DE3874986T2

DE3874986T2 - Verfahren zur herstellung von gussstuecken aus aktivem metall oder einer legierung daraus, bestehend aus einem gerichteten erstarrungsgefuege.

Info

Publication number: DE3874986T2
Application number: DE8888111090T
Authority: DE
Inventors: Junji Hoshi; Saburo Wakita
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-07-13
Also published as: EP0299417A3; EP0299417A2; US4867224A; DE3874986D1; JPS6418561A; EP0299417B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur eines Metalles, das im geschmolzenen Zustand aktiv ist, oder einer Legierung davon (nachfolgend als "aktives Metall" bezeichnet) wie Ti oder eine Ti-Legierung oder Cr oder eine Cr-Legierung.

Stand der Technik

Das Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit gerichteter Struktur, wie Säulenkristll- oder Einzelkristall- Gußstücke, besteht im allgemeinen, wie in Figur 2 gezeigt, aus dem Erhitzen eines Metalles auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes in einer Hochvakuumatmosphäre, Abgießen des geschmolzenen Metalles 10 in eine Form 3, die auf einer wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte 5 angeordnet ist und Verhindern der Erstarrung des geschmolzenen Metalles 10 durch Umgeben der Form 3 mit einem Graphit-Heizelement 2, das durch eine Induktionsspule 1' erhitzt wird.
Das Abkühlen der wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte 5 in diesem Stadium führt dazu, daß Säulenkristallkörnchen 9 in Aufwärtsrichtung von der wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte 5 hervorgerufen werden und in eine einziger Richtung unter Erstarrung durch die Wirkung des Absenkens der wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte 5 wachsen.
Das geschmolzene Metall 10, das für die Herstellung von Gußstücken mit gerichteter Erstarrungsstruktur eingebracht wird, wird im geschmolzenen Zustand bei einer Temperatur für einen langen Zeitraum in der Form 3 gehalten. Wenn das genannte geschmolzene Metall ein Metall ist, das im geschmolzenen Zustand aktiv ist wie Ti oder eine Ti-Legierung, erodiert das genannte aktive Metall die Form 3, und ruft dabei solche Probleme hervor, wie die Reaktion mit Verunreinigungen, die aus der Form herrühren und ein Aufrauhen der Gußstückoberfläche.
Dies tritt auch bei dem Verfahren und der Vorrichtung auf, die in der US-A-3665083 beschrieben sind für das Schmelzen und Gießen einer Titanium-Legierung, worin eingeschlossen ist ein induktiv erhitzter Ofen, der einen feuerfesten Schmelztiegel umgibt, wobei die zu schmelzende Titanium-Legierung sich freitragend als Block in räumlicher Entfernung zu den Wänden des Schmelztiegels befindet. Eine Scheibe aus einer Titanium-Legierung wird in dem Schmelztiegel an dessen Austragsöffnung positioniert, so daß, wenn die Temperatur des Blocks auf den Schmelzpunkt gebracht worden ist, das erhaltene geschmolzene Metall durch die Scheibe schmilzt und dann unmittelbar auf eine Form gerichtet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Als Ergebnis ausführlicher Untersuchungen, die in Hinblick auf die Lösung dieser Probleme vorgenommen wurden, sind die Erfinder auf die folgenden Tatsachen gestoßen.
Bei Einsatz eines auf die Form aufzugebenden Rohmaterials in Pulverform und Eintrag des aufzugebenden Pulvers in den Schmelzabschnitt während der Vorerhitzung, so daß das vorerhitzte Pulver lokal in dem Schmelzabschnitt schmelzen kann und das erhaltene geschmolzene Metall in Kontakt mit der wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte gebracht wird, um eine gerichtete Erstarrungsstruktur zu erlangen, kann die Erosion der Form auf ein Minimum gebracht werden, und die Reaktion mit Verunreinigungen, die aus der Form herrühren, kann verringert werden, da meist das Metallpulver in Berührung mit der Form kommt und das Metall im geschmolzenen Zustand nur für einen begrenzten Zeitraum über eine kurze Entfernung.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Erkenntnis und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus einem aktiven Metall oder einer Legierung davon mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur, das die Stufen Einbringen eines aktiven Metalles oder einer Legierung davon in eine Form, und Erhitzen und Abkühlen des aktiven Metalles oder einer Legierung davon in einem Ofen, der eine Heizeinheit und eine Kühleinheit enthält, umfaßt und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) das aktive Metall oder die Legierung in die Form pulverförmig eingebracht werden, und
b) die Heizeinheit des verendeten Ofens in zwei Abschnitte eingeteilt ist: eine Vorheizzone und eine schmale Schmelzzone, worin das pulverförmige aktive Metall oder die Legierung davon in der genannten Form in der genannten Vorheizzone vorgewärmt werden und zu einem langsamen Durchlauf durch die Schmelzzone veranlaßt werden, wobei ein lokales Schmelzen derselben in der genannten Schmelzzone auftritt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus einem aktiven Metall oder einer Legierung davon mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur bestehen die einzelnen Erfordernisse aus folgendem:
Die Breite der Schmelzzone sollte vorzugsweise so schmal wie möglich sein, jedoch ist eine Breite von 10 bis 20 mm erforderlich, um eine gerichtete Erstarrungsstruktur zu erhalten.
Die Breite der Vorheizzone sollte ebenfalls vorzugsweise so schmal wie möglich sein, um nicht das Sintern zu beschleunigen, jedoch sollte sie wenigstens 50 mm betragen.
Das aktive Metall kann Ti sein, eine Legierung davon, Cr oder eine Legierung davon. Das aktive Metallpulver sollte eine Teilchengröße von 0,15 bis 0,074 mm (100 bis 200 Mesh) haben, und die Form davon sollte vorzugsweise so nah wie möglich an die Kugelform heranreichen.
Um eine gerichtete Erstarrungsstruktur unter den oben beschriebenen speziellen Umständed zu erhalten, besteht die übliche Praxis darin, mit einer Senkgeschwindigkeit der Form von 100 bis 300 mm pro Stunde zu arbeiten. In Hinblick darauf, eine Schmelzzone von 10 bis 20 mm zu haben, sollte allerdings die Senkgeschwindigkeit der Form vorzugsweise von 100 bis 200 mm pro Stunde betragen.
Während es wünschenswert ist, eine Induktionsspulenheizung für das Erhitzen der Form zu verwenden, sind die Mittel für das Erhitzen nicht auf eine Induktionsspule beschränkt, sondern es können beliebige andere Mittel für das Erhitzen angewandt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1 ist eine Querschnittsansicht, die den Schmelzofen erläutert, der für die Herstellung von Gußstücken aus aktivem Metall mit gerichteter Erstarrungsstruktur der vorliegenden Erfindung erläutert; und
Fig.2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schmelzofen erläutert, wie er für die Herstellung konventioneller Gußstücke aus aktivem Metall mit gerichteter Erstarrungsstruktur verwendet wird.
In den Zeichnungen bedeuten:
1: Induktionsspulenheizung (für das Erhitzen)
1': Induktionsspulenheizung (für das Halten der Temperatur)
2: Graphit-Heizelement
3: Form
4: Induktionsspulenheizung (für das Schmelzen)
5: Wassergekühlte Kupfer-Kühlplatte
6: Wassergekühlte Spule für die Kühlung
7: Pulverförmiges Rohmaterial
8: Schmelzzone
9: Säulenförmige Kristallkörnchen
10: Geschmolzenes Metall.

Beispiel

Die vorliegende Erfindung wird detaillierter unter Bezug auf ein Beispiel erläutert.
Fig.1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung, die für die Anwendung in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. In Fig.1 ist 1 eine Induktionsspulenheizung (zur Erhitzung); 2 ist ein Graphitheizelement; 3 ist ein Form; 4 ist eine Induktionsspulenheizung (zum Schmelzen); 5 ist eine wassergekühlte Kupfer-Kühlplatte; 6 ist eine wassergekühlte Spule zum Kühlen; 7 ist das pulverförmige Rohmaterial; 8 ist eine Schmelzzone; und 9 sind die säulenförmigen Kristallkörnchen.
Pulver aus 50 % Ni-Ti-Legierung mit einer Teilchengröße von 0,07 mm (200 Mesh) wurde in eine Aluminiumform 3 in die Vorrichtung, die in Fig.1 gezeigt ist, eingebracht, die in einer üblichen Vakuumatmosphäre angeordnet ist. Die Aluminiumform 3 hatte einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 100 mm. Die Form 3 wurde mittels der Induktionsspulenheizung 1 und des Graphit-Heizelements 2 auf eine Temperatur von 1200 ºC erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde der Schmelzabschnitt in der Schmelzzone mit der Induktionsspulenheizung 4 auf 1600 ºC erhitzt, um das vorerwärmte 50 % Ni-Ti-Legierungspulver zu schmelzen.
Die wassergekühlte Kupfer-Kühlplatte 5 in Kontakt mit der geschmolzenen 50 % Ni-Ti-Legierung wurde andererseits durch die wassergekühlte Spule 6 zur Kühlung abgekühlt, wodurch eine gerichtete Erstarrungsstruktur veranlaßt wurde zu wachsen, wobei die auf diese Weise gekühlte wassergekühlte Kupfer-Kühlplatte 5 und die Form 3 mit einer Geschwindigkeit von 100 mm pro Stunde abgesenkt wurden, um ein Gußstück mit der gerichteten Erstarrungsstruktur herzustellen.
Das Gußstück wurde entfernt, um die Gußstückoberfläche zu überprüfen. Das Ergebnis bestätigte die erfolgreiche Herstellung einer Gußform aus säulenförmigen Kristallkörnchen, die eine Reaktionsschicht mit der Form zeigten, die dünner als 0,5 mm war.
Zur Vergleichszwecken wurde unter Verwendung der Gießvorrichtung, die Fig.2 gezeigt ist, 50 % Ni-Ti-Legierung, die bei einer Temperatur von 1600 ºC schmolz, in üblicher Vakuumatmosphäre in eine Aluminiumform 3 eingebracht, die einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 100 mm hatte. Das geschmolzene Metall 10 der Form 3 wurde bei einer Temperatur von 1600 ºC mit der Induktionsspulenheizung (zum Halten der Temperatur) gehalten.
Die Form 3 und die wassergekühlte Kupfer-Kühlplatte 5 wurden mit einer Geschwindigkeit von 200 mm pro Stunde abgesenkt unter Kühlung der wassergekühlten Kupfer-Kühlplatte 5 mit der Kühlspule 6. Es wurde beobachtet, daß die Reaktion zwischen dem geschmolzenen Metall und der Form, zu einer Reaktionsschicht führte, die dicker als 3 mm auf der Oberfläche des Gußstückes mit gerichteter Erstarrungstruktur war.
In der vorliegenden Erfindung, in der das Rohmaterial, das sich in Kontakt mit der Form befindet, meist pulverförmig vorliegt und das geschmolzene Metall nur über einer sehr begrenzte Fläche für einen sehr kurzen Zeitraum sich in Kontakt mit der Form befindet, ist es möglich, beim Gießen eines Metalles, das im geschmolzenen Zustand aktiv ist, wie Ti oder eine Legierung davon, die Erosion der Form durch das aktive Metall auf ein Minimum zu beschränken und damit die Reaktion mit Verunreinigungen aus der Form zu reduzieren. Dadurch wird die Herstellung von Gußstücken aus aktivem Metall mit gerichteter Erstarrungsstruktur mit einer besseren Gußoberfläche ermöglicht als bisher beim Stand der Technik.
Bei Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beispielsweise für die Herstellung von künstlichen Knochen aus Ti oder Ti-Legierung ist es möglich, die Herstellung von ausgezeichneten künstlichen Knochen mit hoher Beständigkeit gegenüber wechselnder Beanspruchung in menschlichen Körpern zu gewährleisten, wobei nur eine begrenzte Oberflächenrauhigkeit des Gußstückes auftritt und nur begrenzt Verunreinigungen in Folge der gerichteten Erstarrungsstruktur auftreten, zusätzlich zu solchen Vorteilen von Ti oder einer Ti- Legierung, wie geringem Gewicht, hoher Festigkeit und ausgezeichnetem Korrosionswiderstand.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus einem aktiven Metall oder einer Legierung davon mit einer gerichteten Erstarrungsstruktur, umfassend die Stufen Einbringen eines aktiven Metalles oder einer Legierung davon in eine Form; und Erhitzen und Abkühlen des aktiven Metalles oder einer Legierung davon in einem Ofen, der eine Heizeinheit und eine Kühleinheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das aktive Metall oder die Legierung pulverförmig in die Form eingebracht werden, und

b) die Heizeinheit des eingesetzten Ofens in zwei Abschnitte eingeteilt ist : eine Vorheizzone und eine schmale Schmelzzone, worin das pulverförmige aktive Metall oder die Legierung davon in der Form in der Vorheizzone vorgewärmt werden und zu einem langsamen Durchgang durch die Schmelzzone veranlaßt werden bei örtlichen Schmelzen derselben in der Schmelzzone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das aktive Metall oder die Legierung davon Ti, eine Legierung davon, Cr oder eine Legierung davon ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin für das Aufheizen der Form eine Induktionsspulenheizung eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Schmelzzone eine Weite von 10 bis 20 mm hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Vorheizzone eine Weite von wenigstens 50 mm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Senkgeschwindigkeit der Form 100 bis 200 mm pro Stunde beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das aktive Metallpulver eine Teilchengröße von 0,15 bis 0,074 mm (100 bis 200 mesh) aufweist.