DE3238598A1 - Vorrichtung zur kompression von fluiden, auch waehrend des phasenueberganges liquid <--> solid durch einen mit innendruck beaufschlagten federbalg aus visko- oder viskoelastischen materialien - Google Patents

Description

• 2) Stand der Technik:
• Da beim Phasenübergang Liquid Solid in der Regel ein sog. Volumensprung (bei Metallen "negativer Volumensprung") entsteht, ergeben sich im erstarrten Gußvolumel.
• durch den Volumenschwund beiMetallen Hohlräume (Lunker und Gasblasen).
• Die Entstehung solcher Lunker ist durch entsprechend ausgelegte sog. "Speiser" zu vermeiden, wobei bei hohen Qualitätsansprüchen das Verhältnis 'Volumen des SpeiserslVolumen des Gußteiles' sehr hoch liegen muß und dadurch die Herstellungskosten stark erhöht werden.
• Durch eine aufwendige, nachträgliche Verdichtungsmethode (sog. 'HlP-Verfahren' *)) werden bei höchsten Qualitätanforderungen diese Hohlräume bei erhöhter Temperatur und allseitigem Druck "ausgetrieben".
• Um solche Fehler - hier insbes. bei der Erstarrung im Weltraum - zu vermeiden, ist ein Kolben-Federsystem nach Takahashi **) bekannt. Hierbei wird durch eine Schraubenfeder ein Kolben vorgespannt, der seinerseits die Schmelze unter Druck hält.
• 3) Bedeutung der angemeldeten Erfindung: Die angemeldete Erfindung ermöglicht es, die oben genannten Fehler in Gußkörpern auf andere Weise als nach Takahashi zu verhindern: Es handelt sich um einen viskoelastischen Federbalg mit steuerbarem Innendruck zur Kompression von Fluiden. Dieser Federbalg ist bei höchsten Temperaturen, z.B. entsprechend den jeweiligen Gießtemperaturen, funktionsfähig.
• Als besonderer Vorteil - neben der einfachen Bauweise und der extrem sicheren Funktionsfähigkeit - erlaubt es dieser Federbalg, den Federdruck durch die verschiedensten physikalischen Gegebenheiten zu beeinflussen.
• 4) Prinzipielle Funktionsweise des viskoelastischen Federbalges: In einem vorgegebenen Temperaturbereich wird die starre Umhüllung eines Gasvolumens viskoelastisch. Dadurch werden Kriech- und Fließvorgänge möglich, und bei genügend hohem Innendruck ergibt sich die geforderte "Federwirkung". Eine Beeinflussung der Federkraft ist gegeben durch o die Größe des viskoelastischen Federbalges, o die Art der Füllung des Federbalges, o das Material der Hülle des viskoelastischen Federbalges (Übergang der elastischen zu viskoelastischen Eigenschaften bei definierten Temperaturen für bestimmte Hüllenwerkstoffe), sowie o eine gezielte Temperatur im Federbalg.
• *) Hot Isostatic Pressing *+) S. Takahashi, "Preparation of Silicon Carbide Whisker Reinforced Silver Composite Material in a Weightless Envirornent" AIAA 15th Aerospace Sciences Meeting Los Angeles; Jan. 1977; AmJnst. of Aeronautics and Astronautics, New York, N.Y. 100 19 Bezeichnung der Erfindung: "VORRICHTUNG ZUR KOMPRESSION VON FLUIDEN, AUCH WÄHREND DES PHASENÜBERGANGES LIQUID 4 SOLID DURCH EINEN MIT INNENDRUCK BEAUFSCHLAGTEN FEDERBALG AUS VISKO- ODER VISKOELASTISCHEN MATERIALIEN" Beschreibung der Erfindung: 1) Technische Einsatzgebiete: Die Erfindung kann eingesetzt werden - entsprechend der oben aufgeführten Kurzbeschreibung - insbesondere o beim Schmelzen und Erstarren von Metallen, Halbleitern, Nichtmetallen und deren Verbundwerkstoffen o bei der Herstellung von speziellen Bauteilen aus den Bereichen "Biomedizinische Technik" und Flugantriebe"-o bei Abgüssen unter Mg - Bedingungen Als nähere Erläuterung sei hier angeführt, daß sowohl bei nichtgerichteter als auch bei gerichteter Erstarrung von Liquidusphasen und beim Züchten von Einkristallen durch diese Erfindung eine wesentliche technologische Innovation geboten wird.
• Auch entsprechende Erstarrungsprozesse unter ug- Bedingungen (z.B. bei Versuchen und Produktion von Gußteilen im Weltraum) lassen sich auf diese Weise vorteilhaft durchführen, bzw. sind in ausgewählten Fällen ohne eine solche Einrichtung nicht durchführbar.
• Die Füllung des Federbalges kann mit o unterschiedlichen Gasen (inerte Gase, Gase mit besonders- hoher Wäremeleitfähigkeit), o kompressiblen Flüssigkeiten o Kombinationen von Gasen und kompressiblen oder inkompressiblen Flüssigkeiten, sowie o gaserzeugenden Substanzen (fest oder flüssig) erfolgen. Im letztgenannten Beispiel werden ab einer bestimmten Temperatur im Federbalg die für die Erzeugung des Druckes notwendigen Gasvolumina freigesetzt.
• Ein weiteres Merkmal des viskoelastischen Federbalges besteht in seiner physikalisch bedingten Dichtwirkung gegenüber dem zu verdichtenden Fluid (Kriechen und Fließvorgänge).
• Das Schalenmaterial des Federbalges kann als inertes Material gegenüber der zu komprimierenden Flüssigkeit ausgeführt werden; außerdem ist durch zusätzliche inerte Zwischenlagen eine chemische Nichtbeeinflussung des Fluides zu erreichen.
• Gleichzeitig läßt sich dadurch der Zeitpunkt des Erreichens der Betriebstemperatur des Federbalges innerhalb des Zeitraums der Erstarrung des Gußvolumens günstig legen.
• Ein wichtiger, grundsätzlicher Vorteil dieses viskoelastischen Federbalges besteht darin, daß der Gußwerstoff nicht in gleicher Weise wie beim sog. "HIPen" verdichtet wird, sondern daß ein unvergleichlich geringerer Druck auf das Gußvolumen auszuüben ist, da Gußfehler wie Lunker, Mikrolunker und Poren, unmittelbar während der Erstarrung vermieden werden. Diese schädlichen Hohlräume werden direkt an der Erstarrungsfront durch den unter erhöhten Druck (aus dem Federbalg) stehenden Liquidanteil vermieden. Eine schematische Darstellung dieses Vorganges bei der gerichteten Erstarrung ist in Bild 1 a (Vorgang ohne viskoelastische Feder) und 1 b ( . .. mit viskoelastischer Feder) gegeben. Bild 1 c zeigt die dendritische Struktur einer techn. Metallegierung mit zwischendendritischen Hohlräumen (Mikrolunker) nach Erstarrung ohne Einsatz des viskoelastischen Federbalges.
• Als praktisches Anwendungsbeispiel für die Gießtechnik ist nachfolgend die gerichtete Erstarrung von hochbeanspruchten Bauteilen mit viskoelastischem Federbalg beschrieben.
• In einer Präzisionsgußform (z.B. nach dem Wachsausschmelzverfahren erzeugt) wird der noch feste Federkolben an einer, in der Form freigehaltenen, Stelle eingesetzt (Bild 2; Schaft einer Hüftgelenkprothese). Die Schmelze wird (ev. unter Vakuum) in die Form eingefüllt und erreicht am Ende der Formfüllung den Balgen.
• Durch gesteuerte Abkühlung (gerichtete Erstarrung) beginnt an dem, dem Kolben entgegengesetzten Ende des Bauteiles die Kristallisation. Dabei wandert die Erstarrungsfront in Richtung des Federbalges.
• Bereits nach Erstarren des einen Endes des Gießvolumens ist die Restschmelze eingeschlossen und wird unter weiterer Volumenkontraktion in die Solidphase übergeführt. Zu diesem Zeitpunkt hat der Federbalg durch Wärmeaufnahme aus der Schmelze seine 'Betriebstemperatur' erreicht; er wird viskoelastisch und übt auf die erstarrenden Schmelzvolumina einen praktisch gleichbleibenden Druck aus. Mikrolunker und Poren werden auf diese Weise besonders kostengünstig verhindert.
• Als praktische Beispiele seien die Kristallisation von Implantaten für die 'Biomedizinische Technik' (Schäfte von Hüftgelenkprothesen, Bild 2) und die Erstarrung von Gasturbinenschaufeln für höchste thermische, mechanische und korrosive Beanspruchung (Bild 3) genannt.
• Die bei beiden Beispiele dargestellte gerichtete Erstarrung ist jedoch für den Einsatz des viskoelastischen Federbalges nicht Voraussetzung. - Wird dafür gesorgt, daß das Schmelzvolumen in der Weise erstarrt, daß sich ein abgeschlossenes Restschmelzvolumen bildet; das im Bereich des Federbalges zuletzt erstarrt, bewirkt die Verdichtung während der nichtgerichteten Erstarrung ebenfalls das Nichtauftreten von Erstarrungshohlräum en.
• Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß durch diese Erfindung die in Gußwerkstoffen sonst nicht vermeidbaren Mikrolunker und Poren bereits während der Erstarrung verhindert werden können. Wie bereits oben angeführt, wird z Zt. mit erheblichem apparativem Aufwand dieser Effekt für hochbeanspruchte Gußteile nur durch das sog. "HlPen" erreicht.
• Die modernsten Werkstoffentwicklungen auf diesem Gebiet werden derzeit für den Phasenübergang Liquid C Solid unter lug - Bedingungen geplant: Bei fehlender Schwerkraft sind die geschilderten Erscheinungen- der Hohlraumbildung (Lunker, Mikrolunker, Poren) sowie zusätzlich Formveränderungen der Gußteile durch Wirksamwerden der Oberflächenspannung sowohl beim Aufschmelzen als auch beim Wiedererstarren in erheblichem Umfange ausgeprägt. Aus diesen Gründen ist es auch vorstellbar, daß Erstarrungen unter g - Bedingungen, bei gleichzeitigem Vermeiden der genannten Erscheinungenj ohne Verwendung des viskoeleastischen Federbalges oder einer, in ähnlicher Weise wirkenden Vorrichtung nicht möglich sind! Ausführungsbeispiele: Für das -Vergießen von metallischen Schmelzen ist es vorstellbar, den viskoelastischen Federbalg aus einer Glasschale geeigneter Zusammensetzung mit Helium- oder Argonfüllung herzustellen. Als ev. wünschenswerte zusätzliche Isolierung des Fluids vom Ferbalg kann z«B. ein Keramik- oder Graphitformteil dienen (s. Bild 4). Leerseite

Claims (2)

1. Beantragte Schutzansprüche (Patent und/oder Gebrauchsm usterschutz) 4 Es sol ein Federbaleschütztwerden der eine Schale besitzt, die bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig starr ist, und erst bei Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur das erforderliche viskose Verhalten annimmt, Weiter wird durch eine geeignete Füllung des Federbalges bewirkt, daß der Jnnendruck entweder von Anfang an die erforderliche Höhe hat, oder sich mit Annäherung an die P;etriebsw temperatur kontinuierlich- oder sprunghaft in gewünschter Weise erhöht Die Füllung des viskoelastischen Federbalges kann - wie bereits ausgeführt -mit o Gasen o o Flüssigkeiten (kompressibel und inkompressibel) o einer Kombination aus den beiden erstgenannten Medien, sowie o anderen gas- oder dampferzeugenden Substanzen aus flüssiger oder fester Phase vorgenommen werden.
2. 2) Als Verfahren soll geschützt werden, daß eine Schmelze während des Erstarrungsprozess durch die oben beschriebene Einrichtung unter optimalem Druck gehalten wird, und dadurch die bei Gußkörpern schwer bzw. nicht zu vermeidenden Fehler wie Makro-, Mikrolunker und Poren und Mikroporen vermieden werden. Dies gilt swohl unter Schwerkraftbedingungen als auch unter Mikro-g-Bedingungen.