DE2911625A1

DE2911625A1 - Ofen zum giessen mit gerichteter erstarrung

Info

Publication number: DE2911625A1
Application number: DE19792911625
Authority: DE
Inventors: Russell Wayne Smashey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1979-03-24
Publication date: 1979-10-04
Also published as: FR2421018A1; IT7921404A0; US4178986A; GB2017549B; JPS551984A; IL56593A0; GB2017549A; IT1113222B; IL56593A

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

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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.

TABELLE

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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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

Ansprüche

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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