用于兩輥澆鑄設備的澆鑄輥的制作方法

專利名稱：用于兩輥澆鑄設備的澆鑄輥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于兩輥澆鑄設備的澆鑄輥。
世界范圍的，特別是鋼鐵工業的目標，即為了節省熱和/或冷成型步驟而盡可能與最終尺寸接近地澆鑄半制品，自從約1980年以來已經帶來了一系列的發展，例如在單輥和雙輥連續澆鑄工藝方面。
在這些澆鑄工藝中，在澆鑄只能很困難地熱軋的鋼合金，鎳，銅以及合金時，在熔體的澆入區域內，水冷卻的輥或軋輥出現很高的表面溫度。該溫度例如在與最終尺寸接近地澆鑄鋼合金時，為350℃-450℃，其中澆鑄輥(Giesswalzen)外殼由電導率為48Sm/mm2，熱導率為約320W/mK的CuCrZr材料構成。以CuCrZr為基礎的材料目前為止特別用于高熱應力的連續澆鑄結晶器和澆鑄齒輪(Giessraeder)。這些材料的表面溫度通過在澆入區域之前的短時間內，在每轉中周期性地冷卻澆鑄輥，降到約150℃-200℃。相反，澆鑄輥的冷卻的后側面在循環中，在很大程度上保持不變，保持在約30℃-40℃。表面與后側面之間的溫度梯度，結合澆鑄輥的表面溫度的周期性改變，使外殼材料的表面范圍內產生熱應力。
根據對目前應用的CuCrZr材料在不同溫度下，以±0.3％的伸長幅度，0.5赫茲的頻率---這些參數相當于澆鑄輥的轉速為30U/min---進行的疲勞行為研究，例如在最大表面溫度為400℃，相應于在水冷卻的上面25mm的壁厚，在最有利的情況下，直到裂紋形成之前的期望壽命為3000個周期。因此，澆鑄輥必須在約100分鐘的相對短的運轉時間后，為消除表面裂紋而進行修整。這里，修整之間的使用壽命還基本上取決于澆鑄面上的潤滑劑/脫模劑的效率、設計的和工藝決定的冷卻以及澆鑄速度。為了更換澆鑄輥，必須停住澆鑄機器，中斷澆鑄過程。
對于這一應用情況，經過證明的冷鑄模材料CuCrZr的另一個缺點是相對較小的硬度，約110HBW-130HBW。但是，對于單輥或雙輥連續澆鑄工藝，不可避免的是，在澆入區域之前，鋼濺滴已經到達輥的表面。然后，凝固的鋼粒子擠壓入相對較軟的澆鑄輥的表面，由此明顯損害了約1.5mm-4mm厚的澆鑄帶的表面質量。
已知的添加最多1％鈮的CuNiBe合金的較小的電導率，與CuCrZr合金相比較，導致較高的表面溫度。因為電導率大致與熱導率成正比，所以CuNiBe合金構成的澆鑄輥的外殼的表面溫度，與帶有由CuCrZr合金構成的外殼的，表面最高溫度為400℃，后側面為30℃的澆鑄輥相比，提高到約540℃。
三元CuNiBe或CuCoBe合金雖然原則上具有高于200HBW的布氏硬度，但是由這些材料制備的標準半制品，例如用于制備電阻焊接電極的棒或用于制備彈簧或鉛框(Leadframe)的金屬板或帶的電導率，最多達到在26Sm/mm2-約32Sm/mm2范圍內的數值。在最佳條件下，用這種標準材料只可能實現澆鑄輥的外殼的表面溫度為約585℃。
對于由US專利4,179,314原則上已知的CuCoBeZr或CuNiBeZr合金，也沒有給出這樣的暗示，即有目的地選擇合金成分，可以實現電導率數值＞38Sm/mm2，同時最低硬度為200HBW。
在EP0 548 636 B1中，視為現有技術的還有使用可時效硬化的銅合金作為制備澆鑄輥(Giesswalzen)和澆鑄齒輪的材料，該銅合金由1.0％-2.6％可以完全或部分由鈷替代的鎳，0.1％-0.45％鈹，選擇性的0.05％-0.25％鋯和任選的最多0.15％的至少一種選自包括鈮，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的元素，其余為銅構成，包括制備引起的雜質和通用的加工添加劑，其布氏硬度至少為200HBW，電導率高于38Sm/mm2。
這種組成的合金，例如合金CuCo2Be0.5或CuNi2Be0.5，基于相對較高的合金元素含量而在熱壓成型性方面有缺點。但是，為從幾毫米晶粒大小的粗晶粒的鑄態組織出發，實現晶粒大小＜1.5mm(根據ASTM E112)的細晶粒的產品，要求高的熱變形度。特別是對于大型的澆鑄輥，迄今只有用很高的費用才可制備足夠大的，具有足夠好的質量的鑄錠；但是，為了用合理的費用，實現用以鑄態組織重結晶為細晶粒組織的足夠高的熱壓捏和工業成型設備，還幾乎設有可供使用的。
本發明---從現有技術出發---的任務在于，提供作為雙輥澆鑄設備的組成部分的澆鑄輥，其在與最終尺寸接近地澆鑄由非鐵金屬構成的帶時，可以在高的使用壽命下毫無困難地經受住變換的溫度負荷和高的軋制壓力。
這一目的通過權利要求1中給出的特征得以實現。
通過使用含有有意識地分階的低Co和Be含量的CuCoBeZr(Mg)合金，一方面可以保證材料的足夠的可時效硬化性，以實現高強度、硬度和電導性；另一方面只要求很小的熱變形度(Warmumformgrade)來實現澆鑄組織的完全重結晶，并建立具有足夠塑性的細晶粒組織。
由于這樣構成的澆鑄輥作為兩輥澆鑄設備的組成部分，實現了將澆鑄由非鐵金屬，特別是由鋁或鋁合金構成的帶時的速度相對于配備純鋼外殼的輥裝置的速度提高了兩倍多。此外，實現了澆鑄帶的表面質量明顯改善。也保證了外殼的使用壽命顯著延長。
澆鑄輥可以是空心圓柱體，即本身剛性地沒有核地構成。與待澆鑄的帶達到接觸的表面，當然也可以是帶有核，特別是鋼核的外殼的組成部分。然后，此外殼在作為載體的核上熱壓配合，gehippt或繃緊，接著機械夾緊。
此外可設想，在使用外殼時，該殼可以單呈多層地構成。
澆鑄輥的表面的包裹面可以制成圓柱形或帶有波紋，以抵消可能的輥的彎曲。
進一步改善外殼的機械性能，特別是提高抗拉強度，可以按權利要求2通過銅合金中含有0.03％-0.35％鋯和0.005％-0.05％鎂來有利地實現。
根據另一實施方案(權利要求3)，用于外殼的銅合金含有＜1.0％鈷，0.15％-0.3％鈹和0.15％-0.3％鋯。
此外，按權利要求4，在外殼的銅合金中，鈷與鈹的比為2-15是有利的。
特別是，按權利要求5，鈷與鈹的比為2.2-5。
本發明允許相應于按權利要求6的特征，銅合金除了鈷之外，還含有最高0.6％的鎳。
澆鑄輥的機械性能的進一步改善可以當按照權利要求7，外殼的銅合金含有最多0.15％至少一種選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組的元素時實現。
按權利要求8，外殼通過加工步驟澆鑄，熱成型，850℃-980℃下的固溶處理，最多30％的冷成型以及在400-550℃下，在4-32h的時間內時效硬化而制備，其中該外殼按照ASTM E112的最大的平均晶粒大小為1.5mm，硬度至少為170HBW，電導率至少為26Sm/mm2。
特別有利的是，當按權利要求9外殼在已硬化狀態下，具有按照ASTM E112的平均晶粒大小為30μm-500μm，硬度至少185HBW，電導率為30-36Sm/mm2，0.2％屈服點為至少450MPa，斷裂伸長為至少12％。
當相應于權利要求10的特征賦予外殼降低傳熱性或均勻熱流的涂層時，可以進一步提高澆鑄的由非鐵金屬，特別是由鋁或鋁合金構成的澆鑄帶的產品質量。此涂層有針對性地基于由銅合金構成的外殼在特別是在鋁帶時的操作性能，以這樣的方式產生，即在澆鑄和軋制過程開始時，由于銅與鋁的相互作用，在外殼的表面形成粘附層，由此，在澆鑄工藝的進一步的過程中，將鋁壓入銅表面，在此形成穩定的耐抗的擴散層，其厚度和性能通過澆鑄速度和冷卻條件基本上加以確定。由此改善了鋁帶的表面質量，因此明顯提高了產品質量。
用權利要求11的特征，還可以進一步延長外殼的使用壽命。
按權利要求12，澆鑄輥的表面可光滑地形成。這種形狀可以特別通過軋制來實現。按此方法在邊緣區域引起壓應力，其實現了對裂紋形成和裂紋發展的額外的抵抗力，以提高澆鑄輥的使用壽命。
此外還可設想，相應于權利要求13，將澆鑄輥的表面紋理化。紋理化可以例如通過切削，滾壓處理，腐蝕或輻射來進行。通過這種措施可以有針對性地影響熱傳遞系數。
最后，按本發明還可設想，按權利要求14，在通過紋理化形成的凹處中嵌入一種具有相對于銅的熱導率而言更低的熱導率的物質。
這種物質除了可以是金屬材料，例如特別是鎳或鎳合金，還可以是陶瓷材料。這樣對于在澆鑄輥表面通過紋理化形成的凹處的填充用于得到優良的表面質量和保證持久地影響熱導率。
下面對本發明進行更詳細的闡述。通過七種用于澆鑄輥的外殼的合金(合金A-G)和三種比較合金(H-J)表明，為了實現了力求達到的性能組合，組成是如何關鍵。
所有的合金在坩堝爐中熔融，澆鑄成相同的形狀的圓錠。下表1中給出了按重量百分比計的組成。鎂的添加用于熔體的預脫氧，鋯的添加有利于熱塑性。表1合金 Co(％) Ni(％) Be(％) Zr(％)Mg(％)Cu(％)A 0.68- 0.200.20 0.03 余量B 1.0 - 0.220.22 0.03 余量C 1.4 - 0.200.18 0.02 余量D 0.65- 0.290.21 0.04 余量E 1.0 - 0.310.24 0.01 余量F 1.4 - 0.280.29 0.03 余量G 1.0 0.1 0.220.16 0.03 余量H - 1.7 0.270.16 - 余量I 2.1 - 0.550.24 - 余量J - 1.4 0.540.20 - 余量然后，這些合金用很小的，5.6∶1的擠壓比(＝鑄錠的橫截面積/擠壓棒(Pressstange)的橫截面積)，在擠出機上，在950℃下擠壓成扁平鑄坯(Flachstangen)。接著，此合金進行至少30分鐘的高于850℃的固溶處理，隨后水淬火，再在400℃-550℃溫度范圍內時效硬化4-32h。實現了表2中列舉的性能組合。表2合金Rm Rp0.2A HBW2.5 電導率晶粒大小MPa MPa ％187.5Sm/mm2mmA 694 492 21207 36.8 0.09-0.025B 675 486 18207 32.8 0.09-0.018C 651 495 18211 30.0 0.045-0.013D 707 501 19207 31.4 0.09-0.025E 735 505 19229 33.6 0.045-0.018F 735 520 19224 32.3 0.09-0.025G 696 513 18213 33.5 0.065-0.018H 688 556 10202 41.0 2-3I 784 541 11229 30.3 1.5-3J 645 510 4 198 30.9 4-6Rm＝ 抗拉強度Rp0.2＝ 0.2％屈服點A ＝ 斷裂伸長HBW ＝ 布氏硬度如性能組合所表明的，用于制備澆鑄輥的外殼的本發明合金實現了力求達到的具有相應的優良的斷裂伸長的，重結晶的細晶粒組織。對于比較合金H-J，晶粒大小高于1.5mm，由此降低了材料的塑性。
額外的強度提高可以通過在時效硬化前進行冷成型來實現，下表3中再次說明了合金A-J的性能組合，其通過在高于850℃下固溶處理壓制的材料至少30分鐘，隨后水淬火，10％-15％冷軋(截面縮小)，然后在400℃-550℃溫度范圍內時效硬化2-32小時來實現。表3合金Rm Rp0.2A HBW2.5電導率晶粒大小MPaMPa ％187.5 Sm/mm2mmA 688532 20211 36.7 0.13-0.025B 679534 18207 34.6 0.045-0.018C 741600 17227 34.4 0.065-0.018D 690537 21207 32.6 0.065-0.025E 735576 19230 34.7 0.045-0.018F 741600 17227 34.4 0.13-0.025G 695591 15224 33.0 0.18-0.035H 751689 9 202 40.9 2-4I 836712 10229 31.0 2-3J 726651 6 198 31.5 3-6按本發明的合金A-G再次表現出優良的斷裂伸長和低于0.5mm的晶粒大小，而比較合金H-J則具有晶粒大小高于1.5mm的粗晶粒和低的斷裂伸長值。因此，這些銅合金在制備外殼，特別是用于雙輥澆鑄設備的較大的澆鑄輥的外殼時，有很明顯的加工優點，由此可能產生具有對于應用領域來說最佳的基本性能的細晶粒的終產品。
權利要求
1.用于雙輥澆鑄設備的澆鑄輥，其在與最終尺寸接近地澆鑄由非鐵金屬構成的帶材時，經受變換的溫度負荷和高的軋制壓力，其包括由可時效硬化的銅合金構成的外殼，所述銅合金含有---分別以wt.-％計---0.4％-2％可以部分由鎳替代的鈷，0.1％-0.5％鈹，選擇性存在的0.03％-0.5％鋯，0.005％-0.1％鎂和任選的最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素，余量的銅，包括制備引起的雜質和通用的加工添加劑。
2.權利要求1的澆鑄輥，其中銅合金含有0.03％-0.35％鋯和0.005％-0.05％鎂。
3.權利要求1或2的澆鑄輥，其中銅合金含有少于1.0％的鈷，0.15％-0.3％鈹和0.15％-0.3％鋯。
4.權利要求1-3之一的澆鑄輥，其中銅合金中鈷與鈹的比為2-15。
5.權利要求4的澆鑄輥，其中銅合金中鈷與鈹的比為2.2-5。
6.權利要求1-5中至少一項的澆鑄輥，其中銅合金除了含有鈷以外，還含有最高0.6％的鎳。
7.權利要求1-6中至少一項的澆鑄輥，其中銅合金含有最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素。
8.權利要求1-7中至少一項的澆鑄輥，其至少就外殼而言，通過加工步驟澆鑄，熱成型，850℃-980℃下的固溶處理，最多30％的冷成型以及在400℃-550℃下在4-32h的時間內時效硬化來制備，并且按照ASTM E112的最大的平均晶粒大小為1.5mm，硬度至少為170HBW，電導率至少為26Sm/mm2。
9.權利要求8的澆鑄輥，其中在已硬化狀態下的外殼，具有按照ASTM E112的平均晶粒大小為30μm-500μm，硬度至少為185HBW，電導率為30-36Sm/mm2，0.2％屈服點為至少450MPa，斷裂伸長為至少12％。
10.權利要求1-9之一的澆鑄輥，其中外殼帶有降低傳熱性的涂層。
11.權利要求10的澆鑄輥，其中此涂層具有高的表面硬度。
12.權利要求1-11之一的澆鑄輥，其中表面是構建為光滑的。
13.權利要求1-11之一的澆鑄輥，其中表面是紋理化的。
14.權利要求13的澆鑄輥，其中在通過紋理化形成的凹處嵌入一種具有相對于銅的熱導率而言更低的熱導率的物質。
全文摘要
雙輥澆鑄設備的澆鑄輥在與最終尺寸接近地澆鑄由非鐵金屬，特別是由鋁或鋁合金構成的帶材時，應該可以經受住變換的溫度負荷和高的軋制壓力。為此目的，其外殼由可時效硬化的銅合金構成，所述銅合金含有－分別以重量百分比說明－0.4％－2％可以部分由鎳替代的鈷，0.1％－0.5％鈹，選擇性存在的0.03％－0.5％鋯，0.005％－0.1％鎂和任選的最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素，余量的銅，包括制備引起的雜質和通用的加工添加劑。
文檔編號C22F1/00GK1419982SQ02151419
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月19日 優先權日2001年11月21日
發明者D·羅德, F·雷徹特, T·赫爾曼坎普, H－G·沃伯克 申請人:Km歐洲鋼鐵股份有限公司