DE4127792C1 - - Google Patents
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- DE4127792C1 DE4127792C1 DE4127792A DE4127792A DE4127792C1 DE 4127792 C1 DE4127792 C1 DE 4127792C1 DE 4127792 A DE4127792 A DE 4127792A DE 4127792 A DE4127792 A DE 4127792A DE 4127792 C1 DE4127792 C1 DE 4127792C1
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem
warmrißempfindlichen Werkstoff, insbesondere aus einer Legierung, durch Gießen
einer Schmelze des Werkstoffes in eine Gießform mit thermisch isolierten Sei
tenwänden und einem Boden aus gut wärmeleitendem Material und Abkühlen der
Schmelze in der Gießform, wobei die als Grenzfläche zwischen Schmelze und
bereits erstarrtem Werkstoff sich bildende Erstarrungsfront im wesentlichen
parallel zum Boden verläuft und sich während des Erstarrens der Schmelze vom
Boden aus in Richtung der freien Schmelzoberfläche bewegt. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Gießform zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren und eine Gießform zu seiner Durchführung ist aus der
DD-PS 2 57 350 in Verbindung mit der darin als Stand der Technik genannten
DD-PS 2 07 076 bekannt. In der DD-PS 2 07 076 ist ein Verfahren zur Herstellung
von runden Scheiben aus Metallsiliziden mit einem Durchmesser von 156 mm und
einer Scheibendicke von 8 mm beschrieben. Dabei wird eine Schmelze einer
Cr-Si-W-Legierung in eine auf 700° Celsius vorgeheizte und außen wärmeiso
lierte Graphitform gegossen und unter Vakuum gleichmäßig mit einer Abkühl
geschwindigkeit von weniger als 20°C/min. auf Raumtemperatur abgekühlt.
Dieses Verfahren ist zur Herstellung dünner Scheiben gut geeignet, bei Gußkör
pern mit größeren Wandstärken treten jedoch trotz Vorwärmung der Form und
langsamem Abkühlen, Risse und Lunker auf, die beispielsweise durch eine ungün
stige Gußtextur des Gußkörpers, aus einer Ansammlung von schädlichen Ausschei
dungen, Seigerungen oder Poren im Zentrum des Gußkörpers oder auch durch eine
Behinderung der Schwindung des Gußkörpers während des Abkühlens aufgrund von
Inhomogenitäten an den Innenwandungen der Gießform verursacht sein können.
Zur Beseitigung dieser Nachteile wird in der DD-PS 2 57 350 eine zylindrische
Gießform vorgeschlagen, auf deren Innenseite eine weiche Isolierschicht aufge
klebt ist, die der Schwindung des Gußkörpers keinen größeren Widerstand entge
gensetzt und in die eine gute wärmeleitende, metallische Bodenplatte der glei
chen chemischen Zusammensetzung wie die des zu vergießenden Werkstoffes einge
setzt ist. Durch die gezielte Wärmeableitung aus der Schmelze über die Boden
platte wird eine gerichtete Erstarrung der Schmelze erreicht, derart, daß sich
zwischen bereits erstarrtem Werkstoff und Schmelze des Werkstoffes nur eine
einzige Erstarrungsfront ausbildet, die sich ausgehend vom Boden der Gießform
mit fortschreitender Erstarrung der Schmelze im wesentlichen parallel zum
Boden in Richtung der freien Schmelzoberfläche bewegt. Aus der Veröffentli
chung "Gerichtete Erstarrung, W. Kurz und B. Lux, Z. Metallkunde 63 (1972) 9,
Seite 509 bis 515", ist bekannt, daß eine derartige gerichtete Erstarrung
Vorteile hinsichtlich des Seigerungs-, Ausscheidungs- und Lunkerverhaltens bei
gegossenen Körper mit sich bringen kann. Außerdem ist es bekannt, daß die
gerichtete Erstarrung eine Reinigung des Gußkörpers bewirken kann, der darin
besteht, daß die vom Boden der Gießform in Richtung der freien Schmelzober
fläche sich bewegende Erstarrungsfront, im erstarrten Werkstoff schwerer lös
liche Fremdstoffe bis zur Schmelzoberfläche vor sich her schiebt. Die Fremd
stoffe werden somit an einem Ende des Gußkörpers angereichert, wo sie hin
sichtlich der Festigkeitseigenschaften des Gußkörpers weniger schädlich
sind und gegebenenfalls auch leicht entfernt werden können. Um die durch das
Gießen und den nachfolgenden Abkühlvorgang im Gußkörper erzeugten Spannungen
gering zu halten oder abzubauen und um die Kontrolle einer gezielten, gerich
teten Erstarrung der Schmelze zu erleichtern, erfolgt das Erstarren der Werk
stoffschmelzen bei den bekannten Verfahren zur gerichteten Erstarrung sehr
langsam. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die Gießform vor dem
Abgießen der Schmelze vorgeheizt und danach gleichmäßig und langsam abgekühlt
wird. So wird beispielsweise in der DD-PS 2 07 076 eine Abkühlgeschwindigkeit
von weniger als 20°C/min bis auf Raumtemperatur genannt.
Aus der DE-OS 35 32 131 ist es bekannt, über die Höhe der Seitenwände der
Gießform einen Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten, wobei die Temperatur
am oberen Rand der Gießform im Bereich der Schmelztemperatur des zu gießenden
Werkstoffes liegt. Dadurch wird eine exakte Kontrolle der gerichteten Erstar
rung der Schmelze, vom gut wärmeableitenden Boden ausgehend, bis zum oberen
Rand der Gießform, gewährleistet. Die Schmelze erstarrt dabei äußerst langsam.
Als Geschwindigkeit, mit der die Erstarrungsfront fortschreitet, werden in der
DE-OS 35 32 131 4 cm/h genannt.
Durch langsames Erstarren und Abkühlen entsteht jedoch in Abhängigkeit vom zu
vergießenden Werkstoff ein relativ grobkörniges Gefüge, das wiederum Ursache
für eine Rißbildung im Gußkörper sein kann. Die zur Rißausbreitung erforder
liche Kraft hängt im wesentlichen von den atomaren Bindungen und dem Mikroge
füge des Werkstoffes ab. Bei polykristallinen Werkstoffen können Korngrenzen
als intrinsisch vorhandene Anrisse aufgefaßt werden, von denen aus eine Riß
ausbreitung erleichtert ist. Diese rißeinleitende Eigenschaft von Korngrenzen
ist um so ausgeprägter, je ausgedehnter die einzelnen Korngrenzen sind, das
heißt, um so gröber das Korngefüge des Werkstoffes ist. Demgegenüber wird die
Rißeinleitung beziehungsweise die Rißausbreitung bei feinkörnigem Gefüge be
hindert.
Ein langsames Abkühlen kann bei vielen hierfür anfälligen Werkstoffen außerdem
die Entstehung oder das Wachstum unerwünschter Inhomogenitäten, wie Ausschei
dungen oder Entmischungen fördern, die bei Verwendung des Werkstoffes bei
spielsweise als Target für Beschichtungszwecke zu Schwankungen im Beschich
tungsergebnis führen. Derartige Inhomogenitäten im Werkstoffgefüge können
ebenfalls rißfördernd wirken.
Durch ein langsames Erstarren der Schmelze diffundieren auch gasförmige Verun
reinigungen, wie beispielsweise Wasser oder Sauerstoff, in verstärktem Maße
sowohl über die freie Schmelzoberfläche, als auch von den Innenwandungen der
Gießform her in die Schmelze, wo sie als Fremdstoffe nicht nur eine Verunrei
nigung des Werkstoffes darstellen, sondern auch als Keimbildner für im Werk
stoff sich bildende Inhomogenitäten wirken können.
Zur Vermeidung oder Reduzierung der Rißbildung im Gußkörper wird in der
DD-PS 2 57 350 die Verwendung einer Bodenplatte vorgeschlagen, die die gleiche
chemische Zusammensetzung wie die des zu gießenden metallischen Werkstoffes
hat. Ein ähnlicher Lösungsvorschlag liegt auch dem Verfahren gemäß der
EP-B1 2 37 325 zu Grunde, bei dem eine Bodenplatte aus einem Material verwendet
wird, das sich mit dem zu vergießenden Werkstoff zu einer einheitlichen Struk
tur verbindet und das einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als denjenigen
des zu gießenden Werkstoffes aufweist. Dadurch wird die Oberfläche des Guß
körpers unter Druckspannungen gesetzt, die zwar eine Ausbreitung von Warmris
sen über die gesamte Dicke des Gußkörpers hinweg, jedoch nicht die Entstehung
von Rissen verhindern können.
Abgesehen davon, daß bei Verwendung von Bodenplatten der gleichen chemischen
Zusammensetzung wie die des zu gießenden Werkstoffes die Wärmeleitfähigkeit
der Bodenplatte nicht optimierbar ist, besteht bei warmrißempfindlichen Werk
stoffen aufgrund der thermischen Belastung beim Übergießen der heißen Schmelze
auch die Gefahr des Reißens der Bodenplatte. Bei Verwendung von Bodenplatten
mit einer von der des zu vergießenden Werkstoffes unterschiedlichen Zusammen
setzung, die sich aber mit diesem fest verbinden soll, treten neben möglichen
unerwünschten Grenzflächenreaktionen und Haftungsproblemen auch Verformungen
der Gußkörper aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten der miteinander verbundenen Materialien auf, die ebenfalls zu Proble
men beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Gußkörper führen können.
Für die Herstellung von Scheiben aus dem warmrißempfindlichen Werkstoff, bei
spielsweise zur Verwendung als Targets für Beschichtungszwecke, muß ein zylin
derförmiger Gußkörper, wie er mittels der Gießform gemäß der DD-PS 2 57 350
hergestellt wird, in entsprechende Scheiben zersägt oder auf andere Art zer
teilt werden. Der dabei anfallende Materialabtrag sowie der infolge der Bean
spruchung des Gußkörpers während der Bearbeitung zusätzlich verursachte Aus
schuß führen unvermeidlich zu Materialverlusten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches und
kostengünstiges Verfahren zur Herstellung plattenförmiger Körper aus warmriß
empfindlichen Werkstoffen anzugeben, mit dem ein Gießen rißfreier und homoge
ner Körper ermöglicht wird, und eine einfache, abnutzungsarme Gießform zur
Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, aus der der Gußkörper leicht zu
entnehmen ist und die ein rasches Abkühlen der Schmelze, bei gleichzeitiger
gerichteter Erstarrung erlaubt.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Schmelze in eine Gießform gegossen wird, deren Temperatur in Grad
Celsius maximal einem Drittel der Liquidus-Temperatur des Werkstoffes ent
spricht, und in Form einer Rechteck-Platte mit einer Plattenstärke im Bereich
zwischen 5 mm und 20 mm gegossen wird, wobei sich die Erstarrungsfront beim
Erstarren der Schmelze im wesentlichen in Richtung einer der langen Seiten der
Platte bewegt. Dabei können sowohl die Seitenwände der Gießform als auch der
Boden auf einheitlicher Temperatur sein. Es ist auch möglich, den Boden kühler
als die Seitenwände zu halten oder ihn während des Abkühlens der Schmelze
zusätzlich zu kühlen. Durch Gießen der Schmelze in eine Gießform, deren Tempe
ratur in Grad Celsius höchstens einem Drittel der Liquidus-Temperatur des
Werkstoffes entspricht, wird die über den Boden abzuführende Wärmemenge mög
lichst gering gehalten und ein rasches Erstarren der Schmelze unterstützt.
Dabei erfolgt die Wärmeableitung jedoch bevorzugt in Richtung des Bodens der
Gießform, so daß sich als Grenzfläche zwischen der Schmelze und bereits er
starrtem Werkstoff eine Erstarrungsfront ausbildet, die im wesentlichen paral
lel zum Boden verläuft und die sich in Richtung zur freien Schmelzoberfläche
hin bewegt. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß durch ein verhältnis
mäßig schnelles Erstarren der Schmelze im Gußkörper keine Spannungen induziert
werden, die ein Reißen des Gußkörpers verursachen. Bisher wurde davon ausge
gangen, daß das Abkühlen von Schmelzen warmrißempfindlicher Werkstoffe mög
lichst langsam erfolgen muß, um ein Reißen des gegossenen Körpers beim Abküh
len zu verhindern. Eine Erklärung dafür, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren
das schnelle Abkühlen nicht zum Reißen des Gußkörpers führt, sondern im Gegen
teil besonders rißarme oder rißfreie Gußkörper erzeugt werden können, besteht
darin, daß gleichzeitig mit dem schnellen Erstarren des Gußkörpers ein Erstar
ren in gerichteter Art und Weise angestrebt wird. Dieses rasche, gerichtete
Erstarren des Körpers führt nämlich einerseits zu einer homogenen Verteilung
der einzelnen Werkstoff-Bestandteile im Gußkörper, vermindert die Gefahr der
Entstehung von Entmischungen oder anderen Inhomogenitäten, die zu einer un
gleichen Verteilung der Materialeigenschaften innerhalb des Gußkörpers und
damit zur Entstehung von Spannungen führen können und verhindert andererseits
die Entstehung und die Ausbreitung mehrerer Erstarrungsfronten, an deren Kreu
zungspunkten sehr hohe Spannungen auftreten können. Es hat sich jedoch ge
zeigt, daß homogene rißfreie Gußkörper nur dann erhalten werden, wenn die
Schmelze in Form einer Rechteck-Platte mit einer Plattenstärke im Bereich
zwischen 5 mm und 20 mm erstarrt, wobei sich die Erstarrungsfront im wesent
lichen in Richtung einer der langen Seiten der Platte bewegt. Das bedeutet,
daß der Boden der Gießform beim Erstarren der Schmelze mit einer der schmalen
Seiten des plattenförmigen Gußkörpers in Berührung ist, der Gußkörper also
sozusagen hochkant erstarrt. Zum einen erlaubt ein Gießen der Schmelze in
einen Spalt mit einer Spaltbreite bis ca. 20 mm ein gleichmäßiges Auffüllen
der Gießform, zum anderen wird durch das Erstarren der Schmelze in Form einer
hochkant stehenden Platte, im Gußkörper ein spiegelsymmetrisches Spannungs
profil erzeugt, wobei die Spiegelfläche parallel zur breiten Seite des plat
tenförmigen Gußkörpers und genau in der Plattenmitte verläuft. Eine derartige
Verteilung der durch das Abkühlen erzeugten Spannungen im Gußkörper ist hin
sichtlich der Rißerzeugung am wenigsten schädlich. Zwar treten an den schmalen
Kanten des Gußkörpers Störungen dieses Spannungsprofiles auf, jedoch fallen
diese bei ausreichend großen Abmessungen der langen Seiten des plattenförmigen
Gußkörpers kaum ins Gewicht.
Ein schnelles Abkühlen der Schmelze vehindert überdies die mögliche Ausbildung
von Inhomogenitäten, wie beispielsweise Ausscheidungen oder Entmischungen,
oder vermindert zumindest deren Wachstumsgeschwindigkeit. Zudem wird bei einem
schnellen Abkühlen die Aufnahme von Verunreinigungen in die Schmelze über die
Gasphase, über die Seitenwände oder über den Boden der Gießform vermindert.
Solche Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasser oder Sauerstoff, können die
homogene Gitterstruktur des Werkstoffes verändern und damit sowohl hinsicht
lich des Festigkeitverhaltens des Gußkörpers als auch hinsichtlich dessen
Reinheit schädlich auswirken.
Es hat sich überraschenderweise als günstig erwiesen, die Schmelze in eine
Gießform abzugießen, deren Temperatur höchstens 250°C beträgt. Besonders gute
Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität und der Rißfreiheit der Gußkörper
wurden beim Abgießen der Schmelzen in Gießformen erzielt, die vor dem Gießen
auf Raumtemperatur gehalten worden sind.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, die Schmelze in Form einer recht
eckigen Platte erstarren zu lassen, deren Breite mindestens dem Fünffachen der
Plattenstärke entspricht, wobei unter der Breite der Platte diejenige seitli
che Abmessung verstanden, wird, die mit der Plattenstärke die Ebene aufspannt,
die parallel zum Boden verläuft. Das im erstarrenden Gußkörper sich ausbilden
de, spiegelsymmetrische Spannungsprofil wird dadurch wenig gestört. Auch die
Länge des plattenförmigen Gußkörpers, worunter die senkrecht oder nahezu senk
recht zum Boden sich erstreckende seitliche Abmessung des Gußkörpers verstan
den wird, sollte vorteilhafterweise mindestens dem fünffachen der Plattenstär
ke entsprechen. Jedoch läßt sich diese Länge nicht ohne weiteres für jeden
Werkstoff einhalten, da die Länge innerhalb der ein gerichtetes Erstarren des
Gußkörpers erfolgt, unter anderem von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes
abhängt. Bei Werkstoffen mit schlechter Wärmeleitfähigkeit wird die Wärme der
Schmelze über dem Boden mit zunehmender Dicke der bereits erstarrten Schicht
deutlich langsamer abgeführt, so daß die in Richtung der freien Schmelzober
fläche sich bewegende Erstarrungsfront immer langsamer fortschreitet und wei
tere Erstarrungsfronten, die sich von den Seitenwänden der Gießform oder der
Schmelzoberfläche her bilden, ein weiteres gerichtetes Erstarren verhindern.
Mit Werkstoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 25 W/mk wurden gute
Ergebnisse erzielt. Bevorzugt werden Werkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit
im Bereich zwischen 40 W/mk und 60 W/mk eingesetzt. Die Länge innerhalb der
eine gerichtete Erstarrung stattfindet, läßt sich mit wenigen Gießversuchen
anhand von Schliffproben für jeden Werkstoff leicht individuell ermitteln.
Besonders bewährt hat sich ein Verfahren, bei dem als zu vergießender Werk
stoff eine Zusammensetzung von mindestens einem Übergangsmetall und mindestens
einem Seltenerdmetall und insbesondere ein Werkstoff mit einer Zusammensetzung
gewählt wird, bei der zwischen 25 Gew.-% und 65 Gew.-% Eisen, zwischen 35
Gew.-% und 60 Gew.-% Terbium und höchstens 15 Gew.-% Kobalt enthalten sind.
Bei Verwendung eines derartigen Werkstoffes konnten sehr homogene Gußkörper,
mit einer ungewöhnlich guten Homogenität und Abweichungen der Zusammensetzung
innerhalb des Gußkörpers von weniger als einem halben Prozent der Soll-Gehalte
der jeweiligen Metalle erzielt werden.
Hinsichtlich der Gießform zur Durchführung des Verfahrens wird die obenstehen
de Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Boden aus einem Metall
besteht, das mit der Schmelze des Werkstoffes keine mechanische Verbindung
eingeht und die Gießform mit vier sich paarweise gegenüberstehenden Seitenwän
den versehen ist, deren Innenwandungen eine mittlere Rauhtiefe von höchstens
100 µm aufweisen und die einen Raum mit rechteckiger Grundfläche umfassen,
deren kurzer Schenkel zwischen 5 mm und 20 mm lang ist, wobei die Länge des
langen Schenkels und die Höhe des von den Seitenwänden umfaßten Raumes minde
stens das Fünffache der Länge des kurzen Schenkels betragen. Die Ausbildung
der Gießform mit Seitenwänden, deren Innenwandungen eine mittlere Rauhtiefe
von höchstens 100µm aufweisen, erlaubt eine raschere Abkühlung der Werk
stoff-Schmelze bzw. des erstarrten Gußkörpers, da bei glatten Oberflächen des
Gußkörpers die Gefahr einer von seiner Oberfläche ausgehenden Rißeinleitung
vermindert ist. Außerdem werden Hinterschneidungen und Hinterzahnungen und
damit eine Behinderung der Schwindung des Gußkörpers beim Abkühlen vermieden.
Dadurch, daß der Boden aus einem Metall besteht, das mit der Schmelze des
Werkstoffes keine mechanische Verbindung eingeht, wird eine leichte Entnahme
des Gußkörpers aus der Gießform gewährleistet. Die Bodenplatte kann bezüglich
ihrer Wärmeleitfähigkeit und hinsichtlich ihrer Temperaturschockbeständigkeit
beim Übergießen mit heißer Schmelze optimiert werden und ist mehrmals verwend
bar. Außerdem besteht nicht die Gefahr der Verformungen der Gußkörper aufgrund
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbundener
Materialien und auch nicht die Gefahr von Grenzflächenreaktionen zwischen
Gußkörper und Boden. Dadurch, daß die Seitenwände sich paarweise gegenüber
stehen und einen Raum mit rechteckiger Grundfläche umfassen, deren kurzer
Schenkel zwischen 5 mm und 20 mm lang ist, wobei die Länge des langen Schen
kels und die Höhe des von den Seitenwänden umfaßten Raumes mindestens das
Fünffache der Länge des kurzen Schenkels betragen, wird ein leichtes Eingießen
der Schmelze des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Auffüllen der Gießform vom
Boden her ermöglicht.
Besonders glatte Innenwandungen weisen Gießformen auf, deren Seitenwände aus
Glas, insbesondere aus Quarzglas oder aus feinpoliertem Graphit oder Bornitrid
bestehen. Gießformen mit derartigen Seitenwänden sind auch bei hohen Tempera
turen, insbesondere auch bei Gußkörpern mit langen seitlichen Abmessungen,
formstabil. Hinterschneidungen oder Hinterzahnungen sind bei derartigen Gieß
formen nahezu ausgeschlossen, die Gußkörper lassen sich besonders einfach
entnehmen und sie weisen eine sehr glatte Oberfläche auf. Dadurch wird die
Entstehung von der Oberfläche ausgehender Risse des Gußkörpers vermindert und
ein rascheres Abkühlen der Gußkörper ermöglicht. Graphit und Bornitrid sind
überdies besonders weiche Materialien, die der Schwindung des Gußkörpers beim
Abkühlen wenig Widerstand entgegensetzen.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, die Innenwandungen der Seitenwände
mit einer Trennschicht, insbesondere mit einer Trennschicht, die Bornitrid
pulver enthält, zu versehen. Eine derartige Trennschicht kann den Widerstand,
den die Seitenwände der Schwindung des abkühlenden Gußkörpers entgegensetzen,
weiter vermindern.
Hinsichtlich einer gerichteten Erstarrung des Gußkörpers ist es erforderlich,
die Wärmeabfuhr über die Seitenwände möglichst gering zu halten. Es wird daher
eine Ausführungsform der Gießform bevorzugt, bei der die Seitenwände eine
Dicke im Bereich zwischen 2 mm und 6 mm aufweisen. Dadurch wird erreicht, daß
die Seitenwände sich beim Eingießen der Schmelze sehr rasch aufwärmen und eine
weitere Abführung von Wärme über die Seitenwände vermindert wird.
Bezüglich einer einfachen Handhabung der Gießform und einer leichten Entnahme
des Gußkörpers hat es sich bewährt, den Boden, und die Seitenwände voneinander
lösbar auszubilden. Weiterhin hat es sich eine Ausführungsform als günstig
erwiesen, bei der der Boden mit mindestens zwei sich gegenüberliegender Sei
tenwände jeweils einen Winkel von weniger als 90° einschließt, so daß der
zwischen den Seitenwänden erstarrte Gußkörper in Richtung des Bodens gesehen,
konisch leicht verbreitert ist und dadurch die Seitenwände leicht nach oben
von ihm abgehoben werden können.
Anhand einer schematischen Darstellung wird die Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens, sowie eine dazu verwendete Gießform nachfolgend beispiel
haft beschrieben.
In der Figur ist schematisch ein Schnitt durch eine Gießform 1 dargestellt,
bei der auf einem Boden 2 aus Kupfer, der insgesamt eine Masse von ca. 4000 g
aufweist und der als Wärmesenke dient, vier Seitenwände 4, 5, 6 sich jeweils
paarweise gegenüberstehen (aufgrund der Darstellung als Schnitt ist eine Sei
tenwand nicht eingezeichnet). Die Seitenwände 4, 5, 6, die aus 4 mm dicken
Quarzglasscheiben mit einer mittleren Oberflächen-Rauhtiefe von 10 µm beste
hen, sind von einer Isolierschicht 7 umgeben. Die Seitenwände 4, 5, 6 umfassen
einen Raum 8 mit rechteckiger Grundfläche, deren kurzer Schenkel 9 mm und
deren langer Schenkel 90 mm lang ist. Die Innenwandungen der Seitenwän
de 4, 5, 6 sind mit einer dünnen Schicht 9 aus Bornitridpulver belegt. Die
Innenwandungen der sich gegenüberstehenden, breiteren Seitenwände 5, 6 verlau
fen nicht parallel zueinander, sondern sie schließen mit dem Boden 2 einen
Winkel von jeweils 89° ein, so daß der von den Seitenwänden 4, 5, 6 umschlos
sene Raum 8 sich nach unten hin leicht konisch verbreitert.
Machfolgend wird anhand der in der Figur dargestellten Gießform 1 beispielhaft
die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Eine Legierung
mit einer Zusammensetzung von 50 Gew.-% Eisen, 45 Gew.-% Terbium und 5 Gew.-%
Kobalt, deren Schmelzpunkt ca. 1300°C beträgt, wird unter Vakuum durch induk
tive Erwärmung aufgeschmolzen. Die Schmelze wird bei einer Temperatur von ca.
1400°C in die Gießform 1 abgegossen, wobei der Boden 2, sowie die Seitenwände
4, 5, 6 der Gießform 1 sich jeweils auf Raumtemperatur befinden. Durch das
Abgießen der Schmelze, deren Gewicht ca. 1500 g beträgt, erwärmt sich der
Boden 1 der Gießform auf etwas mehr als 200°C. Innerhalb der ersten Minute
nach dem Eingießen der Schmelze, erstarrt diese in gerichteter Art und Weise
mit einer mittleren Geschwindigkeit von ca. 5 mm pro Sekunde. Dabei bewegt
sich die Erstarrungsfront vom Boden 2 aus in Richtung der freien Schmelzober
fläche. Mit zunehmender Dicke der bereits erstarrten Schicht erfolgt die Wär
meableitung über den Boden jedoch langsamer, so daß die Erstarrungsgeschwin
digkeit in Richtung senkrecht zum Boden 2 abnimmt. Das Erstarren der Schmelze
und das Abkühlen des Gußkörpers erfolgt dabei ohne weitere Wärmezufuhr von
außen. Aufgrund der geringen Wandstärke der Seitenwände 4, 5, 6 heizen diese
sich aufgrund der mit der Schmelze eingebrachten Wärme so weit auf, daß eine
Erstarrung von den Seitenwänden her kaum erfolgt. Die Schmelze erstarrt daher
mit möglichst großer Geschwindigkeit über ihre gesamte Höhe in nahezu gerich
teter Art und Weise. Durch das rasche Erstarren der Schmelze bildet sich wäh
rend des Abkühlens ein spiegelsymmetrisches Spannungsprofil im Gußkörper aus.
Die Spiegelebene verläuft dabei parallel und mittig zu den breiten Seitenwän
den 5, 6. Diese Spannungsverteilung ermöglicht das rasche Erstarren der
Schmelze und die Herstellung eines extrem feinkörnigen Gefüges, das frei von
Inhomogenitäten, wie Ausscheidungen und Entmischungen, ist. Die Stärke der so
hergestellten Platte beträgt ca. 8,5 mm; ihre Breite ca. 88 mm und die Höhe,
innerhalb der die Schmelze in einer gerichteten Art und Weise erstarrt, ca.
180 mm. Sie ist als Target für Beschichtungszwecke nach geringfügiger Nachbe
arbeitung direkt verwendbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gußkörper aus dieser
Legierung zeigten kaum meßbare Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung
im Bereich des erstarrten Bodens und im Bereich der zuletzt erstarrten freien
Schmelzoberfläche. So wurden beispielsweise zwischen diesen beiden Bereichen
Unterschiede der Terbiumkonzentration von weniger als 0,3 % der eingewogenen
Menge gemessen. Eine so gute Homogenität kann nur durch eine rasche Erstarrung
erzielt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem warmrißempfindlichen
Werkstoff, insbesondere einer Legierung, durch Gießen einer Schmelze des
Werkstoffes in eine Gießform mit thermisch isolierten Seitenwänden und
einem Boden aus gut wärmeleitendem Material und Abkühlen der Schmelze in
der Gießform, wobei die als Grenzfläche zwischen Schmelze und bereits
erstarrtem Werkstoff sich bildende Erstarrungsfront im wesentlichen pa
rallel zum Boden verläuft und sich während des Erstarrens der Schmelze
vom Boden aus in Richtung der freien Schmelzoberfläche bewegt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schmelze in eine Gießform (1), deren Temperatur
in Grad Celsius maximal einem Drittel der Liquidus-Temperatur des Werk
stoffes entspricht, und in Form einer Rechteck-Platte mit einer Platten
stärke im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm gegossen wird, wobei sich die
Erstarrungsfront beim Erstarren der Schmelze im wesentlichen in Richtung
einer der langen Seiten (5; 6) der Platte bewegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1)
vor dem Gießen eine Temperatur von höchstens 250° Celsius aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1)
vor dem Gießen auf Raumtemperatur gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schmelze in Form einer Rechteck-Platte gegossen wird, deren Breite
mindestens dem Fünffachen der Platten-Stärke entspricht, wobei die Breite
diejenige Plattenabmessung ist, die mit der Plattenstärke eine Ebene
aufspannt, die parallel zum Boden (2) verläuft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
als zu vergießender Werkstoff eine Zusammensetzung von mindestens einem
Übergangsmetall und mindestens einem Seltenerdmetall gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zu vergießen
der Werkstoff eine Zusammensetzung gewählt wird, die zwischen 25 Gew.-%
und 65 Gew.-% Eisen, zwischen 35 Gew.-% und 60 Gew.-% Terbium und höch
stens 15 Gew.-% Kobalt enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Werkstoff eine Zusammensetzung mit einer Wärmeleitfähigkeit von min
destens 25 W/mK, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich
zwischen 40 W/mK bis 60 W/mK gewählt wird.
8. Gießform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7
mit thermisch isolierten glatten Seitenwänden und mit einem gut wärmelei
tenden Boden aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) aus
einem Metall besteht, das mit der Schmelze des Werkstoffes keine mecha
nische Verbindung eingeht und die Gießform (1) mit vier sich paarweise
gegenüberstehenden Seitenwänden (4; 5; 6) versehen ist, deren Innenwan
dungen eine mittlere Rauhtiefe von höchstens 100 µm aufweisen und die
einen Raum (8) mit rechteckiger Grundfläche umfassen, deren kurzer Schen
kel zwischen 5 mm und 20 mm lang ist, wobei die Länge des langen Schen
kels und die Höhe des von den Seitenwänden (4; 5; 6) umfaßten Raumes (8)
mindestens das Fünffache der Länge des kurzen Schenkels betragen.
9. Gießform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1)
Seitenwände aus Glas, Graphit oder Bornitrid aufweist.
10. Gießform nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwandungen mit einer Trennschicht (9) versehen sind.
11. Gießform nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht
(9) Bornitridpulver enthält.
12. Gießform nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Seitenwände (4; 5; 6) eine Dicke im Bereich zwischen 2 mm und 6 mm
aufweisen.
13. Gießform nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Boden (2) und die Seitenwände (4; 5; 6) voneinander lösbar ausge
bildet sind.
14. Gießform nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) mit
mindestens zwei sich gegenüberliegender Seitenwände (5; 6) jeweils einen
Winkel von weniger als 90 Grad einschließt.
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