DE3873994T2 - METHOD AND METHOD FOR METAL CASTING. - Google Patents

METHOD AND METHOD FOR METAL CASTING.

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DE3873994T2 DE19883873994 DE3873994T DE3873994T2 DE 3873994 T2 DE3873994 T2 DE 3873994T2 DE 19883873994 DE19883873994 DE 19883873994 DE 3873994 T DE3873994 T DE 3873994T DE 3873994 T2 DE3873994 T2 DE 3873994T2
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergießen von Metallschmelze entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 8.The present invention relates to a method and a device for pouring molten metal according to the preambles of independent claims 1 and 8, respectively.

Viele der bei der Herstellung van Gasturbinentriebwerken eingesetzten Komponenten sind Präzisionsgußstucke, die mit Feingußverfahren, wie z. B. dem Wachsausschmelzverfahren, geformt werden müssen. Für andere Gegenstände, wie z. B. Komponenten fur Turbolader, können solche Herstellungsverfahren ebenfalls verwendet werden.Many of the components used in the manufacture of gas turbine engines are precision castings that must be formed using investment casting techniques such as lost wax casting. Other items, such as turbocharger components, can also be manufactured using such techniques.

In der Industrie für Gasturbinentriebwerke gibt es drei unterschiedliche Typen von metallurgischen Kornstrukturen, mit denen Komponenten hergestellt werden. Bei diesen Strukturen handelt es sich um gleichgerichtete (EA), mit gerichtet orientierten stengelförmigen Körnern gerichtet erstarrte (DS) und einzel- oder monokristalline (SX) Komponenten.In the gas turbine engine industry, there are three different types of metallurgical grain structures used to manufacture components. These structures are unidirectional (EA), directionally solidified (DS) with directionally oriented columnar grains, and single or monocrystalline (SX) components.

EA-Komponenten waren die ersten Feinguß-Komponenten, die kommerziell in Gasturbinentriebwerken eingesetzt wurden. Sowohl DS- als auch SX-Komponenten waren spdtere Entwicklungen.EA components were the first investment cast components to be used commercially in gas turbine engines. Both DS and SX components were later developments.

Bei der Herstellung z.B. einer EA-Turbinenschaufel gibt es viele, oftmals einander widersprechende Variablen. Die Komponenten weisen häufig einen relativ dicken und schweren Fußbereich an einem Ende sowie einen etwas weniger dicken und weniger schweren Deckbandbereich am anderen Ende auf, wobei die zwei Bereiche oft durch einen relativ langen, im Querschnitt dunnen Flügelbereich verbunden sind. In vielen Fällen weist das Teil in seinem Inneren auch Hohlkanäle auf, die dazu fuhren, daß der Wandabschnitt des Flügelbereiches noch dunner wird.There are many, often conflicting, variables in the manufacture of an EA turbine blade, for example. The components often have a relatively thick and heavy root section at one end and a slightly less thick and less heavy shroud section at the other end, with the two sections often connected by a relatively long, thin-section wing section. In many cases, the part also has hollow channels inside it that cause the wall section of the wing section to become even thinner.

Aufgrund ihrer Querschnittsänderungen sind typische Komponenten sehr anfällig fur die Bildung von Poren während der Erstarrung.Due to their cross-sectional changes, typical components are very susceptible to the formation of pores during solidification.

Im Fall von EA-Komponenten gibt es nur eine geringe oder keine andere Steuerung der Erstarrung als die, weiche durch das außenliegende Rinnen- und Speisersystem aufgebracht wird. Das Speisersystem ist üblicherweise so angeordnet, daß jeweils das letzte bzw. entfernteste Metall erstarrt, als ein Versuch, die Zufuhrung von flussigem Metall zur erstarrenden Komponente zu gewährleisten. Im Fall von Flugeln werden manchmal Nebenspeiser an dunnen Querschnitten angebracht, um zu versuchen, flüssiges Metall zuführbar zu halten und so das Entstehen von Schrumpfporosität zu verhindern oder zu minimieren. Jedoch können solche Maßnahmen unannehmbare Schwankungen in der Korngröße verursachen, die dazu fohren können, daß das Teil nicht abgenommen wird. So haben Triebwerksbersteller Spezifikationen für maximal annehmbare Porosität und deren Verteilung in Komponenten erlassen. Es werden daher erhebliche Mittel für zerstörungsfreie Prüfmethoden usw. aufgewendet, um unter diesem Standard liegende Komponenten feststellen zu können.In the case of EA components, there is little or no control of solidification other than that provided by the external runner and feeder system. The feeder system is usually arranged so that the last or furthest metal solidifies in an attempt to ensure the supply of liquid metal to the solidifying component. In the case of wings, secondary feeders are sometimes placed on thin cross sections in an attempt to keep liquid metal feedable and thus prevent or minimize the development of shrinkage porosity. However, such measures can cause unacceptable variations in grain size which can result in the part not being accepted. For example, engine manufacturers have established specifications for maximum acceptable porosity and its distribution in components. Considerable resources are therefore spent on non-destructive testing, etc. to identify components that do not meet this standard.

Im Hinblick auf DE 36 03 310 A1 hat der Anmelder freiwillig den Umfang der vorliegenden Anmeldung bezuglich Deutschland begrenzt und getrennte Anspruche für diesen Vertragsstaat eingereicht.With respect to DE 36 03 310 A1, the applicant has voluntarily limited the scope of the present application with respect to Germany and filed separate claims for that Contracting State.

Chandley u.a. schlagen in der US 34 20 291, die dem Oberbegriff des Anspruchs 8 zugrundeliegt, ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung von Restporosität durch Unterdrucksetzen des erstarrenden Metalls vor. Er schlägt einen Druckbehälter vor, in dem entweder die Form erhitzt oder in den eine erhitzte Form eingesetzt werden kann. Der Druckbehälter selbst muß im Fall von typischen Legierungen für Turbinenkomponenten in einer Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer eingeschlossen sein. Metallschmelze wird unter Vakuum in die Form vergossen, wonach ein Schließteil am Druckbehälter in Schließstellung befestigt und der Behälter mit einem Gas unter Druck gesetzt wird, das mit der Metallschmelze nicht reagiert. Es wird hierfur ein Druck von 1.000 bis 4.000 p.s.i. (6,9 bis 27.6 MPa) vorgeschrieben, wobei 2.000 bis 3.000 p.s.i. (13,8 bis 20,7 MPa) der bevorzugte Bereich ist. Obwohl anscheinend deutliche Verbesserungen in der Fehlerlosigkeit der Gußteile erreicht wurden, wurde das Verfahren von der Industrie nicht angenommen. Die Grunde fur dieses Nichtannehmen liegen im wesentlichen in der Kompliziertheit des Gebrauchs der beschriebenen Vorrichtung und auch möglicherweise im eventuellen Sicherheitsrisiko. Denn zunächst ist es notwendig, die Form oder das Behälterinnere zu erwärmen und die Form in den Behälter zu stellen. Da der Behälter und die Form zusammen innerhalb eines Vakuumgießofens vorliegen müssen, ist es dann nötig, den Vakuumgießofen zu schließen und bis zum erforderlichen Druck abzupumpen. In einem typischen Ofen, der fur die Aufnahme der Behdlter-Anordnung groß genug ist, kann dies mehr als 15 Minuten dauern. Ist der geforderte Druck erreicht, muß die Metallcharge geschmolzen und vor dem Vergießen auf eine konstante Temperatur gebracht werden. Dieses benötigt ebenfalls ungefähr 10 Minuten. Nachdem das Metall in die Form vergossen wurde, muß der Druckbehälter abgedichtet und unter Druck gesetzt werden. Mit dem in der Vakuumkammer isolierten Behälter ist dies äußerst schwierig durchführbar und erfordert komplizierte fernbedienbare Mechanismen, die durch die Wände der Vakuumkammer hindurchführen. Die Zeit zum Abdichten des Druckbehalters kann mehr als 3 Minuten in Anspruch nehmen. Der Vakuumgießofen ist dann belegt, während die Metallschmelze erstarrt. Es ist daher sehr schwierig, mehr als einen oder höchstens zwei Gießvorgänge pro Stunde durchführen zu können. Aufgrund der relativ langen Zeit, die zum Abdichten des Druckbehälters erforderlich ist, ist das Metall teilweise schon erstarrt, bevor der Druck aufgebracht ist, und daher ist der zum Erzielen eines vorgegebenen Ergebnisses aufzubringende Druck hoch; bis zu 4.000 p.s.i. Der Druckbehälter selbst muß aus Sicherheitsgrunden bei Drücken gepruft werden, die eventuell ein Mehrfaches des Maximums des geplanten Betriebsdruckes betragen. Eine weitere Variable liegt darin, daß der Druckbehälter selbst infolge von der Form oder von den Formheizeinrichtungen abgestrahlter Wärme aufgeheizt wird, wodurch das Material, aus dem der Druckbehälter gebaut ist, geschwächt wird. Es bestehen daher erhebliche Sicherheitsgefährdungen.Chandley et al., in US 34 20 291, which forms the basis of the preamble of claim 8, propose a method for reducing or avoiding residual porosity by pressurizing the solidifying metal. He proposes a pressure vessel in which either the mold is heated or into which a heated mold can be inserted. The pressure vessel itself must, in the case of typical turbine component alloys, be enclosed in a vacuum melting and vacuum casting chamber. Molten metal is poured into the mold under vacuum, after which a closing part is attached to the pressure vessel in the closed position and the vessel is pressurized with a gas that does not react with the molten metal. A pressure of 1,000 to 4,000 psi (6.9 to 27.6 MPa) is prescribed for this, with 2,000 to 3,000 psi (13.8 to 20.7 MPa) is the preferred range. Although significant improvements in the integrity of the castings appear to have been achieved, the process has not been adopted by the industry. The reasons for this non-acceptance are mainly the complexity of using the apparatus described and also the possible safety hazard. This is because it is first necessary to heat the mold or vessel interior and place the mold in the vessel. Since the vessel and mold must be together inside a vacuum casting furnace, it is then necessary to close the vacuum casting furnace and pump down to the required pressure. In a typical furnace large enough to accommodate the vessel assembly, this may take more than 15 minutes. Once the required pressure is reached, the metal charge must be melted and brought to a constant temperature before pouring. This also takes approximately 10 minutes. After the metal has been poured into the mold, the pressure vessel must be sealed and pressurized. With the vessel insulated within the vacuum chamber this is extremely difficult to do and requires complicated remote-controlled mechanisms passing through the walls of the vacuum chamber. The time to seal the pressure vessel can take more than 3 minutes. The vacuum casting furnace is then occupied while the molten metal solidifies. It is therefore very difficult to carry out more than one or at most two pours per hour. Due to the relatively long time required to seal the pressure vessel, the metal has already partially solidified before pressure is applied and therefore the pressure required to achieve a given result is high; up to 4,000 psi The pressure vessel itself must be tested at pressures which may be several times the maximum designed operating pressure for safety reasons. Another variable is that the pressure vessel itself is heated due to heat radiated from the mold or mold heaters, which weakens the material from which the pressure vessel is constructed. There are therefore significant security risks.

Die DE-A-32 20 744 beschreibt einen Vakuumgießofen mit einer oberen Kammer zum Schmelzen und Vergießen von Metall und einer unteren Kammer zum Kühlen der Form, wobei die zwei Kammern voneinander durch ein Ventil isoliert werden können. Zwischen den beiden Kammern ist ein Form-Transportsystem vorgesehen, jedoch kann die untere Kammer nicht mit einem Inertgas bis zu den Drucken unter Druck gesetzt werden, die zur Verminderung der während der Erstarrung entstehenden Porosität notwendig sind, und es sind in der oberen Kammer auch keine Einrichtungen zum Heizen der Form vorhanden.DE-A-32 20 744 describes a vacuum casting furnace with an upper chamber for melting and casting metal and a lower chamber for cooling the mould, whereby the two chambers can be isolated from each other by a valve. A mould transport system is provided between the two chambers, but the lower chamber cannot be pressurised with an inert gas to the pressures necessary to reduce the porosity which develops during solidification, and there are no means of heating the mould in the upper chamber.

Die GB-A-13 56 890, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von DS-Gußstucken. Die Vorrichtung weist eine bewegbare Vakuumschmelz- und Vakuumgießkammer auf, die zwei oder mehr Kühlkammern bedient, um die Ausnutzung der Schmelzanlage zu verbessern. Die Vorrichtung besitzt jedoch keine Einrichtungen zum Unterdrucksetzen der Kühlkammern, da die Komponenten nach dem DS-Verfahren hergestellt werden und daher im wesentlichen frei von Porosität sind, wie dies oben erläutert wurde.GB-A-13 56 890, which forms the basis of the preamble of claim 1, describes an apparatus for producing DS castings. The apparatus comprises a movable vacuum melting and vacuum pouring chamber serving two or more cooling chambers in order to improve the utilization of the melting plant. However, the apparatus has no means for pressurizing the cooling chambers since the components are manufactured by the DS process and are therefore essentially free of porosity, as explained above.

Die GB-A-21 63 684 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung und zum Vergießen von Metall in einem geschlossenen Raum. Die betreffende Vorrichtung ist vorrangig für Metallschmelzen bestimmt, die man als Teil des Gießvorganges mit einem Legierungsgas reagieren laßt. Das Grundmetall wird zusammen mit einigen festen Legierungszusätzen in einer unter Druck gesetzten Kammer geschmolzen und dann in einen Zwischenbehälter vergossen, der einen gasdurchldssigen Boden aufweist, durch den das Legierungsgas sprudelt, um mit der Metallschmelze im Zwischenbehälter zu reagieren. Nachdem das Metall mit dem Gas eine Reaktion eingegangen ist, wird es dann mittels Ventileinrichtungen in eine Form in einer zweiten Kammer vergossen, die dann unter Druck gesetzt wird, um zu verhindern, daß im erstarrenden Metall das zur Reaktion gebrachte Gas austritt.GB-A-21 63 684 describes a method and apparatus for treating and casting metal in an enclosed space. The apparatus in question is primarily intended for molten metals which are allowed to react with an alloying gas as part of the casting process. The base metal is melted together with some solid alloying additives in a pressurized chamber and then poured into a tundish having a gas permeable bottom through which the alloying gas bubbles to react with the molten metal in the tundish. After the metal has reacted with the gas, it is then poured by means of valve means into a mold in a second chamber which is then pressurized to prevent the solidifying metal from escaping the reacted gas.

Ein alternatives Verfahren, das ebenfalls eingesetzt wurde, ist das isostatische Heißpressen. Etwas innere Porosität kann vielleicht mit dieser Technik eingeschlossen werden, aber sie ist sehr teuer und hat keine Wirkung auf Oberflächenporosität. Für einige Anwendungsbereiche nehmen einige Triebwerkshersteller keine Komponenten an, die so behandelt worden sind.An alternative process that has also been used is hot isostatic pressing. Some internal porosity may be included with this technique, but it is very expensive and has no effect on surface porosity. For some applications, some engine manufacturers will not accept components that have been treated in this way.

DS- und SX-Komponenten werden mit den im wesentlichen gleichen Arten von Vakuumöfen hergestellt. Die Formen werden auf einer wassergekuhlten Abschreckplatte aufgebaut, die Teil des Endes eines Stempels mit steuerbarer Stellung und Geschwindigkeit ist. Die Formen sind nicht isoliert und werden an Ort und Stelle in der Gießkammer durch Wärmestrahlung vorgeheizt. Die kalte Form wird in die Gießstellung mittels des Stempels nach oben verfahren und in der Gießstellung auf die gewünschte Temperatur durch Strahlungsheizeinrichtungen erwdrmt. Dabei werden Formtemperaturen bis zu 1600 ºC erreicht. Die Metallschmelze wird in die Form vergossen, wo sie im schmelzflüssigen Zustand gehalten wird. Durch langsames Zurückfahren der Form auf dem Stempel aus der Wärmestrahlungszone wird die Erstarrung eingeleitet, so daß eine im wesentlichen ebene Grenzfläche fest/flüssig erzeugt wird. Dem erstarrenden Metall wird kontinuierlich flüssiges Metall zugeführt, so daß Schwinden oder Gasporosität niemals entstehen oder eingeschlossen werden können, da keine geschlossenen Nester von flussigem Metall im erstarrten Metall vorhanden sind. Die Auswirkung eines solchen Erstarrungsverfahrens auf die Struktur besteht in der Erzeugung von gerichtet orientierten stengelförmigen Körnern in DS-Komponenten oder eines Einkristalls in SX-Komponenten, wobei bei den letzteren spezielle anfängliche Zusatzschritte ausgeführt werden.DS and SX components are manufactured using essentially the same types of vacuum furnaces. The molds are built on a water-cooled chill plate that is part of the end of a ram with controllable position and speed. The molds are uninsulated and are preheated in place in the casting chamber by radiant heat. The cold mold is raised to the casting position by the ram and heated to the desired temperature in the casting position by radiant heaters. Mold temperatures up to 1600ºC are achieved. The molten metal is poured into the mold where it is held in the molten state. Solidification is initiated by slowly retracting the mold on the ram from the radiant heat zone so that a substantially flat solid/liquid interface is created. Liquid metal is continuously fed into the solidifying metal so that shrinkage or gas porosity can never develop or become trapped since there are no closed pockets of liquid metal in the solidified metal. The effect of such a solidification process on the structure is to produce directionally oriented columnar grains in DS components or a single crystal in SX components, with the latter requiring special initial additional steps.

Obgleich DS- und SX-Komponenten gleichbleibend fehlerfrei beztlglich der Porosität sind, werden sie nur in sehr schwierigen Anwendungsbereichen bei einigen Teilen einiger Triebwerke wegen der Vorteile eingesetzt, die von der erzeugten metallurgischen Struktur herrühren. DS- und SX-Komponenten sind aufgrund der relativ langsamen Erstarrungsgeschwindigkeit in der Herstellung teuer.Although DS and SX components are consistently free from defects in porosity, they are only used in very difficult applications on some parts of some engines because of the advantages that come from the metallurgical structure produced. DS and SX components are expensive to manufacture due to the relatively slow solidification rate.

Für die absehbare Zukunft wird der überwiegende Anteil von Feinguß-Gasturbinentriebwerkskomponenten vom Typ EA sein. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es äußerst wünschenswert, den Anteil an Ausschuß zu vermindern, der aufgrund von Porosität in EA-Komponenten produziert wird. Ein typischer Ausschußanteil bei EA-Komponenten kann 30% sein und für einige besonders schwierige Komponenten steigt die Ausschußrate auf über 50%. Es ist ebenfalls wirtschaftlich wünschenswert, die Formen an Ort und Stelle im Gießofen vorzuwärmen, um die kostenaufwendige Vorheizstufe in externen Öfen zu vermeiden, die bei den für EA-Gußstücke eingesetzten Ofenarten üblich ist.For the foreseeable future, the majority of investment cast gas turbine engine components will be of the EA type. For economic reasons, it is highly desirable to reduce the amount of scrap produced due to porosity in EA components. A typical scrap rate for EA components can be 30% and for some particularly difficult components the scrap rate rises to over 50%. It is also economically desirable to preheat the moulds in situ in the casting furnace to avoid the costly preheating step in external furnaces which is common in the types of furnaces used for EA castings.

Es ist weiterhin wunschenswert, EA-, DS- und SX-Komponenten im selben Ofentyp bei einem minimalen Aufwand für einen Wechsel herzustellen.It is also desirable to be able to produce EA, DS and SX components in the same furnace type with minimal effort for changeover.

Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußmetallteilen zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Gießkammer, Einrichtungen zum Schmelzen und zum Vergießen des Metalls, die zum Füllen einer Form in der Gießkammer eingerichtet sind, eine Formkammer neben der Gießkammer und mit dieser durch eine Ventileinrichtung ausreichender Größe verbunden, durch welche die gefüllte Form hindurchführbar ist, eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Gieß- und in der Formkammer, eine Formverfahreinrichtung zum Transport der gefüllten Form von der Gießkammer zur Formkammer und ist gekennzeichnet durch eine in der Gießkammer vorhandene Formheizeinrichtung und eine an die Formkammer angeschlossene Druckerzeugungseinrichtung, mit der die Formkammer bis zu einem Druck von 7 MPa mit einem Gas unabhdngig unter Druck gesetzt werden kann.According to a first aspect of the present invention, an apparatus for producing cast metal parts is provided. The apparatus comprises a casting chamber, means for melting and pouring the metal, which are arranged to fill a mold in the casting chamber, a mold chamber adjacent to the casting chamber and connected to it by a valve means of sufficient size through which the filled mold can be passed, a vacuum pump for generating a negative pressure in the casting and mold chambers, a mold transport means for transporting the filled mold from the casting chamber to the mold chamber and is characterized by a mold heating means present in the casting chamber and a pressure generating means connected to the mold chamber, with which the mold chamber can be independently pressurized with a gas up to a pressure of 7 MPa.

Die Ausbildung von Formheizeinrichtungen durch z. B. widerstandsgeheizte Molybdän- oder induktionsgeheizte Graphitwärmestrahler in der Gießkammer vermeidet die Notwendigkeit von externen Vorheizöfen sowie einer zusätzlichen Formisolierung und ermöglicht höhere Temperaturen zusammen mit einer größeren Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit von Vorheiztemperaturen.The formation of mold heating devices using, for example, resistance-heated molybdenum or induction-heated graphite heat radiators in the casting chamber avoids the need for external preheating furnaces and additional mold insulation and enables higher temperatures together with greater accuracy and adaptability of preheating temperatures.

Die Formkammer kann auch innere, in ihrer Dicke variable Isolierungen aufweisen, die zu ausgewählten Bereichen einer bestimmten Form ausgerichtet sind, um unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten in ausgewählten Bereichen der gefüllten Form zu erreichen.The mold chamber may also have internal, variable thickness insulation aligned to selected areas of a particular mold to achieve different cooling rates in selected areas of the filled mold.

Die Formkammer kann auch Strahlungsheizeinrichtungen zum gezielten Heizen von Teilen der gefüllten Form aufweisen.The mold chamber may also have radiant heating devices for targeted heating of parts of the filled mold.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die Formkammer unter der Gießkammer angeordnet. Die Formverfahreinrichtung kann einen Stempel aufweisen, der z. B. durch hydraulische oder elektrische Einrichtungen betätigt wird und die Form durch die Ventileinrichtungen vertikal von der Formkammer zur Gießkammer und wieder zurück verfährt.In one embodiment of the device according to the present invention, the mold chamber is arranged under the casting chamber. The mold moving device can have a ram which is actuated, for example, by hydraulic or electrical devices and moves the mold vertically from the mold chamber to the casting chamber and back again through the valve devices.

Die Formverfahreinrichtung kann auch eine Isolierung zwischen der Form und ihrem Sitz auf der Formverfahreinrichtung aufweisen. Im Fall der Herstellung von EA-Komponenten kann eine solche Isolierung notwendig sein, um einen übermäßig gerichteten Wärmefluß durch Wärmeleitung aus der Form zu verhindern. Bei DS- und SX-Komponenten ist unmittelbarer Kontakt zwischen der Form und der an die Formverfahreinrichtung angeschlossenen Kuhleinrichtung notwendig, um einen gerichteten Wärmefluß aus der Form zu fördern.The mold moving device may also include insulation between the mold and its seat on the mold moving device. In the case of manufacturing EA components, such insulation may be necessary to prevent excessively directed heat flow from the mold by conduction. For DS and SX components, direct contact between the mold and the cooling device connected to the mold moving device is necessary to promote directed heat flow from the mold.

Die Formkammer ist als Druckbehälter gebaut und von der Ofenkammer durch Ventileinrichtungen getrennt, die ein schnell ansprechendes Isolierungsventil umfassen. Bei EA-Komponenten kann die die vergossene Metallschmelze enthaltende Form schnell in die Formkammer zurückverfahren, das Isolierungsventil geschlossen und die Formkammer mit einem Fluid, wie z.B. Argon, unter Druck gesetzt werden. Die Form kann innerhalb von etwa 10 bis 20 Sekunden, nachdem das Metall vergossen worden ist, in die Formkammer zurückverfahren, isoliert und unter Druck gesetzt werden. Es hat sich herausgestellt, daß aufgrund dieser kurzen Zeitspanne der erforderliche Druck zur Erreichung einer wesentlichen Verringerung oder Vermeidung von Restporosität im allgemeinen auf unter 1.000 p.s.i. (6,9 MPa) und für die meisten Anwendungsfälle auf weniger als 500 p.s.i. (3,45 MPa) abgesenkt werden kann. Dies hat sowohl Vorteile hinsichtlich der Sicherheit des Verfahrens aufgrund niedrigerer Drücke, als auch in wirtschaftlicher Hinsicht wegen niedrigeren Kapitalaufwandes für Anlagen.The mold chamber is constructed as a pressure vessel and is separated from the furnace chamber by valve means including a fast acting isolation valve. For EA components, the mold containing the poured molten metal can be quickly returned to the mold chamber, the isolation valve closed, and the mold chamber pressurized with a fluid such as argon. The mold can be returned to the mold chamber, isolated, and pressurized within about 10 to 20 seconds after the metal has been poured. It has been found that because of this short period of time, the pressure required to achieve a significant reduction or elimination of residual porosity can generally be reduced to less than 1,000 p.s.i. (6.9 MPa) and for most applications to less than 500 p.s.i. (3.45 MPa). This has advantages both in terms of the safety of the process due to lower pressures, and in economic terms due to lower capital expenditure for equipment.

Die Vorrichtung kann jedoch so gebaut werden, daß sie jedem gewünschten, mit technischen und Sicherheitsanforderungen übereinstimmenden Druck standhält. Es gibt keinen Grund, warum die Form, wenn dies so gewünscht werden sollte, nicht derart konstruiert werden könnte, daß sie z. B. 35 MPa standhält.However, the device can be designed to withstand any pressure required, consistent with technical and safety requirements. There is no reason why the mould could not be designed to withstand, for example, 35 MPa, if this were desired.

Die Vorrichtung kann zur Herstellung von DS- und SX-Komponenten eingesetzt werden, obwohl im Fall solcher Komponenten die Einrichtung zur Unterdrucksetzung wegen des Erstarrungsmechanismus nicht erforderlich ist. Dies hat jedoch den Vorteil, daß der Hersteller eine völlige Flexibilität dadurch erhält, daß die Gießvorrichtung zur Herstellung jedes Komponententyps eingesetzt werden kann.The device can be used to produce DS and SX components, although in the case of such components the pressurization device is not required due to the solidification mechanism. However, this has the advantage of giving the manufacturer complete flexibility in that the molding device can be used to produce any type of component.

Da die Formkammer und ihre angeschlossenen Geräte relativ kompakt sind, können zwei oder mehr Formkammern von einer Gießkammer bedient werden. Auf diese Weise kann ein größerer Ausstoß an Gußstücken erreicht werden, da die Gießkammer auch zur Verfügung steht, während die Gußstücke in einer Formkammer erstarren.Since the mold chamber and its connected equipment are relatively compact, two or more mold chambers can be served by one casting chamber. In this way, a higher output of castings can be achieved, since the casting chamber is also available while the castings are solidifying in one mold chamber.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Gußstucken zur Verfugung gestellt. Das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte Schmelzen einer Metallcharge, Vergießen des Metalls in eine Form in einer Gießkammer mit einer Unterdruckatmosphäre, Zurückfahren der gefullten Form in eine Formkammer sowie Druckisolieren der Formkammer gegenüber der Gießkammer und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Form in der Gießkammer vor dem Vergießen des Metalls erhitzt und nach dem Zurückfahren der gefullten Form in die Formkammer diese mit einem Gas bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa für zumindest einen Teil der Zeitspanne unter Druck gesetzt wird, die zum Erstarren des Metalls in der Form erforderlich ist.According to a second aspect of the present invention, a method for producing castings is provided. The method comprises the steps of melting a metal charge, pouring the metal into a mold in a casting chamber with a reduced pressure atmosphere, returning the filled mold to a mold chamber and pressure isolating the mold chamber from the casting chamber and is characterized in that the mold is heated in the casting chamber before pouring the metal and after returning the filled mold to the mold chamber, it is pressurized with a gas up to a maximum pressure of 7 MPa for at least part of the time required to solidify the metal in the mold.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Zeit zwischen dem Ende des Vergießens des Metalls und dem Druckaufbringen weniger als 40 Sekunden betragen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann diese Zeit weniger als 20 Sekunden betragen. Je schneller der Druck auf das vergossene Metall nach dem Vergießen aufgebracht wird, desto niedriger ist der erforderliche Druck, um eine vorgegebene Verringerung an Porosität zu bewirken. Dies setzt natürlich andere konstante Parameter voraus, wie z. gleichbleibende Metallvergießtemperaturen und Formvorheiztemperaturen sowie eine gleichbleibende Formausbildung und -konstruktion.In a preferred embodiment of the method, the time between the end of the pouring of the metal and the application of pressure can be less than 40 seconds. In a particularly preferred embodiment, this time can be less than 20 seconds. The faster the pressure is applied to the poured metal after pouring, the lower the pressure required to bring about a given reduction in porosity. This of course assumes other constant parameters, such as constant metal pouring temperatures and mold preheating temperatures. as well as consistent shape and construction.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemd.ß der vorliegenden Erfindung können zum Vergießen einer weiten Vielfalt von Metallen und Legierungen eingesetzt werden, die z. B. Kupfer- und Aluminumlegierungen wie auch auf Eisen, Nickel und Kobald basierende Superlegierungen einschließen.The apparatus and method of the present invention can be used to cast a wide variety of metals and alloys, including, for example, copper and aluminum alloys as well as iron, nickel and cobalt based superalloys.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun als Erläuterung Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:In order to better understand the present invention, examples will now be described by way of illustration with reference to the accompanying drawings. In these drawings:

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;Figure 1 shows a schematic section through a first embodiment of a device according to the present invention with a mold located therein, immediately before the pouring of molten metal;

Figur 2 die Vorrichtung aus Figur 1 nach dem Vergießen von Metallschmelze;Figure 2 shows the device from Figure 1 after pouring molten metal;

Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darin befindlichen Form, unmittelbar vor dem Vergießen von Metallschmelze;Figure 3 shows a schematic section through a second embodiment of a device according to the present invention with a mold located therein, immediately before the pouring of molten metal;

Figur 4 die Vorrichtung aus Figur 3 nach dem Vergießen von Metallschmelze;Figure 4 shows the device from Figure 3 after pouring molten metal;

Figur 5 eine Abwandlung einer Vorrichtung, die der aus den Figuren 3 und 4 ähnlich ist, undFigure 5 shows a modification of a device similar to that shown in Figures 3 and 4, and

Figur 6 eine Abwandlung einer Formvakuum-/Formdruckkammer.Figure 6 shows a modification of a mold vacuum/molding pressure chamber.

Es wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 2, in denen dieselben Merkmale durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.Reference is made to Figures 1 and 2, in which the same features are identified by the same reference numerals.

Eine Vorrichtung zum Gießen von Teilen ist allgemein bei 10 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Vakuumgießkammer 11 mit einer an einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossenen Öffnung 12 auf. In der Kammer 11 ist eine Spulenkasten-Baugruppe 13 mit (nicht dargestellten) Induktionsheizspulen und einem Schmelztiegel 14 enthalten; die Baugruppe 13 ist so befestigt, daß sie zum Vergießen der Metallschmelze 15 in bekannter Weise gekippt werden kann. Der Kammeraufbau weist auch eine Öffnung 16 und einen Vakuumverschluß 17 auf, um ein Wiederbefüllen des Schmelztiegels 14 mit neuem Metall unter Vakuum zu ermöglichen. In der unteren Wand 20 der Kammer 11 ist eine Öffnung 21 ausreichender Größe vorhanden, durch die eine Form-Baugruppe 22 hindurchführbar ist. Oberhalb der und um die Öffnung 21 herum ist eine Formheizkammer 23 angeordnet, die einen äußeren Isolierungsbehälter 24 mit darin enthaltenen bekannten Strahlungsheizeinrichtungen 25 und daran befestigten, geeigneten Energieversorgungs- und Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) umfaßt. In der Oberseite des Isolierungsbehälters 24 ist eine Öffnung mit einem darin befindlichen Gießrohr 27 angebracht, um die Metallschmelze beim Vergießen in die Form 22 zu leiten. Unter der Vakuumkammer 11 befindet sich eine Formkammer 30. Die Formkammer 30 ist in einer dichtenden Verbindung an der unteren Wand 20 der Gießkammer 11 befestigt. Die Kammer 30 kann gegenüber der Kammer 11 mittels des Isolierventils 31 und einer Dichtung 32 isoliert werden. Das Ventil 31 kann zwischen der Offenstellung (Figur 1) und der Schließstellung (Figur 2) durch geeignete bekannte, fernbedienbare Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) bewegt werden. Um die Kammerwände herum sind Kühlkanäle 33 vorgesehen. Die Kammer 30 weist eine Tür 34 in ihrer einen Seitenwand auf, um ein Positionieren und ein späteres Entfernen der Form 22 zu ermöglichen, wobei die Tür 34 gegenüber der Kammerwand 35 abdichtbar ist. In der Kammerwand 35 ist auch eine Vakuumpumpenöffnung 36 vorgesehen, die an eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe über ein Ventil 37 angeschlossen ist. Eine weitere Öffnung 38 ist in der Wand 35 vorgesehen, um Fluid unter Druck von einer Fluid-Zuführquelle (nicht dargestellt) über ein Ventil 39 zuzuführen. Die Form 22 ist auf einem Tisch 40 befestigt, aber gegenuber diesem uber einen Isolierblock 41 isoliert. Der Tisch 40 selbst ist auf der Oberseite eines bewegbaren Stempels 43 befestigt, der in einer dichtenden Verbindung durch die untere Wand 44 der Kammer 30 gleitet. Der Tisch 40 und der Stempel 43 sind mit Kanälen 45 für Kühlwasser versehen. Der Stempel 43 wird hydraulisch angetrieben, kann aber auch elektrisch angetrieben werden, und er verfährt die Form 22 zwischen den Kammern 11 und 30.An apparatus for casting parts is shown generally at 10. The apparatus comprises a vacuum casting chamber 11 having an opening 12 connected to a vacuum pump (not shown). In the chamber 11, a Coil box assembly 13 containing induction heating coils (not shown) and a crucible 14; assembly 13 is mounted so that it can be tilted for pouring molten metal 15 in a known manner. The chamber structure also includes an opening 16 and a vacuum seal 17 to allow refilling of crucible 14 with new metal under vacuum. An opening 21 of sufficient size is provided in the bottom wall 20 of chamber 11 to allow a mold assembly 22 to pass through. Above and around opening 21 is disposed a mold heating chamber 23 which includes an outer insulating container 24 containing known radiant heating means 25 and suitable power and control means (not shown) attached thereto. An opening is provided in the top of the insulation vessel 24 with a pouring tube 27 therein to direct the molten metal into the mold 22 during pouring. A mold chamber 30 is provided below the vacuum chamber 11. The mold chamber 30 is secured in a sealing connection to the lower wall 20 of the pouring chamber 11. The chamber 30 can be isolated from the chamber 11 by means of the isolation valve 31 and a seal 32. The valve 31 can be moved between the open position (Figure 1) and the closed position (Figure 2) by suitable known remote control devices (not shown). Cooling channels 33 are provided around the chamber walls. The chamber 30 has a door 34 in one side wall to enable positioning and later removal of the mold 22, the door 34 being sealable against the chamber wall 35. Also provided in the chamber wall 35 is a vacuum pump port 36 which is connected to a vacuum pump (not shown) via a valve 37. A further port 38 is provided in the wall 35 for supplying fluid under pressure from a fluid supply source (not shown) via a valve 39. The mold 22 is mounted on a table 40 but is insulated from it by an insulating block 41. The table 40 itself is mounted on top of a movable ram 43 which slides in a sealed connection through the lower wall 44 of the chamber 30. The table 40 and the ram 43 are provided with channels 45 for cooling water. The ram 43 is hydraulically driven, but can also be electrically driven, and it moves the mold 22 between the chambers 11 and 30.

Im Betrieb wird die Kammer 11 bis zu einem niedrigen Druck ausgepumpt, der den Anforderungen der zu vergießenden Legierung angepaßt ist. Das Ventil 31 wird geschlossen und der Stempel 43 und der Tisch 40 in ihre unterste Stellung zurückgefahren. Das Metall im Schmelztiegel 14 wird eingeschmolzen und die Temperatur erhöht und beim gewünschten Wert konstant gehalten. Sodann werden die Form 22 und der Isolierblock 41 durch die Tür 34 auf den Tisch 40 gestellt, wonach die Tür 34 geschlossen und abgedichtet und sodann die Kammer 30 auf denselben oder eine ähnlichen Druck wie dem in der Kammer 11 evakuiert wird. Beim geeigneten Druck wird das Ventil 31 geöffnet und die Form und die zugehörigen Stützen werden mittels des Stempels in die Formheizkammer 23 (Figur 1) nach oben verfahren. Die Formtemperatur wird dann mittels der Strahlungsheizeinrichtung 25 auf die gewünschte Temperatur erhöht. Sobald die Form 22 und das Metall 15 bei der gewünschten Temperatur stabilisiert sind, wird das Metall in die Form vergossen. Unmittelbar nach dem Vergießen des Metalls wird der Stempel 43 in die Kammer 30 zurückverfahren, das Ventil 31 geschlossen, das Ventil 37 ebenfalls geschlossen und das Ventil 39 geöffnet, um Druck-Fluid, das z. B. Argongas sein kann, zuzuführen (Figur 2). Die Kammer wird schnell auf einen Druck von unter 7 Mpa gebracht. Die Metallschmelze kann so unter Gasdruck erstarren, was zur Vermeidung von Lunkerbildung bei Schwindporosität infolge des Unterdrucksetzens fuhrt, so daß kontinuierlich flussiges Metall zwischen die zufällig wachsenden Korngebilde der erstarrenden Masse zugeftihrt wird. Während die Erstarrung in der Kammer 30 fortschreitet, kann der Schmelztiegel 14 mit neuem Metall durch die Öffnung 16 und den Vakuumverschluß 17 wieder befullt und das Metall fur die nächste Form fertiggeschmolzen werden.In operation, the chamber 11 is evacuated to a low pressure appropriate to the requirements of the alloy to be cast. The valve 31 is closed and the ram 43 and table 40 are returned to their lowermost position. The metal in the crucible 14 is melted and the temperature is raised and maintained at the desired level. The mold 22 and insulating block 41 are then placed on the table 40 through the door 34, after which the door 34 is closed and sealed and the chamber 30 is evacuated to the same or similar pressure as that in the chamber 11. At the appropriate pressure, the valve 31 is opened and the mold and associated supports are raised by the ram into the mold heating chamber 23 (Figure 1). The mold temperature is then raised to the desired temperature by the radiant heater 25. As soon as the mold 22 and the metal 15 are stabilized at the desired temperature, the metal is poured into the mold. Immediately after the metal has been poured, the plunger 43 is returned to the chamber 30, the valve 31 is closed, the valve 37 is also closed and the valve 39 is opened to supply pressurized fluid, which can be argon gas, for example (Figure 2). The chamber is quickly brought to a pressure of less than 7 MPa. The molten metal can thus solidify under gas pressure, which leads to the prevention of void formation in shrinkage porosity due to the pressurization, so that liquid metal is continuously supplied between the randomly growing grain structures of the solidifying mass. While solidification in the chamber 30 progresses, the crucible 14 can be refilled with new metal through the opening 16 and the vacuum seal 17 and the metal can be melted for the next mold.

Es sei nun Bezug genommen auf die Figuren 3 und 4, in denen diesselben Merkmale durch gemeinsame Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Eine Vorrichtung zum Vakuumvergießen und zur Druckerstarrung ist allgemein bei 50 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Schmelz und Gießkammer 51, eine Formheizkammer 52 sowie eine Formvakuum-/Formdruckkammer 53 auf. Alle drei Kammern können gegeneinander durch geeignete Ventile isoliert sein, wie dies weiter unten beschrieben wird. Die Schmelz und Gießkammer 51 weist einen Schmelztiegel 54 auf, der durch Induktionsspulen 55 beheizt wird. Metall kann in den Schmelztiegel 54 durch Entfernen des Deckels 57 der Öffnung eingefüllt werden. Die Kammer wird über eine Leitung 56 evakuiert, die sowohl an eine Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt) als auch an die Formvakuum-/Formdruckkammer 53 mittels eines Verteilers 66 angeschlossen ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 53 durch ein Ventil 58 in der Leitung 56 isoliert werden. Die Kammer 52 wird über die Leitung 59 evakuiert, die ebenfalls an die Vakuumpumpeinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Die Kammer 51 kann gegenuber der Kammer 52 durch das an einem Schwenkarm angeordnete Ventil 60 isoliert werden. Die Kammer 52 kann gegenuber der Kammer 53 durch das an einem Schwenkarm angebrachte Ventil 62 isoliert werden. Die Kammer 52 nimmt Formheizeinrichtungen 63 auf, die eine Isolierung 64 und Strahlungsheizeinrichtungen 65 umfassen. Die Kammer 53 wird am Verteiler 66 über eine zwischengeschaltete Dichtung 68 gehaltert. Der Verteiler 66 ist ferner mit einer Leitung 69 und einem Ventil 70 zur Zufuhr von Druckfluid aus einer Druckfluidquelle (nicht dargestellt), wie z. B. einer Gasflasche, versehen. Die Kammern 52 und 53 weisen außenliegende Wasser-Kuhlrohre 71 bzw. 72 auf. Eine Form 75 wird auf einem Tisch 76 mittels eines Isolierungsblocks 77 abgestutzt, wobei der Tisch auf einem bewegbaren Stempel 78 befestigt ist. Der Tisch 76 und der Stempel 78 sind mit innenliegenden Wasser-Kuhlungskanälen 79 versehen. Der Stempel steht in abgedichteter Gleitverbindung mit dem unteren Deckel 80 der Kammer 53. Die Kammer 53 selbst ist zum Verteiler 66 relativ bewegbar mittels eines hydraulisch betätigten Mechanismus (nicht dargestellt), auf dem die Kammer 53 und der zugehörige Stempel 78 befestigt sind. Der Mechanismus verfährt die Kammer 53 und die zugehörige Vorrichtung nach unten und außen, um einen Zugriff auf das Innere der Kammer 53 zu ermöglichen.Referring now to Figures 3 and 4, in which like features are designated by common reference numerals, a vacuum casting and pressure solidification apparatus is shown generally at 50. The apparatus includes a melting and pouring chamber 51, a mold heating chamber 52, and a mold vacuum/pressure chamber 53. All three chambers may be isolated from each other by suitable valves as described below. The melting and pouring chamber 51 includes a crucible 54 which is heated by induction coils 55. Metal can be charged into the crucible 54 by removing the opening cover 57. The chamber is evacuated via a line 56 which is connected to both a vacuum pumping device (not shown) and to the mold vacuum/pressure chamber 53 by means of a manifold 66. The chamber 51 can be isolated from the chamber 53 by a valve 58 in the line 56. The chamber 52 is evacuated via line 59 which is also connected to the vacuum pumping device (not shown). The chamber 51 can be isolated from the chamber 52 by the valve 60 mounted on a pivot arm. The chamber 52 can be isolated from the chamber 53 by the valve 62 mounted on a pivot arm. The chamber 52 accommodates mold heating devices 63 which include insulation 64 and radiant heating devices 65. The chamber 53 is secured to the manifold 66 by an intermediate seal 68. The manifold 66 is further provided with a conduit 69 and a valve 70 for supplying pressurized fluid from a pressurized fluid source (not shown), such as a gas cylinder. The chambers 52 and 53 have external water cooling pipes 71 and 72, respectively. A mold 75 is supported on a table 76 by means of an insulating block 77, the table being mounted on a movable ram 78. The table 76 and ram 78 are provided with internal water cooling channels 79. The ram is in sealed sliding connection with the lower cover 80 of the chamber 53. The chamber 53 itself is movable relative to the manifold 66 by means of a hydraulically operated mechanism (not shown) on which the chamber 53 and the associated ram 78 are mounted. The mechanism moves the chamber 53 and the associated device downward and outward to allow access to the interior of the chamber 53.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist im wesentlichen der ähnlich, die mit Bezug auf die Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde.The operation of the device is essentially similar to that described with reference to the device of Figures 1 and 2.

Die Kammer 51 wird anfangs durch die Ventil 60 und 68 gegenüber den Kammern 52 und 53 verschlossen und uber die Rohrleitung 56 evakuiert. Die Form 75 wird in die Kammer 53 gesetzt und die Kammer dann an die Dichtung 68 angelegt. Die Evakuierung der Kammer 53 kann durch das Öffnen des Ventils 58 erfolgen. Die Kammer 52 wird ebenfalls anfänglich gegen die Kammer 53 durch das Ventil 62 isoliert und über die Leitung 59 evakuiert. Nachdem die Evakuierung der Kammern 51, 52 und 53 bis zu dem gewunschten Druck oder den gewunschten Drücken erfolgt ist, wird das Ventil 62 geöffnet und die Form von der Kammer 53 zur Kammer 52 auf dem Stempel 78 und dem zugehörigen Tisch 76 und der zugehörigen Isolierung 77 nach oben verfahren. Während das Metall schmilzt und bei einer gewunschten Temperatur stabilisiert wird, wird die Form durch die Strahlungsheizeinrichtung 65 bis zu einer gewünschten Temperatur vorgeheizt. Wenn das Metall nahe seiner gewunschten Temperatur ist, wird das Ventil 60 geöffnet. Nach dem Vergießen des Metalls in die Form wird die gefullte Form sofort in die Kammer 53 zurückverfahren, die Ventile 58 und 62 werden geschlossen und das Ventil 70 wird geöffnet, um ein Einströmen von Druckfluid in die Kammer 53 bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa zu gestatten. Das Metall in der Form kann auf diese Weise unter isostatischem Gasdruck erstarren.The chamber 51 is initially closed by the valves 60 and 68 from the chambers 52 and 53 and evacuated via the pipe 56. The mold 75 is placed in the chamber 53 and the chamber is then placed against the seal 68. The evacuation of the chamber 53 can be carried out by opening the valve 58. The chamber 52 is also initially closed against the Chamber 53 is isolated by valve 62 and evacuated via line 59. After chambers 51, 52 and 53 have been evacuated to the desired pressure or pressures, valve 62 is opened and the mold is moved up from chamber 53 to chamber 52 on the ram 78 and associated table 76 and insulation 77. While the metal melts and is stabilized at a desired temperature, the mold is preheated to a desired temperature by radiant heater 65. When the metal is near its desired temperature, valve 60 is opened. After pouring the metal into the mold, the filled mold is immediately returned to chamber 53, valves 58 and 62 are closed and valve 70 is opened to permit pressurized fluid to flow into chamber 53 to a maximum pressure of 7 MPa. In this way, the metal in the mold can solidify under isostatic gas pressure.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus den Figuren 3 und 4, bei der die Kammer 53 von der Kammer 52 und dem Verteiler 66 getrennt werden kann, ohne das Vakuum in den Kammern 51 und 52 aufzuheben oder den Druck in der Kammer 53 zu vermindern.Figure 5 shows a modification of the device of Figures 3 and 4 in which the chamber 53 can be separated from the chamber 52 and the manifold 66 without breaking the vacuum in the chambers 51 and 52 or reducing the pressure in the chamber 53.

Die Vorrichtung 50 ist im wesentlichen der ähnlich, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, ist jedoch zusätzlich mit einem zweiten Verteiler 90 versehen, der gegenuber der Dichtung 68 des Verteilers 66 abdichtet. Die Druckfluidleitung 69 und das Ventil 70 sind bei dieser Ausfuhrungsform nicht mehr am Verteiler 66 angebracht und durch eine Vakuumleitung 91 und ein Ventil 92 ersetzt, das an die Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Der Verteiler 90 ist mit einer Vakuumleitung 94 und einem Ventil 95 versehen, die zur unabhängigen Evakuierung der Kammer 53 an die Vakuumpumpeinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Im Verteiler 90 sind ferner ein Ventil 97 mit einem Schwenkarm, eine Druckfluid-Einlaßleitung98 für unter Druck stehendes Fluid und ein Steuerventil 99 vorgesehen, wobei die beiden letzteren an eine Druckfluidquelle (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Die Kammer 53 ist gegenuber dem Verteiler 90 uber eine Dichtung 100 abgedichtet und wird an ihm durch geeignete Klammern 101 gehalten. Die Kammer-/Verteilerbaugruppe 53, 90 usw. ist als eine Einheit bewegbar und kann , wobei sie weiterhin unter Druck steht, von der Dichtung 68 / dem Verteiler 66 mittels eines hydraulisch oder elektrisch betätigten Mechanismus (nicht dargestellt) gelöst werden, der die Baugruppe aus Kammer und Verteiler, welche die metallgefullte Form enthält, wegführt, wobei sie durch eine zweite, ähnliche Kammer- und Verteilerbaugruppe mit einer neuen, leeren Form ersetzt wird. Auf diese Weise kann die Produktionsgeschwindigkeit erhöht werden, da die Gießvorrichtung verfügbar ist, während das Metall erstarrt.The device 50 is essentially similar to that shown in Figures 3 and 4, but is additionally provided with a second manifold 90 which seals against the seal 68 of the manifold 66. The pressure fluid line 69 and the valve 70 are no longer attached to the manifold 66 in this embodiment and are replaced by a vacuum line 91 and a valve 92 which is connected to the vacuum pumping means (not shown). The manifold 90 is provided with a vacuum line 94 and a valve 95 which are connected to the vacuum pumping means (not shown) for independently evacuating the chamber 53. Also provided in the manifold 90 are a valve 97 with a pivoting arm, a pressure fluid inlet line 98 for pressurized fluid and a control valve 99, the latter two being connected to a pressure fluid source (not shown). The chamber 53 is sealed from the distributor 90 by a seal 100 and is held thereto by suitable clamps 101. The chamber/distributor assembly 53, 90 etc. is movable as a unit and can be released, while still under pressure, from the seal 68/manifold 66 by means of a hydraulically or electrically operated mechanism (not shown) which moves the chamber and manifold assembly containing the metal-filled mold away, replacing it with a second, similar chamber and manifold assembly containing a new, empty mold. In this way, production speed can be increased since the pouring apparatus is available while the metal solidifies.

Die Erstarrung des Metalls in der Form erfolgt hauptsächlich durch den Mechanismus des Abstrahlens zu den Wänden der Formkammer, von wo die Wärme durch die Kühlungskanäle 72 abgeführt wird. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine schnelle Wärmeabfuhrung zu verhindern und die Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern. Wie in Figur 6 dargestellt, kann dies mittels in der Formkammer angeordneter Isolierungsglieder 110 erreicht werden. Solche Glieder 110 können in Gestalt, Dicke, Werkstoff usw. variieren, was u.a. von der Gestaltung und den Abmessungen der zu vergießenden Teile abhängt. Als Werkstoffe können z. B. versteifte Keramikfasertücher aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Zirkoniumdioxid verwendet werden.Solidification of the metal in the mold occurs primarily through the mechanism of radiation to the walls of the mold chamber, from where the heat is dissipated through the cooling channels 72. In some cases it may be desirable to prevent rapid heat dissipation and to control the cooling rate. As shown in Figure 6, this can be achieved by means of insulating members 110 arranged in the mold chamber. Such members 110 can vary in shape, thickness, material, etc., depending, among other things, on the design and dimensions of the parts to be cast. Materials that can be used include, for example, stiffened ceramic fiber cloths made of aluminum oxide, silicon dioxide or zirconium dioxide.

Das am häufigsten eingesetzte Druckfluid dürfte wohl Argon sein; jedoch können auch andere Gase eingesetzt werden, einschließlich Helium, Stickstoff und Luft, wobei die Auswahl hauptsächlich durch die zu vergießenden Werkstoffe vorgegeben wird. Obwohl Helium teurer als Argon ist, kann es zur Beschleunigung der Abkuhlgeschwindigkeit eingesetzt werden, wenn dies in bestimmten Fällen wunschenswert ist.Argon is probably the most commonly used pressure fluid, but other gases can be used, including helium, nitrogen and air, the choice being dictated primarily by the materials being cast. Although helium is more expensive than argon, it can be used to accelerate the cooling rate if this is desirable in certain cases.

Obwohl die verschiedenen hier beschriebenen Ausfuhrungsformen der Vorrichtung vorrangig fur die Herstellung von EA-Turbinenkomponenten mit niedriger Porosität vorgesehen sind, können sie auch zur Herstellung von DS- und SX-Komponenten verwendet werden. Die Vorrichtung kann mit bekannten, auf Mikroprozessoren basierenden Steuersystemen ausgerüstet werden, welche die von den Strahlungsheizgeräten hervorgerufene Erwärmung sowie die Zurückfahrgeschwindigkeit des Stempels usw. steuern. Zur Herstellung der DS- oder SX-Komponenten wird die Isolierung zwischen der Form und dem Stempeltisch entfernt und die Form direkt auf dem wassergekuhlten Stempeltisch oder auf einer getrennten Abschreckplatte aufgebaut, um eine gerichtete Wärmeabführung sowie als Folge eine ebene Grenzfläche fest/flüssig durch das langsame, gesteuerte Zurückfahren der gefüllten Form aus der Formkammer zu erzielen.Although the various embodiments of the apparatus described here are primarily intended for the manufacture of low porosity EA turbine components, they can also be used to manufacture DS and SX components. The apparatus can be equipped with known microprocessor-based control systems which control the heating produced by the radiant heaters, the retraction speed of the ram, etc. To manufacture the DS or SX components, the insulation between the mold and the ram table is removed and the mold is built up directly on the water-cooled stamp table or on a separate quenching plate in order to achieve directed heat dissipation and, as a result, a flat solid/liquid interface by the slow, controlled retraction of the filled mold from the mold chamber.

Auf diese Weise wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die in den Aufgaben, die sie erfullen kann, vollständig flexibel ist, was zu einer verbesserten Produktionseffektivität und verringerten Kosten fuhrt.In this way, a device is provided that is completely flexible in the tasks it can perform, resulting in improved production efficiency and reduced costs.

Es ist ferner beabsichtigt, die Technik und die Vorrichtung auch für die Herstellung von anderen Komponenten als solchen, die für Gasturbinentriebwerke oder Turbolader bestimmt sind, einzusetzen. Z. B. können Komponenten aus Werkstoffen gegossen werden, die kein Vakuum zum Schutz erfordern. Solche Komponenten können in Luft gegossen und für die Erstarrungsphase in eine Druckkammer eingefahren werden.It is also intended to use the technique and the device for the production of components other than those intended for gas turbine engines or turbochargers. For example, components can be cast from materials that do not require a vacuum for protection. Such components can be cast in air and placed in a pressure chamber for the solidification phase.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Gußmetallteilen mit einer Gießkammer (11), mit Einrichtungen (13) zum Schmelzen und zum Vergießen des Metalls, die zum Fullen einer Form (22) in der Gießkammer eingerichtet sind, mit einer Formkammer (30) neben der Gießkammer und mit dieser durch eine Ventileinrichtung (31) ausreichender Größe verbunden, durch welche die gefüllte Form (22) hindurchfuhrbar ist, mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Gieß- und in der Formkammer, mit einer Formverfahreinrichtung (43) zum Transport der gefüllten Form von der Gießkammer zur Formkammer, mit einer Formheizeinrichtung (23) in der Gießkammer und mit einer an die Formkammer angeschlossenen Druckerzeugungseinrichtung, mit der die Formkammer bis zu einem Druck von 7 MPa mit einem Gas unabhängig unter Druck gesetzt werden kann, gekennzeichnet durch eine Isolierung (41) zwischen der Form und der Formverfahreinrichtung.1. Device for producing cast metal parts with a casting chamber (11), with devices (13) for melting and pouring the metal, which are set up to fill a mold (22) in the casting chamber, with a mold chamber (30) next to the casting chamber and connected to it by a valve device (31) of sufficient size through which the filled mold (22) can be moved, with a vacuum pump for generating a negative pressure in the casting and mold chamber, with a mold moving device (43) for transporting the filled mold from the casting chamber to the mold chamber, with a mold heating device (23) in the casting chamber and with a pressure generating device connected to the mold chamber, with which the mold chamber can be independently pressurized with a gas up to a pressure of 7 MPa, characterized by an insulation (41) between the mold and the mold moving device. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer von der Gießkammer lösbar und durch eine zweite Kammer auswechselbar ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the mold chamber can be detached from the casting chamber and replaced by a second chamber. 25 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch erste (62) und zweite (97) Ventileinrichtungen, die zwischen der Gießkammer (52) und der Formkammer (53) so angeordnet sind, daß die beiden Kammern getrennt werden können, während ein Unterdruck in der Gießkammer und ein Überdruck in der Formkammer aufrechterhalten werden.25 3. Device according to claim 1 or 2, characterized by first (62) and second (97) valve devices which are arranged between the casting chamber (52) and the molding chamber (53) so that the two chambers can be separated while a negative pressure in the casting chamber and a positive pressure in the molding chamber are maintained. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei der weiterhin Isoliereinrichtungen (110) in der Formkammer vorgesehen sind, um die Abkühlgeschwindigkeit in ausgewählten Bereichen der Form zu steuern.4. Apparatus according to any preceding claim, further comprising insulating means (110) in the mold chamber to control the cooling rate in selected areas of the mold. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer auch Heizeinrichtungen zum wahlweisen Erwärmen von Teilen der gefullten Form aufweist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mould chamber also has heating devices for selectively heating parts of the filled mould. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine getrennte Formheizkammer (52) vorhanden ist, die durch Ventile (60, 62) von der Metallschmelzkammer (51) und der Formkammer (53) isoliert werden kann.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a separate mold heating chamber (52) is present, which can be isolated from the metal melting chamber (51) and the mold chamber (53) by valves (60, 62). 7. Verfahren zur Herstellung von Gußstucken mit den Verfahrensschritten Schmelzen einer Metallcharge, Aufheizen einer Form (22), die sich in einer Gießkammer (11) befindet, Vergießen des Metafls in die Form, wobei in der Gie kammer eine Atmosphären mit Unterdruck herrscht, Zurückfahren der gefüllten Form in eine Formkammer (30), Druckisolieren der Formkammer gegenuber der Gießkammer, Unterdrucksetzen der Formkammer nach dem Verfahren der gefüllten Form dorthinein mit einem Gas bis zu einem maximalen Druck von 7 MPa fur zumindest einen Teil der Zeitspanne, die zum Erstarren des Metalls in der Form erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Form innerhalb von 40 Sekunden nach der Beendigung des Vergießens der Metallschmelze unter Druck gesetzt wird.7. Method for producing castings with the process steps of melting a metal charge, heating a mold (22) which is located in a casting chamber (11), pouring the metal into the mold, whereby an atmosphere with negative pressure prevails in the casting chamber, returning the filled mold to a mold chamber (30), pressure-isolating the mold chamber from the casting chamber, pressurizing the mold chamber after the filled mold has been moved therein with a gas up to a maximum pressure of 7 MPa for at least part of the time period required for the metal in the mold to solidify, characterized in that the mold is pressurized within 40 seconds after the completion of the pouring of the molten metal. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkammer innerhalb von 20 Sekunden nach der Beendigung des Vergießens der Metallschmelze unter Druck gesetzt wird.8. A method according to claim 7, characterized in that the mold chamber is pressurized within 20 seconds after completion of the pouring of the molten metal. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Form in der ersten Kammer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der zu vergießenden Legierung erhitzt wird.9. Method according to one of the preceding claims 7 or 8, characterized in that the mold in the first chamber is heated to a temperature above the melting point of the alloy to be cast. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vergießende Metall eine auf Eisen, Nickel oder Kobald basierende Superlegierung ist.10. Method according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that the metal to be cast is an iron, nickel or cobalt-based superalloy.
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