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