DE4212410A1 - Gießeinheit für die Herstellung einer Mehrzahl von Gußteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gießeinheit für die Herstellung einer Mehrzahl von Gußteilen durch gerichtete Erstarrung oder Ein­ kristallbildung mit einer Formschale, die eine Vielzahl von den Gußteilen entsprechenden Einzelformen umfaßt und mit einer Kühl­ platte, die einen unteren Abschluß der Formschale bildet, sowie auf ein Verfahren unter Verwendung einer solchen Gießeinheit.

Eine Gießeinheit der gattungsgemäßen Art ist aus der EP-A-0 477 136 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Gießeinheit beschrieben, bei der die einzelnen Gußteile in der Art einer Traube kreisförmig um einen Mittelstamm angeordnet sind. Durch die zentrische Anordnung der Einzelformen ist gewährleistet, daß für alle Gußteile in Bezug auf den Wärmehaushalt bei der Erstarrung gleiche Bedingungen bestehen und somit die Lenkung der Erstarrungsfront in jedem Gußteil gleich ist. Dadurch läßt sich für jedes Gußteil gleiche Qualität erreichen. Ein Nachteil der vorbekannten Gießeinheit ist darin zu sehen, daß dann wenn die Anzahl der Einzelformen pro Gießeinheit gesteigert werden soll um die Wirtschaftlichkeit beim Gießen zu erhöhen, der Durchmesser der Gießeinheit erhöht werden muß, wodurch größere und damit teurere Öfen erforderlich sind. Andererseits entsteht im Inneren der kreisförmig angeordneten Einzelformen ein Freiraum der ungenutzt bleibt. Wollte man in diesem inneren Freiraum auch Einzel­ formen anordnen, so wäre die Forderung nach gleichem Wärmehaushalt für alle Einzelformen bzw. Gußteile bei der Erstarrung nicht ohne weiteres erfüllbar. Die US-PS 3 763 926 lehrt zur Lösung dieses Problems die Kühlung der Einzelformen mittels einer Zinnschmelze, wodurch jedoch erheblicher Herstellungsaufwand verursacht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Gießeinheit der gattungsgemäßen Bauart zu schaffen, bei der eine möglichst große Zahl von Gußteilen gleichzeitig und bei geringem baulichen Aufwand hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Gießeinheit die Einzelformen der Formschale unter Einhaltung geringer Abstände nach einem regelmäßigen Raster angeordnet sind und die Gesamtheit der Einzelformen von einem Kranz von in der Formschale integrierten Wärmequellen umgeben ist.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Gießeinheit liegt darin, daß durch die Anordnung der Einzelformen in einem regel­ mäßigen Raster eine maximale Anzahl von Einzelformen und damit Gußteilen auf einer vorgegebenen Grundfläche und damit einem vor­ gegebenen Bauraum abgießbar sind, wobei zum Ausgleich des Wärme­ haushalts der randständigen Einzelformen die an der Peripherie in die Formschale integrierten Wärmequellen dienen.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießeinheit sind die Wärmequellen als Materialanhäufungen im Rand­ bereich der Formschale ausgebildet. Durch die Materialanhäufungen kann lokal der Randbereich der Formschale erhöhte Wärmekapazität aufweisen und somit als Wärmereservoir bzw. Wärmequelle den Temperaturverlauf im erstarrenden Gußteil steuern.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können die in der Formschale integrierten Wärmequellen Hohlkörper sein, welche mit Schmelze füllbar sind. Durch die Größe der Hohlkörper läßt sich deren Wärme­ kapazität genau einstellen und somit der Temperaturverlauf im erstarrenden Gußteil sehr gut steuern.

Vorzugsweise wird die Wärmekapazität der Wärmequellen der Wärme­ kapazität der Gießeinheit so angepaßt, daß der seitliche Wärme­ zustrom um zu den randständigen Einzelformen der Formschale von der Außenseite und der Innenseite zumindest angenähert gleich ist. Der Wärmezustrom zu den randständigen Einzelformen von der Innen­ seite her ergibt sich dabei aus den im Zentralbereich der Gießein­ heit liegenden benachbarten Einzelformen.

Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Gußteilen durch gerichtete Erstarrung oder Ein­ kristallbildung in einer Vakuumgießanlage. Ein solches Gießver­ fahren ist wiederum in der EP-A O 477 136 offenbart. Ein wesent­ liches Merkmal eines solchen Verfahrens besteht darin, einen kontrollierten Wärmestrom zur Lenkung der Erstarrungsfront zu er­ zeugen um dadurch die gerichtete Erstarrung bzw. Einkristallbildung zu erreichen. Es ist bekannt einen solchen kontrollierten Wärme­ strom dadurch zu erzeugen, daß Heizelemente mit äußerer Energiezu­ fuhr (Suszeptoren) eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung verbessert ein derartiges Verfahren er­ findungsgemäß dadurch, daß eine Gießeinheit nach einem der Patent­ ansprüche 1 bis 4 zur Anwendung kommt. Dadurch werden Heizelemente mit äußerer Energiezufuhr überflüssig und es kann dennoch der Wärmestrom und damit der Temperaturverlauf in den erstarrenden Guß­ teilen exakt gesteuert werden.

Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Gießeinheit vor dem Gießen außerhalb der Vakuumgießanlage auf eine Temperatur erhitzt die wenigstens 50 K höher liegt als die Liquidustemperatur des Gießwerkstoffes.

In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei der Erstarrung der Schmelze der Temperaturverlauf durch Isolation der Einzelformen der Gießeinheit gesteuert werden. Schließlich ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dahingehend möglich, daß der Temperaturverlauf durch Reflektoren gesteuert wird, die die Gießeinheit umgeben und dadurch die von ihr abgestrahlte Wärme insbesondere zu den randständigen Einzelformen reflektieren.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Wachsform eines herzustellenden Gußteiles, in vor­ liegendem Fall eine Turbinenschaufel,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erste grundlegende Ausführungs­ form der Formschale einer erfindungsgemäßen Gießeinheit, schematisch,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform einer Formschale in einer Darstellung entsprechend Fig. 2,

Fig. 4 ausschnittweise vergrößert einen Querschnitt entsprechend Fig. 2, jedoch mit im Randbereich der formschale ange­ ordneten zur Aufnahme von Schmelze ausgebildeten Hohl­ körpern und

Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 einer Gießeinheit mit kreisförmig angeordneten Einzelformen entsprechend dem Stand der Technik.

Die in Fig. 1 als Wachsmodell 1 dargestellte Turbinenschaufel soll als Einkristallgußteil hergestellt werden. Die Wachsform weist am Kopf der Turbinenschaufel ein Wärmereservoir 2 und einen Zuführkanal 3 auf, am Schaufelfuß einen sog. Selektor 4, der für die Ausbildung eines Einkristalls erforderlich ist.

In Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Gießeinheit für die Herstellung einer Vielzahl von Schaufeln gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Gießeinheit umfaßt eine Formschale 12, die eine Vielzahl von den Wachsmodellen 1 entsprechenden Einzelformen 10 umfaßt. Die Ein­ zelformen 10 sind, wie die Figur zeigt, in einem rechteckigen Raster unter Einhaltung geringer Abstände voneinander angeordnet. Dabei sind die Zuführkanäle 3 der Einzelformen zu einem gemeinsamen Eingußkanal zusammengefaßt, d. h. die Formschale 12 ist oben offen. Auch unten ist die Formschale 12 offen und unmittelbar auf einer Kühlplatte 20 auf­ gesetzt, mit der die Schmelze in direkten Kontakt kommt. Zum Vergießen wird die Gießeinheit in eine nicht dargestellte Vakuumgießanlage eingebracht. Die Gesamtheit der Einzelformen 10 wird von einem Kranz von in der Formschale 12 integrierten Wärmequellen 11 umgeben, die bezüglich ihrer Wärmekapazität der Wärmekapazität der Gießeinheit so angepaßt sind, daß der seitliche Wärmezustrom zu den randständigen Einzelformen 10a der Formschale 12 von der Außenseite und der Innen­ seite zumindest angenähert gleich ist. Durch die Wärmequellen 11 wird also ein genau vorausbestimmter kontrollierter Wärmestrom er­ zeugt um die Erstarrungsfront in gewünschter Weise zu lenken. Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Wärmequellen 11 ledig­ lich als Materialanhäufungen im Randbereich der Formschale 12 aus­ gebildet, was ausreichend sein kann, da die Formschalen im Regelfall aus keramischen Werkstoffen bestehen und somit ausreichend Wärme­ kapazität aufweisen. Alternativ können die Wärmequellen auch wie es in Fig. 4 gezeigt ist, als Hohlkörper 11a ausgebildet sein, die mit Schmelze füllbar sind. Hierbei wird dann vor allem die Wärmekapa­ zität der Schmelze als Wärmequelle zur Erzeugung eines kontrollierten Wärmestroms benutzt.

Schließlich kann ein Verfahren zum Gießen von gerichtet erstarrten Gußteilen, bei dem eine vorbeschriebene Gießeinheit verwendet wird, für die Steuerung des Temperaturverlaufs bei der Erstarrung der Schmelze auch die Isolation der Einzelformen der Gießeinheit ver­ wenden oder es kann zur Steuerung des Temperaturverlaufs die gesamte Gießeinheit von Reflektoren 14 umgeben sein, wie es z. B. in Fig. 3 angedeutet ist. Dabei muß die Gießeinheit nicht auf allen Seiten gleichmäßig von Reflektoren 14 umgeben sein, sondern kann insbe­ sondere dann wenn es sich um Gußteile handelt, wie sie in Fig. 3 angedeutet sind, nämlich solche von plattenartiger Geometrie auch die teilweise Anordnung von Reflektoren am Umfang der Gießeinheit den gewünschten kontrollierten Wärmestrom erzeugen.

Schließlich ist noch hervorzuheben, daß ein erfindungsgemäßes Ver­ fahren zur Herstellung von Gußteilen durch gerichtete Erstarrung oder Einkristallbildung vorzugsweise das Aufheizen der Gießeinheit vor dem Abgießen außerhalb der Vakuumgießanlage auf eine Temperatur von wenigstens 50 K mehr als der Liquidustemperatur des Gießwerk­ stoffes umfaßt, um somit der Gießeinheit ausreichend große Wärme­ kapazität für die Steuerung der Erstarrung zu verleihen.

Claims (8)

1. Gießeinheit für die Herstellung einer Mehrzahl von Gußteilen (1) durch gerichtete Erstarrung oder Einkristallbildung mit einer Formschale (12), die eine Vielzahl von den Gußteilen (1) ent­ sprechenden Einzelformen (10) umfaßt, und mit einer Kühlplatte (20) die einen unteren Abschluß der Formschale (12) bildet, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einzelformen (10) der Formschale (12) unter Einhaltung geringer Abstände nach einem regelmäßigen Raster angeordnet sind und die Gesamtheit der Einzelformen (10) von einem Kranz von in der Formschale (12) integrierten Wärme­ quellen (11) umgeben ist.

2. Gießeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequellen (11) als Materialanhäufungen im Randbereich der Formschale (12) ausgebildet sind.

3. Gießeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequellen (11) Hohlkörper (11a) sind, welche mit Schmelze füllbar sind.

4. Gießeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmekapazität der Wärmequellen (11) der Wärmekapazität der Gießeinheit so angepaßt ist, daß der seitliche Wärmezustrom zu den randständigen Einzelformen (10a) der Form­ schale (12) von der Außenseite und der Innenseite zumindest ange­ nähert gleich ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Gußteilen durch gerichtete Erstar­ rung oder Einkristallbildung in einer Vakuumgießanlage, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gießeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Anwendung kommt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießeinheit vor dem Gießen außerhalb der Vakuumgießanlage auf eine Temperatur erhitzt wird, die wenigstens 50 K höher liegt als die Liquidustemperatur des Gießwerkstoffes.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erstarrung der Schmelze der Temperaturverlauf durch Isolation der Einzelformen der Gießeinheit gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erstarrung der Schmelze der Temperaturverlauf durch die Gieß­ einheit umgebende Reflektoren (14) gesteuert wird.