DE69113676T2 - Device and method for precision casting. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsgießen, insbesondere zum Erhalt von Präzisionsgussen von Titan oder einer Titanlegierung, die ausgezeichnete Wärme- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften haben, zusätzlich zum leichten Gewicht und der sehr hohen Festigkeit.The invention relates to a method and an apparatus for precision casting, in particular for obtaining precision castings of titanium or a titanium alloy having excellent heat and corrosion resistance properties, in addition to being light weight and very high strength.
Titan und Titanlegierungen sind leicht und haben eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit. Entsprechend der vorliegenden Erfindung erwartet man brauchbare bisher noch nicht benutzte Produkte durch Präzisions-Gießgrundmetalle, wie Titan oder eine Titanlegierung, zu erhalten.Titanium and titanium alloys are light in weight and have excellent heat resistance, corrosion resistance and mechanical strength. According to the present invention, it is expected to obtain useful previously unused products by precision casting base metals such as titanium or a titanium alloy.
Da jedoch Titan oder eine Titanlegierung einen Schmelzpunkt von mehr als 1400ºC hat und auch aktiviert ist, besteht ein Problem darin, daß es in der Mehrzahl der Fälle beim Schmelzen und Gießen von Titan oder einer Titanlegierung große Schwierigkeiten gibt.However, since titanium or titanium alloy has a melting point of more than 1400ºC and is also activated, a problem is that in the majority of cases there are great difficulties in melting and casting titanium or titanium alloy.
Wenn man nämlich einen gewöhnlichen keramischen Schmelztiegel verwendet, um darin Titan oder eine Titanlegierung zu schmelzen und um die Menge und Temperatur des geschmolzenen Metalls zu erreichen, die zum Gießen geeignet ist, besteht ein Problem darin, daß Oxidkeramiken, die den Schmelztiegel bilden, durch Titan bei einer hohen Temperatur leicht reduziert werden können. Wenn man Graphitschmelztiegel verwendet, besteht ein anderes Problem darin, daß es nur möglich ist, die Schmelze in einer kleinen Menge für kurze Zeit durchzuführen von den Blickwinkel aus, daß das Titan oder die Titanlegierung daran gehindert wird, damit kontaniniert zu werden. Dies deshalb, weil der Kohlenstoff sich in den Titan oder der Titanlegierung löst. In Hinblick auf eine Form für den Guß des geschmolzenen Titan- oder des Titanlegierungsmetalls hinein, findet ferner manchmal eine Reaktion zwischen der Form und dem geschmolzenen Metall statt. In einem solchen Fall ist es notwendig, die Gußtemperatur so stark wie möglich zu reduzieren. Hierbei neigt jedoch das geschmolzene Metall zur Verfestigung, bevor der Formhohlraum genügend gefüllt ist. Ferner gibt es ein anderes Problem, das darin besteht, daß bei Präzisionsgüssen mit dünnwandigen und komplizierten Formen ein Fehlguß des geschmolzenen Metalls verursacht wird.Namely, when using an ordinary ceramic crucible to melt titanium or titanium alloy therein and to obtain the amount and temperature of the molten metal suitable for casting, there is a problem that oxide ceramics constituting the crucible are easily reduced by titanium at a high temperature. When using graphite crucibles, another problem is that it is only possible to melt in a small amount for a short time from the viewpoint of preventing the titanium or titanium alloy from being contaminated therewith. This is because the carbon dissolves into the titanium or titanium alloy. Furthermore, with respect to a mold for casting the molten titanium or titanium alloy metal into, there is sometimes a Reaction between the mold and the molten metal takes place. In such a case, it is necessary to reduce the casting temperature as much as possible. However, in this case, the molten metal tends to solidify before the mold cavity is sufficiently filled. Furthermore, there is another problem that causes mis-casting of the molten metal in precision castings with thin-walled and complicated shapes.
Die GB-A-2204816 offenbart ein Gußverfahren von Metallen gegen die Schwerkraft und eine Vorrichtung hierfür, was ein Induktionsschmelzen eines Metalls in einem Schmelztiegel und einen Vakuumgus in eine gasdurchlässige Form umfaßt.GB-A-2204816 discloses a method of casting metals against gravity and an apparatus therefor, which comprises induction melting a metal in a crucible and vacuum casting into a gas permeable mold.
Die Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Probleme des Standes der Technik zu lösen oder wenigstens teilweise zu erleichtern.The invention aims to solve or at least partially alleviate the above-mentioned problems of the prior art.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Präzisionsgußverfahren, das das Herrichten eines geschmolzenen Grundmetalls durch Induktionserwärmung und Gießen des geschmolzenen Grundmetalls durch Vakuumgießen in eine durchlässige Form, die oberhalb des geschmolzenen Grundmetalls angeordnet ist, umfaßt, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Grundmetall ausgewählt wird aus Titan, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Zirconium, Lithium oder deren Legierungen und dadurch, daß das Grundmetall durch Induktion in einer Baueinheit erwärmt wird, die aus einer Vielzahl wassergekühlter Kupfersegmente gebildet wird, die ringförmig auf der Innenseite einer Wicklung zur Induktionserwärmung angeordnet sind in einer Form, bei der die Kupfersegmente voneinander isoliert sind.The present invention provides a precision casting process comprising preparing a molten base metal by induction heating and pouring the molten base metal by vacuum casting into a permeable mold positioned above the molten base metal, characterized in that the base metal is selected from titanium, tungsten, molybdenum, vanadium, zirconium, lithium or alloys thereof and in that the base metal is heated by induction in an assembly formed from a plurality of water cooled copper segments arranged in a ring shape on the inside of an induction heating coil in a mold in which the copper segments are insulated from each other.
Bei den erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsformen kann das Grundmetall in einer Inert-GasatmosPhäre, wie Argon, geschmolzen werden und das geschmolzene Metall kann in die durchlässige Form durch eine röhrenförmige Einfüllöffnung gegossen werden. Die Grundmetallegierung kann kontinuierlich in die Baueinheit von der Unterseite der Baueinheit geführt werden, die aus den wassergekühlten Segmenten gebildet wird.In the preferred embodiments of the invention, the base metal may be melted in an inert gas atmosphere such as argon and the molten metal may be poured into the permeable mold through a tubular filling opening. The base metal alloy may continuously fed into the assembly from the bottom of the assembly, which is formed from the water-cooled segments.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine Präzisionsgußvorrichtung, die eine Wicklung für die Induktionserwärmung und eine durchlässige Form für den Vakuumguß umfaßt und die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Baueinheit, die aus einer Vielzahl wassergekühlter Kupfersegmente gebildet wird, ringförmig auf einer Innenseite der Wicklung für die Induktionserwärmung in einer Form angeordnet ist, bei der die Kupfersegmente voneinander isoliert sind, wobei der Baueinheit ein Grundmetall von einer Unterseite davon zugeführt wird und wobei das Grundmetall durch die Induktionserwärmung auf der Innenseite der Baueinheit geschmolzen wird.The present invention also provides a precision casting apparatus comprising a coil for induction heating and a permeable mold for vacuum casting, characterized in that a package formed of a plurality of water-cooled copper segments is arranged annularly on an inner side of the coil for induction heating in a mold in which the copper segments are insulated from each other, a base metal is supplied to the package from a lower side thereof, and the base metal is melted by the induction heating on the inner side of the package.
In den erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsformen, kann die durchlässige Form mit einer Vielzahl von röhrenförmigen Einfüllöffnungen versehen sein, um das geschmolzene Grundmetall während des Vakuumgusses hineinzuleiten, und mit einem verschlossenem Speisekopf in einem oberen Teil davon. Die durchlässige Form kann eine keramische Maskenform sein.In the preferred embodiments of the invention, the permeable mold may be provided with a plurality of tubular feed holes for introducing the molten base metal during vacuum casting and with a sealed feed head in an upper part thereof. The permeable mold may be a ceramic shell mold.
Die Präzisionsgußvorrichtung vorliegender Erfindung kann zum Gießen eines Grundmetalls verwendet werden, das aus Titan, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Zirconium, Lithium oder deren Verbindungen ausgewählt ist.The precision casting apparatus of the present invention can be used for casting a base metal selected from titanium, tungsten, molybdenum, vanadium, zirconium, lithium or their compounds.
Nunmehr werden Ausführungsformen vorliegender Erfindung nur durch ein Beispiel beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobeiEmbodiments of the present invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which
die Fig. 1 eine vertikale Schnitt-Seitenansicht ist, die eine Präzisionsgußvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung darstellt und die Fig. 2 eine horizontale Schnittansicht der Vorrichtung ist, die von den wassergekühlten Kupfersegmenten in der Präzisionsgußvorrichtung gebildet wird, die in Fig. 1 gezeigt wird.Fig. 1 is a vertical sectional side view showing a precision casting apparatus according to an embodiment of this invention and Fig. 2 is a horizontal sectional view of the apparatus formed by the water cooled copper segments in the precision casting apparatus shown in Fig. 1.
Bei den Verfahren und der Vorrichtung zum Präzisionsguß entsprechend vorliegender Erfindung mit der vorerwähnten Konstruktion, werden Wirbelströme auf der inneren Seite der Baugruppe induziert, die aus den wassergekühlten Kupfersegmenten gebildet wird, welche ringförmig auf der Innenseite der Induktionswicklung angeordnet sind. Die wassergekühlten Kupfersegmente werden voneinander isoliert während des Schmelzens des Grundmetalls in der Baueinheit.In the methods and apparatus for precision casting according to the present invention having the above-mentioned construction, eddy currents are induced on the inner side of the assembly formed of the water-cooled copper segments arranged in a ring shape on the inside of the induction coil. The water-cooled copper segments are isolated from each other during the melting of the base metal in the assembly.
Das Grundmetall wird durch einen Wirbelstrom geschmolzen, der in dessen äußerer Schicht durch die oben erwähnten Wirbelströme induziert wird, die Wechselströme sind. Das geschmolzene Metall wird aus der Baugruppe gelöst, die von den wassergekühlten Kupfersegmenten gebildet wird durch Abstoßungskräfte, die von Strömen hervorgerufen werden, die eine entgegengesetzte Phase zueinander haben und die in den äußersten Schichten der Baugruppe und des geschmolzenen Metalls fließen. Es bildet sich ein Spalt zwischen dem geschmolzenen Metall und dem inneren Rand der Baugruppe.The base metal is melted by an eddy current induced in its outer layer by the above-mentioned eddy currents, which are alternating currents. The molten metal is released from the assembly formed by the water-cooled copper segments by repulsive forces caused by currents having an opposite phase to each other flowing in the outermost layers of the assembly and the molten metal. A gap is formed between the molten metal and the inner edge of the assembly.
Entsprechend wird der thermische Übergang von dem geschmolzenen Metall auf die Baugruppe durch die Bildung des Spalts unterdrückt. Es bildet sich fast keine dickwandige Schale (eine Schicht aus verfestigtem Metall), was es von den Fällen konventioneller Öfen des wassergekühlten Feuerungstyps, wie eines Bogenschalenschmelzofens, unterscheidet. Das Grundmetall, das so geschmolzen wurde, zeigt ein besseres Fließen. Man kann leicht die Temperatur des geschmolzenen Metalls regulieren, indem man die der Induktionswicklung zugeführte elektrische Energie steuert. Das geschmolzene Grundmetall ist im wesentlichen nicht verunreinigt, weil kein keramischer Schmelztiegel eingesetzt wird, der aus Oxiden aufgebaut ist. Man kann Präzisionsgüssesse guter Qualität erhalten. Accordingly, the thermal transfer from the molten metal to the assembly is suppressed by the formation of the gap. Almost no thick-walled shell (a layer of solidified metal) is formed, which is different from the cases of conventional furnaces of the water-cooled firing type such as an arc-shell melting furnace. The base metal thus melted shows better flow. One can easily regulate the temperature of the molten metal by controlling the electric power supplied to the induction coil. The molten base metal is substantially uncontaminated because no ceramic crucible made of Oxides. Precision castings of good quality can be obtained.
In den Figuren 1 und 2 wird eine Präzisionsgußvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform vorliegender Erfindung gezeigt, die zum Präzisionsgießen des Titans oder der Titanlegierung eingesetzt wird. Die Präzisionsgußvorrichtung 1 ist mit einer Baueinheit 2 in deren zentralen Teil versehen, der von einer Vielzahl wassergekühlter Kupfersegmente 2a, 2b, ... 2h gebildet wird, die ringförmig in einer Form angeordnet sind, wo sie voneinander durch Isolatoren 7 isoliert sind. Die jeweiligen wassergekühlten Kupfersegmente 2, 2b, ... 2h sind mit Wasserröhren 3a, 3b, ... 3h versehen. Die Baueinheit 2 ist zusammenhängend mit einem Magnetschild 4 auf dessen Oberseite versehen.In Figures 1 and 2, there is shown a precision casting apparatus according to an embodiment of the present invention, which is used for precision casting the titanium or titanium alloy. The precision casting apparatus 1 is provided with a structural unit 2 in its central part, which is formed by a plurality of water-cooled copper segments 2a, 2b, ... 2h arranged in a ring shape in a mold where they are insulated from each other by insulators 7. The respective water-cooled copper segments 2, 2b, ... 2h are provided with water tubes 3a, 3b, ... 3h. The structural unit 2 is integrally provided with a magnetic shield 4 on its upper surface.
Die Baueinheit 2 hat eine Radiofrequenz-Induktionswicklung 5, die an deren Außenseite angeordnet ist und dazu bestiiumt ist, daß das Grundmetall 6 aus Titan oder aus der Titanlegierung der Innenseite von einer Unterseite davon zugeführt werden kann.The assembly 2 has a radio frequency induction coil 5 arranged on the outside thereof and designed so that the base metal 6 of titanium or titanium alloy can be supplied to the inside from a bottom side thereof.
Das Magnetschild 4 ist mit einem ringförmigen Sockel 11 durch eine Dichtung 12 auf dessen Oberseite versehen. Eine Hülse 13 ist auf der Innenseite des ringförmigen Sockels 11 vorgesehen und eine Formkammer 14 ist auf der Innenseite der Hülse 13 vorgesehen. Ein Schmelzraum 15 wird in einem Teil gebildet, der von der Grundfläche der Schmelzkammer 14, den inneren Rändern der Baueinheit 2 und dem Magnetschild 4 umgeben ist. Es ist möglich, die Atmosphäre in dem Schmelzraum 15 mit einem Inertgas durch beispielsweise eine Argonversorgung durch einen Gaseinlaß 16 zu ersetzen, der an dem ringförmigen Sockel 11 vorgesehen ist.The magnetic shield 4 is provided with an annular base 11 through a gasket 12 on the top thereof. A sleeve 13 is provided on the inside of the annular base 11 and a molding chamber 14 is provided on the inside of the sleeve 13. A melting space 15 is formed in a part surrounded by the base of the melting chamber 14, the inner edges of the assembly 2 and the magnetic shield 4. It is possible to replace the atmosphere in the melting space 15 with an inert gas by, for example, an argon supply through a gas inlet 16 provided on the annular base 11.
Eine durchlässige Form 21, die eine keramische Maskenform ist, ist in der Formkammer 14 angeordnet. Ein turbinenradförmiger Formhohlraum 21a in der durchlässigen Form 21 und der Schmelzraum 15 sind durch ein Tor 22 verbunden, das in der durchlässigen Form 21 gebildet ist. Eine rohrförmige Einfüllöffnung 23 steht mit dem Tor 22 in Verbindung.A permeable mold 21, which is a ceramic shell mold, is arranged in the mold chamber 14. A turbine-shaped mold cavity 21a in the permeable mold 21 and the melting chamber 15 are connected by a gate 22 which is formed in the permeable mold 21. A tubular filling opening 23 is connected to the gate 22.
Die durchlässige Form 21 ist mit einem verschlossenen Speisekopf 21c in dessen oberen Teil versehen und besitzt einen Wärmeisolator 24 mit einer Gasdurchlässigkeit, der an dessen äußere Oberfläche angeordnet ist.The permeable mold 21 is provided with a closed feed head 21c in its upper part and has a heat insulator 24 with a gas permeability arranged on its outer surface.
Die Schmelzkammer 14 ist ferner mit einer oberen Platte 27 durch eine Dichtung 26 an deren oberen Ende versehen. Die durchlässige Form 21 wird von einer Säule 29 gehalten, die die obere Platte 27 durch einen Verschluß 28 durchdringt, wobei die obere Platte 27 mit einem Saugloch 27a versehen ist.The melting chamber 14 is further provided with an upper plate 27 through a gasket 26 at the upper end thereof. The permeable mold 21 is supported by a column 29 penetrating the upper plate 27 through a shutter 28, the upper plate 27 being provided with a suction hole 27a.
Bei der Präzisionsgußvorrichtung 1 entsprechend dieser Ausführungsform, die mit der Baueinheit 2 auf der Innenseite der Radiofrequenz-Induktionswicklung 5, wie oben beschrieben, versehen ist, werden Wirbelströme auf der Innenseite der Baueinheit 2 durch Radiofrequenz-Induktion der Radiofrequenz-Induktionswicklung 5 gebildet. Das Grundmetall 6 aus Titan oder aus der Titanlegierung wird durch einen Wirbelstrom geschmolzen, der in der äußeren Schicht des Grundmetalls 6 induziert wird. Die Wirbelströme sind Wechselströme. Das geschmolzene Metall 31 des Titans oder der Titanlegierung ist etwas vom inneren Rand der Baueinheit 2 durch Abstoßungskräfte entfernt, die durch die Ströme hervorgerufen werden, die in den äußersten Schichten der Baueinheit 2 und des geschmolzenen Metalls 31 fließen, die gegensätzliche Phasen zueinander haben. Es bildet sich ein Spalt zwischen dem geschmolzenen Metall 31 und der Baueinheit 2.In the precision casting apparatus 1 according to this embodiment, which is provided with the assembly 2 on the inside of the radio frequency induction coil 5 as described above, eddy currents are formed on the inside of the assembly 2 by radio frequency induction of the radio frequency induction coil 5. The base metal 6 of titanium or titanium alloy is melted by an eddy current induced in the outer layer of the base metal 6. The eddy currents are alternating currents. The molten metal 31 of titanium or titanium alloy is slightly removed from the inner edge of the assembly 2 by repulsive forces caused by the currents flowing in the outermost layers of the assembly 2 and the molten metal 31 having opposite phases to each other. A gap is formed between the molten metal 31 and the assembly 2.
Entsprechend wird der thermische Übergang von dem geschmolzenen Metall 31 aus Titan oder aus der Titanlegierung zu der Baueinheit 2 durch die Bildung des Spalts unterdrückt. Dadurch wird kaum eine dickwandige Schale gebildet, die in konventionellen Öfen von wassergekühlten Feuerungstyp, wie einen Bogenschalenschmelzofen, gebildet wird. Es wird möglich, das Grundmetall 6 aus Titan oder aus der Titanlegierung mit besserem Fließen zu schmelzen. Es wird auch möglich, die Temperatur des geschmolzenen Metalls 31 aus dem Titan oder der Titanlegierung leicht zu regulieren, indem man die elektrische Energiezufuhr zu der Radiofrequenz-Induktionswicklung 5 steuert. Ferner gibt es praktisch keine Verunreinigung des geschmolzenen Metalls 31, da ein keramischer Schmelztiegel, der aus Oxiden aufgebaut ist, nicht eingesetzt wird.Accordingly, the thermal transfer from the molten metal 31 made of titanium or titanium alloy to the structural unit 2 is suppressed by the formation of the gap. As a result, a thick-walled shell is hardly formed, which in conventional furnaces of water-cooled firing type such as an arc-shell melting furnace. It becomes possible to melt the base metal 6 of titanium or titanium alloy with better flow. It also becomes possible to easily regulate the temperature of the molten metal 31 of titanium or titanium alloy by controlling the electric power supply to the radio frequency induction coil 5. Furthermore, there is practically no contamination of the molten metal 31 since a ceramic crucible composed of oxides is not used.
Durch die Verringerung des Drucks durch das Saugloch 27a, das in der oberen Platte 27 vorgesehen ist, wird das Gas, das in Formhohlraum 21a und den Speisekopf 21c der durchlässigen Form 21 vorliegt, in die Formkanmer 14 abgelassen, indem es durch die durchlässige Form 21 (wie mit Pfeilen gezeigt) strömt. Dies geschieht durch den Unterschied der internen Drücke zwischen der Formkamner 14 und dem Schmelzraum 15. Das geschnolzene Metall 31 aus Titan oder der Titanlegierung wird auf diese Weise angesaugt und fließt in den Formhohlraum 21a durch die röhrenförmige Einfüllöffnung 23 und das Tor 22. Auf diese Weise wird das geschmolzene Metall 31 durch Auf saugen zu dem Speisekopf 21c gezogen, was die Schrumpfung berücksichtigt, die mit der Verfestigung des geschmolzenen Metalls 31 aus Titan oder der Titanlegierung in den Formhohlraum 21a einhergehtBy reducing the pressure through the suction hole 27a provided in the upper plate 27, the gas present in the mold cavity 21a and the feed head 21c of the permeable mold 21 is discharged into the mold chamber 14 by flowing through the permeable mold 21 (as shown by arrows). This is done by the difference in internal pressures between the mold chamber 14 and the melting chamber 15. The molten metal 31 of titanium or titanium alloy is thus sucked in and flows into the mold cavity 21a through the tubular filling opening 23 and the gate 22. In this way, the molten metal 31 is drawn to the feed head 21c by suction, which takes into account the shrinkage that accompanies the solidification of the molten metal 31 of titanium or titanium alloy in the mold cavity 21a.
Man erhält das Gußprodukt durch Aus schütteln nach der Verfestigung des geschmolzenen Metalls 31 in der durchlässigen Form 21.The cast product is obtained by shaking out after the solidification of the molten metal 31 in the permeable mold 21.
Bei dieser Ausführungsform wählte man als Grundmetall 6 eine Ti-Al-Intermetallverbindung, die leicht ist und ausgezeichnet in Bezug auf mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur, und goß es zu einem Turbinenrad für einen Turbolader, was 1200 g Endgewicht hat mit einem Außendurchmesser von 140 mm.In this embodiment, a Ti-Al intermetallic compound, which is light and excellent in mechanical strength at high temperature, was selected as the base metal 6 and cast into a turbine wheel for a Turbocharger, which has a final weight of 1200 g with an outer diameter of 140 mm.
Der Hochfrequenzgenerator, der in dieser Ausführungsform eingesetzt wird, um für die Wicklung 5 für die Induktionserwärmung eine Hochfrequenzwelle zu erzeugen, ist ein kleiner und vergleichsweise vereinfachter type mit einer Kapazität von 60 kW. Die Frequenz ist hoch, wie 30 kHz, so daß es möglich ist, Materialien mit kleinen Durchmessern wirksam zu schmelzen.The high frequency generator used in this embodiment to generate a high frequency wave for the induction heating coil 5 is a small and comparatively simplified type with a capacity of 60 kW. The frequency is as high as 30 kHz so that it is possible to effectively melt materials with small diameters.
Das Turbinenrad hat zwölf Turbinenblätter und zwölf Tore 22 mit Durchmessern von 8 mm, die nahe den unteren Teilen der jeweiligen Turbinenschaufeln vorgesehen sind.The turbine wheel has twelve turbine blades and twelve gates 22 with diameters of 8 mm, which are provided near the lower parts of the respective turbine blades.
Das Grundmetall 6, das aus einer Ti-Al-Intermetallverbindung aufgebaut ist, wurde von der Unterseite der Baueinheit 2 zugeführt, die aus wassergekühlten Kupfersegmenten 2a, 2b ...2h gebildet wird und durch die Versorgung mit einer Hochfrequenzwelle von 60 kW mit einer Frequenz von 30 kHz auf die Wicklung 5 für die Induktionserwärmung erwärmt wird. Das Grundmetall 6 wird durch Bildung von Wirbelströmen auf der Innenseite der Baueinheit 2 und durch die Induzierung eines Wirbelstromes in den äußersten Schichten des Grundmetalls 6 der Ti-Al-Legierung geschmolzen.The base metal 6, which is composed of a Ti-Al intermetallic compound, was fed from the bottom of the assembly 2, which is formed of water-cooled copper segments 2a, 2b ...2h and is heated by supplying a high frequency wave of 60 kW with a frequency of 30 kHz to the induction heating winding 5. The base metal 6 is melted by forming eddy currents on the inside of the assembly 2 and by inducing an eddy current in the outermost layers of the base metal 6 of the Ti-Al alloy.
Die Gußtemperatur wurde auf 1580ºC festgelegt, indem man die Temperatur des geschmolzenen Metalls 31 um 60ºC höher machte als den Schmelzpunkt von 1520ºC der Ti-Al-Legierung (Überwärme).The casting temperature was set at 1580ºC by making the temperature of the molten metal 31 60ºC higher than the melting point of 1520ºC of the Ti-Al alloy (superheat).
Der Überwärmungsgrad ist bemerkenswert niedrig verglichen mit einem herkömmlichen fallenden Präzisionsguß (150-250 ºC) und der Überwärmungsgrad ist wirksam, um die Reaktion zwischen der durchlässigen Form 21 und dem geschmolzenen Metall 31 zu hemmen.The superheat level is remarkably low compared with a conventional falling precision casting (150-250 ºC) and the superheat level is effective to inhibit the reaction between the permeable mold 21 and the molten metal 31.
Indem man den Druck bei der vorgenannten Gußtemperatur um einen Druck von 350 mm Hg oder so durch das Saugloch 27a verringert, kann das Gas in dem Formhohlraum 21a durch die durchlässige Form 21 entsprechend der Differenz der Innendrücke zwischen der Formkammer 14 und dem Schmelzraum 15 abgelassen werden. Das geschmolzene Metall 31 der Ti-Al- Legierung wird durch Ansaugen in den Formhohlraum 21a und den Speisekopf 21c durch die röhrenförmige Einfüllöffnung 23 und die Tore 22 gezogen. Man erhält das Turbinenrad durch Verfestigung des geschmolzenen Metalls 31 in dem Formhohlraum 21a.By reducing the pressure at the above-mentioned casting temperature by a pressure of 350 mmHg or so through the suction hole 27a, the gas in the mold cavity 21a can be discharged through the permeable mold 21 according to the difference in the internal pressures between the mold chamber 14 and the melting space 15. The molten metal 31 of the Ti-Al alloy is drawn by suction into the mold cavity 21a and the feed head 21c through the tubular feed opening 23 and the gates 22. The turbine wheel is obtained by solidifying the molten metal 31 in the mold cavity 21a.
Das geschmolzene Metall 31 wird in den Formhohlraum 21a durch Vakuumgießen gezogen, wobei sich das geschmolzene Metall 31 gut in jeden einspringenden Winkel und jede Ecke der dünnwandigen Turbinenschaufelform verteilt. Somit ist es möglich, ein Turbinenrad mit hoher Formgenauigkeit zu erhalten.The molten metal 31 is drawn into the mold cavity 21a by vacuum casting, whereby the molten metal 31 is well distributed into each re-entrant angle and corner of the thin-walled turbine blade mold. Thus, it is possible to obtain a turbine wheel with high shape accuracy.
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Präzisionsgießen wird es möglich, komplizierte und großformatige Präzisionsgüsse herzustellen, die bisher fast unmöglich herzutstellen waren. Die Erfindung trägt viel zur weiteren Entwicklung des Präzisionsgusses vonf Titan oder der Titanlegierung bei. Ferner ist es möglich, das Verfahrne und die Vorrichtung zum Präzisionsgießen auf andere Metalle oder deren Legierungen mit hohen Schmelzpunkten oder einer hohen Wirksamkeit, wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Zirconium oder Lithium anzuwenden.Using the method and device for precision casting according to the invention, it becomes possible to produce complicated and large-scale precision castings that were previously almost impossible to produce. The invention contributes greatly to the further development of precision casting of titanium or titanium alloy. Furthermore, it is possible to apply the method and device for precision casting to other metals or their alloys with high melting points or high effectiveness, such as tungsten, molybdenum, vanadium, zirconium or lithium.
Wie oben erwähnt, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren des Präzisionsgusses den Schritt der Herrichtung eines geschmolzenen Grundmetalls von beispieslweise Titan oder einer Titanlegierung durch Induktionserwärmung in einer Baueinheit, die aus einer Vielzahl wassergekühlter Kupfersegmente gebildet wird, die ringförmig auf der Innenseite einer Induktionswärmewicklung in einer Form angeordnet sind, bei der die Kupfersegmente voneinander isoliert sind und das das Gießen des geschmolzenen Grundmetalls in eine durchlässige Form durch Vakuumgießen umfaßt, die oberhalb des geschmolzenen Grundmetalls angeordnet ist. Das geschmolzene Grundmetall ist von der Baueinheit abgelöst. Es wird zwischen dem geschmolzenen Metall und der Baueinheit eine Spalte durch Abstoßungskräfte gebildet, die von Strömen hervorgerufen wird, welche in den äußersten Schichten der Baueinheit und des geschmolzenen Metalls fließen, die entgegengesetzte Phasen zueinander haben. Das Grundmetall wird durch einen Wirbelstrom geschmolzen, der in dessen äußerer Schicht durch Wirbelströme induziert wird, welche Wechselströme zum Zeitpunkt des Schmelzens des Grundmetalls sind. Man erhält ausgezeichnete Wirkungen dadurch, daß die Fließgeschwindigkeit des Grundmetalls bemerkenswert verbessert wird, und die Temperatursteuerung des geschmolzenen Metalls erleichtert wird. Es ist auch möglich zu verhindern, daß das geschmolzene Metall verunreinigt wird und daß man Präzisionsgüsse guter Qualität erhält, weil der thermische Übergang von dem geschmolzenen Metall auf die Baueinheit unterdrückt wird, was die Bildung einer verfestigten Metallschicht zwischen dem geschmolzenen Metall und der Baueinheit verhindert.As mentioned above, the method of precision casting according to the invention comprises the step of preparing a molten base metal of, for example, titanium or a titanium alloy by induction heating in a structural unit formed from a plurality of water-cooled copper segments which are annularly mounted on the inside of an induction heating coil in a mold in which the copper segments are insulated from each other and which comprises pouring the molten base metal into a permeable mold by vacuum casting which is arranged above the molten base metal. The molten base metal is separated from the assembly. A gap is formed between the molten metal and the assembly by repulsive forces caused by currents flowing in the outermost layers of the assembly and the molten metal which have opposite phases to each other. The base metal is melted by an eddy current induced in the outer layer thereof by eddy currents which are alternating currents at the time of melting the base metal. Excellent effects are obtained in that the flow rate of the base metal is remarkably improved and the temperature control of the molten metal is facilitated. It is also possible to prevent the molten metal from being contaminated and to obtain precision castings of good quality because the thermal transfer from the molten metal to the assembly is suppressed, which prevents the formation of a solidified metal layer between the molten metal and the assembly.
Die erfindungsgemäße Präzisionsgußvorrichtung umfaßt eine Induktionswärmewicklung, eine Baueinheit, die von einer Vielzahl wassergekühlter Kupfersegmente gebildet wird, welche ringförmig auf der Innenseite der Induktionswärmewicklung in einer Form angeordnet sind, bei der die Kupfersegmente voneinander isoliert sind, und Grundmetall aus beispielsweise Titan oder einer Titanlegierung von deren Unterseite zugeführt wird sowie eine durchlässige Form zum Gießen des Grundmetalls, das durch Induktionserwärmung auf der Innenseite der Baueinheit geschmolzen wird, die aus den wassergekühlten Kupfersegmenten mittels Vakuumguß gebildet werden. Deshalb kann man eine ausgezeichnete Wirkung erhalten, da es möglich wird, Präzisionsgüsse mit besserem Fließen präzise herzustellen, indem man das vorerwähnte Verfahren zum Präzisionsgießen ausführen kann.The precision casting apparatus of the present invention comprises an induction heating coil, a structural unit formed by a plurality of water-cooled copper segments arranged in a ring shape on the inside of the induction heating coil in a mold in which the copper segments are insulated from each other and base metal of, for example, titanium or a titanium alloy is supplied from the bottom thereof, and a permeable mold for casting the base metal melted by induction heating on the inside of the structural unit formed from the water-cooled copper segments by means of vacuum casting. Therefore, an excellent effect can be obtained because it is possible It is possible to precisely produce precision castings with better flow by carrying out the above-mentioned precision casting process.
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung können ein Verfahren und eine Vorrichtung für Präzisionsmetalle mit hohen Schmelzpunkten oder hoher Wirksamkeit liefern, indem das geschmolzene Metall daran gehindert wird, beim Schmelzen zu verunreinigen unter Aufrechterhaltung der Qualität und der Temperatur des geschmolzenen Metalls, die für den Guß erforderlich sind und indem man das geschmolzene Metall unter gesteuerten Bedingungen gießt, die geeignet sind, einen Fehlguß des geschmolzenen Metalls zu verhindern, sogar wenn das geschmolzene Metall bei niedriger Temperatur zum Zeitpunkt der Durchführung des Präzisionsgusses gegossen wird. Typischerweise umfassen die Metalle Titan, eine Titanlegierung oder andere Metalle mit hohen Schmelzpunkten oder hoher Wirksamkeit, wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Zirconium oder Lithium.The preferred embodiments of the present invention can provide a method and apparatus for precision metals having high melting points or high efficiency by preventing the molten metal from becoming contaminated during melting while maintaining the quality and temperature of the molten metal required for casting and by pouring the molten metal under controlled conditions suitable for preventing miscasting of the molten metal even when the molten metal is poured at a low temperature at the time of conducting the precision casting. Typically, the metals comprise titanium, a titanium alloy or other metals having high melting points or high efficiency such as tungsten, molybdenum, vanadium, zirconium or lithium.
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