberfläche, und die Lebensdauer der Stranggießkokille wird durch die Anwesenheit der wärmebeständigen Nickelschicht verlängert. Die Nickelschicht besitzt jedoch eine relativ geringe Härte von etwa 25—400 Vickershärte und nutzt

bO sich daher leicht ab, so daß zur Erzielung der gewünschten langen Lebensdauer eine übermäßig dicke Nickelplatticrung erforderlich wäre. Neben dem Mangel der durch die Abnutzung bewirkten geringen Maßhaltigkeit der Kokille ist darüber hinaus die Kühlwirkung verringert, da Nickel gegenüber Kupferwerkstoffen eine wesentlich niedrigere Leitfähigkeit hat.

Die Gli'ihung bei 600—1000⁰C kann auch zur Bildung von Blasen in der Nickclschicht oder zu einer Verlor-

mung der Stranggießkokille führen, wodurch die Dimensionsgenauigkeit der Stranggießkokille nicht mehr ^währleistet ist Weiterhin wird durch das Glühen die durch die Kaltverformung erzeugte Festigkeit des aus Kupfer bestehenden Grundkörpers wieder rückgängig gemacht

Aus Herrmann, »Handbuch des Stranggießens«, Seite 399 ist eine Stranggießkokille bekannt, deren Grundkörper aus Graphit oder Siliziumkarbid bestehi und dis an ihrer der Schmelze zugekehrten Oberfläche mit einer Schicht aus pi;'iertem Schmelzquarz versehen ist. Bei diesem Vorschlag ist das Siliziumkarbid nicht mit der Schmelze in Berührung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stranggießkokille anzugeben, die an der mit der Schmelze in Berührung stehenden Oberfläche mit einer abriebfesten Schicht mit guten Gleiteigenschaften versehen ist, die haftfest mit dem Kokillenkörper verbunden ist und die sich in einer Dicke von mehr als 1 mm elektrolytisch abscheiden läßt

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Matrix der elektrolytisch oder stromlos abgeschiedenen Nikkeischicht im Elektrolyten unlösliche Feststoffpartikel, wie Karbide, Metalloxide etc., eingelagert sind. Durch die Einlagerung der Feststoffpartikel wird die Festigkeit der Nickelschicht wesentlich gesteigert, wobei seine thermische Leitfähigkeit nur geringfügig abnimmt. Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen weist die erfindungsgemäße Lösung noch den Vorteil auf, daß man die Härte und Verschleißfestigkeit der Nickelschicht durch Menge und Art der Fest Stoffpartikel einstellen kann. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Stranggießkokillen, die rohrförmig ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einer erhöhten Temperaturschockbeständigkeit, da Nickel und Kupfer ähnlich große Ausdehnungskoeffizienten haben. Aufgrund der guten Streufähigkeit der Nickelbäder (zum Beispiel Watts-Bad) lassen sich auch komplizierte Stranggießkokillen gleichmäßig dick beschichten. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich beliebig viele weitgehend spannungsfreie Schichten erzeugen lassen. Die Nickelschicht verleiht der Stranggießkokille eine große Zähigkeit und macht sie damit weitestgehend stoßfest. Weiter läßt sich zwischen der Kupferkokille und einer Nickelschicht ein sehr fester Verbund schaffen. Neben Karbiden wie Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Vanadiumkrrbid lassen sich als Feststofi partikel auch Diamantstaub, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und andere verwenden. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man Siliziumkarbid in das Nickelgitter einbaut. Um die Reibung zwischen der Wandung der Stranggießkokille und dem Gußstrang zu vermindern hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in die Verschleißschicht die Reibung vermindernde Zusätze einzulagern. Hier haben sich Molybdänsulfid, Graphit oder Glimmer als zweckmäßig erwiesen. Die Größe der Feststoffpartikel liegt zweckmäßigerweise zwischen 0,01 und 50 μηι, vorzugsweise zwischen 0,1 und 25 μπι. Zur Abscheidung von Siliziumkarbid enthaltenden Nickelschichten eignen sich nahezu alle im Handel befindlichen Nickelbäder. Es hat sich aber als zweckmäßig erwiesen, die Nikkeischicht aus einer wäßrigen Lösung aus 150 bis 400 g/l Nickelsulfamat, 15 bis 40 g/l Borsäure, 2 bis 10 g/l Nikkelchlorid, 40 bis 80 g/l Siliziumkarbid abzuscheiden. Der ph-Wert der Lösung sollte zwischen 3 und 5, vorzugsweise bei 4, liegen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Ein Rohrstück in Form einer Stranggießkokille aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung wird zunächst an seiner inneren Oberfläche gereinigt und anschließend in ein Nickelsulfamat-Bad eingehängt und als Kathode geschaltet Das Nickelsulfamat-Band enthält 350 g/l Nickelsulfamat, 30 g/l Borsäure, 6 g/l Nickelchlorid und 60 g/l Siliziumkarbid, !m inneren Hohlraum des Rohrstücks wird eine Nik

ίο kelanode so angeordnet, daß der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche der Nickelanode und der inneren Oberfläche des Rohrstücks an jeder Stelle gleich ist. Das Nickelbad wird intensiv umgewälzt so daß sich die Siliziumkarbidpartikelchen nicht am Boden des Bades absetzen können. Nach dem Einschalten des Elektrolysestroms scheidet sich das Nickel aus der Lösung an der Innenwandung des Rohrstücks ab und führt dabei Siliziumkarbidteilchen an die Innenwandung heran, die im Nickelgitter eingebaut werden. Durch den Einbau der Siliziumkarbidpartikel im Nickelgitter tritt eine Verzerrung des Nickelgitters ein, die zu der gewünschten Festigkeitssteigerung führt. Die Elektrolyse wird bei einer Temperatur von ca. 50⁰C durchgeführt, wobei der ph-Wert der wäßrigen Lösung bei 4 liegt. Die Korngröße der Siliziumkarbidpartikelchen liegt unter 25 μπι. Nach dem die Schicht eine Dicke von ca. 1 mm erreicht hat, wird die Elektrolyse abgebrochen und die fertige Stranggießkokille ggf. an ihren Stirnflächen spanend be arbeitet, um etwaige Streuabscheidungen zu beseitigen.

Falls erforderlich, wird die Oberfläche der abgeschiedenen Nickel-Silizium-Schicht anschließend poliert

Mit einer nach der Lehre der Erfindung hergestellten Stranggießkokille konnte die Anzahl der Abgüsse wesentlich gesteigert werden. Nach Beendigung der Versuche wurde eine neue Siliziumkarbid enthaltende Nikkeischicht auf der Stranggießkokille abgeschieden, wobei sich vorteilhaft auswirkte, daß sich die vorher abgeschiedene Nickelschicht, die nunmehr verschlissen v/ar, sehr leicht entfernen ließ.

Während bei den bisher vorgeschlagenen elektrolytisch abgeschiedenen Verschleißschichten eine Schichtdicke von maximal 25 μηι erzielbar war, wodurch die Gefahr von Verletzungen durch scharfkantige harte Teile, zum Beispiel Schlacken, bis auf den Grundkörper erhöht wurde, läßt sich die Verschleißschicht gemäß der Lehre der Erfindung in nahezu beliebiger Schichtdicke auftragen, was zu einer weiteren Erhöhung der Standzeit führt. Darüber hinaus wirkt sich positiv aus, daß der Schmelzpunkt des Nickels oberhalb des Schmelzpunkts von Kupfer liegt. Da es sich bei der elektrolytischen Abscheidung um einen langwierigen und teuren Prozeß handelt, wird man die Schichtdicke der Verschleißschicht nicht zu hoch wählen und Schichtdicken von 0,1 bis 1,5 mm bevorzugen. Größere Schichtdicken verteuern das Produkt und verringern die Ableitung der Wärme, da Nickel einen geringeren Wärmeleitwert als Kupfer hat.

In der Figur ist eine Stranggießkokille dargestellt, die aus dem Grundkörper 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und der elektrolytisch aufgebrachten Nickelschicht 2 besteht, in die Siliziumkarbid eingelagert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stranggießkokille aus einem Kupferwerkstoff, insbesondere zum Stranggießen von Stahl, mit einer inneren Beschichtung aus abgeschiedenem Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix der elektrolytisch oder stromlos abgeschiedenen Nickelschicht im Elektrolyten unlösliche Feslstoffpartikel wie Karbide, Metalloxide etc. eingelagert sind.

2. Stranggießkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff Siliziumkarbid ist.

3. Stranggießkokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Feststoffpartikel zwischen 0,01 und 50, vorzugsweise zwischen 0,1 und 25 Mikrometer, beträgt.

4. Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der NickeJschicht zusätzlich reibungsvermindernde Zusätze auf der Basis von Molybdändisulfid, Graphit, Glimmer u. a. vorhanden sind.

5. Bad zur Herstellung einer Stranggießkokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer wäßrigen Lösung aus 150 bis 400 g/l Nickelsulfamat, 15 bis 40 g/l Borsäure, 2 bis 10 g/l Nickelchlorid sowie 40 bis 80 g/l Siliziumkarbid besteht und der ph-Wert der Lösung zwischen 3 und 5, vorzugsweise bei 4, liegt.