DE2010570B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von diskusaehnlichen gegenstaenden mit vorausbestimmbarer gefuegeorientierung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von diskusaehnlichen gegenstaenden mit vorausbestimmbarer gefuegeorientierung

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DE2010570B2 DE19702010570 DE2010570A DE2010570B2 DE 2010570 B2 DE2010570 B2 DE 2010570B2 DE 19702010570 DE19702010570 DE 19702010570 DE 2010570 A DE2010570 A DE 2010570A DE 2010570 B2 DE2010570 B2 DE 2010570B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Die Erfindung hetrilTt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von im wesentlichen diskusährlichen Gegenständen mit vorausbestimmbarer Gefiigeorientierung, bei dem eine auf 100° C über ihren Schmelzpunkt erhitzte Legierung in eine auf eine i<!)cr der Gießtemperatur liegende Temperatur erhitzte Gießform gegossen und aus dem Gußstück die Wärme am Boden abgezogen wird.
Es ist bekannt, Gußstücke mit gerichteter Struktur herzustellen. So ist beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 260 505 das Gießen von Gegenständen, die eins bestimmte Orientierung ihres kristallinen Gefüges in bezug auf die Längsachse aufweisen, beschrieben. Aus der USA.-Patentschrift 3 283 377 ist es bekannt, Gußstücke mit bestimmter Kornkonfiguration und in bestimmter Weise variierender Korngröße herzustellen, und in der schweizerisch ;n Patentschrift 453 590 wird ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus Aluminium oder Alurniniumlegierungen mit Zwillingskristallbildung beschrie-
ben. Grundsätzlich ist es beim Gießen von Gegenständen erwünscht, die Orientierung des dendritischen Gefüges zu überwachen, um die Festigkeitseigenschaften zu regeln. Bei den bisher bekannten Verfahren war es jedoch nicht möglich, Gegenstände, die
einen großen Durchmesser aufweisen, so kontrolliert zu gießen und die Erstarrung so zu überwachen, daß mit Sicherheit die gewünschte kristalline Orientierung durch die gesamte Scheibenform hindurch erfolgt. Dies hat den Nachteil, daß die durch die bestimmte kristalline Orientierung zu sichernden gewünschten Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit in der bestiinmten Richtung, bei solchen Gegenständen mit großem Durchmesser nicht sicher erreicht werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, Gegenstände mit großem Durchmesser, diskusähnliche Gußstücke, mit bestimmter Orientierung des dendritischen Gefüges herzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst ch.rch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Herstellung von im wesentlichen diskusähnlichen Gegenständen mit vorausbestimmbarer Gefügeorientierung, bei dem eine auf 1000C über ihren Schmelzpunkt erhitzte Legierung in eine auf eine über der Gießtemperatur liegende Temperatur erhitzte Gießform gegossen und aus dem Gußstück die Wärme am Boden abgezogen wird, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß in einer ersten Phase mittels gesteuerter Temperaturführung gleichzeitig am Boden des Gußstücks gerichtet erstarrte Körner erzeugt werden und an der Peripherie des Gußstücks der schmelzflüssige Zustand der Legierung erhalten wird und daß in einer zweiten Phase durch stufenweise Minderung der Wärmezufuhr das Dendritwachstum so gesteuert wird, daß innerhalb des Diskus im wesentlichen radial gerichtete Körner entstehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich Keime eingebracht werden, um die gewünschte Kornorientierung der erstarrten Legierung vorzugeben. Diese zusätzlichen Keime können zweckmäßig ringförmig angeordnet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich relativ flache, in einer Richtung erstarrte Gegenstän-
de gießen, bei denen d'js dendritische Wachstum die gewählte Orientierung aufweist. Die dendritische Orientierung kann dabei vorteilhaft eine wesentliche (100) Tangentialorientierung sein und/oder, wenn es sich um die Herstellung von scheibenförmigen Gegenständen handelt, die bei ihrer Verwendung vorwiegend in radialer Richtung belastet werden, hauptsächlich eine (010) Radialorientierung darstellen. Es gelingt mit dem crfmdungsgemäßen Verfahren, sol-
eben diskusähnlichen Gegenständen gewünschte Festigkeiten oder sonstige Eigenschaften in der gewählten Richtung zu geben.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine solche, die eine gegenstandsbildende Gußform mit oberer axialer Verlängerung mit Einfüllöffnung und unterer axialer, unten offener Verlängerung, die auf einer Kühlplatte ruht, mit Heizelementen und Isolierung umgeben ist, aufweist, wobei die Wände des zur Ausbildung des Gußstücks dienenden Formhohlraumes der Gießform mit der Isolierung direkt umgeben sind, und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Dicke der Isolierung zur Mitte der Form hin abnimmt und neben der den Umfang der Gießform umgebenden Heizspule mittlere Heizspulen über und unter der Gießform neben den axialen Verlängerungen und weitere Heizspulen über und unter der Gießform zu deren Umfang hin angeordnet und in konzentrischer Stellung in bezug auf Jie mittleren Heiztpulen gelegen sind. Zweckmäßig ist dabei der diskuslihnliche Formhohlraum durch sich vom Umfang der Gießform nach außen erstreckende Verlängerungen verlängert.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnung nachstehend näher veranschaulicht. Es zeigt
F i g. 1 einen zum Teil schematischen vertikalen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß üer Erfindung,
F i g. 2 einen vertikalen Querschnitt durch einen Teil einer abgeänderten Ausführungsform einer Vorrichtung,
F i g. 3 eine schematische Darstellung der dendritischen Orientierung,
F i g. 4 einen vertikalen Querschnitt durch einen Teil einer Gießform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
F i g. 5 einen Schnitt nach 5-5 der F i g. 4,
F i g. 6 einen zum Teil schematischen vertikalen 'Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 7 einen horizontalen Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß Fig. 6,
F i g. 8 einen zum Teil schematischen vertikalen •Querschnitt dt-rch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und
Fi g. 9 einen horizontalen Querschnitt durch einen Teil der Gießform der Vorrichtung gemäß F i g. 8.
Die in F i g. 1 veranschaulichte Vorrichtung besteht aus einer Kühlplatte 10, die eine Gießform 12 trägt, welche eine relativ weite horizontale Ausdehnung hat und zur Herstellung eines diskusähnlichen Gegenstands Verwendung findet. Am unteren Ende der Gießform befindet sich eine axiale Verlängerung 14, die auf der Kühlplatte 10 aufsitzt, und am oberen Ende der Gießform erstreckt sich eine axiale Verlängerung 16 nach oben, in der eine öffnung zum Füllen der Gießform vorgesehen ist. Die Innenwand der Gießform besteht aus zwei Teilen 12 α und 12 b. Man kann jedoch auch eine Gießform verwenden, die einteilig ausgebildet ist. Die Verlängerung 14 der Gießform ist mit einer Isolierung 18 umgeben, und der mittlere Teil der Gießform, in dem der diskusähnliche Gegenstand geformt wird, ist mit einer Isolierung 20 umgeben, deren Dicke zur Mitte der Gießform hin abnimmt. Ringförmige Heizspulen 22 und 24 sind über und unter der Gießform neben der oberen bzw. unteren Verlängerung angeordnet, und weitere Heizspulen 26 und 28 sind über und unter der Gießform zu deren Umfang hin und konzentrisch zu den Heizspulen 22 und 24 angeordnet. Eine Heizspule 30 umgibt den Umfang der Gießform.
Bei der Durchführung des erfindungsgemüßen Verfahrens arbeitet man wie folgt;
Die Gießform wird in eine geheizte Kammer eingebracht, und darin wird die Temperatur der Gießform über den Schmelzpunkt der zu gießenden Legierung erhöht. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird die Legierung, die ihrerseits mindestens bis zu 100% über ihren Schmelzpunkt erhitzt worden ist, durch die obere Gießöffnung in die Gießform eingefüllt. Der Kühlplatte 10 wird ein Kühlmittel zugeführt, und auf diese Weise wird innerhalb der Gießform ein starkes Temperaturgefälle erzeugt. Dadurch bilden sich ver.'kal orientierte, in einer bestimmten Richtung erstarrte Körner in der die axiale Verlängerung 14 füllenden Legierung, und diese Erstarrung pflanzt sich nach oben weiter fort.
Während dieses Vorgangs wird der Gießform durch die Heizspulen Hitze zugeführt. Dadurch wird die Temperatur der Teile der Form, die sich von der axialen Verlängerung aus zum Umfang hin erstrekken, sowie die Temperatur des im darüberliegenden Raum befindlichen Metalls über dessen Schmelzpunkt gehalten. Wenn die Erstarrung bis in den Teil fortgeschritten ist, der direkt über der axialen Verlängerung 14 gelegen ist, setzt sich das Wachstum der Körner in vertikaler Richtung fort, weil durch die Kühlplatte 10 Hitze abgezogen wird. Die vertikal orientierten Körner am Rande der Erstarrungszone fangen an, sich radial nach auswärts weiterzubilden. Wenn die Erstanung den Stand erreicht hat, der in Fig. 1 durch die Linie 34 dargestellt ist, wird ein Temperaturgefälle in dem diskusähnlichen Teil der Gießform eingestellt; die Temperatur wird von der Mitte der Form aus zum Umfang hin verringert. Dazu wird zunächst die Energiezufuhr zu den Heizspulen 22 und 24 vermindert, dann wird die Energiezufuhr zu den Heizspulen 26 und 28 verringert, und schließlich wird die Energiezufuhr zur Heizspule 30 reduziert. Das auf diese Weise erzielte Temperaturgefälle in radialer Richtung verursacht ein radiales Anwachsen der Dendriten in den vertikalen Säulcnkörnern, die sich in der Randzone der Verlängerung 14 befinden, und dadurch, daß in den verschiedenen Körner die unterschiedlich orientierten Dendriten alle sich radial ausbilden, erfolgt ein schnelles Anwachsen der radialen Kornorientierung, und dadurch werden in dem gesamten diskusähnlichen Oußjtiick im wesentlichen radial angeordnete Dendriten ausgebildet. Ebenso wie in der axialen Verlängerung 14 die Ausbildung von vertikal orientierten Körnern gegenüber anderen Körnern infolge des vertikalen Tcmpcraturgefälles beschleunigt ist, wird in dem diskusähnlichen Hauptteil infolge des radialen Tcmpcraturgcfälles da<< Anwachsen der radial orientierten Körner gegenüber anderer. Kornausbildungen beschleunigt und bevorzugt. Dieser Vorgang wird schematisch in F i g. 3 veranschaulicht. Bei einem derartigen Wachsen der Körner resultiert eine (010) radiale Orientierung und eine (100) Tangentialorienticrung.
Bei Verwendung der in F i g. 2 veranschaulichten Vorrichtung erreicht man eine besonders gute Form der Orientierung. Bei dieser Vorrichtung ist ^nf der Kühlplatte aufliegend innerhalb des sich längs der
Achse erstreckenden Teils 14' der Gießform ein Keim 36 vorhanden. Dieser Keim 36 besteht aus einzelnen keilförmigen Partien 38. deren jede eine dem zuzuordnenden Teil des diskusähnlichen Gegenstands entsprechende ausgewählte Orientierung hat. Es wird wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. I beschrieben gearbeitet. Wenn die geschmolzene Legierung in die Gießform eingefüllt worden ist, bewirken die keilförmigen Partien 38 ein vertikales dendritisches Wachstum der erstarrenden Körner, wobei die gewünschte horizontale Orientierung des diskusähnlichen Gegenstands entsprechend diesen keilförmigen Partien je für den diesen anliegenden Teil des Gegenstands sich ausbildet. Die auf diese Weise erzielte Orientierung ist in F i g. 3 veranschaulicht. Man erkennt, daß der Kern 36 aus keilförmigen Partien 38 besteht, und zwar aus acht Keilen, von denen jeder einen Winkel von 45 umschließt und die angegebene Orientierung hat. Der so gebildete diskusähnliche Gegenstand besteht aus dendritischen Gebilden, die im wesentlichen eine (010) radiale und eine (100) tangential Orientierung haben. Wenn man einen Keim 36 verwendet, der eine größere Anzahl von keilförmigen Partien aufweist, so kann man in dem diskusähnlichen Gegenstand eine noch genauer radiale Körnerverteilung erreichen. Durch ein geregeltes radiales Temperaturgefälle, wie es zuvor im Zusammenhang mit der Vorrichtung der Fi g. 1 erläutert worden ist, wird ein geregeltes Anwachsen der Körner durch den gesamten diskusähnlichen Gegenstand hindurch bis zu dessen Rand hin ermöglicht.
In den F i g. 4 und 5 ist eine abgeänderte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht. Die Gießform 40 hat einen scheibenartigen bzw. diskusähnlich geformten Innenraum 42 und einen sich nach unten erstreckenden axialen Vorsprung 44, der der Verlängerung 14 der F i g. 1 entspricht. Blätter- oder schaufelförtnige Verlängerungen 46 erstrecken sich von der Peripherie der Gießform 40 nach außen und bilden blätterförmige Kammern 48. wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Ein in einer solchen Vorrichtung in der zuvor beschriebenen Arbeitsweise gegossenes und erstarrtes diskusähnliches Gußstück mit Schaufeln kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einstückig hergestellt werden. Man kann dabei die bevorzugte Orientierung des Körnerwachstums in dem Gußstück mit der gewünschten (OiO) radialen Orientierung in den Schaufeln gleichzeitig erzielen und so die gewünschten Festigkeitseigenschaften erhalten, so daß ein solches Gußstück hervorragend als Turbinenscheibe verwendbar ist. Man kann, wie zuvor mit Bezug auf F i g. 2 und 3 beschrieben, einen Keim mit so vielen keilförmigen Partien mitbenutzen, daß ein genaues radiales Anwachsen der Körner in den die Schaufeln bildenden Teilen des Gußstücks gewährleistet ist. So kann man zum Beispiel einen Keim mit zwei keilförmigen Partien für je zwei Schaufeln verwenden. Die Orientierung der verschiedenen keilförmigen Partien wird sorgfältig gewählt, damit ein genaues radiale«. Wachstum der Körner gewährleistet ist.
F.ine weitere Aiisführungsform einer erfinduncsccmäßen Vorrichtung ist in den F i g. 6 und 7 gezeigt. Die Gießform besteht aus einzelnen Gießformteilen
ίο 50, die «ich von einer zentralen Gießkammer 52 radial nach außen erstrecken. Die Gießkammer 52 umgibt eine vertikale zylinderförmige Kälteplatte 54. Die Kälteplatte 54 ist von Keimabschnitten 56 umgeben, von denen je einer für jeden Gießformteil 50 vorhanden ist. Diese Abschnitte 56 bedingen die Richtung des Körnerwachstums in jedem Gießformteil. Die Körner wachsen in jedem Gießformteil 50 und in dem zwischen den Gießformteilen 50 und der zentralen Gießkammer 52 vorhandenen Verbin-
ao dungsstücken 58 in radialer Richtung nach außen Das Temperaturgefälle in radialer Richtung wird mittels der Kälteplatte und Heizeinrichtungen, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben sind, geregelt. Durrh das geregelte Temperaturgefälle wird in jedem Gießformteil 50 die Erstarrung der Legierung in einer bestimmten Richtung und die Bildung eines Gußstücks mit radialer Körnerorientierung bewirkt. Solche Gußstücke können aus hcchschmelzenden Legierungen gegossen und als Turbinenschaufeln verwendet werden.
In den Fi g. 8 und 9 ist eine wiederum abgeänderte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Die diskusähnliche Gießkammer 62 der Gießform 60 umschließt eine zentrale vertikale zylinderförmige Kühlplatte 64. Der Umfang der Gießform 60 weist Einschnitte 66 auf. Diese dienen dazu, die einzelnen Schaufeln am Umfang des diskusähnlichen Gegenstands zu bilden, wenn als Turbinenscheibe mit Schaufeln zu verwendende Gußstücke gegossen werden sollen. Ein Ring 68 aus einzelnen Keimabschnitten 70 umgibt die Kühlplatte 64 in Höhe der breitesten Ausdehnung der Kammer 62. Jeder der Keimabschnitte 70 besteht aus in bestimmter Richtung erstarrtem Material mit geeignet orientierten Körpern und dient dazu, die Orientierung des Körnerwachstums in der Gießkammer 62 in einer bestimmten Richtung zu regeln. Es werden, wie im Zusammenhang mit Fi g. 1 beschrieben, ringförmige Heizspulen benutzt, um das gewünschte radiale Temperaturgefäl-Ie zu schaffen. Durch Verwendung einer geeigneter Zahl von Keimabschnitten kann das genaue radiale Kömenvachstum durch den gesamten diskusähnlichen Gegenstand hindurch bis in die einzelner Schaufeln hinein reguliert und erreicht werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von irr, wesentlichen diskusähnlichen Gegenständen mit vorausbestimmbarer Gefügeorientierung, bei dem eine auf 100° C über ihren Schmelzpunkt erhitzte Legierung in eine auf eine über der Gießtemperatur liegende Temperatur erhitzte Gießform gegossen und aus dem Gußstück die Wärme am Boden abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Phase mittels gesteuerter Temperaturführung gleichzeitig am Boden des Gußstücks gerichtet erstarrte Körner erzeugt werden und an der Peripherie des Gußstücks der schmelzflüssige Zustand dei Legierung erhalten wird und daß in etnsr zweiten Phase durch stufenweise Minderung der Wärmezufuhr das Dendritwachstum so gesteuert wird, daß innerhalb des Diskus im wesentlichen radial gerichtete Körner entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Keime eingebracht werden, um die gewünschte Kornorientierung der erstarrten Legierung vorzugeben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnt , daß die zusätzlichen Keime ringförmig angeordnet werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 b:s 3, iei der eine gegenstandsbildende Gußtorm mit oberer axialer Verlängerung mit Einfüllöffnung und unterer axialer unten offener Verlängerung, die auf einer Kühlplatte ruht, mit Heizelementen und Isolierung umgeben ist, wobei die Wände des zur Ausbildung des Gußstücks dienenden Formhohlraumes der Gießform mit der Isolierung direkt umgeben Sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierung (20) zur Mitte der Gießform (12) hin abnimmt und neben der den Umfang der Gießform (12) umgebenden Heizspule (30) mittlere Heizspi Ich (22 und 24) über und unter der Gießform (12) neben den axialen Verlängerungen (16 lind 14) und weitere Heizspulen (26 und 28) über und unter der Gießform (12) 7U deren Umfang hin angeordnet und in konzentrischer Stellung in bezug auf die mittleren Heizspulen (22 und 24) gelegen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der diskusähnliche Formhohlfaum (42) durch sich vom Umfang der Gießform (40) nach außen sich erstreckende Verlängerungen (46) verlängert ist.
DE19702010570 1969-03-13 1970-03-06 Verfahren und vorrichtung zur herstellung von diskusaehnlichen gegenstaenden mit vorausbestimmbarer gefuegeorientierung Withdrawn DE2010570B2 (de)

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