DE3923550A1

DE3923550A1 - Verfahren und dauerform zum formgiessen von elektrisch leitenden werkstoffen

Info

Publication number: DE3923550A1
Application number: DE3923550A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Sick; Otto W Dr Stenzel
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1989-07-15
Filing date: 1989-07-15
Publication date: 1991-01-24
Anticipated expiration: 2009-07-16
Also published as: DE3923550C2; US5156202A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Dauerform zum Formgießen von elektrisch leitenden Werkstoffen, insbesondere zum Gießen von reaktiven Metallen und Metallegierungen.

Es ist bekannt (US-PS 26 86 864; US-PS 27 58 188; DE-PS 11 47 714), elektrisch leitende Werkstoffe in einem Tiegel zu schmelzen, der von einer Magnetspule umschlossen ist, wobei ein hochfrequentes elektro magnetisches Feld die Schmelze in einem Schwebezustand hält, d. h. die Schmelze daran hindert, während des Aufschmelzens in Kontakt mit der Tiegelwand zu gelangen. Ein Vorteil dieses Schmelzverfahrens besteht in der Möglichkeit, reaktive Metalle aufzuschmelzen, ohne daß es dabei zu einer Korrosion der Innenwand des Schmelz tiegels kommt.

Bekannt ist auch ein induktiv beheizter Schmelztiegel (DAS 21 00 378; EP 02 76 544), gebildet aus einen tiegelförmigen Hohlraum umschließenden und an ihren unteren Enden durch eine gemeinsame Basis gehaltenen, radial angeordneten, plattenförmigen Segmenten, die unterhalb des Hohlraums etwas nach innen vorspringen, wobei die plattenförmigen Segmente und ihre Basis aus elektrisch gut leitendem Material bestehen und die von der Basis aus frei nach oben ragenden Segmente jeweils durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.

Bekannt sind ganz allgemein Feingußverfahren, die sowohl keramisch als auch metallische Formen nutzen. Das Ziel aller dieser Feingußverfahren ist eine gute Formfüllung, niedrige Porosität im Gußstück durch Gaseinschlüsse oder Schwindung während der Erstarrung sowie eine vorteil hafte Erstarrungsstruktur.

Für viele Feingußteile lassen sich diese Forderungen mit keramischen Formen erfüllen. Der Nachteil der kerami schen Form ist ihre aufwendige Herstellung und die Tat sache, daß keramische Formen in der Regel nicht wieder verwendbar sind. Zur preiswerten Massenfertigung ist der Feinguß mit verlorener Form nicht geeignet.

Alternativ hierzu werden metallische, wiederverwendbare Formen (Dauerformen) aus Metall oder z. B. Graphit ein gesetzt. Der Einsatz kalter metallischer Formen ist jedoch auf einige Prozesse und Metalle beschränkt, da die Füllung kalter metallischer Formen schwierig ist und da das Metall in Kontakt mit der Formwand sehr schnell erstarrt, so daß dünne Querschnitte oft nicht vollstän dig auslaufen.

Aufgrund dieser Tatsache werden metallische Formen zweckmäßigerweise mit hoher Geschwindigkeit mit dem Metall gefüllt. Eine gebräuchliche Anwendung hierzu ist der Druckguß. Bei diesem Verfahren wird das Metall unter Druckeinwirkung in die Dauerform hineingepreßt. Zur Unterdrückung von sich ausbildenden Hohlräumen durch Schwindung wird in vielen Fällen das nicht vollständig erstarrte Gußstück nachverdichtet. Es sind auch Verfah ren bekannt, in denen mittels eines Tauchrohres und An wendung von Vakuum im Formraum die metallische Schmelze in die Form gesaugt wird.

Schließlich hat man auch vorgeschlagen, die Form vor dem Einguß teilweise oder vollständig anzuwärmen, um die Formfüllung zu optimieren und eine störende, frühzeitige Erstarrung des Metalls in kritischen Bereichen der Form zu verhindern. Das Vorwärmen der Form ist jedoch nur beschränkt möglich, da es ja das Ziel ist, eine Erstar rung in der Form zu erzielen, eine bestimmte zur Ein stellung der gewünschten Erstarrungsstruktur notwendige Erstarrungsgeschwindigkeit einzustellen und eine Reak tion zwischen Schmelze und Formmaterial zu vermeiden.

Dies alles führt zu den bereits erwähnten Einschränkun gen und Kompromissen. Eine besondere Herausforderung stellt das Gießen von reaktiven Metallen und Legierun gen, insbesondere in intermetallischen Phasen, dar (Ti, W, Ta, Nb, Superlegierungen), da hierbei die Reaktion zwischen Formmaterial und Schmelze besonders ausgeprägt ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Dauerform zu entwickeln, die auch mit reaktiven Schmel zen nicht reagiert, eine rasche Abkühlung und Erstarrung erlaubt und dabei eine gute Formfüllung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gußform aus einer Vielzahl von aus Metall gefertig ten Segmenten gebildet ist, wobei die Zwischenräume zwischen den Segmenten je nach Ausführung mit nicht leitendem Material ausgefüllt oder aber offene Spalten sind, über die ein elektromagnetisches Feld auf die Schmelze in der Form bzw. auf das Gußstück einwirken kann, und durch eine Vorrichtung, die durch Druckbeauf schlagung der Schmelze diese an die Innenkontur der Form preßt und eine Nachverdichtung während der Erstarrung durchführt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu; zwei davon sind in den anhängenden Zeich nungen schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine rota tionssymmetrische Dauerform, zusammen mit der die Abzugsöffnung versperrenden, kreis ringförmigen Verschlußplatte und zwei Druck pilzen, in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 ein Gußstück in perspektiver Darstellung und

Fig. 3 eine zweischalige Dauerform für ein nicht rotationssymmetrisches Werkstück (Turbinen schaufel) in perspektivischer Darstellung, wobei die eine Halbschale und die Induk tionsspule nur teilweise dargestellt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Dauerform zum Gießen eines Ventils aus Titan bzw. einer Titanlegierung für eine Verbrennungskraftmaschine besteht aus einer Vielzahl von einzelnen etwa L-förmigen Segmenten 3, 3′, ... gleicher Konfiguration, die nach Art von Faßdauben zu einem etwa flanschförmigen Hohlkörper 5 zusammengefügt sind und die mit von einem Kühlmittel durchflossener Kammer ausge stattet sind, wobei in die Spalte 4, 4′, ..., die je weils zwei Segmente 3, 3′, ... miteinander bilden, eine Isoliermasse 4, 4′, ... eingesetzt werden kann. Der flanschförmige Hohlkörper bzw. die Dauerform 5 ist von einer Induktionsspule 6 umschlossen, deren obere Windun gen im Bereich des oberen Abschnitts 7 des Hohlkörpers 5 einen geringeren Durchmesser aufweisen als im Bereich des unteren, den Flansch bildenden Abschnitts 8. Die auf der Unterseite des unteren Abschnitts 8 vorgesehene Abzugsöffnung 15 des Hohlkörpers 5 ist mit Hilfe einer kreisscheibenförmigen Platte 9 verschließbar, wozu - was nicht näher dargestellt ist - diese Platte 9 in Pfeil richtung A mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung gegen die Unterseite des Hohlkörpers 5 preßbar ist. Die Platte 9 selbst besteht ebenfalls aus einer bestimmten Anzahl von Kreisringsegmenten 13, 13′, ..., die ebenso wie der Hohlkörper 5 mit Hilfe von schmalen, die Körper 5 bzw. 9 umschließenden (jedoch nicht näher dargestell ten) Ringen zusammengehalten werden kann, wobei anstelle von Ringen auch Vernietungen oder Verschraubungen vorge sehen sein können. Die zeichnerisch dargestellte Dauer form 5 ist zum Gießen von Ventilen 12 aus Titan für Ver brennungskraftmaschinen geeignet, wobei der Gießvorgang wie folgt abläuft: Es wird flüssiger Werkstoff (Schmelze) oder aber festes Material in die vom Hohlkörper 5 gebildete obere Öffnung 14 in genau dosierter Menge eingefüllt, wobei die untere Abzugsöffnung 15 mit Hilfe der Verschlußplatte 9 und dem Druckpilz 11 versperrt ist. Wird nun die Induktionsspule 6 mit einer mittel- oder hochfrequenten Spannung beauf schlagt, dann beginnt der eingefüllte Werkstoff induktiv aufzuschmelzen bzw. behält seinen flüssigen oder tei gigen Aggregatzustand, wobei die elektromagnetischen Kräfte das flüssige Metall an vielen Stellen der Dauer form 5 von der Innenwandung 18 wegdrücken. Anschließend können die beiden oder einer der beiden Druckpilze 10 und 11 in Pfeilrichtung A bzw. B beaufschlagt bzw. be wegt werden, um das eingefüllte Schmelzgut bzw. das Werkstück 12 unter Druck zu setzen, damit dieses an die Innenkontur 18 der Dauerform 5 gepreßt und verdichtet wird, während gleichzeitig eine Erstarrung des Werk stoffs des Gußstücks 12 durch die hohe Wärmezufuhr im Kontakt mit der Dauerform 5 bewirkt wird.

Anschließend kann die Form durch ein Zurückfahren der Verschlußplatte 9 und des Druckpilzes 11 geöffnet wer den, so daß sich das abgegossene Teil 12 - in diesem Falle der in Fig. 2 abgebildete Ventilkörper aus einer Titanlegierung - aus der Form 5 entfernen läßt.

Wie oben beschrieben, wird zur Einleitung der Erstarrung und zur Formgebung die Schmelze mit Druckpilzen 10, 11 beaufschlagt. Die Schmelze wird dadurch an die innere Wandung 18 der Gußform 5 gepreßt, wobei die Schmelze zu nächst im Randbereich durch die hohe Wärmeabfuhr (der entweder gekühlten oder kapazitiv wirkenden ungekühlten Form) erstarrt; die induktive Heizung 6 kann danach aus geschaltet werden oder zweckmäßigerweise geregelt zum weiteren Energieeintrag eingeschaltet bleiben. Auf diese Weise kann die Nachspeisung und Kompensation von Schwin dungen erfolgen. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, durch weitere Druckbeaufschlagung über Druckpilze 10, 11 die Nachspeisung und Verdichtung des Gußteils 12 zu erzielen.

Die beschriebene Vorrichtung eröffnet die Möglichkeit, eine Schmelze in der Dauerform zu beheizen, und zwar bei gleichzeitiger Vermeidung von unerwünschten Reaktionen zwischen der Innenwand 18 der Dauerform 5 und der Schmelze. Das beschriebene Verfahren ist deshalb beson ders für das Vergießen von reaktiven Metallen geeignet.

Die einzelnen Segmente 3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ... sind - was in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist - mit Kammern versehen, die an einen Kühlmittelkreislauf ange schlossen sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß es zu keinen Reaktionen zwischen der Schmelze und der Innenwand 18 der Gußform 5 kommen kann. Außerdem ist eine rasche Abkühlung des Gußstücks 12 gewährleistet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Dauer form (zum Gießen einer Turbinenschaufel) an zwei Halb schalen gebildet, die ihrerseits aus zahlreichen Seg menten zusammengefügt sind, wobei die einzelnen Segmente Kammern 20, 20′, ... aufweisen, die von einem Kühlmittel durchflossen sind, das über das T-förmige Verteilerrohr 21 in die Kammern 20, 20′, ... einströmt bzw. bei 22 ausströmt. Nach dem Gießvorgang können die beiden Halb schalen 19, 19′ so gegeneinander verschoben werden, daß das Gußstück der Formkammer 23 entnommen werden kann.

Auflistung der Einzelteile

3, 3′, . . . Segment
4, 4′, . . . Isoliermasse
5 flanschförmiger Hohlkörper, Dauerform
6 Induktionsspule
7 oberer Abschnitt des Hohlkörpers
8 unterer Abschnitt des Hohlkörpers
9 Verschlußplatte
10 Druckpilz, Verdichtungskolben
11 Druckpilz, Verdichtungskolben
12 Gußteil, Werkstück
13, 13′, . . .Kreissegment
14 obere Öffnung, Eingußöffnung
15 untere Öffnung, Werkstück-Abzugsöffnung
16 zentrale Öffnung
17 Querschnittsfläche
18 Innenwand
19, 19′ Halbschale
20, 20′, . . . Kammer
21 Verteilerrohr
22 Verteilerrohr
23 Gießkammer, Formkammer

Claims

1. Verfahren zum Formgießen von elektrisch leitenden Werkstoffen, insbesondere zum Gießen von reaktiven Metallen und Metallegierungen, dadurch gekennzeich net, daß in eine aus Segmenten (3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ...) zusammengefügte Dauerform (5) der Werk stoff in Form eines festen Rohlings eingebracht wird, dann in der Dauerform (5) durch das von einer die Dauerform umschließenden Spule (6) erzeugte elektromagnetische Wechselfeld aufgeschmolzen und flüssig gehalten wird und unter Einwirkung von Schwerkraft oder Zentrifugalkraft oder unter der Einwirkung von Verdichtungskolben (10, 11) an die Innenwand (18) der Dauerform (5) gedrückt wird und dann im Kontakt mit den Segmenten (3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ...) erstarrt.

2. Verfahren zum Formgießen von elektrisch leitenden Werkstoffen, insbesondere zum Gießen von reaktiven Metallen und Metallegierungen, dadurch gekennzeich net, daß der Werkstoff durch eine Einfüllöffnung (14) in die aus Segmenten (3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ...) zusammengefügte Dauerform (5) in flüssigem Zustand eingebracht wird, dann in der Dauerform (5) durch das von der die Dauerform umschließenden Spule (6) erzeugte elektromagnetische Wechselfeld flüssig gehalten wird und unter Einwirkung von Schwerkraft oder Zentrifugalkraft oder unter der Einwirkung von Verdichtungskolben (10, 11) an die Innenwand (14) der Dauerform (5) gedrückt wird und dann im Kontakt mit den Segmenten (3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ...) erstarrt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erstarrung des Werkstoffs, nach Bildung einer geschlossenen Rand schale mittels eines Kolben (11) an einer Partie des Werkstücks (12) an der sich noch eine Rest schmelze befindet eine Verdichtung des Werkstoffs zur Unterdrückung der Lunkerbildung erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Segmen ten (3, 3′, ... bzw. 13, 13′, ...) gebildete Dauer form (5) in der Prozeßkammer einer Vakuumeinrich tung angeordnet ist und der Gießvorgang unter einer Schutzgasatmosphäre in der Prozeßkammer erfolgt.

5. Dauerform zum Formgießen von elektrisch leitenden Werkstoffen, insbesondere zum Gießen von reaktiven Metallen und Metallegierungen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von das Werkstück (12) umschließenden Segmenten (3, 3′, 3′′, ...) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, die zumindest im Bereich des Werkstücks (12) durch Spalte (4, 4′, 4′′, ...) von einander getrennt sind und gemeinsam die Dauerform (5) bilden, wobei der von den Segmenten (3, 3′, 3′′, ...) gebildete Teil mit einem elektromagnetischen Wechselfeld beaufschlagt ist, das von einer Induk tionsspule (6) erzeugbar ist, die die Dauerform umschließt.

6. Dauerform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußplatte (9) am Boden der Dauerform (5) aus Segmenten (13, 13′, 13′′, ...) zusammenge setzt ist, wobei in einer von ihnen gebildeten zentralen Öffnung (16) ein Druckpilz (11) geführt ist, der in lotrechter Richtung (B) zur Einwirkung auf das Werkstück (12) bringbar ist.

7. Dauerform nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in eine von den Segmenten (3, 3′ ...) gebildete Eingußöffnung (14) der Dauerform (5) ein Druckpilz (10) einführbar ist, dessen Quer schnitt dem Querschnitt der Eingußöffnung (14) ent spricht, wobei dieser Druckpilz (10) in vertikaler Richtung (A) zur Einwirkung auf das Werkstück (12) bringbar ist.

8. Dauerform nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (3, 3′, ...; 13, 13′, ...) zumindest teilweise von von einem Kühl mittel durchströmte Kammern aufweisen.