DE19843354C1 - Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer in eine Formschale gegossenen Metallschmelze sowie ein Verfahren hierzu - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer in eine Formschale (7) gegossenen Metallschmelze, beispielsweise einer CoCrAlY-Legierung, durch Herausbewegen der Formschale (7) aus einer Heizkammer (2) und Eintauchen der Formschale (7) in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad (15) ist das Flüssigmetallbad (15) von einer stromdurchflossenen Leiterschleife, vorzugsweise von mehreren, koaxial zueinander angeordneten Ringspulen (14, 14a, 14b) umschlossen, wobei die Ringspulen (14, 14a, 14b) phasenversetzt entsprechend dem speisenden Drehstrom arbeiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer in einer Formschale gegossenen Metallschmelze, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Es ist eine Vorrichtung zur gerichteten Erstarrung von Schmelzen in einer Formschale bekannt (DE 42 42 852), die über ihrer Länge unterschiedliche Querschnitte aufweist und relativ zu einer Wärmequelle bewegbar ist, wobei zwischen der Wärmequel­ le und einer Wärmesenke ein Wärmeisolationsblock angeordnet ist, der eine Öffnung zum Hindurchfah­ ren der Formschale aufweist, wobei die Formschale Außenrippen aufweist, die orthogonal zur Bewe­ gungsrichtung angeordnet sind, die die Formschale formschlüssig umgeben und in ihrer Außenkontur der Öffnung des Wärmeisolationsblockes angepaßt sind.

Diese Vorrichtung eignet sich jedoch nicht für die Herstellung von vergleichsweise dünnwandigen Guß­ teilen aus hochschmelzenden Metallegierungen, so­ genannten Superlegierungen. Außerdem muß die Vor­ richtung der Konfiguration jedes Gußteils genau angepaßt sein, weshalb der Einsatz derartiger Vor­ richtungen außerordentlich kostspielig ist.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Herstel­ lung eines metallischen Gußkörpers nach dem Fein­ gußverfahren (DE 42 16 870), insbesondere eines Gußkörpers aus Aluminium oder aus einer aluminium­ haltigen Legierung durch Gießen einer Schmelze des Metalls in eine Gießform aus Keramik mit porösen Wänden und Abkühlen und Erstarren der Schmelze un­ ter Verwendung eines Kühlmittels, wobei als Kühl­ mittel eine die Gießformwand allmählich penetrie­ rende Kühlflüssigkeit eingesetzt wird, deren Sie­ detemperatur niedriger als die Eingießtemperatur der Schmelze ist und in die die Gießform von einem Ende aus beginnend stetig eingetaucht wird, der­ art, daß die als Grenzfläche zwischen Schmelze und bereits erstarrtem Metall sich bildende Erstar­ rungsfront und der Penetrationsbereich, in dem die Gießformwand von der Kühlflüssigkeit über ihre Dicke durchdrungen ist, sich im wesentlichen in Richtung der freien Schmelzenoberfläche bewegen, wobei die Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in die Kühlflüssigkeit, die Dicke und die Porosität der Gießformwand sowie die Viskosität und die Dichte der Kühlflüssigkeit so aufeinander abge­ stimmt sind, daß in Bewegungsrichtung der Erstar­ rungsfront gesehen der Penetrationsbereich der Er­ starrungsfront nacheilt.

Dieses Verfahren eignet sich speziell für niedrig­ schmelzende Legierungen, beispielsweise für eine Aluminium-Silizium-Magnesiumlegierung, wobei die Kühlflüssigkeit eine Emulsion aus Wachs und Wasser und die Gießform aus poröser Keramik gefertigt ist.

Darüber hinaus ist ein Gießgerät für die gerichte­ te Erstarrung von schmelzflüssigem Metall bekannt (DOS 28 15 818) mit einem Wärmeofen, der ein offe­ nes Ende hat, durch das eine erhitzte Form, die schmelzflüssiges Metall enthält, abgesenkt wird, mit einem flüssigen Kühlbad, das unterhalb des of­ fenen Endes des Ofens angeordnet ist, und mit Vor­ richtungen zum allmählichen Absenken der erhitzten Form aus dem Ofen durch das offene Ende und zum Eintauchen derselben in das Kühlbad, wobei eine wärmeisolierende Trennplatte, die zwischen dem of­ fenen Ende des Ofens und dem flüssigen Kühlbad an­ geordnet ist und so aufgebaut ist, daß ihre Dichte kleiner ist als die des flüssigen Kühlmittels, so daß sie während des Erstarrungsprozesses auf der Badobefläche schwimmt, wobei die Trennplatte we­ nigstens eine Durchgangsöffnung hat, die in eine Linie unter dem offenen Ofenende angeordnet ist, um das Absenken der Form aus dem Ofen durch die Trennplatte hindurch und in das Kühlbad zu gestat­ ten, wobei die Trennplatte die Form umgibt, wenn sie zum dem Kühlbad hin abgesenkt wird, um Wärme­ verluste der Form zu minimieren, bis die Form ein­ getaucht ist, wobei durch die Minimierung der Wär­ meverluste der Wärmegradient in der Form wesent­ lich verbessert wird und wobei die schwimmende Trennplatte außerdem die Verdampfung der flüssigen Kühlmittels während des Absenkens der Form verrin­ gert und eine glatte Badoberfläche für eine gleichmäßige Kühlung schafft.

Für dieses vorbekannte Gießgerät wird ein schmelz­ flüssiges Zinnbad mit einer Temperatur von etwa 260°C benutzt, um einen besonders hohen Wärmegra­ dienten und einen kurzen Gießzyklus zu erzielen.

Weiterhin ist eine Vorrichtung zum gerichteten Er­ starren einer in eine Gießform gegossenen Metall­ schmelze bekannt (DE 43 21 640), beispielsweise Nickel, durch Herausbewegen der Gießform aus einer Heizkammer und Eintauchen der Gießform in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad niedrige­ ren Schmelzpunktes als die Metallschmelze in der Gießform, beispielsweise Aluminium, wobei zur Ab­ dichtung zwischen der Heizkammer und der Gießform auf der Kühlschmelze eine schwimmende, aus einem fließfähigen Material bestehende Wärmeisolations­ schicht aufgegeben und, bevor die Gießform die Wärmeisolationsschicht durchdringt und in die Kühlschmelze eintaucht, die Heizkammer oder die Kühlschmelze so weit verfahren wird, daß die Heiz­ kammer die Wärmeisolationsschicht berührt oder in sie eintaucht.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Einkristall­ züchtung (DOS 37 09 731), gekennzeichnet durch ei­ nen zylindrischen Schmelztiegel, eine ringförmige Heizeinrichtung, die koaxial mit der Mittelachse des Schmelztiegels an der Außenseite des Schmelz­ tiegels angeordnet ist, um eine elektrisch leitfä­ hige Substanz in dem Schmelztiegel zu schmelzen, und ein Paar entgegengesetzt zueinander, in Bezug auf die Mittelachse des Schmelztiegels symmetrisch an der Außenseite der Heizeinrichtung angeordne­ ter, elektromagnetischer Wicklungen, die im we­ sentlichen auf der gleichen Höhe an dessen Rotati­ onsachse angeordnet sind, wie die Flüssigkeits­ oberfläche der Substanz, die in diesem Schmelztie­ gel geschmolzen wird, wobei der effektive Durch­ schnittsradius der Wicklung das 1,5- bis 5-fache des Radius des Schmelztiegels beträgt.

Bei dieser Vorrichtung sollen die den Schmelztie­ gel umschließenden elektromagnetischen Wicklungen sicherstellen, daß ein Magnetfluß im wesentlichen entlang des Außenumfangs und des Bodens des Schmelztiegels über einen breiten Bereich des ge­ schmolzenen Materials die Kovektion und die zirku­ lierte Strömung im wesentlichen rechtwinklig kreuzt, um die Strömung des geschmolzenen Materi­ als wirksam zu unterdrücken.

Schließlich ist eine Vorrichtung bekannt (F. Hugo, H. Mayer, R. F. Singer: Directional und Single Crystal Solidification Using Liquid Metal Cooling, 42^nd Technical Meeting ICI, Atlanta, September 1994; Seite 8, Fig. 9) zum gerichteten Erstarren einer in eine Gießform gegossenen Metallschmelze durch Herausbewegen der Gießform aus einer Heizkammer und Eintauchen der Gießform in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad, wobei das Metallbad mittels eines mechanischen Rührwerkes bewegt wird, um sicher zu stellen, daß keine Wärmenester im Bereich der Außenfläche der Gießform entstehen, die einer gerichteten Erstarrung entgegenwirken. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die Rührvorrichtung keine gleichmäßigen und kon­ trollierten Strömungen im Flüssigmetallbad erzeugen kann und darüber hinaus auch störanfällig ist und einen relativ großen Platzbedarf hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die Nachteige der bekannten Vorrichtungen vermieden werden und bei der sichergestellt ist, daß die mechanischen Bauteile inner­ halb des Flüssigmetallbades bei Erstarren und Aufschmelzen infolge Wärmedehnung keine Probleme erzeugen.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 und mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 3 gelöst.

Vorzugsweise arbeiten die Ringspulen phasenversetzt entsprechend dem speisenden Drehstrom.

Mit Vorteil sind zwei Leitbleche oder Gruppen von Leitblechen vorgesehen, die beide eine ringförmige Konfiguration aufweisen und die die in das Flüssigmetallbad eintauchende Formschale mit Abstand umschließen und gemeinsam einen Ringspalt bilden, durch den die Metallschmelze radial nach Innen zu auf die Formschale zuströmt.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh­ rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist rein schema­ tisch in der anhängenden Zeichnung dargestellt, die den Längsschnitt durch einen Formenheizer mit einem unter diesem angeordneten Flüssigmetallbe­ hälter mit drei diesen umgreifenden Induktionsspu­ len zeigt.

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Formenheizer 2 in Gestalt eines hohlzylindrischen Gehäuses 3 mit einem kreisscheibenförmigen Ober­ teil 4 mit Kragen 5 und Deckel 6 und mit drei im Gehäuse 3 gehaltenen, eine Formschale 7 umschlie­ ßenden Heizelementen 8, 9, 10, weiterhin aus einem unterhalb des Formenheizers 2 angeordneten Flüs­ sigmetallbad 11 mit einer doppelwandigen Wanne 12 mit einem Kühl-/Heizflüssigkeitszu-/-ablauf 13, 13a, mit drei die Wanne 12 umschließenden In­ duktionsspulen 14, 14a, 14b, einer die Kühlmetall­ schmelze 15 nach oben zu abdeckenden, auf dieser schwimmenden, aus einem fließfähigen und schüttfä­ higen Material bestehenden Wärmeisolationsschicht 16 und einem kragenförmigen Leitblech 17.

Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind in der Zeichnung die die Vorrichtung umgebenden bzw. die Schmelzenergie erzeugenden Aggregate und Bauteile nicht näher dargestellt. So sind die Heizelemente 8, 9, 10 und die Induktionsspulen 14, 14a, 14b an Stromversorgungen angeschlossen. Die Formschale 7 wird von einer Halterung getragen, die das Absen­ ken und Anheben der Gießform 7 in Pfeilrichtung A- B gestattet und der abgebildete Vorrichtungsteil befindet sich insgesamt in einer Vakuumkammer, so daß das Eingießen der hochschmelzenden Metallegie­ rung in die Formschale 7 und der Erstarrungsprozeß unter Sauerstoffabschluß erfolgen können.

Nach dem Eingießen der hochschmelzenden Metalle­ gierung über den Einguß 18 in die Formschale 7 wird diese in Pfeilrichtung B abgesenkt, bis sie die strichliert eingezeichnete Endposition er­ reicht hat und nahezu vollständig von der Kühl­ schmelze 15 umspült ist. Gleichzeitig sind die drei Induktionsspulen 14, 14a, 14b von einem (3-Phasen-) Wechselstrom (z. B. 50-300 V, 100-150 kW) durchflossen mit der Wirkung, daß in der Kühlmetallschmelze (z. B. einer Zinnschmelze) eine Strömung entsteht, deren Stromfaden etwa dem strichpunktiert eingezeichneten Verlauf folgt. Dieser Strömungsverlauf der Kühlmetallschmelze wird unterstützt durch die Leitbleche 17, 17a, die beide zusammen eine Art Düse 19 bilden und den Strömungspfad zwingen, an der Außenfläche der Formschale 7 entlang zu strömen, und zwar von oben nach unten zu. Die Wärmeisolationsschicht 16 wird im dargestellten Fall von einer Granulatschicht gebildet, die auf der Kühlmetallschmelze 15 schwimmt und einen zu großen Wärmeverlust im Be­ reich der Oberfläche der Schmelze verhindert.

Die beiden Leitbleche 17, 17a weisen beide eine ringförmige Konfiguration auf, wobei das obere Leitblech 17a etwa kreisringförmig ist und das un­ tere Leitblech 17 im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet und mit einem in radialer Richtung ausgerichteten Kragen oder Flanschteil 17' verse­ hen ist.

Bezugszeichenliste

2

Formenheizer

3

Gehäuse

4

Oberteil

5

Kragen

6

Deckel

7

Gießform, Formschale

8

Heizelement

9

Heizelement

10

Heizelement

11

Flüssigmetallbad

12

Wanne

13

,

13

aKühl-/Heizflüssigkeitszu-/-ablauf

14

,

14

a,

14

bInduktionsspule, Ringspule

15

Kühlmetallschmelze

16

Wärmeisolationsschicht

17

,

17

aLeitblech

17

'Kragenteil, Flanschteil

18

Einguß

19

Spalt

Claims (3)

1. Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer in eine Formschale (7) gegossenen Metallschmelze, beispielsweise einer CoCrAlY-Legierung, durch Herausbewegen der Formschale (7) aus einer Heizkammer (2) und Eintauchen der Formschale (7) in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad (15) mit niedrigerem Schmelzpunkt als die Metallschmelze in der Formschale (7), beispielsweise Zinn, wobei das Flüssigmetallbad (15) von mehreren stromdurchflossenen, koaxial zueinander angeordneten Ringspulen (14, 14a, 14b) umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen der seitlichen Mantelfläche der Formschale (7) und der dieser gegenüber liegenden Innenwand der das Flüssigmetallbad (15) enthaltenden Schale (12) ein oder mehrere Leitbleche (17, 17a) zur Ausrichtung des Stromfadens der bewegten Metallschmelze angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leitbleche (17, 17a) oder Gruppen von Leitblechen vorgesehen sind, die beide eine ringförmige Konfiguration aufweisen und die in das Flüssigmetallbad (15) eintauchende Formschale (7) mit Abstand umschließen und gemeinsam einen Ringspalt (19) bilden, durch den die Metallschmelze radial nach innen auf die Formschale (7) zuströmt.

3. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer in eine Formschale (7) gegossenen Metallschmelze, beispielsweise einer CoCrAlY-Legierung, durch Herausbewegen der Formschale (7) aus einer Heizkammer (2) und Eintauchen der Formschale (7) in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad (15) mit niedrigerem Schmelzpunkt als die Metallschmelze, beispielsweise Zinn, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetallbad Magnetfeldern ausgesetzt wird, die von stromdurchflossenen, das Flüssigmetallbad umschlingenden Ringschleifen (14, 14a, 14b) erzeugt werden, die phasenversetzt von dem sie speisenden Drehstrom beaufschlagt werden und daß eine von den Magnetfeldern der Ringspulen (14, 14a, 14b) erzeugte Strömung im Flüssigkeitsbad mit Leitblechen (17, 17a) ausgerichtet wird.