DE2349898C3

DE2349898C3 - Metallurgical mold for the production of metallic workpieces

Info

Publication number: DE2349898C3
Application number: DE19732349898
Authority: DE
Inventors: Maurice Chatillon; Bibring Herve Meudon; Rabinovitch (Frankreich)
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1977-03-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Form zur Herstellung metallischer WerNtücke, bestehend aus einer gut wärmeleitenden Wandung und einer durch Aufsprühen im Schmelzzustand oder durch eine Azetylen-Sauerstoff-Flamme in Form einer wenig porösen Schicht aufgebrachten inneren Auskleidung aus einem temperaturfesten Oxyd mit einer Stärke von mindestens 0,1 mm.The invention relates to a mold for the production of metallic pieces, consisting of a well heat-conducting wall and one by spraying on in the molten state or by an acetylene-oxygen flame in the form of a less porous layer applied inner lining made of a temperature-resistant oxide with a thickness of at least 0.1 mm.

Bei bestimmten, metallurgischen Prozessen müssen gewisse Gesetzmäßigkeiten in der Abhängigkeit der thermodynamischen Größen von der Zeit sowie von dem sich während der Behandlung ändernden Niveau der metallischen Masse beachtet werden. Dies ist beispielsweise bei der Gewinnung metallischer Werkstotie mit orientierter kristalliner Struktur im Wege der gerichteten Erstarrung der Fall, in deren Verlauf in einer ersten Phase eine in einer Form untergebrachte metallische Masse von ihrem oberen Bereich aus zunehmend nach unten geschmolzen wird, während in einer zweiten Phase so vorgegangen wird, daß die Erstarrungsfront von unten nach oben fortschreitet, wobei ein erhöhter Temperaturgradient im Bereich der Erstarrungsfront aufrechterhalten wird. Die gerichtete oder orientierte Erstarrung wird im wesentlichen in zwei verschiedenen Fällen angewendet:In certain metallurgical processes, certain regularities must depend on the thermodynamic quantities over time as well as on the level changing during the treatment the metallic mass must be observed. This is for example the extraction of metallic works material with oriented crystalline structure by way of directional solidification is the case in the course of this in a first phase a metallic mass housed in a mold from its upper part is melted from progressively downwards, while in a second phase it is proceeded so that the solidification front progresses from bottom to top, with an increased temperature gradient in the area the solidification front is maintained. Directed or oriented solidification is essentially applied in two different cases:

Im ersten Fall wird sie bei temperaturfesten, extrem harten Legierungen angewendet, die zum frühzeitigen Bruch durch Dekohäsion im Korngrenzbereich nei gen. Das genannte Verfahren verleiht diesen Legie rungen eine Struktur mit sehr langem Korn, das kein« Korngrenzen senkrecht zur Erstarrungsrichtung be sitzt und demzufolge verbesserte mechanische Eigen schäften aufweist.In the first case, it is used for temperature-resistant, extremely hard alloys, which are used for premature Tend to break through decohesion in the grain boundary area. The process mentioned gives this alloy a structure with a very long grain that has no « Grain boundaries perpendicular to the direction of solidification be seated and consequently improved mechanical properties has shafts.

In einem zweiten FeII wird die orientierte Erstar rung bei gewissen Legierungen mit besonderer Zwei phasigkeit, wie sie beispielsweise Gegenstand de: ίο DT-PS 2018770 sind, angewendet. Außer der Struk tür mit länglichem Korn wird hierbei erreicht, daß ir jedem Korn eine der Phasen in Form von Fasern odei parallelen Lamellen mit gleichmäßiger Verteilung ir der Grundmasse wächst. Es ist bekannt, daß im zweiIn a second FeII the oriented solidification tion in certain alloys with special two phase, as they are, for example, the subject of de: ίο DT-PS 2018770, applied. Except the structure With an elongated grain it is achieved that in each grain one of the phases in the form of fibers or parallel lamellae with even distribution ir the ground mass grows. It is known that in the two

¹S ten Fall bei der Herstellung mit einem etwa drei- bi; vierfachen Temperaturgradienten und mit einer etw< zehnmal geringeren Erstarrungsgeschwindigkeit ah im ersten Fail gearbeitet werden muß. Die hierzu dienenden Formen sind deshalb außergewöhnlichen Arbeitsbedingungen ausgesetzt. ^1st case in the production with an approximately three-bi; four times the temperature gradient and with a solidification rate ah that is about ten times lower in the first case. The forms used for this are therefore exposed to exceptional working conditions.

Wenngleich es relativ einfach ist, eine orientierte Ersiarrung im Labormaßstab durchzuführen, ist ei bisher zumindest im zweitgenannten Fall nicht möglich, diese Gewinnungsverfahren für die geschilderterWhile it is relatively straightforward to perform an oriented laboratory-scale setup, it is easy to do So far, at least in the second case mentioned, this extraction process has not been possible for the described

»5 außergewöhnlich vorteilhaften Werkstoffe bei größerem Masseeinsatz auszuführen.»5 exceptionally advantageous materials for larger ones Perform mass insert.

Bei einer Apparatur für dieses Verfahren muß insbesondere der untere Teil der Form einen vom Beginr des Prozesses an in Funktion befindlichen Kühler aufweisen, derart, daß während der ersten Schmelzphase das in der Form enthaltene Metall zwar im oberer Bereich flüssig wird, im unteren Bereich jedoch in dei festen Phase verbleibt. Dies erfordert die Verwendung von Formen aus Werkstoffen, die temperaturfest, gegenüber der Legierung bei hoher Temperatur (größei 1750° C) chemisch inert sind und eine große Festigkeit gegen die auf Grund des bedeutsamen Temperaturgradienten auftretenden Beanspruchungen aufweisen, wobei ferner wegen der einzuhaltender geringen Wanderungsgeschwindigkeit der Frstarrungsfront (etwa 1 cm/h) eine Einwirkungsdauer aui die Form von 6 bis 10 Stunden zu berücksichtiger ist.In the case of an apparatus for this process, in particular the lower part of the mold has a cooler that has been in operation from the beginning of the process, in such a way that the metal contained in the mold in the upper one during the first melting phase Area becomes liquid, but remains in the solid phase in the lower area. This requires the use of molds made of materials that are temperature-resistant, compared to the alloy at high temperature (size 1750 ° C) are chemically inert and have a high resistance to the due to the significant temperature gradient have occurring stresses, and also because of the low migration speed of the solidification front that has to be observed (about 1 cm / h) an exposure time of 6 to 10 hours should be taken into account is.

Metalloxyde mit einem Schmelzpunkt von 2000° C und mehr, beispielsweise Oxyde von Aluminium, Zirkon, Magnesium, Thorium, die die geforderten Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturfestigkeit und der chemischen Beständigkeit aufweisen, werden industriell zur Herstellung von Rohren mit dichtei Struktur verwendet, doch konnten die aus solcher Rohren hergestellten Formen für den geschilderter Anwendungszweck nicht befriedigen. Die Ursache liegt darin, daß die thermischen Dilatationskoeffizienten dieser Werkstoffe vergleichsweise groß sind und die großen Temperaturgradienten zu Beanspruchungen an den Formwänden führen, was wiederum Rißbildungen in der Form zur Folge hat. Ferner haben diese bekannten Rohre eine wenn auch gerinfügig unregelmäßige Wandstärke und sind oft nicht einwandfrei kreiszyklisch, sondern oval, was dazu führt, daß die flüssige Legierung zwischen den erstarrten Bereich des Metallblocks und die Formwände eindringen kann. Durch dieses eindringende flüssige Metall erhall die Form Temperaturschocks, was gleichfalls zu Rissebildung an den Formwänden führt.Metal oxides with a melting point of 2000 ° C and more, for example oxides of aluminum, zirconium, Magnesium, thorium, which have the required properties in terms of temperature resistance and chemical resistance, are used industrially for the production of pipes with Dichtei Structure used, but the shapes made from such tubes could for the described Unsatisfactory intended use. The cause is that the thermal expansion coefficient these materials are comparatively large and the large temperature gradients cause stress lead to the mold walls, which in turn results in the formation of cracks in the mold. Also have these known pipes have a wall thickness, albeit slightly irregular, and are often not perfect circular but oval, which leads to the liquid alloy between the solidified area of the metal block and the mold walls can penetrate. This penetrates liquid metal the mold temperature shocks, which also leads to the formation of cracks on the mold walls.

Graphit und feuerfeste metallische Werkstoffe sind gute Wärmeleiter, widerstandsfähig gegen thermische Beanspruchungen und gut verarbeitbar. Es könnenGraphite and refractory metallic materials are good heat conductors, resistant to thermal Stresses and easy to process. It can

deshalb Formen nach Maßgabe der Abmessungen des zu erzeugenden Werkstücks mit ausreichender Genauigkeit hergestellt werden, um das vorgenannte Eindringen von flüssiger Legierung zwischen Formwand und erstarrtem Block zu vermeiden. Dennoch sind sie für den vorliegenden Fall nicht anwendbar, da sie bei den gegebenen Temperaturen chemische Reaktionen mit der herzustellenden legierung eingehen. therefore shapes in accordance with the dimensions of the workpiece to be produced with sufficient accuracy are made to prevent the aforementioned penetration of liquid alloy between mold wall and to avoid solidified block. Nevertheless, they are not applicable to the present case, because they enter into chemical reactions with the alloy to be produced at the given temperatures.

Es in auch bei der Verarbeitung von Uran oder Uranlegierungen vorgeschlagen worden (DT-AS 1508720), Schmelztiegel oder Formen aus Graphit zu verwenden, die innenseitig eine Beschichtung aus einem Oxyd einer seltenen Erde und von Zirkonoxyd aufweisen. Für die Erzeugung der vorgenannten Werkstoffe sind diese bekannten Formen jedoch nicht geeignet, da bei den hier über eine sehr lange Zeit einzuhaltenden hohen Temperaturen eine Wechselwirkung zwischen dem Graphit und dem Zirkonoxyd eintreten würde, die zur Reduzierung des Oxyds führt. Auch ist der Überzug durch die Beigabe des Erdmetalloxyds nicht ausreichend rein, um Reaktionen mit der Legierung zu vermeiden.It has been proposed in also in the processing of uranium or uranium alloy (DT-AS 1,508,720), crucible or forms from graphite to be used, the inner side having a coating of an oxide of a rare earth, and zirconium oxide. However, these known forms are not suitable for the production of the aforementioned materials, since at the high temperatures to be maintained for a very long time an interaction between the graphite and the zirconium oxide would occur, which would lead to a reduction of the oxide. Also, due to the addition of the earth metal oxide, the coating is not sufficiently pure to avoid reactions with the alloy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Form zu schaffen, mit der in industriellem Maßstab Werkstücke mit orientierter kristalliner Struktur durch gerichtetes Erstarren einer Legierung erzeugt werden können.The invention has for its object to provide a form with which on an industrial scale Workpieces with an oriented crystalline structure produced by directional solidification of an alloy can be.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe hei einer Form des eingangs geschilderten Aufbaus dadurch gelöst, daß als guter Wärmeleiter für die Wandung, wie an sich bekannt. Graphit oder Tantal oder Wolfram oder Molybdän oder Niob verwendet wird, und daß bei Verwendung von Graphit das temperaturfeste Oxyd aus Aluminium oder Magnesium oder Thorium, bei Verwendung von Tantal hingegen aus einem der vorgenannten Metalle oder, wie an sich bekannt, aus Zirkon gebildet ist, und daß das temperaturfeste Oxyd eine Reinheit von mehr als 99,5% und eine Porosität von weniger als 10% aufweist.According to the invention, this object is achieved in one form of the structure described above in that that as a good heat conductor for the wall, as is known per se. Graphite or tantalum or tungsten or molybdenum or niobium is used, and if graphite is used, the temperature-resistant one Oxide from aluminum or magnesium or thorium, if tantalum is used, however, from one of the the aforementioned metals or, as is known, from zirconium, and that the temperature-resistant oxide has a purity of more than 99.5% and a porosity of less than 10%.

Durch die Erfindung ist eine Form gefunden, welche die Herstellung maßhaltiger Gußtstücke aus einer gerichtet erstarrten Legierung mit orientierter kristalliner Struktur gestattet. Mit dieser Form werden die gut wärmeleitenden Eigenschaften von Graphit usw. mit der hervorragenden Temperaturfestigkeit und Wechselfestigkeit der genannten Metalloxyde kombiniert, ohne daß die Gefahr einer Reduzierung des Metalloxyds durch Graphit einerseits oder eine chemische Reaktion zwischen dem Überzug und der Legierung andererseits stattfindet.The invention has found a form which allows the production of dimensionally stable castings from a directionally solidified alloy with an oriented crystalline structure. With this shape will be the good thermal conductivity properties of graphite etc. with the excellent temperature resistance and fatigue strength of said metal oxides combined without the risk of a reduction of the metal oxide by graphite on the one hand or a chemical reaction between the coating and the Alloy on the other hand takes place.

Durch die Verwendung eines temperaturfesten Metalloxyds großer Reinheit, bei dem der Siliziumoxydgehalt in jedem Fall unter 0,5% liegt, begegnet man der Gefahr der Entkohlung der Legierung auf Grund einer Reaktion bei hoher Temperatur zwischen Siliziumoxyd und den Legierungskarbiden. Eine solche Entkohlung wäre insbesondere dann zu fürchten, wenn es sich um Legierungen gemäß DT-PS 2018 770 mit hohem Karbidgehalt handelt.By using a temperature-resistant metal oxide of great purity, in which the silicon oxide content in each case is below 0.5%, one encounters the risk of decarburization of the alloy Reason for a reaction at high temperature between silicon oxide and the alloy carbides. Such Decarburization is particularly to be feared when it comes to alloys according to DT-PS 2018 770 acts with a high carbide content.

Die Schutzauskleidung aus dem temperaturfesten Metalloxyd besitzt vorzugsweise eine Wandstärke in der Größenordnung von V₁₀ bis ⁵/₁₀ mm.The protective liner made of heat-resistant metal oxide preferably has a wall thickness in the order of V _^10-5 / ₁₀ mm.

Wird die metalloxydische Auskleidung durch eine Azetylen-Sauerstoff-Flamme oder durch Plasmaspritzen aufgesprüht, wie dies an sich bekannt ist, so wird ein Überzug mit außergewöhnlich gleichbleibender Wandstärke erhalten. Die Innenwandung der Form besitzt also die gewünschte Gleichförmigkeit, um die Außenfläche des Gußstücks maßhaltig abzuformen. The metal oxide lining is made by an acetylene-oxygen flame or by plasma spraying when sprayed on, as is known per se, a coating with an extraordinarily constant one becomes Preserve wall thickness. The inner wall of the mold has the desired uniformity, to shape the outer surface of the casting true to size.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie an Hand der Zeichnung. Es zeigtFurther details and advantages of the invention will become apparent from the following description of some preferred embodiments and on the basis of the drawing. It shows

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Form im Längsschnitt während der Herstellung eines im Querschnitt kreisförmigen Werkstücks,Fig. 1 is a schematic view of a mold in longitudinal section during the manufacture of a in cross section circular workpiece,

Fig. 2 einen Teilschnitt der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,FIG. 2 shows a partial section of FIG. 1 on an enlarged scale,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Form zur Herstellung eines Werkstücks mit rechteckigem Quer-3 shows a cross section through a mold for producing a workpiece with a rectangular transverse

schnitt,cut,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung eines Formstücks,Fig. 4 shows a longitudinal section through another embodiment of the invention for producing a Fitting,

Fig. 5 einen der Fig. 4 ähnlichen Schnitt, jedoch um 90° gedreht, und5 shows a section similar to FIG. 4, but rotated by 90 °, and

Fig. 6 einen Querschnitt der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Form.Figure 6 is a cross-section of the shape shown in Figures 4 and 5.

In der nachfolgenden Beschreibung soll aus Gründen der Vereinfachung der Begriff feuerfester metallische·· Werkstoff auch den Werkstoff Graphit umfassen. In the following description, for the sake of simplicity, the term refractory metallic Material also include the material graphite.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Form dargestellt, die einen Formkörper 11 aus Graphit aufweist. Dieser ist aus einem Rohr gebildet, dessen Innenwandung 12 zylindrisch ist oder vorteilhafterweise eine leichte Konizität von etwa 2% besitzt. Ein solches Graphitiohr wird in herkömmlicher Weise hergestellt. Auf die Innenwandung des Rohrs wird mit Hilfe einer Azetylen-Sauerstoffschweißfiamme eine Schicht 13 aus Aluminiumoxyd mit einem sehr hohen Reinheitsgrad von 99,5 bis 99,8% und einer im wesentlichen nur aus Siliziumdioxyd bestehenden Restverunreinigung aufgesprüht. Die Schicht 13 bildet eine Auskleidung gleichbleibender Wandstärke und sehr geringer1 and 2, a mold is shown which has a shaped body 11 made of graphite. This is formed from a tube whose inner wall 12 is cylindrical or advantageously a light one Has a conicity of about 2%. Such a graphite ear is manufactured in a conventional manner. on the inner wall of the pipe becomes a layer 13 with the aid of an acetylene-oxygen welding flame Made of aluminum oxide with a very high degree of purity of 99.5 to 99.8% and an essentially Only residual contamination consisting of silicon dioxide was sprayed on. The layer 13 forms a lining constant wall thickness and very low

4" Porosität, deren Innenfläche 14 kegelförmig mit einer der Innenwandung 12 des Formkörpers 11 entsprechenden Konizität verläuft. Die Porosität der metalloxydischen Schicht 13 beläuft sich auf weniger als 15% und kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung noch verringert werden.4 "porosity, the inner surface 14 of which is conical with a the inner wall 12 of the shaped body 11 runs corresponding conicity. The porosity of the metal oxide Layer 13 amounts to less than 15% and can be achieved by a subsequent heat treatment still be reduced.

Zur Herstellung eines Werkstücks mit orientierter Kristallstruktur wird von einem Block 15 mit der gwünschten Metallzusammensetzung ausgegangen. Dieser wird so ausgeführt, daß seine Außenfläche 16 die gleiche Konizität hat wie die Außenfläche tier Schutzauskleidung 13 zuzüglich eiuem geringen Spiel, das durch die Ausdehnung des Blocks während des Prozesses ausgeglichen wird. Dieser Block li> wird in die Form 17 eingeführt. Die den Block 15 enthaltende Form bildet einen Tei einer Vorrichtung, die Einrichtungen zur Erhöhung der Temperatur des Blocks 15 in einer der Zeit folgenden Gesetzmäßigkeit mit einer der Länge des Blocks folgenden Veränderbarkeit aufweist. To produce a workpiece with an oriented crystal structure, a block 15 with the desired metal composition assumed. This is designed so that its outer surface 16 has the same conicity as the outer surface of the protective lining 13 plus a small amount of play, which is compensated for by the expansion of the block during the process. This block li> is inserted into the mold 17. The mold containing the block 15 forms part of a device, the devices to increase the temperature of the block 15 in one of the time following law with a the length of the block has the following variability.

Vorteilhafterweise wird für den Formkörper 11 Graphit oder ein ähnlicher Werkstoff verwendet, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um eine induktive Aufheizung zu ermöglichen und eine zu starke Überhitzung des Flüssigbades zu vermeiden.Advantageously, graphite or a similar material is used for the shaped body 11, which have good electrical conductivity to enable inductive heating and to avoid excessive overheating of the liquid bath.

Um eine orientierte Erstarrung zu erhalten, isi: die Basis des Blocks ständig der Wirkung eines Kühfcrs ausgesetzt. Das Aufheizen durch Induktion beginnt am oberen Teil des Blocks derart, daß er in diesem Be-To get an oriented solidification, isi: the base of the block constantly exposed to the action of a cooler. Induction heating begins on upper part of the block in such a way that it

reich in die Flüssigphase übergeht. Anschließend wandert die Schmelzfront langsam nach unten.rich in the liquid phase. The melt front then slowly moves downwards.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei dieser Form eine absolut gleichmäßige Oberfläche erhalten werden kann, sich also auf der Oberfläche 14 keine Fließspuren zeigen. Bei diesen praktischen Versuchen hat man in die Form einen Block in fester Phase eingebracht, doch kann man naturgemäß die der gerichteten Erstarrung zu unterziehende Legierung auch in flüssigem Zustand in die Form eingeben.Experience has shown that an absolutely uniform surface can be obtained with this shape can, so there are no traces of flow on the surface 14. In these practical experiments one has A block is introduced into the form in a solid phase, but one can naturally use that of directional solidification Enter the alloy to be processed into the mold even in the liquid state.

Wenn der größte Teil des Blocks bis auf eine ge ringe Masse im Bereich der Basis des Blocks in die flüssige Phase übergeführt worden ist, wird die thermische Behandlung so fortgesetzt, daß der zuvor geschmolzene Teil des Blocks nach einem vorbestimmten Gesetz der Erstarrung überlassen wird, in dem diese Erstarrung an der Basis beginnt und nach oben fortschreitet, wobei an der aufsteigenden Erstarrungsfront ein konstanter und ausreichend großer Temperaturgradient aufrechterhalten wird, um eine Kornbildung vor der Front ebenso zu vermeiden wie die Bildung von Dendriten.When most of the block is down to a small mass in the area of the base of the block in the liquid phase has been transferred, the thermal treatment is continued so that the previously melted Part of the block is left to freeze according to a predetermined law in which this solidification begins at the base and progresses upwards, being on the ascending solidification front a constant and sufficiently large temperature gradient is maintained to achieve a Avoid grain formation in front of the front as well as the formation of dendrites.

Mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung können Legierungen hergestellt werden, deren Erstarrungsintervall groß ist und die im Bereich der Erstarrungsfront einen besonders hohen Temperaturgradienten erfordern. Die Erstarrungsfront ist horizontal und planeben.With a device according to the invention, alloys can be produced whose solidification interval is large and has a particularly high temperature gradient in the area of the solidification front require. The solidification front is horizontal and flat.

Die Erstarrungsgeschwindigkeit kann zwischen 0,6 cm/h und 5 cm/h für Legierungen, deren Schmelzpunkt zwischen 1300 und 1400° C liegt, betragen. Für diese Legierungen liegen die notwendigen Temperaturgradienten zwischen 100 und 200° C. Für diese Legierungen bringt der erhöhte Temperaturgradient eine beträchtliche Überhitzung des Schmelzbades mit sich, wobei Temperaturen zwischen 1700 und 1750° C erreicht werden. Die Erstarrung erfolgt in länglichen K'istallen mit im wesentlichen parallelen Achsen, demzufolge der Prozeß als orientierte Erstarrung bezeichnet wird. Das Entformen nach vollständiger Erstarrung geht ohne Schwierigkeiten vor sich. Das geschilderte Graphitrohr kann mehrfach verwendet werden, wobei nur zwischen jedem Schmelz- bzw. Erstarrungsvorgang die metalloxydische Auskleidung zu erneuern ist.The solidification rate can be between 0.6 cm / h and 5 cm / h for alloys whose Melting point is between 1300 and 1400 ° C. For these alloys are the necessary Temperature gradients between 100 and 200 ° C. For these alloys, the increased temperature gradient brings considerable overheating of the weld pool, with temperatures between 1700 and 1750 ° C can be reached. The solidification takes place in elongated K'istallen with essentially parallel Axes, according to which the process is called oriented solidification. The demolding after complete Freezing goes on without difficulty. The graphite tube described can be used several times the metal oxide lining only between each melting or solidification process is to be renewed.

Ein Auskleiden des Graphitkörpers durch Einbrennen hat auf die Abwicklung der orientierten Erstarrung keinen befriedigenden Einfluß, und zwar wegen der chemischen Reaktionen, die sich zwischen den Legierungsmetallen und dem Aluminiumoxyd, das in diesem Fall in poröser Form vorliegt, abspielen. Auf Grund der sich beim Einbrennen ergebenden Porosität der Aluminiumoxydschicht, die in der Größenordnung von 30% und mehr liegen kann, führt der längere Kontakt der Formwandung mit der flüssigen, überhitzten Legierung zu Benetzungserscheinungen, d.h. die flüssige Legierung dringt in die Tiefe der Fonnwandung ein. Durch dieses Phänomen wird die wirksame Fonnfläche, die mit der Legierung in Kontakt ist, beträchtlich erhöht, wodurch wiederum die Gefahr chemischer Reaktionen zu einer nicht vertretbaren Verarmung der Legierung an ein oder mehr der sie bildenden Elemente führt. Das auf diese Weise hergestellte Werkstück weist nach dem Entformen eine unerwünscht rauhe Oberfläche auf. Lining the graphite body by baking does not have a satisfactory effect on the development of the oriented solidification, namely because of the chemical reactions that take place between the alloy metals and the aluminum oxide, which in this case is in porous form. Due to the porosity of the aluminum oxide layer resulting from baking, which can be in the order of magnitude of 30% and more, prolonged contact of the mold wall with the liquid, overheated alloy leads to wetting phenomena, i.e. the liquid alloy penetrates into the depths of the mold wall. As a result of this phenomenon, the effective mold area which is in contact with the alloy is considerably increased, which in turn leads to the risk of chemical reactions leading to an unacceptable depletion of the alloy in one or more of the elements that make it up. The workpiece produced in this way has an undesirably rough surface after demolding.

Als temperaturfester metallischer Werkstoff für den Formkörper kann außer Graphit auch Wolfram, Molybdän, Tantal oder Niob dienen.In addition to graphite, tungsten, Molybdenum, tantalum or niobium are used.

Als temperaturfeste Metalloxyde für die Schutzauskleidung kommen außer Aluminiumoxiyd noch die Oxyde von Zirkon, Magnesium, Thorium oder Mischzusammensetzungen vom Spinelltyp: Magnesium-Aluminium dieser Oxyde.In addition to aluminum oxide, there are also aluminum oxides as temperature-resistant metal oxides for the protective lining Oxides of zirconium, magnesium, thorium or mixed compositions of the spinel type: magnesium-aluminum these oxides.

example 1

Es wird ein Graphitrohr mit folgenden Abmessungen hergestellt:A graphite tube is produced with the following dimensions:

Länge 160 mmLength 160 mm

Innerer Maximaler Durchmesser 56,5 mmInner maximum diameter 56.5 mm

Äußerer Durchmesser 61,5 mmOutside diameter 61.5 mm

Innere Konizität bei 2%Internal conicity at 2%

Die innere Auskleidung besteht aus reinem Alumi-The inner lining is made of pure aluminum

'5 niumoxyd (99,8%) und wird durch Aufsprühen mittels Azetylen-Sauerstoff-Flamme aufgebracht. Seine Dicke beträgt 0,5 mm. In anderen Fällen sind Schutzauskleidungen mit einer Stärke zwischen 0,1 und'5 nium oxide (99.8%) and is sprayed on by means of Acetylene-oxygen flame applied. Its thickness is 0.5 mm. In other cases there are protective linings with a strength between 0.1 and

1 mm hergestellt worden.1 mm.

Der sehr geringe Gehalt an Siliziumdioxyd in dem verwendeten, praktisch reinen Aluminiumoxyd führt dazu, daß keine nennenswerte Verminderung der in der zu verarbeitenden Legierung enthaltenen Karbide nach der Erstarrung festzustellen ist.The very low content of silicon dioxide in the practically pure aluminum oxide used leads to this also that there is no significant reduction in the carbides contained in the alloy to be processed can be determined after solidification.

Als Vergleichsbeispiel sei auf die Erstarrung einer Legierung auf Kobaltbasis mit 0,75 Gewichtsprozent Karbide verwiesen. In einer verlorenen Schalenform mit Forr.^vänden aus Aluminiumoxyd mit 5% Siliziumdioxyd wurde nach der Erstarrung eine Entkohlung auf 0,25% festgestellt.As a comparative example, consider the solidification of a cobalt-based alloy with 0.75 percent by weight Referenced carbides. In a lost bowl shape with molded walls made of aluminum oxide with 5% silicon dioxide decarburization to 0.25% was found after solidification.

Example 2

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel Fig. 3 weist die Form zwei Graphitschalen von halbfeiner Struktur auf. Diese zwei Schalen 21,22, deren Innenwandung mit 23, 24, 25 und 26, 27, 28 bezeichnet sind, weisen je einen U-förmigen Querschnitt auf und bilden zusammen einen im wesentlichen rechteckigen Hohlraum mit abgerundeten Ecken 29, 30, 31, 32. According to another exemplary embodiment, FIG. 3, the mold has two graphite shells of a semi-fine structure. These two shells 21, 22, the inner walls of which are denoted by 23, 24, 25 and 26, 27, 28, each have a U-shaped cross section and together form an essentially rectangular cavity with rounded corners 29, 30, 31, 32 .

Die Innenwandung des Hohlraums erhält ebenso wie die entsprechenden Flächen 33, 34 und 35 sowie 36 eine Auskleidung 37 aus Aluminiumoxyd in einer Stärke von 0,5 mm, die wiederum durch Aufsprühen mit einer Azetylen-Sauerstoff-Flamme aufgebrachtThe inner wall of the cavity , like the corresponding surfaces 33, 34 and 35 and 36, is given a lining 37 made of aluminum oxide with a thickness of 0.5 mm, which in turn is applied by spraying on with an acetylene-oxygen flame

wird. Anschließend werden die Oberflächen begradigt. Jede der Schalen 21,22 hat eine außen kegelförmige Oberfläche 38 bzw. 39, die mit einer entsprechend kegelförmigen Innenfläche 41 eines Metalls 40 aus Graphit korrespondiert. Mit diesem Mantel 40 können die beiden Halbschalen mit ihren jeweils gegenüberliegenden Oberflächen 30,35 bzw. 34,36 gegeneinander gepreßt werden. Mit dieser Form können Blöcke als Parallelepiped einer gerichteten Erstarrung unterworfen werden. will. The surfaces are then straightened. Each of the shells 21, 22 has an externally conical surface 38 or 39, which corresponds to a correspondingly conical inner surface 41 of a metal 40 made of graphite. With this jacket 40, the two half-shells can be pressed against one another with their respective opposing surfaces 30, 35 and 34, 36. With this shape, parallelepiped blocks can be subjected to directional solidification.

Wird für das Erstarrungsverfahren eine Hochfrequenz-Induktionsheizung (2SOkHz) unter Argon-Atmosphäre verwendet, so wird die Form auf einem gekühlten Stempel in den Ofen eingebracht. Ein Legierungsblock, z.B. auf der Basis von Kobalt und Ge-If a high-frequency induction heating (2SOkHz) under an argon atmosphere is used for the solidification process, the mold is made on a cooled stamp placed in the oven. An alloy block, e.g. based on cobalt and

halten an Chrom, Nickel und Tantalkarbid, wird in die Form eingeführt und diese aufgeheizt, derart, daß der Block von oben nach unten geschmolzen wird, bis die Fest-flüssig-Grenzschicht (1350° C) sich etwaadhere to chromium, nickel and tantalum carbide, is introduced into the mold and heated up in such a way that the block is melted from top to bottom until the solid-liquid boundary layer (1350 ° C) is around

2 cm oberhalb der Basis des Blocks befindet, wobei sich die Induktionsheizung 2 cm oberhalb der Grenzschicht befindet Um die gerichtete Erstarrung zu erreichen, wird die Form anschließend mit einer Geschwindigkeit von 1,2 cm/h nach unten bewegt, so daß2 cm above the base of the block, with the induction heating 2 cm above the boundary layer. To achieve directional solidification, the mold is then moved downwards at a speed of 1.2 cm / h so that

nach 6 Stunden 7,2 cm des Schmelzbades erstarrt sind. Der Aufbau des Ofens ist so getroffen, daß der Temperaturgradient an der Fest-flüssig-Grenzschicht ungefähr 130° C/cm beträgt und während des gesamten Arbeitsvorgangs konstant bleibt. Der erstarrte Block besitzt das geforderte Aussehen, die entsprechende MikroStruktur und die gewünschten chemischen Eigenschaften.after 6 hours 7.2 cm of the weld pool have solidified. The structure of the furnace is such that the temperature gradient at the solid-liquid boundary layer is about 130 ° C / cm and remains constant during the entire process. He froze Block has the required appearance, the corresponding microstructure and the desired chemical Properties.

Example 3

Bei einer anderen Ausführungsform (Fig. 4 bis 6), wie sie für die Erstarrung von Formstücken, beispielsweise einem Rohling für Gasturbinenflügel, vorgesehen ist, weist die Form zwei Schalen 50,51 aus Graphit mit halbfeiner Struktur auf.In another embodiment (Fig. 4 to 6), as it is for the solidification of shaped pieces, for example a blank for gas turbine blades is provided, the shape has two shells 50, 51 made of graphite with a semi-fine structure.

Die Innenflächen der beiden Schalen 50,51 weisen zu beiden Seiten einer Einschnürung 52, 53 U-förmigen Querschnitt auf, wie er bei 54 und 55 für die Schale 50 und bei 56 und 57 für die Schale 51 ange-The inner surfaces of the two shells 50, 51 have a constriction 52, 53 U-shaped on both sides Cross-section as indicated at 54 and 55 for the shell 50 and at 56 and 57 for the shell 51

deutet ist. Die innere Oberfläche der Einschnürungen und der U-förmigen Abschnitte sind ebenso wie die Stoßflächen beider Schalen mit einer Auskleidung 60 aus reinem Aluminiumoxyd mit einer Stärke von 0,5 mm versehen. Diese Auskleidung ist im Wege des Plasmaspritzens aufgebracht worden. Die Porosität der Auskleidung liegt in der Größenordnung von 8%. Jede der Schalen 50, 51 hat eine außen kegelförmige Oberfläche mit einer Konizität von etwa 2%. Mit dieser äußeren Kegelfläche korrespondiert eine kegelige Innenfläche 62 eines Mantels 61, mit Hilfe dessen die beiden Schalen an ihrer Stoßfuge zusammengedrückt werden können.indicates is. The inner surface of the constrictions and the U-shaped sections are the same as that Butt surfaces of both shells with a lining 60 made of pure aluminum oxide with a thickness of 0.5 mm provided. This lining was applied by plasma spraying. The porosity the lining is on the order of 8%. Each of the shells 50, 51 has an externally conical one Surface with a conicity of about 2%. A conical surface corresponds to this outer conical surface Inner surface 62 of a jacket 61, with the help of which the two shells are pressed together at their butt joint can be.

Zum gerichteten Erstarren eines Formstücks mit einer solchen Form werden zwei Blöcke in den unteren bzw. oberen Formraum eingebracht. Das Schmelzen erfolgt von oben nach unten. Beim Schmelzen des Blocks im oberen Formraum werden die ursprünglich von der Legierung nicht ausgefüllten Räume gefüllt.For directional solidification of a molding with such a shape, two blocks are placed in the lower or upper mold space introduced. Melting takes place from top to bottom. When melting the Blocks in the upper mold space are filled with the spaces originally not filled by the alloy.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Form for the production of metallic workpieces, consisting of a highly thermally conductive Wall and one by spraying on in the molten state or by an acetylene-oxygen flame in the form of a porous layer applied inner lining made of a temperature-resistant Oxide with a thickness of at least 0.1 mm, characterized in that for the production of workpieces with a through directional solidification obtained from an alloy oriented crystalline structure as good Heat conductors for the wall (11), as known per se, graphite or tantalum or tungsten or Molybdenum or niobium is used, and if graphite is used, the temperature-resistant one Oxide (13) made of aluminum or magnesium or thorium, but when using tantalum is formed from one of the aforementioned metals or, as is known per se, from zirconium, and that the temperature-resistant oxide a purity of more than 99.5% and a porosity of less than 10% having.

2. Form according to claim 1, characterized in that the strength of the lining about metalloxydischen V _^10-5 / is ₁₀ mm.

3. Form according to claim 1, characterized in that the oxide lining through Spray is generated by means of acetylene-oxygen flame.

4. Form according to claim 1, characterized in that the oxide lining through Spraying is generated by way of plasma spraying.