BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen von Form gussstücken unter Vakuum, wobei zunächst die vorgeheizte Form in eine evakuierbare Formkammer eingebracht und in dieser ein Vakuum erzeugt wird, wobei ferner die Form anschliessend durch eine Schleuse hindurch in eine evakuierte Abgiesskammer eingeschleust wird, in der eine in einem Tiegel erschmolzene Schmelz in die Form abgegossen wird, ehe die gefüllte Form aus der Abgiesskammer ausgeschleust wird; weiterhin betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einem Vakuum-Giessverfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, muss die gefüllte Form solange unter Vakuum in der Abgiess- bzw. in der Formkammer gehalten werden, bis die Schmelze erstarrt ist. Dadurch entstehen relativ lange Taktzeiten, ehe eine neue Form in die Anlage eingesetzt und mit einer Schmelze gefüllt werden kann. Sollen nacheinander mehrere Abgüsse hergestellt werden, so erfordert das bekannte Verfahren einen grossen Zeitaufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchlaufzeit für eine Form durch die Giessanlage, d. h. die Zeit vom Einbringen bis zum Herausnehmen der Form in die bzw. aus der Formkammer, zu verkürzen und so einen höheren Wirkungsgrad der Anlage zu erreichen.
Verfahrensmässig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die vorgeheizte Form vor dem Einschleusen in die Abgiesskammer in einem gasdicht verschliessbaren Abkühlbehälter gelagert und dieser nach dem Giessen im Vakuum verschlossen wird, ehe die Formkammer mit Luft gefüllt wird, und dass ferner die gefüllte Form in dem geschlossenen Behälter bis auf eine zulässige Mindesttemperatur abgekühlt wird, ehe der Behälter mit Luft geflutet wird.
Durch die Lagerung der Form in einem gasdichten Abkühlbehälter, der noch im Vakuum verschlossen wird, kann die Abkühlung und Erstarrung der Schmelze auf eine bestimmte Mindest- temperatur ausserhalb der Anlage erfolgen; die Giesszyklen werden dadurch erheblich verkürzt.
Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit je einer evakuierbaren Kammer für die Evakuierung der Form und für den Abguss, mit mindestens einer Schleuse für das Ein- und Ausschleusen der Form und/oder des Einsatzmaterials und mit einer Transporteinrichtung für die Form zwischen den beiden Kammern ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Transporteinrichtung ein Abkühlbehälter für die Form vorhanden ist, der unter Vakuum gasdicht verschliessbar und mit einer Belüftungseinrichtung versehen ist.
Sollen die Gussstücke gerichtet oder einkristallin erstarren, so ist es zweckmässig, wenn das Verschliessen des Abkühlbehälters mindestens weitgehend erschütterungsfrei durchgeführt wird, wofür der Deckel des Abkühlbehälters mit einer Einrichtung zum Dämpfen der Schliessbewegung versehen ist.
Für eine gerichtete Erstarrung ist es weiterhin zweckmässig, wenn der Abkühlbehälter mit einer Wärmeabfuhrplatte aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgestattet ist; die Wärmeabfuhrplatte kann zusätzlich von einem Kühlmittel durchflossen sein und/oder für ein Eintauchen in ein Kühlbad den Boden des Abkühlbehälters durchsetzen.
Im folgenden werden Verfahren und Anlage in einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 bis 4 zeigen in schematischer Darstellung verschiedene Ausführungsbeispiele für den Abkühlbehälter, wobei in Fig. 3 der Abkühlbehälter in einer Ansicht gezeigt ist, die gegenüber den Fig. 1, 2 und 4 um 90" gedreht ist;
Fig. 5 bis 8 geben ebenfalls rein schematisch den Ablauf des neuen Verfahrens in einer entsprechenden Giessanlage wieder, während
Fig. 9 im Schnitt IX-IX von Fig. 5 den Grundriss der Anlage nach Fig. 38 wiedergibt, wobei der Abkühlbehälter weggelassen ist.
Der Abkühlbehälter 1 ist im allgemeinen ein Stahlgefäss beliebigen Querschnittes mit Seitenwänden 2 und einem Boden 19; das Gefäss ist mit einem Deckel 3 unter Zwischenlage eines Dichtelementes 4 gasdicht verschliessbar. Das Dichtelement 4 ist dabei in einem den oberen Rand des Gefässes umsäumenden Flansch 5 gelagert, an dem auch der Deckel 3 drehbar befestigt ist. Um ein Schliessen des Behälters von aussen zu ermöglichen, kann die Drehachse 6 für den Deckel 3 verlängert und an ihrem freien Ende mit einem Vierkant 7 (Fig. 3) für den Eingriff einer nicht gezeigten Schliessvorrichtung versehen sein.
Während das Evakuieren des Behälters 1 im allgemeinen bei geöffnetem Deckel 3 erfolgt, wie noch beschrieben wird, ist zum Wiederbelüften des Behälters 1 in einer seiner Seitenwände ein Rohrstutzen 8 mit einem Absperrorgan 9 vorgesehen.
Soll die Schmelze gerichtet oder als Einkristall erstarren, so muss in der Form 10 (Fig. 1) von oben nach unten ein steiler Temperaturgradient erzeugt und aufrechterhalten werden. In den Fig. 1 bis 3 sind dafür verschiedene Möglichkeiten gezeigt.
Für Schmelzen von relativ geringer Masse reicht für die Erzeugung dieses Gradienten eine Wärmeabfuhrplatte 11 aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise aus Kupfer, die aufgrund ihrer grossen Wärmekapazität, die aus der Form 10 abfliessende Wärme aufnimmt, ohne sich selbst ins Gewicht fallend zu erwärmen.
Falls erforderlich, kann jedoch auch eine Wärmeabfuhrplatte 12 vorgesehen sein, die von einem Kühlmedium, z. B. Wasser, durchflossen ist. Diese Platte 12 ist dabei über Kühlmittelleitungen 13, die durch die Seitenwände 2 des Gefässes geführt und mit Absperrorganen 14 versehen sind, an ein nicht weiter dargestelltes Kühlsystem angeschlossen (Fig. 2).
Eine weitere Möglichkeit für eine beschleunigte und erhöhte Wärmeabfuhr ergibt sich, wenn der Abkühlbehälter 1 in einem Kühlbad 15 (Fig. 3) abgestellt ist. Die mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgestattete Abfuhrplatte 16 ist dabei beispielsweise durch den Boden 19 des Gefässes hindurchgeführt, wobei die Durchführung mit einer Dichtung 18 in einer flanschartig erweiterten Bodenfläche der Platte 16 abgedichtet ist. Als Kühlmittel kann auch hier wieder Wasser dienen, das das Bad 15 entweder kontinuierlich durchfliesst oder chargenweise erneuert wird.
Für die Herstellung eines Einkristalls ist ein möglichst erschütterungsfreies Erstarren der Schmelze erwünscht; der Behälter 1 kann daher mit einer Einrichtung 20 (Fig. 4) für eine Dämpfung der Schliessbewegung des Deckels 3 versehen sein.
Diese Dämpfungseinrichtung 20 kann beispielsweise in einem in einem Zylinder 21 hydraulisch gedämpft bewegten Kolben 22 bestehen. Ist der Zylinder 22 über Leitungen 23 an ein hydraulisches System der Giessanlage angeschlossen, so kann die Einrichtung 20 zusätzlich zum Schliessen und gegebenenfalls zum Öffnen des Deckels 3 benutzt werden.
Im folgenden sei nun eine Giessanlage zur Durchführung des neuen Verfahrens im Zusammenhang mit den Fig. 5 bis 9 erläutert.
Die nur schematisch dargestellte Anlage - die in den Fig. 5 bis
8 jeweils nur teilweise dargestellt ist - besteht aus einer mit Hilfe einer Pumpe über eine Leitung 30 evakuierbaren Formkammer
31, in der eine Transporteinrichtung 32 vorhanden ist. Diese wird von aussen hydraulisch in vertikaler Richtung gehoben und gesenkt. Nach oben setzt sich die Formkammer 31 in einem Schleusenkanal 33 fort, der durch ein von aussen zu betätigendes Schleusenventil 34 gegenüber der Kammer 31 gasdicht verschliessbar ist. Die lichte Weite des Schleusenkanals 33 ist an die Abmessungen der Transporteinrichtung 32 angepasst.
Wie Fig. 9 zeigt, ist eine der Seitenwände der Formkammer 31 über ihre ganze Höhe als Tür 35 ausgebildet, durch die die Abkühlbehälter 1 mit vollständig geöffnetem Deckel 3 und mit der zu füllenden Form 10 auf der Transporteinrichtung 32 abgesetzt und von ihr wieder weggenommen werden kann. Die Form 10 ist bei dem gezeigten Beispiel im Behälter 1 auf einer kühlmitteldurchflossenen Wärmeabfuhrplatte 12 aus Kupfer abgestellt und befestigt, wobei die bei derartigen Giessanlagen üblichen Kühlmittelanschlüsse sowohl zwischen dem Behälter 1 und der Formkammer 31 als auch von der Formkammer 31 zu dem Kühlmittel-System nicht dargestellt sind.
Der Deckel 3 des Behälters 1 ist zur Fixierung in zwei beliebigen Offen-Stellungen und in geschlossener Stellung mit einer in zwei Sperren 44 und 45 einrastenden Klinke 36 versehen; seine Bewegung wird beim Schliessen durch eine Feder 37 gedämpft. Das Auslösen der Klinke 36 kann beispielsweise durch nicht gezeigte Steuernocken ausgelöst werden, die die Klinke 36 jeweils bei einer Vorbeifahrt der Transporteinrichtung 32 einbzw. ausrasten.
Da die Formkammer 31 im Verlauf des Giessverfahrens beflutet werden muss, ist sie über einen Rohrstutzen 46, in dem ein Absperrorgan 47 (Fig. 8) vorgesehen ist, mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.
Der Schleusenkanal 33 endet in einer ebenfalls evakuierbaren Abgiesskammer 38, in der ein zum Abgiessen um eine horizontale Achse drehbarer Schmelztiegel 39 vorhanden ist, in dem das Einsatzmaterial mit Hilfe einer nicht dargestellten Heizvorrichtung erschmolzen wird. Beschickt wird dieser Tiegel 39 über eine Materialschleuse 42, die durch ein weiteres Schleusenventil 41 von der Abgiesskammer 38 getrennt und über eine Leitung 40 evakuierbar ist. Die Abgiesskammer 38 selbst ist über eine Leitung 43 evakuierbar; in ihr wird das Vakuum während des ganzen Giessvorganges mit einem konstanten Wert aufrechterhalten. Die Vakuumleitungen 30,40 und 43 können entweder je mit einer separaten Evakuierungspumpe versehen oder an eine gemeinsame Pumpe angeschlossen sein.
Der Ablauf des Giessverfahrens, das abgesehen von den zusätzlichen Verfahrensschritten im Zusammenhang mit dem Abkühlbehälter 1 in einer für Vakuum-Giessen üblichen Weise durchgeführt wird, beginnt mit dem Aufsetzen des mit der Forrl 10 beschickten Behälters 1 auf die Transporteinrichtung 32 in der Kammer 31. Nach dem Anschliessen der nicht gezeigten Kühlmittelleitungen für die Kühlung der Wärmeabfuhrplatte 12, dem Schliessen der Kammertür 35 und gegebenenfalls einem vollständigen Öffnen des Deckels 3 wird die Formkammer 31 bei geschlossenem Schleusenventil 34 evakuiert. Zuvor ist auch das zu schmelzende Gut über die Materialschleuse 42 in den Tiegel 39 in der dauernd unter Vakuum stehenden Abgiesskammer 38 eingebracht und aufgeschmolzen worden (Fig. 5).
Ist in der Formkammer 31 das erforderliche Vakuum erreicht, wird das Schleusenventil 34 geöffnet und der Behälter 1 mit der Form 10 durch die Transporteinrichtung 32 beispielsweise in die Abgiesskammer 38 transportiert. Bei diesem Transport wird der Deckel 3 bereits, wie erwähnt, gesteuert durch einen Nocken um einen Winkel von 30 gegenüber der vollen Öffnung geschlossen.
In der Abgiesskammer 38 wird die Form 10 durch Kippen des Tiegels 39 gefüllt. Transport und Abgiessen sind in Fig. 6 wiedergegeben.
In dem dargestellten Beispiel wird der Behälter 1 während des Rücktransportes in die Formkammer 31, beispielsweise durch Lösen der Klinke 36 aus der Sperre 45 geschlossen, wobei die Dämpfungseinrichtung 20 (Fig. 4 und 7) den Schliessvorgang möglichsterschütterungsfrei ablaufen lässt. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Behälter 1 bereits in der Abgiesskammer 38 oder erst in der Formkammer 31 zu schliessen; entscheidend ist, dass er vor dem Fluten der Formkammer 31 geschlossen ist.
Ein Schliessen des Behälters 1 erst in der Formkammer 31 kann beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 3 angedeuteten verlängerten Drehachse 6 des Deckels 3 erfolgen, wofür auf den Vierkant 7 beispielsweise ein entsprechender Innenvierkant einer längsverschiebbaren und nicht gezeigten Drehvorrichtung aufgeschoben werden kann, die gasdicht durch eine Wand der Formkammer 31 geführt ist und mit deren Hilfe der Deckel 3 geschlossen werden kann. Eine solche Schliessvorrichtung ist vor allem beispielsweise bei Giessanlagen mit horizontalen nebeneinander angeordneten, evakuierbaren Kammern einsetzbar. In der Darstellung der Fig. 7 befindet sich der geschlossene Behälter 1 wieder in der noch unter Vakuum stehenden Formkammer 31.
Nach dem Fluten der Formkammer 31 durch Öffnen des Ventils 47 (Fig. 8) über den Rohransatz 46 kann die Tür 35 geöffnet, der geschlossene Behälter 1 aus der Anlage entnommen und bis zum Abkühlen des Gussstückes unter eine Mindesttemperatur abgestellt werden, wobei selbstverständlich zunächst die Kühlmittelleitungen in der Formkammer 31 abgekoppelt und der Behälter 1 an ein externes Kühlmittelsystem angeschlossen werden. Die Anlage kann dann sofort mit einem neuen Behälter 1 und einer neuen Form beschickt werden, ohne dass die Abkühlung des zuvor gegossenen Werkstückes im Vakuum abgewartet werden muss. Dies erbringt eine erhebliche Verkürzung eines Giesszyklus und steigert den Wirkungsgrad der Anlage entscheidend.
Völlig losgelöst von dem Anlagentakt kann der Behälter 1 abkühlen und nach Unterschreiten der Mindesttemperatur durch Öffnen des Ventils 9 im Rohrstutzen 8 geflutet werden. Der fertige Abguss wird dann dem Behälter 1 entnommen und dieser von den externen Kühlmittelleitungen abgekuppelt. Er steht nun für eine erneute Beschickung mit einer leeren Form 10 zur Verfügung.
Als Ausführungsbeispiel sei zum Abschluss die Herstellung einer Einkristall-Triebwerkschaufel aus der Nickel-Basis-Legie- rung B/1914 beschrieben. Diese Legierung weist bekanntlich folgende Zusammensetzung auf (in Masse-%): C0,01; Cr 10,0; Co 1O,O;Mo 3,O;A15,5;Ti5,2;B O,lOundNi Rest.
Zunächst wird eine keramische Formschale 10 in der für Präzionsgiessformen üblichen Weise mit Hilfe eines verlorenen Modells aus einzelnen Schichten aufgebaut, mit Isoliermaterial umwickelt und auf der Wärmeabfuhrplatte 12 im Behälter 1 montiert, wie dies in dem CH-Patent 641985 aufgezeigt ist, wobei die Formschale 10 vor ihrer Montage im Behälter 1 in einem Ofen, beispielsweise einem Muffelofen, einschliesslich ihrer Isolation auf etwa 1500 "C aufgeheizt worden ist. Unabhängig davon ist das Schmelzen des Gussmaterials in der Abgiesskammer 38 unter einem Druck von 5 x 104 mbar in einem handelsüblichen Tiegel 39 aus Zirkonoxid erfolgt.
Die Aufheizung der Schmelze wird solange fortgesetzt bis ihre Temperatur mindestens 150 "C über der durch Messung zu 1320 "C ermittelten Liquidus-Temperatur liegt.
Sind die erforderlichen Temperaturen der Formschale 10 und der Schmelze -im beschriebenen Beispiel erfolgt die Aufheizung der Schmelze beispielsweise bis zu einer "r emperatur von 1500 "C erreicht, so wird der Behälter 1 mit der heissen Formschale 10 wie beschrieben- aus der evakuierten Formkammer 31 in die Abgiesskammer 38 eingeschleust und die Schmelze unmittelbar in die Form 10 abgegossen.
Das Wachstum des Einkristalls beginnt von der Wärmeabfuhrplatte 12 her. Nach dem Abguss werden der Behälter 1 gasdicht verschlossen und die gefüllte Form 10 ausgeschleust und zur weiteren Abkühlung losgelöst von der Anlage abgestellt.
Ist das Gussstück völlig erstarrt, so wird die Formschale 10 mit dem Gussstück von der Wärmeabfuhrplatte 12 getrennt. Die Abkühlung und Erstarrung des Gussstückes kann infolge der Isolation derForm 10 beispielsweise bis zu einer Stunde dauern; daher wird mit der Erfindung ein Giesszyklus gegenüber bisherigen Verfahren um etwa 1 Stunde verkürzt.