DE4420138A1 - Verfahren zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven Metallen und aus Metall bestehende Kokille zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven Metallen und aus Metall bestehende Kokille zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gußteilen aus einer
Schmelze eines reaktiven Metalls aus der Gruppe Titan, Titanlegierungen und
Titanbasislegierungen in einer aus Metall bestehenden Kokille.
Es besteht ein steigender Bedarf an Bauteilen aus Titan oder aus Legierungen
mit einem beträchtlichen Titananteil, da diese Werkstoffe ein geringes
spezifisches Gewicht und dennoch eine hohe Festigkeit aufweisen,
vorausgesetzt, man beachtet in ausreichendem Umfange die spezifischen
Eigenschaften des Titans, zu denen sein hoher Schmelzpunkt und seine
Reaktionsfreudigkeit bei hohen Temperaturen gehören. Bei
Schmelztemperatur reagiert Titan nicht nur mit reaktionsfähigen Gasen,
darunter insbesondere Sauerstoff, sondern auch mit Oxiden und nahezu allen
Keramiken, da diese üblicherweise zumindest überwiegend aus oxidischen
Verbindungen bestehen. Durch die größere Affinität des Titans zu Sauerstoff
wird den Oxiden Sauerstoff entzogen und führt zur Bildung von Titanoxiden.
Einige Werkstoffe, die sich für bestimmte Einsatzgebiete hervorragend
bewährt haben, werden nachstehend beispielhaft aufgeführt:
Reintitan
Ti6Al4V
Ti6Al2Sn4Zr2Mo
Ti5Al2,5Sn
Ti15V3Al3Cr3Sn
TiAl5Fe2,5
50Ti46Al2Cr2Nb
Titanaluminide.
Ti6Al4V
Ti6Al2Sn4Zr2Mo
Ti5Al2,5Sn
Ti15V3Al3Cr3Sn
TiAl5Fe2,5
50Ti46Al2Cr2Nb
Titanaluminide.
Besonders zu erwähnen ist der Einsatz von Titanaluminiden, z. B. TiAl als
Werkstoff für zahlreiche Bauteile. Aufgrund ihrer geringen Dichte, relativ hohen
Wärmefestigkeit und Korrosionsbeständigkeit gelten die Titanaluminide als
optimaler Werkstoff für verschiedene Anwendungsgebiete. Da diese
Werkstoffe sehr schwer verformbar sind, kommt nur eine Formgebung durch
Gießen in Frage. Insbesondere beim Gießen aber werfen titanhaltige Metalle
weitere Probleme auf, auf die nachfolgend noch näher eingegangen werden
wird.
Einige Beispiele für den Einsatz titanhaltiger Werkstoffe werden wie folgt
angegeben:
Ventile für Verbrennungskraftmaschinen
Turbinenräder und Turbinenschaufeln
Verdichterräder
Biomedizinische Prothesen (Implantate)
Kompressorgehäuse im Flugzeugbau.
Turbinenräder und Turbinenschaufeln
Verdichterräder
Biomedizinische Prothesen (Implantate)
Kompressorgehäuse im Flugzeugbau.
Insbesondere im Motor-Rennsport haben sich sowohl Einlaß- als auch
Auslaßventile aus bestimmten Titanlegierungen hervorragend bewährt, so daß
an einen Masseneinsatz für Verbrennungskraftmaschinen aller Art gedacht
wird.
In dem Aufsatz von Schädlich-Stubenrauch u. a. "Numerical simulation of the
alpha case as a quality criterion for the investment casting of small, thin-walled
titanium parts", veröffentlicht auf der Sixth World Conference on Titanium",
Frankreich 1988, Seiten 649 bis 654, sind die Probleme beschrieben, die dann
entstehen, wenn Titanlegierungen in Formen aus Oxidwerkstoffen vergossen
werden. Dabei bilden sich nicht nur auf der Oberfläche des Gußteils
Titanoxide, sondern bis zu 10 Gewichtsprozent Sauerstoff gehen auch an den
Korngrenzen in Lösung, so daß sich die Notwendigkeit ergibt, die Oberflächen
der Gußteile nachträglich zu bearbeiten, was auf chemische oder
spanabhebende Weise geschehen kann. Notwendigerweise wächst die Dicke
der sauerstoffhaltigen Oberflächenschicht mit zunehmender Abkühldauer, so
daß die Verwendung von Formen aus oxidischen Werkstoffen auf
dünnwandige Werkstücke begrenzt ist. Außerdem wird angegeben, daß es
zweckmäßig ist, die fertig bearbeiteten Werkstücke nachträglich einem
isostatischen Heißpreßverfahren (HIP-Verfahren) auszusetzen. Dadurch
verteuern sich die Kosten der Bauteile ganz erheblich. Der Aufsatz untersucht
diese Zusammenhänge anhand von keilförmigen Gußteilen.
Durch den Aufsatz von Tsutomu Oka u. a. "Manufacturing of automotive engine
valves by plasma package melting of titanium scraps", veröffentlicht auf der
Sixth World Conference on Titanium, Frankreich, 1988, Seiten 621 bis 626, ist
es bekannt, Ventile für Verbrennungsmotoren aus Titanlegierungen
herzustellen. Für die Herstellung von Einlaßventilen, die bei relativ niedrigen
Betriebstemperaturen bis zu etwa 450°C arbeiten, wird die Legierung
Ti6Al4V empfohlen. Für die Auslaßventile, deren Betriebstemperaturen bis
über 700°C hinausgeht, wird die Legierung Ti6Al2Sn4Zr2Mo0,1Si
empfohlen, wobei darauf hingewiesen wird, daß es schwierig ist, Teile mit
einem Durchmesser unterhalb 10 mm herzustellen, weil dieser Werkstoff
schwierig zu bearbeiten ist. Es wird daher weiterhin empfohlen, für die
Auslaßventile die Ventilteller aus der zuletzt genannten Titanlegierung
herzustellen und mit Ventilschäften zu vereinigen, die aus Ti6Al4V
bestehen. Auch diese Veröffentlichung zeigt, welche Umwege eingeschlagen
werden müssen, um bei der Verarbeitung den Stoffeigenschaften bestimmter
Titanlegierungen entgegenzukommen.
Durch den Aufsatz von Zwicker u. a. "Evaluation of centrifugally cast
TiAl5Fe2.5 alloy for implant material" ist es bekannt, Hüftgelenk-Prothesen
bzw. -Implantate aus der im Titel angegebenen Titanlegierung durch ein
Schleudergußverfahren in einer Kupferkokille herzustellen. Einerseits wird
angegeben, daß durch die hohe Abschreckgeschwindigkeit durch das Kupfer
eine vorteilhafte feine Kornstruktur erreicht wird, andererseits wird jedoch
direkt darauf hingewiesen, daß die hohe Abkühlgeschwindigkeit zur
Ausbildung von Poren durch Gaseinschlüsse führt sowie zur Ausbildung von
Schrumpf-Hohlräumen, die zu einer Kerbwirkung führen. Es wird daher
empfohlen, die Poren und Lunker durch ein HIP-Verfahren zu beseitigen,
wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß es selbst mit einem
Druck von 1000 bar nur möglich ist kleine Poren und Lunker zu schließen,
nicht aber Poren an der Werkstückoberfläche, die durch den Druck geöffnet
werden und die Kerbwirkung noch verstärken. Um diese Defekte zu
vermeiden, wird angegeben, die Oberflächenunregelmäßigkeiten durch
Schweißen zu schließen, womit allerdings wieder der Nachteil einer groben
Kornstruktur erkauft wird. Als Parameter für das HIP-Verfahren wird eine
Einwirkungsdauer eines Drucks von 1000 bar über 3 Stunden bei 950°C
angegeben. Die Veröffentlichung enthält den weiteren Hinweis, daß die Kupfer-
Kokille im Verhältnis zum Werkstück-Gewicht ein relativ sehr hohes Gewicht
aufweisen muß, um eine Reaktion zwischen der flüssigen Titanlegierung und
der Kupferoberfläche zu vermeiden. Dieser Hinweis läßt nur den Schluß zu,
daß die Kupferkokille in kaltem Zustand eingesetzt werden muß, daß also
jegliche Vorwärmung der Kupfer-Kokille zu unterbleiben hat, womit wiederum
eine unerwünscht hohe Abschreckgeschwindigkeit verbunden ist.
Aus dem nachgewiesenen Stande der Technik läßt sich herleiten, daß an die
Auswahl des Kokillenwerkstoffs, d. h. des Werkstoffs für die Gießform,
extrem hohe Anforderungen zu stellen sind, und daß ferner
Verarbeitungsrichtlinien in engen Grenzen einzuhalten sind, soll es nicht zu
einer Schädigung des Werkstücks oder Kokille bzw. Gießform kommen. Es
stehen sich also gewissermaßen die Eigenschaften der Schmelze und die der
Gießform diametral entgegen, wobei zu beachten ist, daß die meisten
Titanlegierungen bei Temperaturen vergossen werden müssen, die deutlich
oberhalb von 1500°C liegen, während Kupfer einen Schmelzpunkt von
1084°C hat und der eutektische Punkt der Legierung Kupfer/Titan bei 865°C
liegt.
Die EP-0 443 544 B1 befaßt sich mit dem Problem, die Formgenauigkeit bzw.
Formtreue von Schleudergußkokillen aus Kupfer und die Entformbarkeit der
Werkstücke aus Titan-Legierungen dadurch zu verbessern, daß man dem
Kupfer als Legierungselemente Zirkonium, Chrom, Beryllium, Kobalt und Silber
zusetzt, wobei die Summe aller Legierungselemente jedoch nicht über 3
Gewichtsprozent hinausgeht. Ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Kupfer mit
18 Gewichtsprozent Nickel legiert wurde, hat nicht zum Erfolg geführt. Die
betreffende Druckschrift befaßt sich zwar mit der elektrischen Leitfähigkeit des
Werkstoffs, nicht aber mit dessen thermischer Leitfähigkeit, so daß die
Probleme der hohen Abschreckgeschwindigkeit, der Lunker- und der
Porenbildung nicht behandelt werden. Andererseits geht aber auch diese
Literaturstelle auf die Nachteile keramischer bzw. oxidischer Formwerkstoffe
ein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung anzugeben, durch das Gußteile aus Titan oder
Titanlegierungen erhalten werden, die eine glatte Oberfläche ohne
Sauerstoffaufnahme aufweisen, und die frei von Lunkern und anderen
Hohlräumen sind, so daß aufwendige Nachbearbeitungen, die zu einer
Beseitigung der bekannten Fehler führen, zumindest weitgehend entfallen
können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt daher bei dem eingangs
beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß eine Kokille
verwendet wird, die mindestens an ihrer mit der Schmelze in Berührung
kommenden Oberfläche aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal,
Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen besteht.
Durch die Verwendung einer solchen Kokille ist jegliche Reaktion des
Kokillenwerkstoffs mit dem Gußwerkstoff ausgeschlossen, und es unterbleibt
ein Anschmelzen der Oberfläche des Formhohlraums unter dem Einfluß der
Schmelzentemperatur selbst dann, wenn die Kokille vor dem Abguß bereits
eine Temperatur aufweist, die deutlich oberhalb 800°C liegt.
Weiterhin wird durch die Verwendung von Metallen aus der Gruppe Tantal,
Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen eine wesentlich geringere
Abschreckgeschwindigkeit erzielt, weil diese Werkstoffe eine deutlich
geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. So beträgt beispielsweise die
Wärmeleitfähigkeit von Tantal und von Niob 14% bzw. 13% der
Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, und die Wärmeleitfähigkeit von Zirkonium
beträgt gar nur 6% derjenigen von Kupfer. Auch die spezifische
Wärmekapazität der angegebenen Formwerkstoffe ist deutlich geringer als
diejenige von Kupfer: So beträgt beispielsweise die spezifische
Wärmekapazität von Tantal 36% des vergleichbaren Wertes von Kupfer, und
die spezifischen Wärmekapazität der Werkstoffe Niob und Zirkonium betragen
70% bzw. 72% des vergleichbaren Wertes von Kupfer. Diese Eigenschaften
führen, insbesondere in ihrer Verknüpfung, zu einer deutlich verzögerten
Abkühlung der Gußteile, so daß die gefürchtete Ausbildung einer harten
Schale mit im Innern befindlichen Lunkern und Poren unterbleibt. Die
Schmelze hat hinreichend Zeit, um während der Schrumpfung des Gußteils
beim Abkühlen und Erstarren zu folgen.
Durch die erfindungsgemäße Werkstoffauswahl werden Nachbearbeitungen
der Werkstückoberfläche zumindest weitgehend vermieden, sei es durch
Entfernen der Randschicht, sei es durch örtliche Schweißarbeiten, und auch
eine Nachverdichtung der Werkstücke durch das sogenannte HIP-Verfahren
ist überflüssig geworden. Es ist bei Ventilen für Verbrennungsmotoren auch
nicht mehr erforderliche, Ventilteller und Schaft aus unterschiedlichen
Werkstoffen zusammenzusetzen, nur weil die Verarbeitung dieser Werkstoffe
schwierig ist.
Es ist dabei nicht erforderlich, daß die Kokille insgesamt aus den
ausgewählten Werkstoffen besteht, sondern es ist im Grenzfall auch nur
notwendig, die mit der Schmelze in Berührung kommende Oberfläche aus den
genannten Metallen oder ihren Legierungen auszubilden, wobei im Grenzfall
bereits eine Schichtdicke von 2 mm ausreichend ist.
Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung einer Tantalbasislegierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die Herstellung
einwandfreier Gußteile im Schleudergußverfahren.
Die Abschreckgeschwindigkeit kann dadurch weiter verringert werden, daß die
Kokille vor dem Abguß vorgewärmt wird, wobei die Vorwärmtemperatur
unterhalb der Liquidustemperatur der zu vergießenden Schmelze eingestellt
wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Vorwärmtemperatur
zwischen 800°C und der Solidustemperatur der zu vergießenden Schmelze
eingestellt wird.
Im Hinblick auf eine fehlerfreie Ausbildung der Gußteile ist es im Zuge einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn der Abguß
der Schmelze in die Kokille in einer geschlossenen Kokillenkammer bei einem
Druck von weniger als 100 mbar, vorzugsweise von weniger als 10 mbar
durch geführt wird.
Andererseits kann zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit der Kokille nach
dem Abguß bzw. nach dem Erstarren der Gußteile mit besonderem Vorteil ein
Inertgas, vorzugsweise mindestens ein Edelgas aus der Gruppe Argon und
Helium, in die Kokillenkammer eingeleitet werden, um die Zyklusdauer zu
verringern.
Die Abkühlgeschwindigkeit ist dabei - unter Aufrechterhaltung der
Rotationsbewegung der Kokille - um so größer, je höher der Druck des
Inertgases in der Kokillenkammer ist, wobei das Inertgas unter einem Druck
zwischen 100 mbar und Atmosphärendruck gesetzt werden kann. Besonders
vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Inertgas in der Kokillenkammer unter einen
überatmosphärischen Druck gesetzt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Kokille zur Durchführung des eingangs
genannten Verfahrens. Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist diese Kokille
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillenwerkstoff
mindestens an der mit der Schmelze in Berührung kommenden Oberfläche
aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium
und/oder deren Legierungen besteht.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Kokillenwerkstoff mindestens 50
Gewichtsprozent Tantal enthält. Dem Kokillenwerkstoff können weitere
vorteilhafte Eigenschaften dadurch verliehen werden, daß man zu dem Tantal
noch weitere Metalle aus der Gruppe Titan, Hafnium, Wolfram und/oder
Vanadium hinzulegiert. Bei Verwendung eines Kokillenwerkstoffes mit
mindestens 50 Gewichtsprozent Tantal ist es besonders vorteilhaft, wenn der
Kokillenwerkstoff noch mindestens eines der Metalle Titan, Zirkonium und
Wolfram enthält, wobei die Summe der Anteile dieser Metalle jedoch 30
Gewichtsprozent nicht überschreiten sollte.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend
anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen teilweisen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung mit einem
stationären Kaltwandtiegel mit Bodenauslaß und einer Kokille, die
als Schleuderguß-Kokille mit einer Vielzahl von Formhohlräumen
ausgebildet ist,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Kokille nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Radialschnitt durch die Kokille nach Fig. 2,
Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein Ventil eines Verbrennungsmotors,
hergestellt in einer herkömmlichen Kupfer-Kokille,
Fig. 5 einen Axialschnitt analog Fig. 4 durch ein Ventil eines
Verbrennungsmotors, hergestellt in einer erfindungsgemäßen
Kokille, und
Fig. 6 eine Variante der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Kipptiegel
unter Darstellung weiterer Einzelheiten.
Fig. 1 zeigt eine Gießvorrichtung 1 mit einem druckfesten und gasdichten
Gehäuse 2, dessen Innenraum durch ein Schiebergehäuse 3 in eine
Schmelzkammer 4 und eine Kokillenkammer 5 unterteilt ist. Im
Schiebergehäuse 3 befindet sich ein Schieber 6, durch den zwei fluchtende
Gießöffnungen 7 mittels einer Antriebsstange 8 verschließbar sind.
Im Innern der Schmelzkammer 4 befindet sich ein Kaltwandtiegel 9, dessen
Inhalt, der Gußwerkstoff, durch eine induktive Heizeinrichtung 10
aufgeschmolzen werden kann. Für die Versorgung mit Schmelzenergie dienen
zwei Stromanschlüsse 11 und 12. Der Kaltwandtiegel 9 besitzt in seinem
Boden 13 einen Bodenauslaß 14, der durch eine Verschlußeinrichtung 15, die
als Magnetspule ausgebildet sein kann, freigebbar und wieder verschließbar
ist. Der Strom für die Verschlußeinrichtung 15 wird über einen Anschluß 16
zugeführt. In die Decke 17 der Schmelzkammer 4 mündet eine
Chargiereinrichtung 18, von der nur das untere Chargierventil 19 angedeutet
ist. Bau- und Betriebsweise eines solchen Kaltwandtiegels sind bekannt und
werden daher nicht näher beschrieben. Es sei nur so viel gesagt, daß sich in
einem Kaltwandtiegel ein sogenannter "Skull" ausbildet, der eine Reaktion der
Schmelze mit dem Tiegelmaterial verhindert. Die Anschlüsse für einen
Kühlmittelkreislauf sind der Einfachheit halber fortgelassen.
Es versteht sich, daß der beschriebene, induktiv beheizte Kaltwandtiegel auch
durch einen solchen ersetzt werden kann, der mittels eines Lichtbogens, einer
Elektronenstrahl- oder Plasmakanone beheizt werden kann. Auch ist es nicht
erforderlich, die Schmelze durch einen Bodenauslaß abzugießen; vielmehr ist
es möglich, am oberen Tiegelrand einen Überlauf, eine sogenannte Gießlippe,
vorzusehen. In einem solchen Fall wird der Kaltwandtiegel zweckmäßigerweise
in einem sogenannten Kippstuhl aufgehängt und über eine Drehachse entleert,
die sich in der Nähe des Überlaufs befindet.
In der Kokillenkammer 5 befindet sich eine Kokille 20, deren Einzelheiten
anhand der Fig. 2 und 3 nachstehend noch näher erläutert werden. Es sei
hier nur so viel ausgeführt, daß die Kokille 20 einen Eingußkanal 21 besitzt,
der konzentrisch zu einer senkrechten Achse A-A ausgerichtet ist, die mit der
Rotationsachse der Kokille 20 und der Tiegelachse übereinstimmt. Die Kokille
20 ist konzentrisch in einem Schleuderteller 22 gehalten, der durch eine
Schleuderwelle 23 angetrieben werden kann, die mittels einer gasdichten
Drehdurchführung 24 durch einen Boden 25 der Kokillenkammer 5
hindurchgeführt ist. Die Kokillenkammer 5 ist an eine Saugleitung 26
angeschlossen, die zu einem Vakuum-Pumpsatz führt, der aus mindestens
einer Vakuumpumpe, vorzugsweise aber aus einer Reihenschaltung von
Vakuumpumpen besteht, die für unterschiedliche Druckbereiche ausgelegt
sind. In die Kokillenkammer 5 mündet weiterhin eine Gasleitung 27, durch die
Inertgas zu Kühlzwecken der Kokille 20 eingeführt werden kann. Öffnungen 28
im Schleuderteller 22 erleichtern den Austausch der Kühlgase auch auf der
Unterseite der Kokille 20. Die Kokillenkammer 5 ist weiterhin mit einer Tür 29
versehen, die zum Einsetzen und zum Herausnehmen der Kokille 20 dient. Es
sei darauf verwiesen, daß Fig. 1 nur eine sehr schematische Darstellung der
gesamten Gießvorrichtung zeigt.
Die Kokille 20 nach den Fig. 2 und 3 besteht aus einem Stapel paarweise
und spiegelbildlich zueinander angeordneter Scheiben 30 und 31, die
Formhohlräume 32 zwischen sich einschließen, die im vorliegenden Fall dem
in Fig. 5 gezeigten Ventil eines Verbrennungsmotors entsprechen. Die
Scheiben 30 und 31 sind zur Rotationsachse A-A koaxial ausgebildet, und
sämtliche Formhohlräume 32 sind an den gemeinsamen, gleichfalls in der
Rotationsachse A-A liegenden Eingußkanal 21 angeschlossen.
Jeweils ein Scheibenpaar 30/31 ist durch Distanzhalter 33 von dem
benachbarten Scheibenpaar getrennt, wobei der Distanzhalter 33 auch den
Eingußkanal 21 auf dem Umfang abdichtet. Dadurch stehen nur die inneren
Enden der Formhohlräume 32 mit dem Eingußkanal 21 in Verbindung. An
dieser Stelle liegt das Ende der Ventilschäfte, die nach Beendigung von Gieß-
und Abkühlphase von dem Material abgetrennt werden müssen, das sich in
dem Eingußkanal 21 befindet. Die stapelförmige Anordnung von Scheiben 30
und 31 sowie der Distanzhalter 33 wird durch vier äquidistant auf den Umfang
verteilte Zuganker 34 zusammengehalten.
Mit einer Kokille 20 nach den Fig. 2 und 3 können gleichzeitig 40 Ventile
gemäß Fig. 5 hergestellt werden.
Durch die Einwirkung des Kühlgases bei fortgesetzter Rotationsbewegung der
Kokille 20 kann auch eine gerichtete Erstarrung der Gußteile durchgeführt
werden, und zwar ausgehend vom Außenumfang der Kokille, da an dieser
Stelle die Einwirkung des Kühlgases am intensivsten ist.
Mit einer Schleudergußkokille 20 nach den Fig. 2 und 3 wurden
beispielsweise Auslaßventile für Verbrennungsmotoren nach Fig. 5
hergestellt. Der Kokillenwerkstoff bestand aus einer Legierung aus 90
Gewichtsprozent Tantal und 10 Gewichtsprozent Wolfram. Der in Fig. 5
gezeigte Axialschnitt durch das Ventil läßt keinerlei Lunker, Hohlstellen oder
andere Porositäten erkennen; auch die Oberfläche war von einwandfreier
Beschaffenheit.
Beim Ersatz der Scheiben 30 und 31 aus der angegebenen Tantal-Legierung
durch Scheiben aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem hohen
Kupferanteil ließen sich aus der gleichen Titanlegierung nur Ventile gemäß
Fig. 4 erzeugen, die in der Schliffebene entlang nahezu der gesamten
Längsachse Lunker und Hohlräume 35 aufwiesen.
In einer Vorrichtung nach Fig. 1 wurde im Kaltwandtiegel 9 die Legierung
50 Ti46Al2Cr2Nb bei einem Druck von 10-1 mbar in der Schmelzkammer
4 erschmolzen und nach dem Aufschmelzen für die Dauer von 10 Minuten
homogenisiert. Im Anschluß daran wurde die Schmelze bei einer
Schmelzentemperatur von 1540°C bei einem Druck von 10-1 mbar in die
Kokille 20 in der Kokillenkammer 5 abgegossen. Die Kokille 20 war zuvor
mittels nicht dargestellter Heizeinrichtungen auf eine Temperatur von 1400°C
aufgeheizt worden. Während des Gießens rotierte die Kokille mit 1000
Umdrehungen pro Minute. Nach Beendigung des Abgusses wurde der
Schieber 6 geschlossen. Ca. 20 Sekunden nach Beendigung des Abgusses
wurde in die Gießkammer 5 über die Gasleitung 27 Argon eingelassen, bis ein
Druck von 1000 mbar erreicht wurde. Die Rotationsbewegung der Kokille 20
wurde bis zur völligen Erstarrung der Gußteile fortgesetzt. Nach etwa 60
Minuten waren die Gußteile vollständig erstarrt, und die Kokille wurde der
Kokillenkammer 5 entnommen. Die axialen Schliffbilder der einzelnen Ventile
entsprachen denjenigen nach Fig. 5. Das Schliffbild zeigte keine sichtbaren
Poren oder Lunker, so daß eine Nachverdichtung, beispielsweise durch ein
HIP-Verfahren, nicht erforderlich war.
Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit den Unterschieden,
daß an die Stelle der Kokille 20 aus Scheiben aus einer Tantal-Wolfram-
Legierung Scheiben aus Reinkupfer traten, die infolge der Eigenschaften
dieses Werkstoffes nicht vorgeheizt werden konnten. Bei Beginn des
Abgusses hatte die Kokille mithin Raumtemperatur. Nach dem Entnehmen der
einzelnen Ventile aus der Kupferkokille zeigten die Schliffbilder sämtlich das
Aussehen nach Fig. 4, d. h. entlang der Ventilachse befanden sich typische
Lunker und andere poröse Stellen, so daß derartige Ventile entweder
verworfen oder durch ein HIP-Verfahren nachverdichtet werden mußten.
Fig. 6 zeigt eine Gießvorrichtung 36, die eine Variante der Vorrichtung nach
Fig. 1 ist. Gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion sind mit gleichen
Bezugsziffern versehen: In der Schmelzkammer 4 befindet sich ein induktiv
beheizbarer Kaltwandtiegel 37, der als Kipptiegel ausgebildet ist und durch
eine Kippwelle 38 in Kippstellung gebracht werden kann, in der die Schmelze
über den Rand in Richtung des Pfeils 39 durch die Gießöffnungen 7 in die
Kokille 20 abgegossen werden kann. Die angetriebene Kippwelle dient
gleichzeitig zur Zuführung von Kühlwasser und Schmelzstrom, jedoch sind die
entsprechenden Leitungen nicht dargestellt.
Die Kokille 20 ist von einem ortsfesten Heizzylinder 40 umgeben, dessen
Stromzuführungen 41 durch die Wand 42 der Kokillenkammer 5
hindurchgeführt sind und der von einer zylindrisch ausgebildeten
Wärmedämmung 43 umgeben ist. In diesem Fall besitzt die Kokillenkammer 5
einen Boden 44, der zusammen mit dem Schleuderteller 22 und dessen
Antrieb abgesenkt werden kann, was naturgemäß nach dem Fluten und
ausreichender Abkühlung geschieht. Dadurch gelangt die Oberseite der Kokille
20 in eine Stellung unterhalb der Unterkante 45 der Kokillenkammer 5, so daß
die Kokille 20 vom Schleuderteller 22 abgehoben werden kann. Um die
Schmelzkammer 4 ständig unter Vakuum zu halten, ist diese über eine weitere
Saugleitung 46 mit dem Vakuumpumpsatz verbunden.
Claims (20)
1. Verfahren zum Herstellen von Gußteilen aus einer Schmelze eines
reaktiven Metalls aus der Gruppe Titan, Titanlegierungen und
Titanbasislegierungen in einer aus Metall bestehenden Kokille, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kokille verwendet wird, die mindestens an
ihrer mit der Schmelze in Berührung kommenden Oberfläche aus
mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium
und/oder deren Legierungen besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Kokille verwendet wird, die mindestens an ihrer mit der Schmelze in
Berührung kommenden Oberfläche aus einer Tantalbasislegierung
besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung von Schleudergußteilen die Kokille mindestens während der
Erstarrungsdauer der Gußteile in Rotation versetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille
vor dem Abguß vorgewärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorwärmtemperatur unterhalb der Liquidustemperatur der zu
vergießenden Schmelze eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorwärmtemperatur zwischen 800°C und der Solidustemperatur der zu
vergießenden Schmelze eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abguß
der Schmelze in die Kokille in einer geschlossenen Kokillenkammer bei
einem Druck von weniger als 100 mbar, vorzugsweise von weniger als
10 mbar, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit der Kokille nach dem Abguß ein
Inertgas, vorzugsweise mindestens ein Edelgas aus der Gruppe Argon
und Helium, in die Kokillenkammer eingeleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Inertgas in der Kokillenkammer unter einen Druck zwischen 100 mbar
und Atmosphärendruck gesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Inertgas in der Kokillenkammer unter einen unteratmosphärischen
Druck gesetzt wird.
11. Kokille zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kokillenwerkstoff mindestens an der mit der
Schmelze in Berührung kommenden Oberfläche aus mindestens einem
Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder deren
Legierungen besteht.
12. Kokille nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kokillenwerkstoff mindestens an der mit der Schmelze in Berührung
kommenden Oberfläche aus einer Tantalbasislegierung besteht.
13. Kokille nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kokillenwerkstoff mindestens 50 Gewichtsprozent Tantal enthält.
14. Kokille nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kokillenwerkstoff noch mindestens ein weiteres Metall aus der Gruppe
Titan, Hafnium, Wolfram, Vanadium enthält.
15. Kokille nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kokillenwerkstoff außer mindestens 50 Gewichtsprozent Tantal
mindestens eines der Metalle Titan, Zirkonium und Wolfram enthält.
16. Kokille nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil
der Metalle Titan, Zirkonium und Wolfram in der Summe maximal 30
Gewichtsprozent beträgt.
17. Kokille nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
Überzug des Formhohlraums der Kokille mit mindestens einem Metall
aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen
die Dicke des Überzugs mindestens 2 mm beträgt und der
Grundwerkstoff der Kokille aus mindestens einem der Metalle Kupfer,
Eisen, Nickel und/oder deren Legierungen, vorzugsweise aus
Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen oder austenitischem
hitzebeständigem Stahl, besteht.
18. Kokille nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille
(20) als Schleudergußkokille mit einer Rotationsachse (A-A) ausgebildet
ist.
19. Kokille nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille
(20) eine Vielzahl von Formhohlräumen (32) aufweist, die radial zur
Rotationsachse (A-A) ausgerichtet sind.
20. Kokille nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille
(20) aus mehreren, zur Rotationsachse (A-A) koaxialen Scheiben (30,
31) zusammengesetzt ist, von denen jeweils zwei Scheiben (30, 31)
mehrere Formhohlräume (32) zwischen sich einschließen, und daß alle
Formhohlräume (32) an einen gemeinsamen, in der Rotationsachse
(A-A) liegenden Eingußkanal (21) angeschlossen sind.
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