DE2911625A1 - Ofen zum giessen mit gerichteter erstarrung - Google Patents
Ofen zum giessen mit gerichteter erstarrungInfo
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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Description
Ofen zum Gießen mit gerichteter Erstarrung
Die Erfindung bezieht sich auf Gießeinrichtungen und insbesondere auf einen geschlossenen Schmelz- und Selbstgießofen, der zum
Gießen von Metallgegenständen mit gerichteter Erstarrung verwendbar ist.
Die in einer Richtung erfolgende Erstarrung beim Präzisionsgießen mit verlorener Gießform ist von wesentlicher Bedeutung
bei der Fertigung von Lauf- und Führungsschaufeln für den Turbinenabschnitt
von Gasturbinentriebwerken. Es ist bekannt, daß gewisse mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise die thermische
Dauerfestigkeit, in den langgestreckten Kornstrukturen
oder Einkristallstrukturen verbessert werden können, die bei einem derartigen Verfahren ausgebildet werden können.
Da bei der Fertigung derartiger Turbinenschaufeln im allgemeinen
Hochtemperatur-Superlegierungen verwendet werden, sind für das übliche Präzisionsgießen derartiger Legierungen eine breite Vielfalt
von Einrichtungen mit gerichteter Erstarrung entwickelt worden. Dabei wird zunächst eine Beschickungsmenge oder Charge
in einem Tiegel oder einem Gießbecher geschmolzen, und dann wird die geschmolzene Charge in eine Form gegossen, wobei dies alles
in einem erhitzten Vakuummantel geschieht. Dieses Verfahren und eine entsprechende Einrichtung sind beispielsweise in den
US-Patentschriften 3 538 981, 3 770 047 und 3 847 203 beschrieben, Dabei werden üblicherweise Induktionsheizspulen zur Zufuhr von
Wärme zu dem Schmelzbereich oder zu dem Tiegel verwendet, um die Charge vor dem Gießen zu schmelzen.
Eine andere Form einer Einrichtung mit gerichteter Erstarrung und ein entsprechendes Verfahren sind in der US-PS 3 897 815
beschrieben. Hierbei wird ein geschlossener Selbstgießofen für
_ 4 —
das Verfahren mit gerichteter Erstarrung verwendet. Bei dieser bekannten Anordnung sind mehrere Heizelemente in einer im wesentlichen
vertikalen Anordnung angeordnet, um die Ofenkammer zu erhitzen, um Merkmale des Ziehverfahrens der gerichteten Erstarrung
zu steuern, die in dieser Patentschrift beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung, die sich auf eine Einrichtung für das ummantelte Selbstgießen mit gerichteter Erstarrung bezieht, verwendet
eine hochwarmfeste Form, die einen oberen Becher zum Schmelzen der Charge aufweist, der mit einem unteren, den Gegenstand
gießenden Abschnitt verbunden ist, damit geschmolzene Charge in den unteren Abschnitt der Form fließen kann. Eine derartige
Gießform ist in der US-PS 4 044 815 beschrieben.
Obwohl eine Vielfalt von Verfahren und Vorrichtungen für eine Verwendung beim Gießen mit gerichteter Erstarrung von Metallgegenständen
bekannt ist, hat das Gießen relativ großer Gegenstände, beispielsweise etwa 1 kg oder mehr, entweder erfordert,
daß die Charge getrennt geschmolzen und dann das geschmolzene Metall in eine Gießform gegossen wird, oder daß übertrieben
lange Zeitperioden aufgewendet wurden, um das Metall in einem Widerstandsofen zu schmelzen. Wie bereits ausgeführt wurde, wird
bei Anwendung der Schmelz- und Gießtechnik die Charge üblicherweise
durch Induktionserhitzung geschmolzen und dann in die Gießkammer gegossen, indem eine Gießpfanne geschwenkt oder gekippt
wird, damit das flüssige Metall in die Form laufen kann» Dies ist zwar im Grunde genommen ein einfacher Vorgang, aber
dieses Verfahren hat mehrere schwerwiegende Nachteile.
Ein Problem besteht darin, daß der Schmelz- und Gießlöffel eine Hauptquelle für keramische Verunreinigungen des gegossenen Metalles
darstellt. Eine derartige Verunreinigung spiegelt sich möglicherweise in der Form von keramischen Einschlüssen in dem
fertigen Gußstück wieder.
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Ein ernsthaftes Problem bezieht sich auf das Gießen von flüssigem Metall in das Oberteil einer Form in einer Umhüllung, die
durch einen Widerstandsofen erhitzt ist, der für eine genaue Steuerung des Erstarrungsabschnittes des Verfahrens wünschenswert
ist. Mechanisch ist es schwierig, immer wieder den gesamten flüssigen Metallstrom durch die relativ kleine öffnung im Oberteil
der Gießform zu richten. Infolgedessen wird beständig etwas geschmolzenes Metall auf die innere Struktur des Ofens gegossen.
Dies kann elektrische Kurzschlüsse des Ofens hervorrufen, die durch das Spritzen von Metall auf die Widerstands-Heizspulen bewirkt
werden. Weiterhin kann dieses fehlgeleitete Metall, das an den äußeren Abschnitten der Gießform anhaftet, eine Störung der
Gießform mit anderen Ofenabschnitten bewirken, wenn die Gießform in dem Ziehvorgang abgesenkt wird.
Ein weiteres Problem, das bei der Schmelz- und Gießtechnik auftritt,
ist die Schwierigkeit der Steuerung der Überhitzung des flüssigen Metalles vor dem Gießen. Bei einer derartigen Technik
wird die Uberhitzungstemperatur durch ein optisches Pyrometer, das auf die Oberfläche des flüssigen Metallbades durch eine
Sichtöffnung gerichtet ist, oder durch das Eintauchen von Thermoelementfühlern gemessen. Jedoch wird in eine derartige
Messung ein Fehler eingeführt durch die Bildung von Schlacke auf der gemessenen Oberfläche und durch Metalldampf, der sich in der
Sichtöffnung sammelt, und durch mechanische Handhabungs- und Isolationsprobleme, die beim Eintauchen der Fühler auftreten. Es
ist deshalb schwierig, eine richtige oder sinnvolle Temperaturanzeige des flüssigen Metallbades zu erhalten.
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Selbstgießeinrichtung mit gerichteter Erstarrung des
Ziehtyps mit einem Ofen zu schaffen, der eine schnelle Heizeinrichtung in einer oberen Zone, die den Chargenbecher einer Selbstgießform
umgeben soll, und eine langsamere Heizeinrichtung in einer unteren Zone aufweist, der einen den Gegenstand gießenden
Abschnitt der Form umgeben soll.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung -wird eine für eine
gerichtete Erstarrung sorgende Schmelz- und Selbstgießeinrichtung mit einem Ofenabschnitt geschaffen, dem Mittel, die gewünschte
Atmosphärenbedingungen in dem Ofenabschnitt aufrechterhalten, und Mittel zugeordnet sind, die eine Selbstgießform in den Ofenabschnitt
und aus diesem heraus bewegen, wobei der Ofenabschnitt viele Zonen aufweist und geschlossen bzw. ummantelt ist, um eine
Beschickungsmenge oder Charge an Ort und Stelle zu schmelzen und selbst zu gießen. Die vorliegende Erfindung umfaßt eine widerstandsbeheizte
untere Zone und eine induktionsbeheizte obere Zone, die mit der unteren Zone in Verbindung steht. Die untere Zone
ist ein Gießofen mit gerichteter Erstarrung, wie er in der US-PS 3 897 815 beschrieben ist und der durch eine Widerstandsheizung
oberhalb eines stationären, auf dem Umfang angeordneten Rostes und eines auf dem Umfang angeordneten Strahlungsleitbleches
erhitzt wird. Die obere Zone umfaßt obere Wände mit einer inneren Oberfläche, die einen oberen hohlen Innenraum umschließen,
der den Chargenbecher einer selbstgießenden Gießform umgeben soll. An der inneren Oberfläche der oberen Wände ist eine unten offene
Induktionsheizspule um den Umfang des oberen hohlen Innenraums herum getragen, um für eine enge Kopplung mit einer in dem
Chargenbecher zu schmelzenden Metallmenge zu sorgen. Der Ofen
weist ein Oberteil auf, das sich über die oberen Wände und den oberen hohlen Inneraum erstreckt, um eine obere Begrenzung des
hohlen Innenraumes zu bilden.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
Die einzige Figur ist eine schematische Schnittansicht von einem Ausführungsbeispiel des Ofens gemäß der Erfindung.
In der US-PS 3 897 815 ist ein Vielzonen-Ofen gezeigt und beschrieben,
in den eine selbstgießende Präzisionsgußform einge-
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bracht werden kann. Eine derartige Einbringung kann unter Verwendung
einer vertikal bewegbaren Plattform geschehen, die zweckmäßigerweise ein bewegbares Kühleisen trägt, das beispielsweise
durch Wasser gekühlt werden kann. Für eine einfache Fertigung haben derartige Öfen im allgemeinen einen kreisförmigen
Querschnitt.
In der Figur, die eine schematische Schnittdarstellung von einem Ausführungsbeispiel des Ofens gemäß der Erfindung ist, ist eine
untere Zone 10 und eine obere Zone 12 gezeigt. Die untere Zone, die für bekannte, durch Widerstandselemente beheizte öfen typisch
ist, die für Gußstücke mit gerichteter Erstarrung verwendet werden, enthält feuerfeste bzw. hochwarmfeste Wände 14, innerhalb
derer ein Rohr 16 aus Aluminiumoxid bzw. Tonerde angeordnet ist, das die Ofenauskleidung bildet. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die untere Zone 10 in zwei, allgemein mit 18 und 20
bezeichnete Zonen unterteilt, die jeweils Widerstandsdrahtwicklungen 22 bzw. 24 enthalten. Jede Zone ist in bekannter Weise
getrennt gesteuert, um die Erstarrungsfront zu steuern, wenn das gegossene Metall abgekühlt wird. Somit bilden die widerstandsbeheizten
Wände 14 und die innere Oberfläche der Ofenauskleidung 16 der unteren Ofenzone 10 seitliche Grenzen des unteren hohlen
Innenraumes 26 des Ofens.
In bekannter Weise ist die untere Ofenzone 10 auf einer in Umfangsrichtung
angeordneten Strahlungsablenkung 28 aus feuerfestem bzw. hochwarmfestem Material angebracht, um den Einschluß der
Wärme innerhalb des Ofens zu unterstützen und diese von einem in Umfangsrichtung angeordneten stationären Kühleisen 30 unterhalb
der Strahlungsablenkung wegzuhalten. Ein derartiges Kühleisen ist im allgemeinen durch Wasser gekühlt und wird durch eine Grundplatte
31 getragen. Das Kühleisen soll während des Herausziehens der Gießform aus der unteren Ofenzone 10 Wärme von dem Gießformabschnitt
32 abziehen. Somit umgibt der widerstandsbeheizte untere Ofenabschnitt 10 den Gießformabschnitt 32, in dem der Gegenstand
in einer bestimmten Richtung erstarren soll. Die Form 32 ist
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auf einer Plattform 34 angebracht, die beispielsweise dem bewegbaren
Kühleisen 35 zugeordnet ist, in der Mitte in bezug auf den Innenraum 26 angeordnet ist und in vertikaler Richtung bewegt
werden kann. Auf diese Weise wird die Form 32 in den hohlen Innenraum des Ofens hinein und aus diesem herausbewegt. Eine derartige
Bewegung kann in bekannter Weise herbeigeführt werden, indem eine Welle 36 durch einen nichtgezeigten, üblichen Motor
angetrieben wird.
Eine selbstgießende, keramische Form, wie sie in der Zeichnung gezeigt ist und zum Schmelzen einer Charge an Ort und Stelle
vorgesehen ist, enthält einen keramischen Chargen- oder Schmelzbecher 38, der mit dem Gießformabschnitt 32 verbunden ist, damit
geschmolzenes Metall die Formkammer füllen kann, ohne daß zu einem Gießvorgang durch Kippen eines Behälters Zuflucht genommen
werden kann. Wie in der Zeichnung gezeigt und auch in der obengenannten US-PS 4 044 815 beschrieben ist, ist der Schmelzbecher
mit der Gießform durch einen Kanal verbunden, der in der Zeichnung mit 40 bezeichnet ist. Ein im Stand der Technik gelegentlich
verwendeter schmelzbarer Stopfen ist in dem Kanal 40 angeordnet, um die Gießtemperatur und die Überhitzung des in dem Schmelzbecher
38 geschmolzenen Metalls zu steuern. Das Material eines derartigen SchmelzStopfens ist bezüglich seiner Kompatibilität
mit dem zu schmelzenden Material und nach seiner Schmelztemperatur ausgewählt, um ein gewünschtes Maß an überhitzung der Temperatur
des geschmolzenen Materials zu steuern, bevor dieses in die Kammer des Formabschnittes 32 gegossen wird.
Bei der Fertigung von großen Gußstücken, die beispielsweise Material von 1 kg oder mehr erfordern, wurde gefunden, daß bei
Anwendung üblicher, widerstandsbeheizter Chargen-Schmelzöfen für ein Schmelzen und Gießen an Ort und Stelle übermäßig lange Zeitperioden
erforderlich sind. Deshalb ist die Widerstandsheizung eine relativ langsame Heizeinrichtung für große Beschickungsmengen bzw. Chargen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das
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gewünschte Maß an überhitzung erreicht werden soll, die durch
die Schmelztemperatur des Sicherungsstopfens gesteuert wird. Die folgende Tabelle stellt typische Beispiele für Chargengewichte
und Zeiten dar, die zum Schmelzen einer derartigen Charge erforderlich sind, die in diesem Beispiel aus typischen Nickelbasis-Super
legierungen bestand, die üblicherweise zum Gießen von Schaufeln moderner Gasturbinentriebwerke unter Verwendung
bekannter Widerstandsöfen verwendet werden.
Widerstandsofen
Beispiel | Chargengewicht (Granan) | Schmelzzeit(Min.) |
1 | 120 | 10 |
2 | 145 | 15 |
3 | 420 | 18 |
4 | 430 | 19 |
5 | 660 | 30 |
6 | 1135 | 180+ |
In dem Beispiel 6, bei dem 1135 Gramm Metall pro Gußstück erforderlich
waren, wurden mehr als 3 Stunden benötigt, um die Metallcharge unter Verwendung der Widerstandsheizung zu schmelzen,
Zusätzlich war die Ausbeute von einem derartig großen, relativ schweren Gußstück weniger als 5 % unter Anwendung des üblichen
Widerstandsofens, dessen Konstruktions- und Betriebsparameter
für einen maximalen Wirkungsgrad ausgelegt waren. Die Anwendung von öfen und Verfahren, bei denen das geschmolzene Metall ausströmt,
war in Verbindung mit derartigen Widerstandsöfen aus den obengenannten Gründen verhindert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung erzielt
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bei einem selbstgießenden Schmelz- und Gießofen mit gerichteter Erstarrung durch die Kombination einer unten offenen, durch eine
Induktionsspule erhitzten oberen Chargen-Schmelzzone des Ofens, die in direkter Verbindung steht mit einer unteren, widerstandsbeheizten
Ofenzone, um das in die Form gegossene Metall zu steuern. Gemäß der Zeichnung enthält eine derartige obere Zone
feuerfeste bzw. hochwarmfeste Wände 42 mit einer inneren Oberfläche
43, die um den inneren Umfang der Wand 42 herum eine Induktionsheizspule 44 trägt, die in üblicher Weise gespeist und
durch Wasser gekühlt ist, indem beispielsweise eine kommerziell erhältliche Einheit von 25 kW verwendet wird. Die Spule 44 ist
so angeordnet, daß sie die seitlichen Abschnitte des Schmelzbechers 38 in großer Nähe umgibt, um für eine enge Kopplung mit
der in dem Schmelzbecher 38 anzuordnenden Charge zu sorgen. Die Anordnung der Spulen 44 an der inneren Oberfläche 43 der hochwarmfesten
Wände 42 anstatt innerhalb der Wände oder außerhalb der Wände, wie es gelegentlich bei bekannten Einrichtungen der
Fall ist, vermindert in signifikanter Weise die Leistung und die Zeit, die zum Schmelzen der in dem Schmelzbecher 38 angeordneten
Charge erforderlich sind. Die Oberfläche 43 der Wände 42 bildet die seitliche Grenze des oberen hohlen Ofeninnenraumes 46, der
sich im wesentlichen in der gleichen Richtung erstreckt wie der untere hohle Innenraum 26 der unteren Zone. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel bilden die innere Oberfläche 43 der oberen Zone und die innere Oberfläche der Ofenauskleidung 16 der unteren
Zone eine im wesentlichen kontinuierliche innere Ofenwand, die die seitliche Begrenzung des hohlen Innenraumes des Ofens bilden.
Die obere Grenze des hohlen Innenraumes des Ofens wird durch einen feuerfesten bzw. hochwarmfesten oberen Abschnitt 48 auf den
Wänden 42 gebildet. Auf Wunsch kann eine abgedichtete Sichtöffnung 50 in dem Oberteil 48 vorgesehen sein, um eine Beobachtung
zu gestatten, daß eine in dem Becher 38 geschmolzene Charge aus dem Becher getropft ist infolge des Schmelzens eines in dem
Kanal 40 angeordneten schmelzbaren Stopfens. Selbstverständlxch kann eine Vielfalt von Mitteln verwendet werden, um eine derartige
Bewegung des geschmolzenen Metalls festzustellen.
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■· 1:1 -
Wie in der US-PS 3 897 815 gezeigt, ist der Ofen üblicherweise in einem Mantel angeordnet, der gestrichelt bei 52 dargestellt
ist. Diese Ummantelung gestattet die Schaffung eines Vakuums ■ oder irgendeiner gewünschten Atmosphäre innerhalb des Innenraumes
54 der Ummantelung 52 und innerhalb der hohlen Innenräume 26 und 46 des Ofens. Aufgrund der Porosität des hochwarmfesten
Materials, aus dem derartige öfen hergestellt sind, ist ein Vakuum auf einfache Weise zu schaffen und wird im allgemeinen
für das Selbstgießen von Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis verwendet, die für Schaufeln und Blätter von Gasturbinentriebwerken
benutzt werden. Für den Betrieb des Ofens gemäß der Erfindung werden ein schmelzbarer Stopfen und eine
gewünschte Metallcharge in dem Kanal 40 bzw. dem Schmelzbecher der Form angeordnet. Die Form wird dann in bekannter Weise in die
für eine gerichtete Erstarrung sorgende Einrichtung eingebracht. Nach dem Abdichten der Einrichtung und der Ausbildung eines vorbestimmten
inneren atmosphärischen Zustandes, wie beispielsweise ein Vakuum, wird die Form dann in die Position gebracht, wie es
in der Zeichnung der vorliegenden Patentanmeldung gezeigt ist. In dieser Position befindet sich der Schmelzbecher 38 innerhalb
und eng umgeben von der Induktionsheizspule 44, die an der Oberfläche
43 der Wände 42 getragen ist, und der untere Formabschnitt 32 ist innerhalb der widerstandsbeheizten Ofenauskleidung 16
angeordnet.
Zu Beginn des an Ort und Stelle erfolgenden Schmelz- und Selbstgießverfahrens
wird den Induktionsheizspulen 44 die volle Leistung zugeführt für ein schnelles Schmelzen der Charge innerhalb
des Bechers 38 und zur Erzielung der gewünschten Überhitzung, wie sie durch den Schmelzpunkt des schmelzbaren Stopfens gesteuert
wird. Bei einigen zu Beispielszwecken durchgeführten Ansätzen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung wurden Chargen von
2 1/2 kg einer Nickelbasis-Superlegierung und einer Kobaltbasis-Super
legierung geschmolzen und selbstgegossen, in getrennten Ansätzen, in weniger als 5 Minuten, wobei jeweils eine Induktionsspule
von 25 kW verwendet wurde. Ein Vergleich mit der
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vorstehenden Tabelle zeigt den unmittelbaren Vorteil der vorliegenden
Erfindung gegenüber den bekannten Selbstgießöfen mit gerichteter Erstarrung.
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Claims (2)
1. Schmelz- und Selbstgießeinrichtung mit gerichteter Erstarrung, die einen Ofen, Mittel zur Zufuhr elektrischer Leistung zum
Ofen, Mittel zur Steuerung der Leistungszufuhr zur Steuerung der Wärme innerhalb des Ofens, Mittel zum Bewegen der Form in
den Ofen hinein und aus diesem heraus und Mittel umfaßt, um gewünschte atmosphärische Bedingungen innerhalb der Einrichtung
aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ofen eine widerstandsbeheizte untere Zone (10), die ein Gießofen mit gerichteter Erstarrung ist und
a) widerstandsbeheizte untere Wände (14) mit einer inneren
Oberfläche, die eine seitliche Begrenzung eines unteren hohlen Innenraumes (26) bildet,
b) ein stationäres Kühleisen (30), das in Umfangsrichtung im wesentlichen vertikal unterhalb der unteren Wände angeordnet
ist,
c) eine in Umfangsrichtung angeordnete Strahlungsablenkung (28),
die zwischen den unteren Wänden und dem stationären Kühl-
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eisen angeordnet ist, und
d) eine Plattform (34) umfaßt, die innerhalb der Einrichtung
axial angeordnet ist und innerhalb des unteren hohlen Innenraumes (26) vertikal bewegbar ist und eine Gießform trägt,
in die geschmolzenes Metall eingebracht wird, und eine obere Zone (12) aufweist, die
a) obere Wände (42), deren innere Oberfläche einen oberen hohlen Innenraum (46) im wesentlichen in der gleichen
Ausdehnung mit dem unteren hohlen Innenraum (26) umschließen und die an der inneren Oberfläche eine unten
offene Induktionsheizspule (44) um den Umfang des oberen hohlen Innenraumes herum tragen, und
b) ein Ofenoberteil (48) aufweist, der über den oberen Wänden und dem oberen hohlen Inneraum angeordnet ist zur
Bildung einer oberen Begrenzung des hohlen Innenraumes.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß die innere Oberfläche der unteren Wände und die innere Oberfläche der oberen Wände eine im wesentlichen
durchgehende innere Ofenwand bilden, die sich sehr nahe an den Seitenwänden der von der Plattform (34) getragenen Gießform (32)
befinden.
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