DE19505689A1 - Gießform zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven Metallen - Google Patents
Gießform zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven MetallenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gießform für die Mehrfachverwendung, insbe
sondere eine Schleudergießform, mit mindestens einem tragenden Grund
körper, in dem mindestens ein Formhohlraum angeordnet ist, dessen der
Schmelze ausgesetzte Oberfläche eine strukturfeste, homogene Schale aus
mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder
aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle ist.
Die Gießform dient bevorzugt zum Herstellen von Gußteilen aus einer
Schmelze eines reaktiven Metalls aus der Gruppe Titan, Titanlegierungen
und Titanbasislegierungen.
Es besteht ein steigender Bedarf an Bauteilen aus Titan oder aus
Legierungen mit einem beträchtlichen Titananteil, da diese Werkstoffe ein
geringes spezifisches Gewicht und dennoch eine hohe Festigkeit aufweisen,
vorausgesetzt, man beachtet in ausreichendem Umfange die spezifischen
Eigenschaften des Titans, zu denen sein hoher Schmelzpunkt und seine
Reaktionsfreudigkeit bei hohen Temperaturen gehören. Bei Schmelztempera
tur reagiert Titan nicht nur mit reaktionsfähigen Gasen, darunter insbesondere
Sauerstoff, sondern auch mit Oxiden und nahezu allen Keramiken, da diese
üblicherweise zumindest überwiegend aus oxidischen Verbindungen be
stehen. Durch die größere Affinität des Titans zu Sauerstoff wird den Oxiden
Sauerstoff entzogen und führt zur Bildung von Titanoxiden. Einige Werkstoffe,
die sich für bestimmte Einsatzgebiete hervorragend bewährt haben, werden
nachstehend beispielhaft aufgeführt:
Reintitan
Ti 6 Al 4 V
Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 2 Mo
Ti 5 Al 2,5 Sn
Ti 15 V 3 Al 3 Cr 3 Sn
Ti Al 5 Fe 2,5
50 Ti 46 Al 2 Cr 2 Nb
Titanaluminide.
Reintitan
Ti 6 Al 4 V
Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 2 Mo
Ti 5 Al 2,5 Sn
Ti 15 V 3 Al 3 Cr 3 Sn
Ti Al 5 Fe 2,5
50 Ti 46 Al 2 Cr 2 Nb
Titanaluminide.
Besonders zu erwähnen ist der Einsatz von Titanaluminiden, z. B. TiAl als
Werkstoff für zahlreiche Bauteile. Aufgrund ihrer geringen Dichte, relativ
hohen Wärmefestigkeit und Korrosionsbeständigkeit gelten die Titanalu
minide als optimaler Werkstoff für verschiedene Anwendungsgebiete. Da
diese Werkstoffe sehr schwer verformbar sind, kommt nur eine Formgebung
durch Gießen in Frage. Insbesondere beim Gießen aber werfen titanhaltige
Metalle weitere Probleme auf, auf die nachfolgend noch näher eingegangen
werden wird.
Einige Beispiele für den Einsatz titanhaltiger Werkstoffe werden wie folgt an
gegeben:
Ventile für Verbrennungskraftmaschinen
Turbinenräder und Turbinenschaufeln
Verdichterräder
Biomedizinische Prothesen (Implantate)
Kompressorgehäuse im Flugzeugbau.
Ventile für Verbrennungskraftmaschinen
Turbinenräder und Turbinenschaufeln
Verdichterräder
Biomedizinische Prothesen (Implantate)
Kompressorgehäuse im Flugzeugbau.
Insbesondere im Motor-Rennsport haben sich sowohl Einlaß- als auch Aus
laßventile aus bestimmten Titanlegierungen hervorragend bewährt, so daß an
einen Masseneinsatz für Verbrennungskraftmaschinen aller Art gedacht wird.
In dem Aufsatz von Schädlich-Stubenrauch u. a. "Numerical simulation of the
alpha case as a quality criterion for the investment casting of small, thin
walled titanium parts", veröffentlicht auf der Sixth World Conference on
Titanium", Frankreich 1988, Seiten 649 bis 654, sind die Probleme be
schrieben, die dann entstehen, wenn Titanlegierungen in Formen aus Oxid
werkstoffen vergossen werden. Dabei bilden sich nicht nur auf der Oberfläche
des Gußteils Titanoxide, sondern bis zu 10 Gewichtsprozent Sauerstoff
gehen auch an den Korngrenzen in Lösung, so daß sich die Notwendigkeit
ergibt, die Oberflächen der Gußteile nachträglich zu bearbeiten, was auf
chemische oder spanabhebende Weise geschehen kann. Notwendigerweise
wächst die Dicke der sauerstoffhaltigen Oberflächenschicht mit zunehmender
Abkühldauer, so daß die Verwendung von Formen aus oxidischen Werk
stoffen auf dünnwandige Werkstücke begrenzt ist. Außerdem wird ange
geben, daß es zweckmäßig ist, die fertig bearbeiteten Werkstücke nachträg
lich einem isostatischen Heißpreßverfahren (HIP-Verfahren) auszusetzen.
Dadurch verteuern sich die Kosten der Bauteile ganz erheblich. Der Aufsatz
untersucht diese Zusammenhänge anhand von keilförmigen Gußteilen.
Durch den Aufsatz von Tsutomu Oka u. a. "Manufacturing of automotive
engine valves by plasma package melting of titanium scraps", veröffentlicht
auf der Sixth World Conference on Titanium, Frankreich, 1988, Seiten 621 bis
626, ist es bekannt, Ventile für Verbrennungsmotoren aus Titanlegierungen
herzustellen. Für die Herstellung von Einlaßventilen, die bei relativ niedrigen
Betriebstemperaturen bis zu etwa 450°C arbeiten, wird die Legierung
Ti 6 Al 4 V empfohlen. Für die Auslaßventile, deren Betriebstemperaturen bis
über 700°C hinausgeht, wird die Legierung Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 2 Mo 0,1 Si
empfohlen, wobei darauf hingewiesen wird, daß es schwierig ist, Teile mit
einem Durchmesser unterhalb 10 mm herzustellen, weil dieser Werkstoff
schwierig zu bearbeiten ist. Es wird daher weiterhin empfohlen, für die Aus
laßventile die Ventilteller aus der zuletzt genannten Titanlegierung herzu
stellen und mit Ventilschäften zu vereinigen, die aus Ti 6 Al 4 V bestehen.
Auch diese Veröffentlichung zeigt, welche Umwege eingeschlagen werden
müssen, um bei der Verarbeitung den Stoffeigenschaften bestimmter Titan
legierungen entgegenzukommen.
Durch den Aufsatz von Zwicker u. a. "Evaluation of centrifugally cast
TiAl 5 Fe 2.5 alloy for implant material" ist es bekannt, Hüftgelenk-Prothesen
bzw. -Implantate aus der im Titel angegebenen Titanlegierung durch ein
Schleudergußverfahren in einer Kupferkokille herzustellen. Einerseits wird
angegeben, daß durch die hohe Abschreckgeschwindigkeit durch das Kupfer
eine vorteilhafte feine Kornstruktur erreicht wird, andererseits wird jedoch
direkt darauf hingewiesen, daß die hohe Abkühlgeschwindigkeit zur Ausbil
dung von Poren durch Gaseinschlüsse führt sowie zur Ausbildung von
Schrumpf-Hohlräumen, die zu einer Kerbwirkung führen. Es wird daher
empfohlen, die Poren und Lunker durch ein HIP-Verfahren zu beseitigen, wo
bei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß es selbst mit einem
Druck von 1000 bar nur möglich ist kleine Poren und Lunker zu schließen,
nicht aber Poren an der Werkstückoberfläche, die durch den Druck geöffnet
werden und die Kerbwirkung noch verstärken. Um diese Defekte zu ver
meiden, wird angegeben, die Oberflächenunregelmäßigkeiten durch
Schweißen zu schließen, womit allerdings wieder der Nachteil einer groben
Kornstruktur erkauft wird. Als Parameter für das HlP-Verfahren wird eine
Einwirkungsdauer eines Drucks von 1000 bar über 3 Stunden bei 950°C an
gegeben. Die Veröffentlichung enthält den weiteren Hinweis, daß die Kupfer-Ko
kille im Verhältnis zum Werkstück-Gewicht ein relativ sehr hohes Gewicht
aufweisen muß, um eine Reaktion zwischen der flüssigen Titanlegierung und
der Kupferoberfläche zu vermeiden. Dieser Hinweis läßt nur den Schluß zu,
daß die Kupferkokille in kaltem Zustand eingesetzt werden muß, daß also
jegliche Vorwärmung der Kupfer-Kokille zu unterbleiben hat, womit wiederum
eine unerwünscht hohe Abschreckgeschwindigkeit verbunden ist.
Aus dem nachgewiesenen Stande der Technik läßt sich herleiten, daß an die
Auswahl des Kokillenwerkstoffs, d. h. des Werkstoffs für die Gießform, extrem
hohe Anforderungen zu stellen sind, und daß ferner Verarbeitungsrichtlinien
in engen Grenzen einzuhalten sind, soll es nicht zu einer Schädigung des
Werkstücks oder Kokille bzw. Gießform kommen. Es stehen sich also ge
wissermaßen die Eigenschaften der Schmelze und die der Gießform dia
metral entgegen, wobei zu beachten ist, daß die meisten Titanlegierungen bei
Temperaturen vergossen werden müssen, die deutlich oberhalb von 1500°C
liegen, während Kupfer einen Schmelzpunkt von 1084°C hat und der
eutektische Punkt der Legierung Kupfer/Titan bei 865°C liegt.
Die EP-0 443 544 B1 befaßt sich mit dem Problem, die Formgenauigkeit bzw.
Formtreue von Schleudergußkokillen aus Kupfer und die Entformbarkeit der
Werkstücke aus Titan-Legierungen dadurch zu verbessern, daß man dem
Kupfer als Legierungselemente Zirkonium, Chrom, Beryllium, Kobalt und
Silber zusetzt, wobei die Summe aller Legierungselemente jedoch nicht über
3 Gewichtsprozent hinausgeht. Ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Kupfer
mit 18 Gewichtsprozent Nickel legiert wurde, hat nicht zum Erfolg geführt. Die
betreffende Druckschrift befaßt sich zwar mit der elektrischen Leitfähigkeit
des Werkstoffs, nicht aber mit dessen thermischer Leitfähigkeit, so daß die
Probleme der hohen Abschreckgeschwindigkeit, der Lunker- und der Poren
bildung nicht behandelt werden. Andererseits geht aber auch diese Literatur
stelle auf die Nachteile keramischer bzw. oxidischer Formwerkstoffe ein.
Durch die Aufsätze von:
- 1. Krone, "Herstellung und Eigenschaften von Fein- und Kompakt gußteilen aus Titanwerkstoffen" veröffentlicht in "GIESSEREI 65" (28. September 1978) Nr. 20, Seiten 540 bis 549, und
- 2. Krone u. a., "Titanium Castings: Manufacture and Properties", veröffentlicht in "AFS International Cast Metals Journal" (März 1977 2., Nr. 1, Seiten 37 bis 40,
ist es bekannt, Feingußformen mit einer "metallischen Frontschicht" herzu
stellen, die aber sogenannte "verlorene Formen" nach dem Wachs-Aus
schmelzverfahren für einmalige Verwendung sind und hinter der metallischen
Frontschicht nichtmetallische, vor allem oxidische, Werkstoffe besitzen. Auch
die metallische Frontschicht wird aus einer Paste (slurry) aus Metallpulvern,
darunter Wolfram-, Tantal-, Niob und/oder Molybdänpulver, Inhibitorbildnern
und flüssigen metallorganischen Verbindungen hergestellt und gebrannt, d. h.,
sie enthält merkliche Anteile an nichtmetallischen Beimengungen. Die kom
pletten Formen sollen durch Wasserstrahlen, Schleuderradputzen, Sand
strahlen etc. von den Gußteilen entfernt werden, die danach noch durch
Salzbäder und manuelles Putzen gereinigt werden müssen. Dies funktioniert
nur deshalb, weil auch die Frontschicht durch die nichtmetallische Bei
mengungen keinen festen Zusammenhalt besitzt.
Ein entscheidender Unterschied liegt aber darin, daß die bekannte Front
schicht nicht die Aufnahme von Sauerstoff in die Gußteile verhindern kann,
weil einerseits die Frontschicht selbst Sauerstoffverbindungen enthält, für
Sauerstoff aus der nachfolgenden Keramikmasse durchlässig ist und insbe
sondere beim Abguß eine sehr hohe Temperatur annimmt, die die Wande
rung von Sauerstoff begünstigt.
Durch die nicht vorveröffentlichte DE 44 20 138 A1 gehören u. a. Ganzmetall-Ko
killen der eingangs beschriebenen Gattung zum Stande der Technik, bei
der der Grundwerkstoff der Kokille aus mindestens einem der Metalle Kupfer,
Eisen, Nickel und/oder deren Legierungen, vorzugsweise aus Eisenbasis
legierungen, Nickelbasislegierungen oder austenitischen hitzebeständigen
Stählen besteht. Während diese Kokillen zu einwandfreien Gußteilen führen,
haben die genannten Werkstoffe jedoch ein hohes spezifisches Gewicht von
über 7 g/cm³, wodurch sich dann mechanische Probleme ergeben, wenn die
besagten Kokillen als Schleudergußkokillen ausgeführt sind und für hohe
Drehzahlen verwendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gießform der eingangs
beschriebenen Gattung anzugeben, durch die Gußteile aus Titan oder Titan
legierungen erhalten werden, die eine glatte Oberfläche ohne Sauerstoffauf
nahme aufweisen, und die frei von Lunkern und anderen Hohlräumen sind, so
daß aufwendige Nachbearbeitungen, die zu einer Beseitigung der bekannten
Fehler führen, zumindest weitgehend entfallen können. Insbesondere sollen
die Gießformen auch als Schleudergießformen verwendet werden können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt daher bei der eingangs be
schriebenen Gießform erfindungsgemäß dadurch, daß der Grundkörper der
Gießform aus mindestens einem der Werkstoffe aus der Gruppe Titan, Titan
legierungen, Titanaluminid, Graphit und Siliziumnitrid besteht.
Durch die Verwendung einer solchen Gießform ist zunächst einmal jegliche
Reaktion des Formwerkstoffs mit dem Gußwerkstoff ausgeschlossen, und es
unterbleibt ein Anschmelzen der Oberfläche des Formhohlraums unter dem
Einfluß der Schmelztemperatur selbst dann, wenn die Gießform vor dem
Abguß bereits eine Temperatur aufweist, die deutlich oberhalb 800°C liegt.
Weiterhin wird durch die Verwendung von Metallen aus der Gruppe Tantal,
Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen eine wesentlich geringere Ab
schreckgeschwindigkeit erzielt, weil diese Werkstoffe eine deutlich geringere
Wärmeleitfähigkeit aufweisen. So beträgt beispielsweise die Wärmeleitfähig
keit von Tantal und von Niob 14% bzw. 13% der Wärmeleitfähigkeit von
Kupfer, und die Wärmeleitfähigkeit von Zirkonium beträgt gar nur 6% der
jenigen von Kupfer. Auch die spezifische Wärmekapazität der angegebenen
Formwerkstoffe ist deutlich geringer als diejenige von Kupfer: So beträgt bei
spielsweise die spezifische Wärmekapazität von Tantal 36% des vergleich
baren Wertes von Kupfer, und die spezifischen Wärmekapazitäten der Werk
stoffe Niob und Zirkonium betragen 70% bzw. 72% des vergleichbaren
Wertes von Kupfer. Diese Eigenschaften führen, insbesondere in ihrer Ver
knüpfung, zu einer deutlich verzögerten Abkühlung der Gußteile, so daß die
gefürchtete Ausbildung einer harten Schale mit im Innern befindlichen
Lunkern und Poren unterbleibt. Die Schmelze hat hinreichend Zeit, um
während der Schrumpfung des Gußteils beim Abkühlen und Erstarren zu
folgen.
Durch die beschriebene Werkstoffauswahl werden Nachbearbeitungen der
Werkstückoberfläche zumindest weitgehend vermieden, sei es durch Ent
fernen der Randschicht, sei es durch örtliche Schweißarbeiten, und auch eine
Nachverdichtung der Werkstücke durch das sogenannte HIP-Verfahren ist
überflüssig geworden. Es ist bei Ventilen für Verbrennungsmotoren auch
nicht mehr erforderliche, Ventilteller und Schaft aus unterschiedlichen Werk
stoffen zusammenzusetzen, nur weil die Verarbeitung dieser Werkstoffe
schwierig ist.
Die erfindungsgemäße Gießform ermöglicht insbesondere die Herstellung
einwandfreier Gußteile im Schleudergußverfahren, weil die erfindungs
gemäßen Werkstoffe des Grundkörpers ein niedriges spezifisches Gewicht
aufweisen. Außerdem sind auch die erfindungsgemäßen Werkstoffe frei von
Sauerstoff bzw. Sauerstoffverbindungen, so daß eine Sauerstoffwanderung in
die Gußteile auch dann unterbleibt, wenn die Schale dünnwandig ausgebildet
ist, beispielsweise mit einer Wandstärke um etwa 2 mm, und/oder, wenn die
Gießform auf hohe Temperaturen vorgeheizt ist.
Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Erfindung nach den
Unteransprüchen besonders vorteilhaft,
- - wenn der tragende Grundkörper mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, in die die strukturfeste homogene gegebenenfalls mehr teilige Schale auswechselbar eingesetzt ist, oder
- - wenn der tragende Grundkörper mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, in der sich eine Schale befindet, die fest mit dem Grund körper verbunden ist, insbesondere wenn die Schale durch einen bindemittelfreien Beschichtungsvorgang aufgebracht ist, z. B. durch Flammspritzen, galvanische Prozesse, Explosionsverformung oder dergleichen.
- - Wenn der tragende Grundkörper mit der mindestens einen Aus nehmung aus gepreßtem und gesintertem sauerstofffreien Material besteht, insbesondere wenn der tragende Grundkörper aus gepreßtem und gesintertem Siliziumnitrid oder Graphit besteht.
- - Ganz besonders zweckmäßig soll der tragende Grundkörper aus einem sauerstofffreien Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht von höchstens 4,5 g/cm³ bestehen.
Die Herstellung der Schalen und der rein metallischen Grundkörper erfolgt
dabei durch Gießen und gegebenenfalls nachfolgende Bearbeitungsprozesse
herkömmlicher Art.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend an
hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen teilweisen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung mit
einem stationären Kaltwandtiegel mit Bodenauslaß und einer
Gießform, die als Schleudergießform mit einer Vielzahl von
Formhohlräumen ausgebildet ist,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, d. h.,
einen Radialschnitt durch die Gießform in Fig. 1 mit zusätz
lichen Details,
Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein Ventil eines Verbrennungsmotors,
hergestellt in einer herkömmlichen Kupfer-Kokille,
Fig. 4 einen Axialschnitt analog Fig. 4 durch ein Ventil eines Ver
brennungsmotors, hergestellt in einer erfindungsgemäßen
Gießform.
Fig. 1 zeigt eine Gießvorrichtung 1 mit einem druckfesten und gasdichten
Gehäuse 2, dessen Innenraum durch ein Schiebergehäuse 3 in eine
Schmelzkammer 4 und eine Formkammer 5 unterteilt ist. Im Schieberge
häuse 3 befindet sich ein Schieber 6, durch den zwei fluchtende Gieß
öffnungen 7 mittels einer Antriebsstange 8 verschließbar sind.
Im Innern der Schmelzkammer 4 befindet sich ein Kaltwandtiegel 9, dessen
Inhalt, der Gußwerkstoff, durch eine induktive Heizeinrichtung 10 aufge
schmolzen werden kann. Für die Versorgung mit Schmelzenergie dienen
zwei Stromanschlüsse 11 und 12. Der Kaltwandtiegel 9 besitzt in seinem
Boden 13 einen Bodenauslaß 14, der durch eine Verschlußeinrichtung 15, die
als Magnetspule ausgebildet sein kann, freigebbar und wieder verschließbar
ist. Der Strom für die Verschlußeinrichtung 15 wird über einen Anschluß 16
zugeführt. In die Decke 17 der Schmelzkammer 4 mündet eine Chargierein
richtung 18, von der nur das untere Chargierventil 19 angedeutet ist. Bau- und
Betriebsweise eines solchen Kaltwandtiegels sind bekannt und werden
daher nicht näher beschrieben. Es sei nur so viel gesagt, daß sich in einem
Kaltwandtiegel ein sogenannter "Skull" ausbildet, der eine Reaktion der
Schmelze mit dem Tiegelmaterial verhindert. Die Anschlüsse für einen
Kühlmittelkreislauf sind der Einfachheit halber fortgelassen.
Es versteht sich, daß der beschriebene, induktiv beheizte Kaltwandtiegel
auch durch einen solchen ersetzt werden kann, der mittels eines Lichtbogens,
einer Elektronenstrahl- oder Plasmakanone beheizt werden kann. Auch ist es
nicht erforderlich, die Schmelze durch einen Bodenauslaß abzugießen; viel
mehr ist es möglich, am oberen Tiegelrand einen Überlauf, eine sogenannte
Gießlippe, vorzusehen. In einem solchen Fall wird der Kaltwandtiegel
zweckmäßigerweise in einem sogenannten Kippstuhl aufgehängt und über
eine Drehachse entleert, die sich in der Nähe des Überlaufs befindet.
In der Formkammer 5 befindet sich eine Gießform 20, deren Einzelheiten an
hand der Fig. 2 nachstehend noch näher erläutert werden. Es sei hier nur so
viel ausgeführt, daß die Gießform 20 einen Eingußkanal 21 besitzt, der
konzentrisch zu einer senkrechten Achse A-A ausgerichtet ist, die mit der
Rotationsachse der Gießform 20 und der Tiegelachse übereinstimmt. Die
Gießform 20 ist konzentrisch in einem Schleuderteller 22 gehalten, der durch
eine Schleuderwelle 23 angetrieben werden kann, die mittels einer gas
dichten Drehdurchführung 24 durch einen Boden 25 der Formkammer 5 hin
durchgeführt ist. Die Formkammer 5 ist an eine Saugleitung 26 angeschlos
sen, die zu einem Vakuum-Pumpsatz führt, der aus mindestens einer Va
kuumpumpe, vorzugsweise aber aus einer Reihenschaltung von Vakuum
pumpen besteht, die für unterschiedliche Druckbereiche ausgelegt sind. In die
Formkammer 5 mündet weiterhin eine Gasleitung 27, durch die Inertgas zu
Kühlzwecken der Gießform 20 eingeführt werden kann. Öffnungen 28 im
Schleuderteller 22 erleichtern den Austausch der Kühlgase auch auf der
Unterseite der Gießform 20. Die Formkammer 5 ist weiterhin mit einer Tür 29
versehen, die zum Einsetzen und zum Herausnehmen der Gießform 20 dient.
Es sei darauf verwiesen, daß Fig. 1 nur eine sehr schematische Darstellung
der gesamten Gießvorrichtung zeigt.
Die Gießform 20 nach den Fig. 1 und 2 besteht aus einem Stapel paar
weise und spiegelbildlich zueinander angeordneter Scheiben 30 und 31, die
Formhohlräume 32 zwischen sich einschließen, die im vorliegenden Fall dem
in Fig. 4 gezeigten Ventil eines Verbrennungsmotors entsprechen. Die
Scheiben 30 und 31 sind zur Rotationsachse A-A koaxial ausgebildet, und
sämtliche Formhohlräume 32 sind an den gemeinsamen, gleichfalls in der
Rotationsachse A-A liegenden Eingußkanal 21 angeschlossen.
Jeweils ein Scheibenpaar 30/31 ist durch Distanzhalter 33 von dem benach
barten Scheibenpaar getrennt, wobei der Distanzhalter 33 auch den Einguß
kanal 21 auf dem Umfang abdichtet. Dadurch stehen nur die inneren Enden
der Formhohlräume 32 mit dem Eingußkanal 21 in Verbindung. An dieser
Stelle liegt das Ende der Ventilschäfte, die nach Beendigung von Gieß- und
Abkühlphase von dem Material abgetrennt werden müssen, das sich in dem
Eingußkanal 21 befindet. Die stapelförmige Anordnung von Scheiben 30 und
31 sowie der Distanzhalter 33 wird durch vier äquidistant auf den Umfang
verteilte Zuganker 34 zusammengehalten.
Mit einer Gießform 20 nach den Fig. 1 und 2 können gleichzeitig 40 Ven
tile gemäß Fig. 4 hergestellt werden.
Durch die Einwirkung des Kühlgases bei fortgesetzter Rotationsbewegung
der Gießform 20 kann auch eine gerichtete Erstarrung der Gußteile durchge
führt werden, und zwar ausgehend vom Außenumfang der Gießform, da an
dieser Stelle die Einwirkung des Kühlgases am intensivsten ist.
Fig. 2 zeigt vergrößert den oberen Teil der wiederverwendbaren Gießform
20 nach Fig. 1. Die Formhohlräume 32 in den Scheiben 30 und 31 sind von
Schalen 48 (einfach schraffiert) umgeben, die aus einem von nicht
metallischen Beimengungen freien Metall aus der Gruppe Tantal, Niob,
Zirkonium und/oder deren Legierungen bestehen. Dies besagt, daß die
Schalen 48 für sich dicht, kompakt, homogen und fest zusammenhängend
sind, also z. B. nicht durch Wasserstrahlen, Bürsten oder dergleichen entfernt
werden können und von einem Grundkörper 49 (kreuzschraffiert) gehalten
werden, der den Scheiben 30, 31 ihre Grundfestigkeit verleiht. Der Anteil
eines der Metalle Tantal, Niob oder Zirkonium im Schalenwerkstoff beträgt
dabei vorzugsweise mindestens 50 Gewichtsprozent. Die Innenflächen 32a
der Schalen 48 bzw. der Formhohlräume 32 stehen dabei mit dem Gußwerk
stoff in Berührung.
Dieser Grundkörper 49 kann aus mindestens einem der Metalle Titan, Titan
legierungen oder Titanaluminid bestehen. Der Grundkörper 49 kann aber
auch aus mindestens einem nichtmetallischen sauerstofffreien Werkstoff wie
beispielsweise aus Graphit und Siliziumnitrid bestehen. Der Grundkörper 49
besitzt Ausnehmungen 50, in denen die Schalen 48 angeordnet sind.
Für Schleuder-Gießformen sind Titan, Titanlegierungen, Titanaluminide,
Graphit und/oder Siliziumnitrid sehr gut als Werkstoffe für die Grundkörper 49
geeignet, weil die Menge des Werkstoffs der Grundkörper überwiegt und da
durch die rotierenden Massen gering gehalten werden können. Außerdem
haben diese Werkstoffe insbesondere im Verbund mit den Schalen 48 eine
hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit.
Mit einer Schleudergießform 20 nach den Fig. 1 und 2 wurden beispiels
weise Auslaßventile für Verbrennungsmotoren nach Fig. 4 hergestellt. Die
Schalen 48 bestanden aus einer Legierung aus 90 Gewichtsprozent Tantal
und 10 Gewichtsprozent Wolfram. Der in Fig. 4 gezeigte Axialschnitt durch
das Ventil läßt keinerlei Lunker, Hohlstellen oder andere Porösitäten erken
nen; auch die Oberfläche war von einwandfreier Beschaffenheit.
Beim Ersatz der Scheiben 30 und 31 durch Scheiben aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung mit einem hohen Kupferanteil ließen sich aus der gleichen
Titanlegierung nur Ventile gemäß Fig. 3 erzeugen, die in der Schliffebene
entlang nahezu der gesamten Längsachse Lunker und Hohlräume 35 auf
wiesen.
In einer Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 wurde im Kaltwandtiegel 9 die
Legierung 50 Ti 46 Al 2 Cr 2 Nb bei einem Druck von 10-1 mbar in der
Schmelzkammer 4 erschmolzen und nach dem Aufschmelzen für die Dauer
von 10 Minuten homogenisiert. Im Anschluß daran wurde die Schmelze bei
einer Schmelztemperatur von 1540°C bei einem Druck von 10-1 mbar in
die Gießform 20 in der Formkammer 5 abgegossen. Die Gießform 20 war zu
vor mittels nicht dargestellter Heizeinrichtungen auf eine Temperatur von
1400°C aufgeheizt worden. Während des Gießens rotierte die Gießform mit
1000 Umdrehungen pro Minute. Nach Beendigung des Abgusses wurde der
Schieber 6 geschlossen. Ca. 20 Sekunden nach Beendigung des Abgusses
wurde in die Formkammer 5 über die Gasleitung 27 Argon eingelassen, bis
ein Druck von 1000 mbar erreicht wurde. Die Rotationsbewegung der Gieß
form 20 wurde bis zur völligen Erstarrung der Gußteile fortgesetzt. Nach etwa
60 Minuten waren die Gußteile vollständig erstarrt, und die Gießform wurde
der Formkammer 5 entnommen. Die axialen Schliffbilder der einzelnen Ven
tile entsprachen denjenigen nach Fig. 4. Das Schliffbild zeigte keine sicht
baren Poren oder Lunker, so daß eine Nachverdichtung, beispielsweise durch
ein HIP-Verfahren, nicht erforderlich war.
Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit den Unter
schieden, daß an die Stelle der erfindungsgemäßen Gießform 20 Scheiben
aus Reinkupfer traten, die infolge der Eigenschaften dieses Werkstoffes nicht
vorgeheizt werden konnten. Bei Beginn des Abgusses hatte die Kokille mithin
Raumtemperatur. Nach dem Entnehmen der einzelnen Ventile aus der
Kupferkokille zeigten die Schliffbilder sämtlich das Aussehen nach Fig. 3,
d. h. entlang der Ventilachse befanden sich typische Lunker und andere
poröse Stellen, so daß derartige Ventile entweder verworfen oder durch ein
HIP-Verfahren nachverdichtet werden mußten.
Claims (8)
1. Gießform für die Mehrfachverwendung, insbesondere Schleudergieß
form, mit mindestens einem tragenden Grundkörper (49), in dem min
destens ein Formhohlraum (32) angeordnet ist, dessen der Schmelze
ausgesetzte Oberfläche (32a) eine strukturfeste, homogene Schale
(48) aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob,
Zirkonium und/oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser
Metalle ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (49) aus
mindestens einem der Werkstoffe aus der Gruppe Titan, Titan
legierungen, Titanaluminid, Graphit und Siliziumnitrid besteht.
2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50)
versehen ist, in die die strukturfeste homogene gegebenenfalls mehr
teilige Schale (48) auswechselbar eingesetzt ist.
3. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50)
versehen ist, in der sich eine Schale (48) befindet, die fest mit dem
Grundkörper (49) verbunden ist.
4. Gießform nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50)
versehen ist, in der sich eine Schale (48) befindet, die durch einen
bindemittelfreien Beschichtungsvorgang aufgebracht ist.
5. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) mit der mindestens einen Ausnehmung
(50) aus gepreßtem und gesintertem Material besteht.
6. Gießform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) aus gepreßtem und gesintertem Silizium
nitrid besteht.
7. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) aus Graphit besteht.
8. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
tragende Grundkörper (49) aus einem Werkstoff mit einem
spezifischen Gewicht von höchstens 4,5 g/cm³ besteht.
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