DE4420138C2 - Verfahren zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven Metallen und aus Metall bestehende Kokille zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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 vollständig 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
Ti 6 Al 4 V
Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 2 Mo
Ti 5 Al 2,5 Sn
Ti 15 V 3 Al 3 Cr 3 Sn
Ti Al 5 Fe 2,5
50 Ti 46 Al 2 Cr 2 Nb
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.

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 Komgrenzen 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. "Manufactunng 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 Ti 6 Al 4 V empfohlen. Für die Auslaßventile, deren Betriebstemperaturen bis über 700°C hinausgeht, wird die Legierung Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 2 Mo 0,1 Si 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 Ti 6 Al 4 V 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 Ti Al 5 Fe 2.5 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 Konstruktur 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 1.000 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 1.000 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 1.500°C liegen, während Kupfer einen Schmelzpunkt von 1.084°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.

Durch die JP-OS 87 050189 ist es bekannt, für die Herstellung von Rohren aus Grauguß durch Schleudergießen eine rohrförmige Schleudergußkokille aus Stahl zu verwenden. Deren Oberfläche ist zwecks Verlängerung der Lebensdauer der Kokille und der Verbesserung der Oberflächenqualität des Gußkörpers durch Flammspritzen mit einer Legierung überzogen, die mindestens drei Elemente aus der Gruppe Ni, Co, Cr, Al, Fe und Ta enthält, wobei der Anteil an Tantal jedoch maximal 5% beträgt. Eine solche rohrförmige Kokille berührt die Gußteile jedoch immer nur auf der Außenseite, während die Innenseite einer Gasatmosphäre ausgesetzt ist, so daß sich das Problem der Ausbildung von Lunkern und Porositäten nicht stellt. Über die Dicke dieser Schicht ist nichts ausgesagt und die Verwendung für Gußformteile aus Titan oder einer Titanlegierung ist nicht angesprochen. Der geringe Tantalanteil hat auch keinen nennenswerten Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit der Kokille.

Durch die JP-OS 285 624193 ist eine aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende Gießform bekannt, die eine beschleunigte Abschreckung von aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehenden Gußteilen bewirken soll, um eine feine Kornstruktur zu erzeugen. Die Gießform ist mit mehreren Schichten ausgekleidet, die aus Nickel, Nickellegierungen, Chrom, Eisen und einer Oberflächenschicht aus einer Tantallegierung bestehen, wobei die Gesamtschichtdicke 0,005 bis 3 mm betragen soll. Über die Dicke der Tan­ tallegierungsschicht allein, die bis zu 95% Tantal enthalten kann, ist nichts ausgesagt. Die Forderung nach einer hohen Abschreckgeschwindigkeit steht einer dickeren Tantalschicht direkt entgegen, denn Tantal ist ebenso wie Niob und Zirkonium gegenüber Kupfer ein schlechter Wärmeleiter. Die hohe Abschreckgeschwindigkeit soll also ganz offensichtlich durch den Grundwerkstoff aus Kupfer erzielt werden, was dickere Schichten aus schlechter wärmeleitenden Werkstoffen geradezu ausschließt. Die Forde­ rung nach einer begrenzten Abschreckgeschwindigkeit bei der Herstellung von Gußteilen aus Titan und Titanlegierungen ist nicht angesprochen.

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 nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11. Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist diese Kokille erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 11.

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 Kaltwendtiegels 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.

Beispiel 1

In einer Vorrichtung nach Fig. 1 wurde im Kaltwandtiegel 9 die Legierung 50 Ti 46 Al 2 Cr 2 Nb 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 1.540°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 1.400°C aufgeheizt worden. Während des Gießens rotierte die Kokille mit 1.000 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 1.000 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.

Beispiel 2

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 vollständig 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 aus ausschließlich metallischen Werkstoffen mit mindestens einem Formhohlraum für das Gießen von Formteilen aus der Gruppe Ventile, Turbinenschaufeln, Turbinen- und Verdichterräder, Kompressorgehäuse, Implantate aus Titan oder einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille einen nicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Grundwerkstoff aufweist und 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 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.