DE10311153A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie Gießrolle aus einem Hohlzylinder - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders (6) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wird ein Band (2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in mehreren Lagen (3) auf einen Trägerkörper (1) gewickelt. Beim Wickeln werden die einzelnen Lagen (3) mindestens bereichsweise gefügt. Das Fügen erfolgt bevorzugt durch in einen Wickelspalt (4) eingebrachtes Lot (5). Nach dem Wickeln des Hohlzylinders (6) wird der Trägerkörper (1) entfernt und eine Endbearbeitung des Hohlzylinders (6) zur Bildung einer Gießrolle durchgeführt.

Description

• Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Andererseits richtet sich die Erfindung auf eine aus einem Hohlzylinder hergestellte Gießrolle.
• Bei der Herstellung von dickwandigem Vormaterial für Kokillenplatten, Kokillenrohre oder Gießrollen werden bestimmte Gefüge- und Werkstoffeigenschaften des Kupfermaterials gefordert. Bedingt durch die Abmessungen der diversen Produkte stellt es jedoch häufig ein Problem dar, die geforderten Werkstoffkennwerte einzuhalten.
• Insbesondere zur Herstellung von hohlzylindrischen Gießrollen werden derzeit in der Regel Rundblöcke aus dem gewünschten Material mit den entsprechenden Abmessungen hergestellt, dann geschmiedet und gelocht sowie letztlich auf einem Dorn zu Hohlzylindern geschmiedet oder ringgewalzt. Je nach den erforderlichen Abmessungen können Gußblöcke alternativ aber auch zu dickwandigen Rohren verpreßt und/oder gezogen werden. Die maximalen Gußblockabmessungen und Gußblockgewichte begrenzen somit naturgemäß auch die Abmessungen des jeweiligen Endprodukts. Bei dickwandigen großformatigen Vormaterialien kann es daher in Abhängigkeit von den Legierungen und den Maßrelationen Außen- zu Innendurchmesser von Hohlzylindern sowie ihrer Längen hinsichtlich der Materialanforderungen zu Qualitätsproblemen kommen.
• Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zu schaffen, das insbesondere die Fertigung großformatiger Produkte in einer größeren Variationsbreite mit wirtschaftlichem Aufwand ermöglicht. Ferner soll eine wirtschaftlich zu fertigende Gießrolle im Großformat bereit gestellt werden können.
• Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
• Danach wird jetzt ein Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in mehreren Lagen auf einen Trägerkörper gewickelt, wobei beim Wickeln die einzelnen Lagen mindestens bereichsweise gefügt werden. Nach dem Wickeln wird der Tragkörper entfernt. Es liegt dann ein Hohlzylinder vor.
• Durch das lagenweise Wickeln des Bands wird ein Hohlzylinder mit homogenen Gefügeeigenschaften hergestellt. Dabei ist es möglich, Hohlzylinder mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu fertigen, und zwar durch verschiedene Bandmaterialien. So können beispielsweise Verstärkungsmaterialien wie Stahl, Glas- oder Kohlenstoffasern mit in ein solches Band integriert werden. Auf diese Weise können völlig neue Kupfer-Verbundwerkstoffe mit höheren bzw. mit an die jeweiligen Anforderungen gezielt angepaßten Festigkeitseigenschaften bereit gestellt werden.
• Im Rahmen der Erfindung ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, daß jetzt nicht mehr großvolumige Gußblöcke als Vormaterial in bestimmten Endabmessungen auf Lager gehalten werden müssen. Es brauchen lediglich Vormaterialien mit den entsprechenden Kupferlegierungen in Form von Bändern vorgehalten werden (Coils). Dadurch ergibt sich eine hohe Verfügbarkeit des Vormaterials mit der Folge, daß eine Gewichtsbegrenzung durch Gießen und/oder Schmieden entfällt. Darüber hinaus ist aufgrund des stark umgeformten gewalzten Bands eine feine homogene Gefügestruktur erreichbar, und zwar unabhängig von der späteren Enddicke des Produkts.
• Aus den derart gefertigten Hohlzylindern können anschließend je nach Bedarf Kokillenrohre, Gießrollen und auch Kokillenplatten in wirtschaftlicher Weise hergestellt werden.
• Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 2 kann das Band im Winkel von 90° zur Längsachse des Trägerkörpers zugeführt werden. Es können auch zwei oder mehrere Bänder parallel nebeneinander aufgewickelt werden. Benachbarte Bänder werden dann über ihre Bandkanten gefügt. Die Breite und die Anzahl der Bänder bestimmen dabei die Länge des herzustellenden Hohlzylinders.
• Eine andere Wickelmethode sehen die Merkmale des Patentanspruchs 3 vor. Danach wird das Band in einem von 90° zur Längsachse des Trägerkörpers abweichenden Winkel zugeführt. Dies erfolgt oszillierend über die gesamte Länge des herzustellenden Hohlzylinders, und zwar lagenweise von dem einen Ende des Trägerkörpers bis zum anderen.
• Um die einzelnen Lagen der Wicklung einwandfrei fügen zu können, werden gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 beim Wickeln der Lagen deren Oberflächen von anhaftenden Oxidschichten befreit. Dies kann unmittelbar vor dem Fügen erfolgen. Dazu geeignete Verfahrensweisen sind das Bürsten und/oder Beizen.
• Auch das Aufheizen mindestens der äußeren Lage der Wicklung (Patentanspruch 5) dient der besseren Verbindung der einzelnen Lagen untereinander. Das Aufheizen kann beispielsweise induktiv durchgeführt werden.
• Eine weitere Möglichkeit des Wickelns und Verbindens sehen die Merkmale des Patentanspruchs 6 vor. Danach wird das Wickeln und Fügen der Lagen unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt.
• Das Fügen der Lagen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Nach Patentanspruch 7 werden die Lagen durch Pressen gefügt. Dies erfolgt unter hohem Druck. Insbesondere kann das sogenannte heißisostatische Pressen ("Hippen") angewendet werden.
• Auch ein Verschweißen gemäß Patentanspruch 8 ist denkbar.
• Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 9 ist es zweckmäßig, wenn die Lagen durch Hartlöten gefügt werden. Voraussetzungen für ein einwandfreies Hartlöten sind oxidfreie Oberflächen, eine Schutzgasatmosphäre, wobei aber kein Schutzgas mit eingewickelt werden darf, oder der Einsatz von Vakuum.
• In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 das Band unter Bildung eines V-förmigen Wickelspalts schräg von oben dem horizontal ausgerichteten Trägerkörper zugeführt wird, wobei in dem Wickelspalt hoch Phosphor-haltiges flüssiges Lot mit desoxidierender Wirkung in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum bereit gestellt und mindestens die äußere Wickellage des Wickelkörpers auf Löttemperatur gehalten wird. Bei diesem Verfahren befindet sich in dem Wickelspalt ständig ein Lotpool, wodurch sämtliche entstehenden Zwischenräume zwischen den Lagen mit Lot ausgefüllt werden. Wenn mindestens die äußere Wickellage aufgeheizt wird, kann während des Wickelns ständig in einem ausreichenden Maß Lot als Schmelze im Wickelspalt zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt erfolgt das Löten unter Vakuum.
• Die Temperatur im Lötspalt sollte ungefähr der Temperatur des Lots plus 50 °C entsprechen.
• Die Merkmale des Patentanspruchs 11 gelangen vorzugsweise dann zur Anwendung, wenn mindestens zwei Bänder im Winkel von 90° zur Längsachse des Trägerkörpers zugeführt werden. In Abhängigkeit von der Breite der Bänder können dann die fertig gewickelten Hohlzylinder koaxial aneinander gefügt werden. Hierzu eignet sich insbesondere das Elektronenstrahlschweißen oder Reibrührschweißen, weil für die gewickelten Hohlzylinder in der Regel ausscheidungsgehärtete Werkstoffe zum Einsatz gelangen. Deren Eigenschaften werden dann gar nicht oder nur geringfügig negativ beeinflußt.
• Aus einem fertig gewickelten Hohlzylinder kann problemlos mindestens ein Vorrohr für ein Kokillenrohr hergestellt werden. Auch könnte durch den Wickelvorgang ein Vorrohr mit graduierten Materialeigenschaften geschaffen werden, wenn unterschiedliche Vormaterialien eingesetzt werden. Diese können dann sowohl in Längsrichtung des Hohlzylinders als auch in Radialrichtung eingesetzt werden.
• Besonders vorteilhaft ist es jedoch nach Patentanspruch 12, wenn zur Bildung einer Gießrolle der fertig gewickelte Hohlzylinder mit einer einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisenden Beschichtung oder mit einer Verschleißhülse versehen wird.
• Wenn das Band in einem von 90° zur Längsachse des Trägerkörpers abweichenden Winkel zugeführt wird, ergeben sich an den Stirnseiten des Hohlzylinders zahlreiche Stoßstellen, die sowohl bezüglich der reinen Beanspruchung als Gießfläche als auch bezüglich der Verschleißbeanspruchung an den seitlichen Abdichtungen von Gießrollen (edge dams) als kritisch anzusehen sind. Um hier Mängel zu vermeiden, sehen die Merkmale des Patentanspruchs 13 vor, daß zur Bildung einer Gießrolle der fertig gewickelte Hohlzylinder entlang der Randkanten mit ringförmigen Randleisten versehen wird. Diese Randleisten schließen dann nach entsprechender Bearbeitung der Stirnseiten des Hohlzylinders an die Wickellagen an. Kritische Stoßflächen mit zahlreich auslaufenden Bandenden werden beseitigt und an den Stirnseiten eine unkritische Beanspruchung erreicht.
• Die Randleisten können in verschiedenen Varianten befestigt werden. Vorteilhaft ist z.B. das Löten, das Schweißen oder das heißisostatische Pressen. Auch ein Aufschrumpfen ist denkbar. Der Werkstoff der Randleisten kann artgleich wie das Band sein. Es kann aber auch ein anderer Materialtyp gewählt werden. Vorteilhaft ist z.B. eine Werkstoffwahl mit besonders günstigen Verschleißeigenschaften. Die Wärmeleitfähigkeit sollte dem Werkstoff des Bands möglichst ähnlich sein.
• Die Merkmale des Patentanspruchs 14 erlauben es, einen fertig gewickelten Hohlzylinder dadurch in eine Platte umzuformen, daß der Hohlzylinder in einer seine Längsachse schneidenden Ebene aufgetrennt und dann flach gebogen wird. Im Anschluß daran kann diese Platte zu einer Kokillenplatte weiter umgeformt werden.
• Je nach Einsatzfall eines Hohlzylinders kann es vorteilhaft sein, und zwar insbesondere in der Endgestaltung als Gießrolle, wenn die gesamte umfangsseitige Gießfläche der Gießrolle beschichtet wird. In diesem Fall ist die Beschichtbarkeit der Randleisten als ein Kriterium zu beachten. Die Beschichtung der Oberflächen kann galvanisch erfolgen. Auch das Aufbringen einer thermischen Spritzschicht ist denkbar. Ferner können komplette Verschleißhülsen aufgebracht werden.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Gießrollen sind in den Patentansprüchen 15 und 16 gekennzeichnet.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 im Schema im vertikalen Querschnitt das Wickeln eines Hohlzylinders;
• 2 einen Horizontalschnitt durch die Darstellung der 1 entlang der Linie II-II in Richtung der Pfeile IIa gesehen;
• 3 einen Horizontalschnitt durch die Darstellung der 1 entlang der Linie II-II in Richtung der Pfeile IIa gesehen, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
• 4 in schematischer Perspektive eine Gießrolle;
• 5 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch die Darstellung der 4 entlang der Linie V-V in Richtung der Pfeile Va gesehen;
• 6 in der Perspektive einen längsgeschlitzten Hohlzylinder;
• 7 in der Perspektive den Hohlzylinder der 6 als gestreckte Platte;
• 8 in der Ansicht zwei einander zugeordnete Gießrollen einer Gießmaschine und
• 9 in vergrößerter Darstellung im Schnitt den Ausschnitt IX der B.
• In der 1 ist mit 1 ein durch einen nicht näher dargestellten Antrieb rotationsfähiger zylindrischer Trägerkörper aus Stahl bezeichnet. Auf diesen Trägerkörper 1 wird ein Band 2 aus einer Kupferlegierung in mehreren Lagen 3 gewickelt. Die Wickelrichtung ist mit WR bezeichnet. Obwohl in der 1 zwischen den einzelnen Lagen 3 ein Abstand gezeichnet ist, liegen die Lagen 3 beim Wickeln unmittelbar flächig aufeinander.
• Das Band 2 wird unter Bildung eines V-förmigen Wickelspalts 4 schräg von oben dem horizontal ausgerichteten Trägerkörper 1 zugeführt. In dem Wickelspalt 4 befindet sich ein hoch Phosphor-haltiges flüssiges Lot 5 mit desoxidierender Wirkung unter Vakuum. Das Vakuum ist nicht näher veranschaulicht. Mindestens die äußere Wickellage 3 des Wickelkörpers 6 wird, insbesondere induktiv, in nicht näher veranschaulichter Weise auf Löttemperatur gehalten.
• Ist die vorgesehene Wanddicke WD des durch die Wickellagen 3 auf dem Trägerkörper 1 gebildeten Wickelkörpers 6 erreicht, wird die Zuführung des Bands 2 unterbrochen und der Trägerkörper 1 entfernt. Es liegt dann ein Hohlzylinder 6 vor.
• Das Band 2 kann gemäß 2 im Winkel α von 90° zur Längsachse 7 des Trägerkörpers 1 zugeführt werden. In diesem Fall entspricht die Länge L des gewickelten Hohlzylinders 6 der Breite B des Bands 2.
• Denkbar ist aber auch, daß ein schmales Band 2a gemäß 3 in einem von 90° zur Längsachse 7 des Trägerkörpers 1 abweichenden Winkel β zugeführt wird. In diesem Fall wird das Band 2a gemäß dem Pfeil PF auf den Trägerkörper 1 von dessen linker Stirnseite 8 aus bis zur rechten Stirnseite 9 und anschließend gemäß dem Pfeil PF1 von der rechten Stirnseite 9 bis zur linken Stirnseite 8 oszillierend hin und her gewickelt.
• Die Lagen 3 sind sowohl in der 2 als auch in der 3 nicht näher dargestellt.
• Die 4 und 5 lassen eine Ausführungsform erkennen, bei welcher zwei gemäß den Darstellungen der 1 und 2 gewickelte Hohlzylinder 6 koaxial aneinander gefügt sind. Das Fügen der beiden Stirnseiten 10, 11 der Hohlzylinder 6 ist beispielsweise unter Einsatz des Elektronenstrahlschweißens erfolgt. Die Fügestelle ist mit 12 bezeichnet.
• Die 5 zeigt darüber hinaus, daß zur Bildung einer Gießrolle 13 die beiden aneinander gefügten Hohlzylinder 6 mit einer einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisenden Beschichtung 14 versehen sind. Diese Beschichtung 14 kann auch in Form einer Verschleißhülse auf die beiden Hohlzylinder 6 aufgebracht sein.
• Die 6 und 7 veranschaulichen eine Ausführungsform, bei welcher ein fertig gewickelter Hohlzylinder 6 in einer seine Längsachse 15 schneidenden Ebene E-E aufgetrennt und dieser geschlitzte Hohlzylinder 6 anschließend gemäß den Pfeilen VII in eine Platte 16 gestreckt worden ist. Diese Platte 16 kann dann zu einer Kokillenplatte weiter umgeformt werden.
• In der 8 ist eine Gießmaschine 17 mit zwei Gießrollen 13 im Schema veranschaulicht. Mit DR sind die Drehrichtungen der Gießrollen 13 bezeichnet. Zur Bildung einer Gießrolle 13 ist ein gemäß den 1 und 3 gewickelter Hohlzylinder 6 entlang der Randkanten 18 mit ringförmigen Randleisten 19 versehen ( 8 und 9). Zu diesem Zweck wird gemäß 9 ein Randkantenbereich 20 eines gewickelten Hohlzylinders 6 rechteckig ausgedreht und in diesen ausgedrehten Randkantenbereich 20 eine ringförmige Randleiste 19 eingefügt. Durch diese Randleiste 19 wird die kritische Stoßfläche mit den zahlreich auslaufenden Bandenden beseitigt und an den Stirnseiten eine unkritische Beanspruchung erreicht.
• Die Festlegung der Randleisten 19 kann durch Löten, Schweißen oder durch heißisostatisches Pressen erfolgen. Auch ein Aufschrumpfen ist denkbar.
• Mit 21 sind in den 8 und 9 die seitlichen Abdichtungen (edge dams) der Gießrollen 13 einer Gießmaschine 17 bezeichnet.
• Die Gießrollen 13 können insbesondere durch heißisostatisches Pressen auf Stahlkerne 22 gefügt sein. Dies ist in der 4 in unterbrochener Linienführung schematisch veranschaulicht.

1

Trägerkörper

2

Band

2a

Band

3

Lagen

4

Wickelspalt

5

Lot in 4

6

Wickelkörper (Hohlzylinder)

7

Längsachse v. 1

8

Stirnseite v. 1

9

Stirnseite v. 1

10

Stirnseite v. 6

11

Stirnseite v. 6

12

Fügestelle

13

Gießrolle

14

Beschichtung

15

Längsachse v. 6

16

Platte

17

Gießmaschine

18

Randkanten v. 6

19

Randleisten

20

Randkantenbereich

21

Abdichtungen f. 13

22

Stahlkern

B

Breite v. 2

DR

Drehrichtung v. 13

E-E

Ebene durch 15

L

Länge v. 6

PF

Pfeil

PF1

Pfeil

WR

Wickelrichtung

α

Winkel

β

Winkel

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders (6) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bei welchem ein Band (2, 2a) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in mehreren Lagen (3) auf einen Trägerkörper (1) gewickelt wird, wobei beim Wickeln die einzelnen Lagen (3) mindestens bereichsweise gefügt werden, und der Trägerkörper (1) nach dem Wickeln entfernt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei welchem das Band (2) im Winkel (α) von 90° zur Längsachse (7) des Trägerkörpers (1) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei welchem das Band (2a) in einem von 90° zur Längsachse (7) des Trägerkörpers (1) abweichenden Winkel (β) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei welchem beim Wickeln der Lagen (3) deren Oberflächen von anhaftenden Oxidschichten befreit werden.
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei welchem beim Wickeln der Lagen (3) mindestens die jeweils äußere Lage (3) aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei welchem das Wickeln und Fügen der Lagen (3) unter Schutzgas oder unter Vakuum durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei welchem die Lagen (3) durch Pressen gefügt werden.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei welchem die Lagen (3) durch Schweißung gefügt werden.
9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei welchem die Lagen (3) durch Hartlöten gefügt werden.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9, bei welchem das Band (2, 2a) unter Bildung eines V-förmigen Wickelspalts (4) schräg von oben dem horizontal ausgerichteten Trägerkörper (1) zugeführt wird, wobei in dem Wickelspalt (4) ein hoch Phosphorhaltiges flüssiges Lot (5) mit desoxidierender Wirkung in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum bereit gestellt wird, und mindestens die äußere Wickellage (3) des Wickelkörpers (6) (Hohlzylinders) auf Löttemperatur gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, bei welchem mindestens zwei fertig gewickelte Hohlzylinder (6) koaxial aneinander gefügt werden.
12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, bei welchem zur Bildung einer Gießrolle (13) mindestens ein fertig gewickelter Hohlzylinder (6) mit einer einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisenden Beschichtung (14) oder mit einer Verschleißhülse (14) versehen wird.
13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, bei welchem zur Bildung einer Gießrolle (13) mindestens ein fertig gewickelter Hohlzylinder (6) entlang der Randkanten (18) mit ringförmigen Randleisten (19) versehen wird.
14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, bei welchem mindestens ein fertig gewickelter Hohlzylinder (6) in einer seine Längsachse (15) schneidenden Ebene (E-E) aufgetrennt und dieser geschlitzte Hohlzylinder (6) in eine Platte (16) umgeformt wird.
15. Gießrolle (13), die aus mindestens einem zu einem Hohlzylinder (6) gewickelten Band (2, 2a) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist.
16. Gießrolle (13) nach Patentanspruch 15, die aus mindestens zwei koaxial aneinander gefügten gewickelten Hohlzylindern (6) gebildet ist.