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Dokumentenidentifikation DE3873994T2 08.04.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0293960
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Metallgiessen.
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Paine, Brian, Bradford West Yorkshire BD2 3SE, GB
Vertreter Geyer, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Aktenzeichen 3873994
Vertragsstaaten DE, FR, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 06.05.1988
EP-Aktenzeichen 882008949
EP-Offenlegungsdatum 07.12.1988
EP date of grant 26.08.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.04.1993
IPC-Hauptklasse B22D 27/13

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergießen von Metallschmelze entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 8.

Viele der bei der Herstellung van Gasturbinentriebwerken eingesetzten Komponenten sind Präzisionsgußstucke, die mit Feingußverfahren, wie z. B. dem Wachsausschmelzverfahren, geformt werden müssen. Für andere Gegenstände, wie z. B. Komponenten fur Turbolader, können solche Herstellungsverfahren ebenfalls verwendet werden.

In der Industrie für Gasturbinentriebwerke gibt es drei unterschiedliche Typen von metallurgischen Kornstrukturen, mit denen Komponenten hergestellt werden. Bei diesen Strukturen handelt es sich um gleichgerichtete (EA), mit gerichtet orientierten stengelförmigen Körnern gerichtet erstarrte (DS) und einzel- oder monokristalline (SX) Komponenten.

EA-Komponenten waren die ersten Feinguß-Komponenten, die kommerziell in Gasturbinentriebwerken eingesetzt wurden. Sowohl DS- als auch SX-Komponenten waren spdtere Entwicklungen.

Bei der Herstellung z.B. einer EA-Turbinenschaufel gibt es viele, oftmals einander widersprechende Variablen. Die Komponenten weisen häufig einen relativ dicken und schweren Fußbereich an einem Ende sowie einen etwas weniger dicken und weniger schweren Deckbandbereich am anderen Ende auf, wobei die zwei Bereiche oft durch einen relativ langen, im Querschnitt dunnen Flügelbereich verbunden sind. In vielen Fällen weist das Teil in seinem Inneren auch Hohlkanäle auf, die dazu fuhren, daß der Wandabschnitt des Flügelbereiches noch dunner wird.

Aufgrund ihrer Querschnittsänderungen sind typische Komponenten sehr anfällig fur die Bildung von Poren während der Erstarrung.

Im Fall von EA-Komponenten gibt es nur eine geringe oder keine andere Steuerung der Erstarrung als die, weiche durch das außenliegende Rinnen- und Speisersystem aufgebracht wird. Das Speisersystem ist üblicherweise so angeordnet, daß jeweils das letzte bzw. entfernteste Metall erstarrt, als ein Versuch, die Zufuhrung von flussigem Metall zur erstarrenden Komponente zu gewährleisten. Im Fall von Flugeln werden manchmal Nebenspeiser an dunnen Querschnitten angebracht, um zu versuchen, flüssiges Metall zuführbar zu halten und so das Entstehen von Schrumpfporosität zu verhindern oder zu minimieren. Jedoch können solche Maßnahmen unannehmbare Schwankungen in der Korngröße verursachen, die dazu fohren können, daß das Teil nicht abgenommen wird. So haben Triebwerksbersteller Spezifikationen für maximal annehmbare Porosität und deren Verteilung in Komponenten erlassen. Es werden daher erhebliche Mittel für zerstörungsfreie Prüfmethoden usw. aufgewendet, um unter diesem Standard liegende Komponenten feststellen zu können.

Im Hinblick auf DE 36 03 310 A1 hat der Anmelder freiwillig den Umfang der vorliegenden Anmeldung bezuglich Deutschland begrenzt und getrennte Anspruche für diesen Vertragsstaat eingereicht.

Chandley u.a. schlagen in der US 34 20 291, die dem Oberbegriff des Anspruchs 8 zugrundeliegt, ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung von Restporosität durch Unterdrucksetzen des erstarrenden Metalls vor. Er schlägt einen Druckbehälter vor, in dem entweder die Form erhitzt oder in den eine erhitzte Form eingesetzt werden kann. Der Druckbehälter selbst muß im Fall von typischen Legierungen für Turbinenkomponenten in einer Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer eingeschlossen sein. Metallschmelze wird unter Vakuum in die Form vergossen, wonach ein Schließteil am Druckbehälter in Schließstellung befestigt und der Behälter mit einem Gas unter Druck gesetzt wird, das mit der Metallschmelze nicht reagiert. Es wird hierfur ein Druck von 1.000 bis 4.000 p.s.i. (6,9 bis 27.6 MPa) vorgeschrieben, wobei 2.000 bis 3.000 p.s.i. (13,8 bis 20,7 MPa) der bevorzugte Bereich ist. Obwohl anscheinend deutliche Verbesserungen in der Fehlerlosigkeit der Gußteile erreicht wurden, wurde das Verfahren von der Industrie nicht angenommen. Die Grunde fur dieses Nichtannehmen liegen im wesentlichen in der Kompliziertheit des Gebrauchs der beschriebenen Vorrichtung und auch möglicherweise im eventuellen Sicherheitsrisiko. Denn zunächst ist es notwendig, die Form oder das Behälterinnere zu erwärmen und die Form in den Behälter zu stellen. Da der Behälter und die Form zusammen innerhalb eines Vakuumgießofens vorliegen müssen, ist es dann nötig, den Vakuumgießofen zu schließen und bis zum erforderlichen Druck abzupumpen. In einem typischen Ofen, der fur die Aufnahme der Behdlter-Anordnung groß genug ist, kann dies mehr als 15 Minuten dauern. Ist der geforderte Druck erreicht, muß die Metallcharge geschmolzen und vor dem Vergießen auf eine konstante Temperatur gebracht werden. Dieses benötigt ebenfalls ungefähr 10 Minuten. Nachdem das Metall in die Form vergossen wurde, muß der Druckbehälter abgedichtet und unter Druck gesetzt werden. Mit dem in der Vakuumkammer isolierten Behälter ist dies äußerst schwierig durchführbar und erfordert komplizierte fernbedienbare Mechanismen, die durch die Wände der Vakuumkammer hindurchführen. Die Zeit zum Abdichten des Druckbehalters kann mehr als 3 Minuten in Anspruch nehmen. Der Vakuumgießofen ist dann belegt, während die Metallschmelze erstarrt. Es ist daher sehr schwierig, mehr als einen oder höchstens zwei Gießvorgänge pro Stunde durchführen zu können. Aufgrund der relativ langen Zeit, die zum Abdichten des Druckbehälters erforderlich ist, ist das Metall teilweise schon erstarrt, bevor der Druck aufgebracht ist, und daher ist der zum Erzielen eines vorgegebenen Ergebnisses aufzubringende Druck hoch; bis zu 4.000 p.s.i. Der Druckbehälter selbst muß aus Sicherheitsgrunden bei Drücken gepruft werden, die eventuell ein Mehrfaches des Maximums des geplanten Betriebsdruckes betragen. Eine weitere Variable liegt darin, daß der Druckbehälter selbst infolge von der Form oder von den Formheizeinrichtungen abgestrahlter Wärme aufgeheizt wird, wodurch das Material, aus dem der Druckbehälter gebaut ist, geschwächt wird. Es bestehen daher erhebliche Sicherheitsgefährdungen.

Die DE-A-32 20 744 beschreibt einen Vakuumgießofen mit einer oberen Kammer zum Schmelzen und Vergießen von Metall und einer unteren Kammer zum Kühlen der Form, wobei die zwei Kammern voneinander durch ein Ventil isoliert werden können. Zwischen den beiden Kammern ist ein Form-Transportsystem vorgesehen, jedoch kann die untere Kammer nicht mit einem Inertgas bis zu den Drucken unter Druck gesetzt werden, die zur Verminderung der während der Erstarrung entstehenden Porosität notwendig sind, und es sind in der oberen Kammer auch keine Einrichtungen zum Heizen der Form vorhanden.

Die GB-A-13 56 890, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von DS-Gußstucken. Die Vorrichtung weist eine bewegbare Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer auf, die zwei oder mehr Kühlkammern bedient, um die Ausnutzung der Schmelzanlage zu verbessern. Die Vorrichtung besitzt jedoch keine Einrichtungen zum Unterdrucksetzen der Kühlkammern, da die Komponenten nach dem DS-Verfahren hergestellt werden und daher im wesentlichen frei von Porosität sind, wie dies oben erläutert wurde.

Die GB-A-21 63 684 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung und zum Vergießen von Metall in einem geschlossenen Raum. Die betreffende Vorrichtung ist vorrangig für Metallschmelzen bestimmt, die man als Teil des Gießvorganges mit einem Legierungsgas reagieren laßt. Das Grundmetall wird zusammen mit einigen festen Legierungszusätzen in einer unter Druck gesetzten Kammer geschmolzen und dann in einen Zwischenbehälter vergossen, der einen gasdurchldssigen Boden aufweist, durch den das Legierungsgas sprudelt, um mit der Metallschmelze im Zwischenbehälter zu reagieren. Nachdem das Metall mit dem Gas eine Reaktion eingegangen ist, wird es dann mittels Ventileinrichtungen in eine Form in einer zweiten Kammer vergossen, die dann unter Druck gesetzt wird, um zu verhindern, daß im erstarrenden Metall das zur Reaktion gebrachte Gas austritt.

Ein alternatives Verfahren, das ebenfalls eingesetzt wurde, ist das isostatische Heißpressen. Etwas innere Porosität kann vielleicht mit dieser Technik eingeschlossen werden, aber sie ist sehr teuer und hat keine Wirkung auf Oberflächenporosität. Für einige Anwendungsbereiche nehmen einige Triebwerkshersteller keine Komponenten an, die so behandelt worden sind.

DS- und SX-Komponenten werden mit den im wesentlichen gleichen Arten von Vakuumöfen hergestellt. Die Formen werden auf einer wassergekuhlten Abschreckplatte aufgebaut, die Teil des Endes eines Stempels mit steuerbarer Stellung und Geschwindigkeit ist. Die Formen sind nicht isoliert und werden an Ort und Stelle in der Gießkammer durch Wärmestrahlung vorgeheizt. Die kalte Form wird in die Gießstellung mittels des Stempels nach oben verfahren und in der Gießstellung auf die gewünschte Temperatur durch Strahlungsheizeinrichtungen erwdrmt. Dabei werden Formtemperaturen bis zu 1600 ºC erreicht. Die Metallschmelze wird in die Form vergossen, wo sie im schmelzflüssigen Zustand gehalten wird. Durch langsames Zurückfahren der Form auf dem Stempel aus der Wärmestrahlungszone wird die Erstarrung eingeleitet, so daß eine im wesentlichen ebene Grenzfläche fest/flüssig erzeugt wird. Dem erstarrenden Metall wird kontinuierlich flüssiges Metall zugeführt, so daß Schwinden oder Gasporosität niemals entstehen oder eingeschlossen werden können, da keine geschlossenen Nester von flussigem Metall im erstarrten Metall vorhanden sind. Die Auswirkung eines solchen Erstarrungsverfahrens auf die Struktur besteht in der Erzeugung von gerichtet orientierten stengelförmigen Körnern in DS-Komponenten oder eines Einkristalls in SX-Komponenten, wobei bei den letzteren spezielle anfängliche Zusatzschritte ausgeführt werden.

Obgleich DS- und SX-Komponenten gleichbleibend fehlerfrei beztlglich der Porosität sind, werden sie nur in sehr schwierigen Anwendungsbereichen bei einigen Teilen einiger Triebwerke wegen der Vorteile eingesetzt, die von der erzeugten metallurgischen Struktur herrühren. DS- und SX-Komponenten sind aufgrund der relativ langsamen Erstarrungsgeschwindigkeit in der Herstellung teuer.

Für die absehbare Zukunft wird der überwiegende Anteil von Feinguß-Gasturbinentriebwerkskomponenten vom Typ EA sein. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es äußerst wünschenswert, den Anteil an Ausschuß zu vermindern, der aufgrund von Porosität in EA-Komponenten produziert wird. Ein typischer Ausschußanteil bei EA-Komponenten kann 30% sein und für einige besonders schwierige Komponenten steigt die Ausschußrate auf über 50%. Es ist ebenfalls wirtschaftlich wünschenswert, die Formen an Ort und Stelle im Gießofen vorzuwärmen, um die kostenaufwendige Vorheizstufe in externen Öfen zu vermeiden, die bei den für EA-Gußstücke eingesetzten Ofenarten üblich ist.

Es ist weiterhin wunschenswert, EA-, DS- und SX-Komponenten im selben Ofentyp bei einem minimalen Aufwand für einen Wechsel herzustellen.

Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußmetallteilen zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Gießkammer, Einrichtungen zum Schmelzen und zum Vergießen des Metalls, die zum Füllen einer Form in der Gießkammer eingerichtet sind, eine Formkammer neben der Gießkammer und mit dieser durch eine Ventileinrichtung ausreichender Größe verbunden, durch welche die gefüllte Form hindurchführbar ist, eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Gieß- und in der Formkammer, eine Formverfahreinrichtung zum Transport der gefüllten Form von der Gießkammer zur Formkammer und ist gekennzeichnet durch eine in der Gießkammer vorhandene Formheizeinrichtung und eine an die Formkammer angeschlossene Druckerzeugungseinrichtung, mit der die Formkammer bis zu einem Druck von 7 MPa mit einem Gas unabhdngig unter Druck gesetzt werden kann.

Die Ausbildung von Formheizeinrichtungen durch z. B. widerstandsgeheizte Molybdän- oder induktionsgeheizte Graphitwärmestrahler in der Gießkammer vermeidet die Notwendigkeit von externen Vorheizöfen sowie einer zusätzlichen Formisolierung und ermöglicht höhere Temperaturen zusammen mit einer größeren Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit von Vorheiztemperaturen.

Die Formkammer kann auch innere, in ihrer Dicke variable Isolierungen aufweisen, die zu ausgewählten Bereichen einer bestimmten Form ausgerichtet sind, um unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten in ausgewählten Bereichen der gefüllten Form zu erreichen.

Die Formkammer kann auch Strahlungsheizeinrichtungen zum gezielten Heizen von Teilen der gefüllten Form aufweisen.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die Formkammer unter der Gießkammer angeordnet. Die Formverfahreinrichtung kann einen Stempel aufweisen, der z. B. durch hydraulische oder elektrische Einrichtungen betätigt wird und die Form durch die Ventileinrichtungen vertikal von der Formkammer zur Gießkammer und wieder zurück verfährt.

Die Formverfahreinrichtung kann auch eine Isolierung zwischen der Form und ihrem Sitz auf der Formverfahreinrichtung aufweisen. Im Fall der Herstellung von EA-Komponenten kann eine solche Isolierung notwendig sein, um einen übermäßig gerichteten Wärmefluß durch Wärmeleitung aus der Form zu verhindern. Bei DS- und SX-Komponenten ist unmittelbarer Kontakt zwischen der Form und der an die Formverfahreinrichtung angeschlossenen Kuhleinrichtung notwendig, um einen gerichteten Wärmefluß aus der Form zu fördern.

Die Formkammer ist als Druckbehälter gebaut und von der Ofenkammer durch Ventileinrichtungen getrennt, die ein schnell ansprechendes Isolierungsventil umfassen. Bei EA-Komponenten kann die die vergossene Metallschmelze enthaltende Form schnell in die Formkammer zurückverfahren, das Isolierungsventil geschlossen und die Formkammer mit einem Fluid, wie z.B. Argon, unter Druck gesetzt werden. Die Form kann innerhalb von etwa 10 bis 20 Sekunden, nachdem das Metall vergossen worden ist, in die Formkammer zurückverfahren, isoliert und unter Druck gesetzt werden. Es hat sich herausgestellt, daß aufgrund dieser kurzen Zeitspanne der erforderliche Druck zur Erreichung einer wesentlichen Verringerung oder Vermeidung von Restporosität im allgemeinen auf unter 1.000 p.s.i. (6,9 MPa) und für die meisten Anwendungsfälle auf weniger als 500 p.s.i. (3,45 MPa) abgesenkt werden kann. Dies hat sowohl Vorteile hinsichtlich der Sicherheit des Verfahrens aufgrund niedrigerer Drücke, als auch in wirtschaftlicher Hinsicht wegen niedrigeren Kapitalaufwandes für Anlagen.

Die Vorrichtung kann jedoch so gebaut werden, daß sie jedem gewünschten, mit technischen und Sicherheitsanforderungen übereinstimmenden Druck standhält. Es gibt keinen Grund, warum die Form, wenn dies so gewünscht werden sollte, nicht derart konstruiert werden könnte, daß sie z. B. 35 MPa standhält.

Die Vorrichtung kann zur Herstellung von DS- und SX-Komponenten eingesetzt werden, obwohl im Fall solcher Komponenten die Einrichtung zur Unterdrucksetzung wegen des Erstarrungsmechanismus nicht erforderlich ist. Dies hat jedoch den Vorteil, daß der Hersteller eine völlige Flexibilität dadurch erhält, daß die Gießvorrichtung zur Herstellung jedes Komponententyps eingesetzt werden kann.

Da die Formkammer und ihre angeschlossenen Geräte relativ kompakt sind, können zwei oder mehr Formkammern von einer Gießkammer bedient werden. Auf diese Weise kann ein größerer Ausstoß an Gußstücken erreicht werden, da die Gießkammer auch zur Verfügung steht, während die Gußstücke in einer Formkammer erstarren.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Gußstucken zur Verfugung gestellt. Das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte Schmelzen einer Metallcharge, Vergießen des Metalls in eine Form in einer Gießkammer mit einer Unterdruckatmosphäre, Zurückfahren der gefullten Form in eine Formkammer sowie Druckisolieren der Formkammer gegenüber der Gießkammer und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Form in der Gießkammer vor dem Vergießen des Metalls erhitzt und nach dem Zurückfahren der gefullten Form in die Formkammer diese mit einem Gas bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa für zumindest einen Teil der Zeitspanne unter Druck gesetzt wird, die zum Erstarren des Metalls in der Form erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Zeit zwischen dem Ende des Vergießens des Metalls und dem Druckaufbringen weniger als 40 Sekunden betragen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann diese Zeit weniger als 20 Sekunden betragen. Je schneller der Druck auf das vergossene Metall nach dem Vergießen aufgebracht wird, desto niedriger ist der erforderliche Druck, um eine vorgegebene Verringerung an Porosität zu bewirken. Dies setzt natürlich andere konstante Parameter voraus, wie z. gleichbleibende Metallvergießtemperaturen und Formvorheiztemperaturen sowie eine gleichbleibende Formausbildung und -konstruktion.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemd.ß der vorliegenden Erfindung können zum Vergießen einer weiten Vielfalt von Metallen und Legierungen eingesetzt werden, die z. B. Kupfer- und Aluminumlegierungen wie auch auf Eisen, Nickel und Kobald basierende Superlegierungen einschließen.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun als Erläuterung Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;

Figur 2 die Vorrichtung aus Figur 1 nach dem Vergießen von Metallschmelze;

Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;

Figur 4 die Vorrichtung aus Figur 3 nach dem Vergießen von Metallschmelze;

Figur 5 eine Abwandlung einer Vorrichtung, die der aus den Figuren 3 und 4 ähnlich ist, und

Figur 6 eine Abwandlung einer Formvakuum-/Formdruckkammer.

Es wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 2, in denen dieselben Merkmale durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Eine Vorrichtung zum Gießen von Teilen ist allgemein bei 10 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Vakuumgießkammer 11 mit einer an einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossenen Öffnung 12 auf. In der Kammer 11 ist eine Spulenkasten-Baugruppe 13 mit (nicht dargestellten) Induktionsheizspulen und einem Schmelztiegel 14 enthalten; die Baugruppe 13 ist so befestigt, daß sie zum Vergießen der Metallschmelze 15 in bekannter Weise gekippt werden kann. Der Kammeraufbau weist auch eine Öffnung 16 und einen Vakuumverschluß 17 auf, um ein Wiederbefüllen des Schmelztiegels 14 mit neuem Metall unter Vakuum zu ermöglichen. In der unteren Wand 20 der Kammer 11 ist eine Öffnung 21 ausreichender Größe vorhanden, durch die eine Form-Baugruppe 22 hindurchführbar ist. Oberhalb der und um die Öffnung 21 herum ist eine Formheizkammer 23 angeordnet, die einen äußeren Isolierungsbehälter 24 mit darin enthaltenen bekannten Strahlungsheizeinrichtungen 25 und daran befestigten, geeigneten Energieversorgungs- und Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) umfaßt. In der Oberseite des Isolierungsbehälters 24 ist eine Öffnung mit einem darin befindlichen Gießrohr 27 angebracht, um die Metallschmelze beim Vergießen in die Form 22 zu leiten. Unter der Vakuumkammer 11 befindet sich eine Formkammer 30. Die Formkammer 30 ist in einer dichtenden Verbindung an der unteren Wand 20 der Gießkammer 11 befestigt. Die Kammer 30 kann gegenüber der Kammer 11 mittels des Isolierventils 31 und einer Dichtung 32 isoliert werden. Das Ventil 31 kann zwischen der Offenstellung (Figur 1) und der Schließstellung (Figur 2) durch geeignete bekannte, fernbedienbare Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) bewegt werden. Um die Kammerwände herum sind Kühlkanäle 33 vorgesehen. Die Kammer 30 weist eine Tür 34 in ihrer einen Seitenwand auf, um ein Positionieren und ein späteres Entfernen der Form 22 zu ermöglichen, wobei die Tür 34 gegenüber der Kammerwand 35 abdichtbar ist. In der Kammerwand 35 ist auch eine Vakuumpumpenöffnung 36 vorgesehen, die an eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe über ein Ventil 37 angeschlossen ist. Eine weitere Öffnung 38 ist in der Wand 35 vorgesehen, um Fluid unter Druck von einer Fluid-Zuführquelle (nicht dargestellt) über ein Ventil 39 zuzuführen. Die Form 22 ist auf einem Tisch 40 befestigt, aber gegenuber diesem uber einen Isolierblock 41 isoliert. Der Tisch 40 selbst ist auf der Oberseite eines bewegbaren Stempels 43 befestigt, der in einer dichtenden Verbindung durch die untere Wand 44 der Kammer 30 gleitet. Der Tisch 40 und der Stempel 43 sind mit Kanälen 45 für Kühlwasser versehen. Der Stempel 43 wird hydraulisch angetrieben, kann aber auch elektrisch angetrieben werden, und er verfährt die Form 22 zwischen den Kammern 11 und 30.

Im Betrieb wird die Kammer 11 bis zu einem niedrigen Druck ausgepumpt, der den Anforderungen der zu vergießenden Legierung angepaßt ist. Das Ventil 31 wird geschlossen und der Stempel 43 und der Tisch 40 in ihre unterste Stellung zurückgefahren. Das Metall im Schmelztiegel 14 wird eingeschmolzen und die Temperatur erhöht und beim gewünschten Wert konstant gehalten. Sodann werden die Form 22 und der Isolierblock 41 durch die Tür 34 auf den Tisch 40 gestellt, wonach die Tür 34 geschlossen und abgedichtet und sodann die Kammer 30 auf denselben oder eine ähnlichen Druck wie dem in der Kammer 11 evakuiert wird. Beim geeigneten Druck wird das Ventil 31 geöffnet und die Form und die zugehörigen Stützen werden mittels des Stempels in die Formheizkammer 23 (Figur 1) nach oben verfahren. Die Formtemperatur wird dann mittels der Strahlungsheizeinrichtung 25 auf die gewünschte Temperatur erhöht. Sobald die Form 22 und das Metall 15 bei der gewünschten Temperatur stabilisiert sind, wird das Metall in die Form vergossen. Unmittelbar nach dem Vergießen des Metalls wird der Stempel 43 in die Kammer 30 zurückverfahren, das Ventil 31 geschlossen, das Ventil 37 ebenfalls geschlossen und das Ventil 39 geöffnet, um Druck-Fluid, das z. B. Argongas sein kann, zuzuführen (Figur 2). Die Kammer wird schnell auf einen Druck von unter 7 Mpa gebracht. Die Metallschmelze kann so unter Gasdruck erstarren, was zur Vermeidung von Lunkerbildung bei Schwindporosität infolge des Unterdrucksetzens fuhrt, so daß kontinuierlich flussiges Metall zwischen die zufällig wachsenden Korngebilde der erstarrenden Masse zugeftihrt wird. Während die Erstarrung in der Kammer 30 fortschreitet, kann der Schmelztiegel 14 mit neuem Metall durch die Öffnung 16 und den Vakuumverschluß 17 wieder befullt und das Metall fur die nächste Form fertiggeschmolzen werden.

Es sei nun Bezug genommen auf die Figuren 3 und 4, in denen diesselben Merkmale durch gemeinsame Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Eine Vorrichtung zum Vakuumvergießen und zur Druckerstarrung ist allgemein bei 50 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Schmelz und Gießkammer 51, eine Formheizkammer 52 sowie eine Formvakuum-/Formdruckkammer 53 auf. Alle drei Kammern können gegeneinander durch geeignete Ventile isoliert sein, wie dies weiter unten beschrieben wird. Die Schmelz und Gießkammer 51 weist einen Schmelztiegel 54 auf, der durch Induktionsspulen 55 beheizt wird. Metall kann in den Schmelztiegel 54 durch Entfernen des Deckels 57 der Öffnung eingefüllt werden. Die Kammer wird über eine Leitung 56 evakuiert, die sowohl an eine Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt) als auch an die Formvakuum-/Formdruckkammer 53 mittels eines Verteilers 66 angeschlossen ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 53 durch ein Ventil 58 in der Leitung 56 isoliert werden. Die Kammer 52 wird über die Leitung 59 evakuiert, die ebenfalls an die Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 52 durch das an einem Schwenkarm angeordnete Ventil 60 isoliert werden. Die Kammer 52 kann gegenuber der Kammer 53 durch das an einem Schwenkarm angebrachte Ventil 62 isoliert werden. Die Kammer 52 nimmt Formheizeinrichtungen 63 auf, die eine Isolierung 64 und Strahlungsheizeinrichtungen 65 umfassen. Die Kammer 53 wird am Verteiler 66 über eine zwischengeschaltete Dichtung 68 gehaltert. Der Verteiler 66 ist ferner mit einer Leitung 69 und einem Ventil 70 zur Zufuhr von Druckfluid aus einer Druckfluidquelle (nicht dargestellt), wie z. B. einer Gasflasche, versehen. Die Kammern 52 und 53 weisen außenliegende Wasser-Kuhlrohre 71 bzw. 72 auf. Eine Form 75 wird auf einem Tisch 76 mittels eines Isolierungsblocks 77 abgestutzt, wobei der Tisch auf einem bewegbaren Stempel 78 befestigt ist. Der Tisch 76 und der Stempel 78 sind mit innenliegenden Wasser-Kuhlungskanälen 79 versehen. Der Stempel steht in abgedichteter Gleitverbindung mit dem unteren Deckel 80 der Kammer 53. Die Kammer 53 selbst ist zum Verteiler 66 relativ bewegbar mittels eines hydraulisch betätigten Mechanismus (nicht dargestellt), auf dem die Kammer 53 und der zugehörige Stempel 78 befestigt sind. Der Mechanismus verfährt die Kammer 53 und die zugehörige Vorrichtung nach unten und außen, um einen Zugriff auf das Innere der Kammer 53 zu ermöglichen.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist im wesentlichen der ähnlich, die mit Bezug auf die Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde.

Die Kammer 51 wird anfangs durch die Ventil 60 und 68 gegenüber den Kammern 52 und 53 verschlossen und uber die Rohrleitung 56 evakuiert. Die Form 75 wird in die Kammer 53 gesetzt und die Kammer dann an die Dichtung 68 angelegt. Die Evakuierung der Kammer 53 kann durch das Öffnen des Ventils 58 erfolgen. Die Kammer 52 wird ebenfalls anfänglich gegen die Kammer 53 durch das Ventil 62 isoliert und über die Leitung 59 evakuiert. Nachdem die Evakuierung der Kammern 51, 52 und 53 bis zu dem gewunschten Druck oder den gewunschten Drücken erfolgt ist, wird das Ventil 62 geöffnet und die Form von der Kammer 53 zur Kammer 52 auf dem Stempel 78 und dem zugehörigen Tisch 76 und der zugehörigen Isolierung 77 nach oben verfahren. Während das Metall schmilzt und bei einer gewunschten Temperatur stabilisiert wird, wird die Form durch die Strahlungsheizeinrichtung 65 bis zu einer gewünschten Temperatur vorgeheizt. Wenn das Metall nahe seiner gewunschten Temperatur ist, wird das Ventil 60 geöffnet. Nach dem Vergießen des Metalls in die Form wird die gefullte Form sofort in die Kammer 53 zurückverfahren, die Ventile 58 und 62 werden geschlossen und das Ventil 70 wird geöffnet, um ein Einströmen von Druckfluid in die Kammer 53 bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa zu gestatten. Das Metall in der Form kann auf diese Weise unter isostatischem Gasdruck erstarren.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus den Figuren 3 und 4, bei der die Kammer 53 von der Kammer 52 und dem Verteiler 66 getrennt werden kann, ohne das Vakuum in den Kammern 51 und 52 aufzuheben oder den Druck in der Kammer 53 zu vermindern.

Die Vorrichtung 50 ist im wesentlichen der ähnlich, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, ist jedoch zusätzlich mit einem zweiten Verteiler 90 versehen, der gegenuber der Dichtung 68 des Verteilers 66 abdichtet. Die Druckfluidleitung 69 und das Ventil 70 sind bei dieser Ausfuhrungsform nicht mehr am Verteiler 66 angebracht und durch eine Vakuumleitung 91 und ein Ventil 92 ersetzt, das an die Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Der Verteiler 90 ist mit einer Vakuumleitung 94 und einem Ventil 95 versehen, die zur unabhängigen Evakuierung der Kammer 53 an die Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Im Verteiler 90 sind ferner ein Ventil 97 mit einem Schwenkarm, eine Druckfluid-Einlaßleitung98 für unter Druck stehendes Fluid und ein Steuerventil 99 vorgesehen, wobei die beiden letzteren an eine Druckfluidquelle (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Die Kammer 53 ist gegenuber dem Verteiler 90 uber eine Dichtung 100 abgedichtet und wird an ihm durch geeignete Klammern 101 gehalten. Die Kammer-/Verteilerbaugruppe 53, 90 usw. ist als eine Einheit bewegbar und kann , wobei sie weiterhin unter Druck steht, von der Dichtung 68 / dem Verteiler 66 mittels eines hydraulisch oder elektrisch betätigten Mechanismus (nicht dargestellt) gelöst werden, der die Baugruppe aus Kammer und Verteiler, welche die metallgefullte Form enthält, wegführt, wobei sie durch eine zweite, ähnliche Kammer- und Verteilerbaugruppe mit einer neuen, leeren Form ersetzt wird. Auf diese Weise kann die Produktionsgeschwindigkeit erhöht werden, da die Gießvorrichtung verfügbar ist, während das Metall erstarrt.

Die Erstarrung des Metalls in der Form erfolgt hauptsächlich durch den Mechanismus des Abstrahlens zu den Wänden der Formkammer, von wo die Wärme durch die Kühlungskanäle 72 abgeführt wird. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine schnelle Wärmeabfuhrung zu verhindern und die Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern. Wie in Figur 6 dargestellt, kann dies mittels in der Formkammer angeordneter Isolierungsglieder 110 erreicht werden. Solche Glieder 110 können in Gestalt, Dicke, Werkstoff usw. variieren, was u.a. von der Gestaltung und den Abmessungen der zu vergießenden Teile abhängt. Als Werkstoffe können z. B. versteifte Keramikfasertücher aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Zirkoniumdioxid verwendet werden.

Das am häufigsten eingesetzte Druckfluid dürfte wohl Argon sein; jedoch können auch andere Gase eingesetzt werden, einschließlich Helium, Stickstoff und Luft, wobei die Auswahl hauptsächlich durch die zu vergießenden Werkstoffe vorgegeben wird. Obwohl Helium teurer als Argon ist, kann es zur Beschleunigung der Abkuhlgeschwindigkeit eingesetzt werden, wenn dies in bestimmten Fällen wunschenswert ist.

Obwohl die verschiedenen hier beschriebenen Ausfuhrungsformen der Vorrichtung vorrangig fur die Herstellung von EA-Turbinenkomponenten mit niedriger Porosität vorgesehen sind, können sie auch zur Herstellung von DS- und SX-Komponenten verwendet werden. Die Vorrichtung kann mit bekannten, auf Mikroprozessoren basierenden Steuersystemen ausgerüstet werden, welche die von den Strahlungsheizgeräten hervorgerufene Erwärmung sowie die Zurückfahrgeschwindigkeit des Stempels usw. steuern. Zur Herstellung der DS- oder SX-Komponenten wird die Isolierung zwischen der Form und dem Stempeltisch entfernt und die Form direkt auf dem wassergekuhlten Stempeltisch oder auf einer getrennten Abschreckplatte aufgebaut, um eine gerichtete Wärmeabführung sowie als Folge eine ebene Grenzfläche fest/flüssig durch das langsame, gesteuerte Zurückfahren der gefüllten Form aus der Formkammer zu erzielen.

Auf diese Weise wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die in den Aufgaben, die sie erfullen kann, vollständig flexibel ist, was zu einer verbesserten Produktionseffektivität und verringerten Kosten fuhrt.

Es ist ferner beabsichtigt, die Technik und die Vorrichtung auch für die Herstellung von anderen Komponenten als solchen, die für Gasturbinentriebwerke oder Turbolader bestimmt sind, einzusetzen. Z. B. können Komponenten aus Werkstoffen gegossen werden, die kein Vakuum zum Schutz erfordern. Solche Komponenten können in Luft gegossen und für die Erstarrungsphase in eine Druckkammer eingefahren werden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Herstellung von Gußmetallteilen mit einer Gießkammer (11), mit Einrichtungen (13) zum Schmelzen und zum Vergießen des Metalls, die zum Fullen einer Form (22) in der Gießkammer eingerichtet sind, mit einer Formkammer (30) neben der Gießkammer und mit dieser durch eine Ventileinrichtung (31) ausreichender Größe verbunden, durch welche die gefüllte Form (22) hindurchfuhrbar ist, mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Gieß- und in der Formkammer, mit einer Formverfahreinrichtung (43) zum Transport der gefüllten Form von der Gießkammer zur Formkammer, mit einer Formheizeinrichtung (23) in der Gießkammer und mit einer an die Formkammer angeschlossenen Druckerzeugungseinrichtung, mit der die Formkammer bis zu einem Druck von 7 MPa mit einem Gas unabhängig unter Druck gesetzt werden kann, gekennzeichnet durch eine Isolierung (41) zwischen der Form und der Formverfahreinrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer von der Gießkammer lösbar und durch eine zweite Kammer auswechselbar ist.

25 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch erste (62) und zweite (97) Ventileinrichtungen, die zwischen der Gießkammer (52) und der Formkammer (53) so angeordnet sind, daß die beiden Kammern getrennt werden können, während ein Unterdruck in der Gießkammer und ein Überdruck in der Formkammer aufrechterhalten werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei der weiterhin Isoliereinrichtungen (110) in der Formkammer vorgesehen sind, um die Abkühlgeschwindigkeit in ausgewählten Bereichen der Form zu steuern.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer auch Heizeinrichtungen zum wahlweisen Erwärmen von Teilen der gefullten Form aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine getrennte Formheizkammer (52) vorhanden ist, die durch Ventile (60, 62) von der Metallschmelzkammer (51) und der Formkammer (53) isoliert werden kann.

7. Verfahren zur Herstellung von Gußstucken mit den Verfahrensschritten Schmelzen einer Metallcharge, Aufheizen einer Form (22), die sich in einer Gießkammer (11) befindet, Vergießen des Metafls in die Form, wobei in der Gie kammer eine Atmosphären mit Unterdruck herrscht, Zurückfahren der gefüllten Form in eine Formkammer (30), Druckisolieren der Formkammer gegenuber der Gießkammer, Unterdrucksetzen der Formkammer nach dem Verfahren der gefüllten Form dorthinein mit einem Gas bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa fur zumindest einen Teil der Zeitspanne, die zum Erstarren des Metalls in der Form erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Form innerhalb von 40 Sekunden nach der Beendigung des Vergießens der Metallschmelze unter Druck gesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer innerhalb von 20 Sekunden nach der Beendigung des Vergießens der Metallschmelze unter Druck gesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Form in der ersten Kammer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der zu vergießenden Legierung erhitzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vergießende Metall eine auf Eisen, Nickel oder Kobald basierende Superlegierung ist.







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