DE4321640A1

DE4321640A1 - Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Metallschmelze und Gießvorrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE4321640A1
Application number: DE4321640A
Authority: DE
Inventors: Franz Hugo
Original assignee: Leybold Durferrit GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: US6085827A; JP3400549B2; DE4321640C2; JPH0716733A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichteten Er starren einer in eine Gießform gegossenen Metallschmelze, beispielsweise Nickel, durch Herausbewegen der Gießform aus einer Heizkammer und Eintauchen der Gießform in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad niedrigeren Schmelzpunktes als die Metallschmelze in der Gießform, beispielsweise Aluminium. Weiterhin betrifft die Erfin dung eine Gießvorrichtung zur Durchführung dieses Verfah rens.

Ein solches Verfahren und solche Gießvorrichtungen sind Gegenstand der DE-A-28 15 818. Das Eintauchen der Gieß form in die Kühlschmelze dient dazu, durch einen intensi ven, axialen Wärmefluß beim Erstarren des Gußteiles in der Gießform eine Fest-Flüssig-Zone möglichst geringer Höhe und eine möglichst ebene, quer zur Haupterstrec kungsrichtung des Gußteiles verlaufende Phasengrenze zwi schen fest und flüssig zu erreichen, damit die Kristalle axial in das Gußstück hineinwachsen. Diese Zielrichtung erfordert es, die radiale Abstrahlung von Wärme oberhalb der Kühlschmelze möglichst gering zu halten. Hierzu ist bei der bekannten Gießvorrichtung an der Unterseite der Heizkammer ein zur Gießform hin gerichteter, allgemein als Baffle bezeichneter Strahlungsschirm vorgesehen. Zu sätzlich schwimmt auf der Kühlschmelze eine Trennplatte aus einem wärmeisolierenden Material, welche zum Eintau chen der Gießform in die Kühlschmelze eine Öffnung hat. Die Wärmedämmung ist jedoch nur unvollkommen, insbe sondere dann, wenn die Gußteile mehrere nach unten ge richtete Teile aufweisen, da dann der Strahlungsschirm und die Trennplatte die Bereiche zwischen diesen Teilen nicht erreichen können. Hiervon abgesehen, verbleibt zwangsläufig zwischen der Gießform und dem Strahlungs schirm sowie der Gießform und der Trennplatte ein Spalt, durch den Wärme abgestrahlt wird.

Die DE-B-19 53 716 zeigt auch schon zum Eintauchen einer Gießform mit einer abzukühlenden Metallschmelze einen Be hälter mit einer Kühlschmelze, dessen Oberfläche durch eine wärmeisolierende Schicht abgedeckt ist. Diese Schicht hat den Sinn, ein Oxidieren oder ein übermäßig starkes Abkühlen der Kühlschmelze zu verhindern. Die Gießform durchdringt beim Eintauchen in die Kühlschmelze diese wärmeisolierende Schicht. Sie wird allerdings nicht aus einer Heizkammer herausbewegt.

Durch die DE-B-22 42 111 ist es bei einem gattungsgemäßen Verfahren bekannt, die Oberfläche der Kühlschmelze so dicht unterhalb der Heizkammer vorzusehen, daß die Kühl platte der Gießform vor dem Eintauchen der Gießform zu mindest teilweise in die Kühlschmelze eintaucht. Hier durch ist die Kühlplatte schon beim Füllen der Gießform durch die Kühlschmelze gekühlt, so daß sie eine besonders gute Kühlwirkung ausübt. Zur Vermeidung von Wärmeverlu sten zwischen dem unteren Ende der Heizkammer und der Gießform ist bei der Vorrichtung nach der DE-B-22 42 111 ein Hitzeschild vorgesehen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sich bei der Erstarrung der Gußteile ein möglichst stei ler Temperaturgradient bei einem möglichst geringen ra dialen Wärmefluß erreichen läßt. Weiterhin soll eine Gießvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ge schaffen werden.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß zur Abdichtung zwischen der Heizkammer und der Gießform auf der Kühlschmelze eine schwimmende, aus einem fließfähigen Material bestehende Wärmeisolationsschicht aufgegeben und bevor die Gießform die Wärmeisolations schicht durchdringt und in die Kühlschmelze eintaucht die Heizkammer oder die Kühlschmelze so weit verfahren wird, daß die Heizkammer die Wärmeisolationsschicht berührt oder in sie eintaucht.

Durch eine solche schwimmende Wärmeisolationsschicht, welche bis gegen die Heizkammer reicht, ergibt sich eine optische Trennung zwischen der Heizkammer und der Kühl schmelze, so daß die Wärmeverluste in radialer Richtung vernachlässigbar gering sind und auf den bisher erforder lichen, kostenintensiven Hitzeschild in diesem Bereich verzichtet werden kann. Dank dem erfindungsgemäßen Ver fahren ergibt sich aufgrund der allseitigen und vollkom menen Abdichtung ein optimaler axialer Wärmefluß vom Guß teil in die Kühlschmelze hinein. Dadurch wird eine Ver besserung der metallurgischen Eigenschaften der Gußteile erreicht. Weiterhin können Gußteile mit komplizierter Form oder mehrere Gußteile gleichzeitig gegossen und anschließend erstarrt werden, weil die Wärmeisolations schicht stets der Kontur der Gießform folgt und immer dichtend gegen sie anliegt. Auch ergibt sich infolge der Wärmeisolationsschicht eine höhere Produktivität, weil die Erstarrung schneller als beim Stand der Technik er folgen kann.

Die Wärmeisolationsschicht kann mit üblichen Mitteln sehr kostengünstig erzeugt werden, wenn zu ihrer Bildung Fest körper mit einer von der Kühlschmelze nicht benetzbaren Oberfläche verwendet werden.

Trotz einer guten Wärmeisolationswirkung besonders ko stengünstig kann die Wärmeisolationsschicht gebildet wer den, wenn für sie ein Granulat aus Graphit, Keramik oder Aluminiumoxid mit einer eine Benetzung ausschließenden Beschichtung verwendet wird.

Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus Bornitrit. Al ternativ ist es jedoch auch möglich, unbeschichtete Fest körper aus Bornitrit oder Kugeln aus SiAlO₂N zu verwen den.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf sehr einfache Weise unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden, wenn zur Beeinflussung der metallurgischen Eigenschaften der Gußstücke die Dicke der Wärmeisolationsschicht verän dert wird.

Wegen der infolge der optischen Trennung geringen Wärme verluste und damit guten Kühlwirkung kann gemäß einer an deren Weiterbildung des Verfahrens eine Gießform ohne Kühlplatte verwendet werden.

Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung einer Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wird er findungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmedämmung eine auf der Kühlschmelze schwimmende Wärmeisolationsschicht aus einem fließfähigen Material ist, welche zumindest bis zur Unterkante der Heizkammer ragt.

Eine solche Gießvorrichtung ist einfacher aufgebaut als die bisher bekannten Gießvorrichtungen, weil sie keine aufwendige Wärmedämmung an der Unterseite der Heizkammer erfordert. Dennoch arbeitet die Gießvorrichtung qualita tiv besser, weil beim Eintauchen der Gießform in die Kühlschmelze durch die schwimmende Wärmeisolationsschicht auch bei komplizierten Gußteilen eine allseitige, voll kommene Wärmedämmung erfolgt. Die erfindungsgemäße Vor richtung erlaubt es, in der gleichen Anlage wahlweise das erfindungsgemäße Verfahren mit der Kühlschmelze und Wär meisolationsschicht oder konventionelle DS-SC-Verfahren durchzuführen.

Besonders vorteilhaft ist die Gießvorrichtung gestaltet, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Gießform von oben her auf einem absenkbaren Haltegestell abge stützt ist, welches die Heizkammer von unten her über greift und zum Eintauchen in den Tiegel mit der Kühl schmelze durch Absenken des Haltegestells ausgebildet ist. Durch ein solches Haltegestell wird es möglich, die Heizkammer nach oben hin vollständig zu verschließen, weil von oben her kein die Gießform absenkender Gieß formhalter in die Heizkammer greifen muß. Die dank der Erfindung mögliche, völlige Abdichtung der Heizkammer an ihrer Oberseite verhindert wiederum Wärmeverluste.

Konstruktiv besonders einfach gestaltet ist die Gießvor richtung, wenn der Tiegel mit der Kühlschmelze innerhalb einer höhenverfahrbaren Hubkammer angeordnet ist, welche an ihrer Oberseite das Haltegestell trägt.

Die optische Abdichtung zwischen Kühlschmelze und der Un terseite der Heizkammer kann vor Beginn der gerichteten Erstarrung auf einfache Weise verwirklicht werden, wenn der Tiegel relativ zu dieser Hubkammer ebenfalls höhen verfahrbar angeordnet ist.

Die Höhenverfahrbarkeit des Tiegels relativ zur Hubkammer kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Eine einfache Ausführungsform besteht darin, daß er auf einem durch einen Schlitz in die Hubkammer greifenden Träger angeordnet ist, welcher mittels einer als Spindeltrieb ausgebildeten Vertikalführung höhenverfahrbar angeordnet ist.

Zur Verwirklichung der Höhenverfahrbarkeit kann man sich eines handelsüblichen Bauteils bedienen, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der Tiegel auf einem Träger eines höhenverfahrbaren Schlittens einer Führungs säule angeordnet ist und der Schlitten mittels eines Sei les einer Seilwinde mit einer außerhalb einer Vakuumkam mer der Gießvorrichtung angeordneten Handkurbel höhenver fahrbar angeordnet ist.

Beim Eintauchen der Gießform in den Tiegel mit der Kühl schmelze kommt es bei Tiegeln mit geringem Querschnitt infolge der Verdrängung der Kühlschmelze durch die Gieß form zu einem Anstieg des Füllstandes, so daß Kühl schmelze unzulässig weit in die Heizkammer gelangen kann. Das läßt sich gemäß einer besonders vorteilhaften Weiter bildung der Erfindung auf einfache Weise dadurch vermei den, daß der Tiegel für die Kühlschmelze eine durch einen den maximalen Füllstand festlegenden Überlauf von dem Tiegelteil mit der Kühlschmelze abgetrennten Seitenraum aufweist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei da von und eine Abwandlung eines Tiegels für die Kühl schmelze in der Zeichnung dargestellt und werden nachfol gend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Gießvorrichtung nach der Erfindung mit einer in eine Heizkammer eingefahrenen Gießform,

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt mit teilweise aus der Heizkammer in eine Kühl schmelze gefahrene Gießform,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Aus führungsform der Gießvorrichtung

Fig. 4 einen Längschnitt durch eine zweite Aus führungsform eines Tiegels für die Kühl schmelze.

Die Fig. 1 zeigt eine Hubkammer 1, welche auf einem Stempel 2 angeordnet ist und durch Verfahren des Stempels 2 nach oben oder unten bewegt werden kann. Von oben her ragt ein auf der Hubkammer 1 abgestütztes Haltegestell 3 in die Hubkammer 1 hinein, bei dem es sich um ein korbar tiges Gebilde aus Graphit handeln kann. Auf diesem Halte gestell 3 ist eine Kühlplatte 4 abgestützt, die den Boden einer Gießform 5 bildet. In der dargestellten Gießposi tion ist die Gießform 5 vollständig in eine Heizkammer 6 eingefahren, welche elektrische Heizelemente 7 enthält, die die Gießform 5 ringförmig umgeben.

Unterhalb der Heizkammer 6 ist ein Tiegel 8 auf einem Träger 9 angeordnet, welcher eine Kühlschmelze 10 ent hält. Der Träger 9 führt durch einen Schlitz 11 der Hub kammer 1 nach außen und ist auf einer als Spindeltrieb ausgebildeten Vertikalführung 12 höhenverfahrbar. Wichtig für die Erfindung ist eine beispielsweise aus Aluminiumo xid in Pulver- oder Granulatform bestehende Wärmeisolati onsschicht 13, welche auf der Kühlschmelze 10 schwimmt.

Wenn die Gießform 5 mit flüssigem Metall gefüllt ist und man mit der gerichteten Erstarrung beginnen will, dann fährt man zunächst durch Hochfahren des Trägers 9 auf der Vertikalführung 12 den Tiegel 8 mit der Kühlschmelze 10 so weit nach oben, bis die Unterkante der Heizkammer 6 geringfügig in die Wärmeisolationsschicht 13 eintaucht, so daß eine optische Trennung zwischen dem Inneren der Heizkammer 6, also dem Heizraum und dem Kühlraum, also der Kühlschmelze 10, entsteht. Anschließend beginnt man damit, den Stempel 2 abwärts zu bewegen. Dadurch senkt sich die Hubkammer 1 mit dem Haltegestell 3 ab, so daß die Gießform 5 zunehmend die Wärmeisolationsschicht 13 durchdringt und in die Kühlschmelze 10 eintaucht, was in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Abwärtsbewegung der Hub kammer 1 setzt man so lange fort, bis die Gießform 5 vollständig in die Kühlschmelze 10 eingetaucht und das Gußteil in ihr dadurch erstarrt ist.

In den Fig. 1 und 2 ist zusätzlich gezeigt, daß die gesamte Gießvorrichtung auf übliche Weise in einer Vaku umkammer 14 angeordnet ist. Diese hat einen nach innen gerichteten, flanschartigen Bund 15, auf der die Heizkam mer 6 abgestützt ist. Nicht gezeigt ist ein in der Vaku umkammer 14 angeordneter, schwenkbarer Tiegel, aus dem die Metallschmelze nach Öffnen eines Deckels 16 in die Gießform 5 gegossen werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist in der Vakuum kammer 14 eine senkrecht stehende Führungssäule 17 ange ordnet, auf der ein Schlitten 18 höhenverfahrbar geführt ist. Der Schlitten 18 hat einen abgebrochen dargestellten Träger 19, auf dem der Tiegel 8 steht. Zum Höhenverfahren des Schlittens 18 dient eine Handkurbel 20, mit der eine Seilwinde 21 betätigbar ist, von der ein Seil 22 über eine obere Umlenkrolle 26 der Führungssäule 17 zum Schlitten 18 führt. Diese Anordnung ermöglicht es, vor dem Absenken der Gießform 5 den Tiegel 8 mit der Handkur bel 20 so weit anzuheben, daß die Wärmeisolationsschicht 13 die Unterseite der Heizkammer 6 berührt und damit eine optische Abdichtung herbeiführt.

Zusätzlich zu den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 inner halb der Vakuumkammer 14 ein schwenkbarer Tiegel 23 dar gestellt, welcher zum Einfüllen der Metallschmelze in die Gießform 5 dient. Die Hubkammer 1 wird genau wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel mittels des Stem pels 2 höhenverfahren.

Der in der Fig. 4 gezeigte Tiegel 8 unterscheidet sich von dem nach den vorangehenden Figuren dadurch, daß er einen Seitenraum 25 hat, in dem bei einem Absenken der Gießform in die Kühlschmelze 10 die verdrängte Kühl schmelze über einen Überlauf 24 gelangen kann. Nach Been digung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man die in diesem Seitenraum 25 erstarrte Kühlschmelze aus ihm her ausziehen und zurück in den Tiegelteil geben, der für das Abkühlen der Gießform bestimmt ist.

Bezugszeichenliste

1 Hubkammer
2 Stempel
3 Haltegestell
4 Kühlplatte
5 Gießform
6 Heizkammer
7 Heizelement
8 Tiegel
9 Träger
10 Kühlschmelze
11 Schlitz
12 Vertikalführung
13 Wärmeisolationsschicht
14 Vakuumkammer
15 Bund
16 Deckel
17 Führungssäule
18 Schlitten
19 Träger
20 Handkurbel
21 Seilwinde
22 Seil
23 Tiegel
24 Überlauf
25 Seitenraum
26 Umlenkrolle

Claims

1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer in eine Gießform gegossenen Metallschmelze, beispielsweise Nik kel, durch Herausbewegen der Gießform aus einer Heizkam mer und Eintauchen der Gießform in ein als Kühlschmelze dienendes Flüssigmetallbad niedrigeren Schmelzpunktes als die Metallschmelze in der Gießform, beispielsweise Alumi nium, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen der Heizkammer und der Gießform auf der Kühlschmelze eine schwimmende, aus einem fließfähigen Material bestehende Wärmeisolationsschicht aufgegeben und bevor die Gießform die Wärmeisolationsschicht durchdringt und in die Kühl schmelze eintaucht die Heizkammer oder die Kühlschmelze so weit verfahren wird, daß die Heizkammer die Wärmeiso lationsschicht berührt oder in sie eintaucht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Wärmeisolationsschicht Festkörper mit ei ner von der Kühlschmelze nicht benetzbaren Oberfläche verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Wärmeisolationsschicht ein Granulat aus Graphit, Keramik oder Aluminiumoxid mit einer eine Benet zung ausschließenden Beschichtung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung Bornitrit verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unbeschichtete Festkörper aus Bornitrit verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörper Kugeln aus SiAlO₂N verwendet werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der metallurgischen Eigenschaften der Gußstücke die Dicke der Wärmeisolationsschicht verändert wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gießform ohne Kühlplatte verwendet wird.

9. Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, welche in nerhalb einer Heizkammer (6) eine aus dieser heraus in einen unterhalb von ihr angeordneten Tiegel (8) mit einer Kühlschmelze (10) verfahrbare Gießform (5) hat, wobei an der Unterseite der Heizkammer (6) eine einen Wärmeverlust zwischen der Gießform (5) und der Heizkammer (6) begren zende Wärmedämmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeich net, daß die Wärmedämmung eine auf der Kühlschmelze (10) schwimmende Wärmeisolationsschicht (13) aus einem fließ fähigen Material ist, welche zumindest bis zur Unterkante der Heizkammer ragt.

10. Gießvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Gießform (5) von oben her auf einem absenk baren Haltegestell (3) abgestützt ist, welches die Heiz kammer (6) von unten her übergreift und zum Eintauchen in den Tiegel (8) mit der Kühlschmelze (10) durch Absenken des Haltegestells (3) ausgebildet ist.

11. Gießvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tiegel (8) mit der Kühlschmelze (10) innerhalb einer höhenverfahrbaren Hubkammer (1) ange ordnet ist, welche an ihrer Oberseite das Haltegestell (3) trägt.

12. Gießvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tiegel (8) relativ zur dieser Hubkammer (1) ebenfalls höhenverfahrbar angeordnet ist.

13. Gießvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tiegel (8) auf einem durch einen Schlitz (11) in die Hubkammer (1) greifenden Träger (9) angeordnet ist, welcher mittels einer als Spindeltrieb ausgebildeten Vertikalführung (12) höhenverfahrbar ange ordnet ist.

14. Gießvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tiegel (8) auf einem Träger (19) eines höhenverfahrbaren Schlittens (18) einer Führungssäule (17) angeordnet ist und der Schlitten (18) mittels eines Seiles (22) einer Seilwinde (21) mit einer außerhalb einer Vakuumkammer (14) der Gießvorrichtung angeordneten Handkurbel (20) höhenverfahrbar angeordnet ist.

15. Gießvorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der diesem folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (8) für die Kühlschmelze (10) eine durch einen den maximalen Füllstand festlegenden Überlauf (24) von dem Tiegelteil mit der Kühlschmelze (10) abgetrennten Seitenraum (25) aufweist.