DE69311981T2

DE69311981T2 - Unterdruckgiessverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE69311981T2
Application number: DE69311981T
Authority: DE
Inventors: George D Chandley
Original assignee: Hitchiner Manufacturing Co Inc
Current assignee: Hitchiner Manufacturing Co Inc
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2013-04-07
Also published as: JPH0631431A; DE69311981D1; US5303762A; CN1082959A; CN1048673C; MX9304040A; AU3532293A; CA2091659C; CA2091659A1; AU655715B2; BR9301903A; JP3234049B2; EP0578922B1; EP0578922A1; RU2108892C1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen entgegen der Schwerkraft unter Anwendung einer Druckdifferenz gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 9.
Im besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen entgegen der Schwerkraft unter Anwendung einer Druckdifferenz von einer Schmelze in eine Form bei verkürzten Zyklus zeiten.
Patente zum Stand der Technik, zum Beispiel die US-A-4 982 777, beschreiben Verfahren zum Gießen entgegen der Schwerkraft unter Anwendung einer Druckdifferenz von Metalischmelzen aus einem Metallschmelzebad in eine selbsttragende, gasdurchla-ssige Form, welche in einer Gießkammer oder einem Gießkasten angeordnet ist, wobei die Form mit dem Bad in Verbindung steht (z.B. darin eingetaucht ist), eine Druckdifferenz hergestellt wird, um die Schmelze nach oben in die Form zu drängen, die gefüllte Form aus dem Bad abgezogen wird, bevor das Metall darin erstarrt und die gefüllte Form umgekehrt oder gewendet wird, um das geschmolzene Metall in der gewendeten Form erstarren zu lassen. In der Gießkammer wird ein relativer Unterdruck aufrechterhalten, um das geschmolzene Metall aus dem Bad nach oben in die Form zu drängen, und um beim Abziehen der gefüllten Form aus dem Bad zu verhindern, daß flüssiges Metall aus derselben herausfließt. Sobald die Form gewendet ist, wird das Vakuum nicht weiter aufrechterhalten.
Diese Verfahren sind vorteilhaft insofern, als verkürzte Gießzykluszeiten erreichbar sind, als Folge davon, daß die Zeit, über die die Form in dem Schmelzmetallbad eingetaucht bleiben muß, und die Zeit, über die der Druckunterschied in der Gießkammer aufrecht zu erhalten ist, verkürzt werden.
Ferner verwendet die US-A-5 069 271 eine dünnwandige, gasdurchlässige Form, die durch ein partikelformiges Stützmedium (z.B. trockener Gießerei-Formsand) in einer Gießkammer oder einem Gießkasten gestützt wird, wobei das Stützmedium um die Form herum verdichtet wird, wenn die Druckdifferenz in der Gießkammer zum Gießen entgegen der Schwerkraft hergestellt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung hierfür zum Gießen einer Schmelze entgegen der Schwerkraft unter Anwendung einer Druckdifferenz bei verkürzten Zykluszeiten zu schaffen. Diese Aufgabe wird, hinsichtlich des Verfahrens, mittels des Verfahrens erfüllt, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe mittels der Vorrichtung erfüllt, welche die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 9 aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Schmelze in die Form über einen serpentinenformigen Schmelzeeinlaßkanal eingeführt, der mit einer darüberliegenden Formhöhlung kommuniziert, derart, daß die mit Schmelze gefüllte Form aus der Quelle der Schmelze abgezogen werden kann, bevor die Schmelze darin erstarrt, und die schmelzegefüllte Form gewendet werden kann, ohne daß die Schmelze aus der Formhohlung herausläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Gießen entgegen der Schwerkraft von einer Schmelze in eine Form in verkürzten Zykluszeiten über einen serpentinenformigen Schmelzeeinlaßkanal vorgenommen, der zwischen einem Paar identischer Feuerfestkomponenten ausgebildet ist, wobei eine der Komponenten umgekehrtangeordnet undmit der anderen so zusammengefügt ist, daß dazwischen der serpentinenformige Einlaßkanal gebildet wird.
Demnach erstreckt sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Gießen entgegen der Schwerkraft von einer Schmelze sowie eine Vorrichtung zur Verwirklichung dieses Verfahrens, wobei eine feuerfeste Form in eine Vakuumkammer eingebracht ist, welche im Inneren eines Gießkastens gebildet ist. Die Form kann gegebenenfalls von partikulärem Stützmaterial in der Vakuumkammer umgeben sein. Die Form weist eine Formhohlung auf, die in Schmelzflußverbindung mit einem serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal steht, der unterhalb der Formhöhlung in der Vakuumkammer angeordnet ist. Der serpentinenförmige Schmelzeeinlaßkanal kommuniziert mit einem Füllrohr, welches sich von der Gießkammer zu einer darunterliegenden Quelle einer Schmelze erstreckt. Form/Kammer und Quelle werden relativ zueinander bewegt, um Füllrohr und Quelle in Eingriff zu bringen. Zwischen der Formhöhlung und der Quelle wird ein Druckunterschied hergestellt, um die Schmelze nach oben durch das Füllrohr und den serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal in die Formhöhlung zu drängen. Unter Aufrechterhaltung des Druckunterschieds werden sodann Form/Kammer und Quelle relativ zueinander bewegt, um Füllrohr und Quelle außer Eingriff zu bringen, nachdem die Formho"hlung mit der Schmelze gefüllt wurde. Form/Kammer werden in eine Richtung gedreht, derart, daß der serpentinenförmige Schmelzeeinlaßkanal ein Auslaufen von Schmelze aus der Formhöhlung verhindert, bis Form/Kammer gewendet sind. Der serpentinenförmige Schmelzeeinlaßkanal bildet einen "S"-förmigen Durchlaß, wenn die Form so gedreht ist, daß das Füllrohr in einer horizontalen Stellung liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind ein erstes und ein zweites Feuerfestelement, die miteinander identisch sind, in der Vakuumkammer unter Bildung des Schmelzeeinlaßkanals zusammengefügt, wobei eines der beiden Feuerfestelemente umgekehrt angeordnet und mit dem anderen so zusammengefügt ist, daß der serpentinenförmige Einlaßkanal entsteht. Das erste und zweite Feuerfestelement weisen jeweils eine seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand sowie eine in einem Abstand von der Wand auf einer entsprechenden Gegenseite derselben angeordnete seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut auf, welche so zusammengef ügt sind, daß die sehnenförmig verlaufende Wand des ersten Elements in der sehnenförmig verlaufenden Nut des zweiten Feuerfestelements aufgenommen ist und die sehnenförmig verlaufende Nut des ersten Feuerf estelements die sehnenförmig verlaufende Wand des zweiten Feuerfestelements aufnimmt, wenn die Seiten ineinandergreifen.
Die obengenannten Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Zeichnung verdeutlicht.
Bezüglich der Zeichnung zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Modellanordnung;
Fig. 2 eine als Schnitt dargestellte Seitenansicht der Modellanordnung nach Umhüllung mit einem feuerfesten partikelförmigen Formstoff und Entfernen des Modells;
Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt des ersten (oberen) und des zweiten (unteren) Feuerfestelements, die den serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal bilden;
Fig. 4 eine Seite der Anordnung von Feuerfestelementen von oben gesehen, in Richtung der Pfeile 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5 eine Seite eines Feuerfestelements von oben gesehen;
Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 5;
Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 5;
Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 5;
Fig. 9 eine als Schnitt dargestellte schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Gießen entgegen der Schwerkraft gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche die in einem partikelförmigen Stützmedium in einer Vakuumkammer eines Gießkastens angeordnete Form zeigt, wobei ein Füllrohr in ein darunterliegendes Bad (Quelle) einer Schmelze eintaucht;
Fig. 10 eine Darstellung ähnlich Fig. 9, wobei jedoch die Form mit der Schmelze gefüllt und die Form von dem Bad getrennt ist;
Fig. 11 eine Darstellung ähnlich der Figuren 9 bis 10, wobei jedoch die Form gewendet ist, um die Schmelze darin in der umgekehrten Lage mit unwirksam gemachtem Vakuum erstarren zu lassen.

Detailbeschreibung der Erfindung

Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, wobei Fig. 1 eine aufbrauchbare Modellanordnung bzw. Baum 10 mit einem zentralen zylindrischen, den Speiser bildenden Teil 12 und mehreren, die Formhöhlungen bildenden Teilen 14 zeigt, die jeweils mit dem den Speiser bildenden Teil 12 durch einen entsprechenden, den Anschnitt bildenden Teil 16 verbunden sind. Die die Formhöhlungen bildenden Teile 14 sind in der Form des zu gießenden Gegenstandes oder Teils gestaltet und mit Zwischenraum um den Umfang des den Speiser bildenden Teils 12 und über dessen Länge wie gezeigt angeordnet. Typisch werden die die Formhöhlungen bildende Teile 14 und ihr jeweiliger, den Anschnitt bildenden Teil 16 spritzgegossen und sodann von Hand an den den Speiser bildenden Teil 12 montiert (z.B. durch Verschweißen oder Verkleben mit Wachs). Der den Speiser bildenden Teil 12 ist typisch durch Spritzgießen als separates Teil geformt.
Ein feuerfester Kragen 18, welcher ein erstes und ein zweites feuerfestes Element 18a, 18b umfaßt, ist (z.B. durch Verschweißen oder Verkleben mit Wachs) am unteren Ende des den Speiser bildenden Teils 12 montiert. Wie aus dem nachstehend Angeführten deutlich wird, sind die Feuerfestelemente 18a, 18b bevorzugt identisch hinsichtlich ihrer Ausbildung oder Konstruktion und greifen so ineinander, daß zwischen ihnen ein serpentinenförmiger Schmelzeeinlaßkanal 39, siehe Fig. 3, in der die Modellanordnung 10 umhüllenden Form entsteht. Das erste und das zweite Feuerfestelement werden an zusammenpassenden Seiten 42 durch Klebe- oder Keramikbindung miteinander verbunden, bevor der Kragen 18 an das untere Ende des den Speiser bildenden Teils 12 montiert wird.
Die Modellanordnung 10 ist typisch aus einem schmelzbaren Material gefertigt, wobei Wachs der bevorzugte Werkstoff für die Modellanordnung ist, bedingt durch seine geringen Kosten und vorhersehbaren Eigenschaften. Allgemein schmilzt das Modellwachs im Bereich von circa 130 ºF bis circa 150 ºF. Es ist wichtig, die Wachsviskosität so zu wählen, daß Rißbildung der Schale während des Vorgangs des Entfernens des Modells vermieden wird (z.B. sollte die Wachsviskosität bei 170 ºF unter einem Wert von 1300 cp liegen). Andere Materialien, wie Harnstoff und geschäumtes Polystyrol, die sich durch Erhitzen, Lösen etc. entfernen lassen, mögen jedoch ebenfalls als Modellwerkstoff geeignet sein.
Für die Umsetzung der Erfindung ist es nicht notwendig, daß die verschiedenen Teile 12, 14, 16 der Modellanordnung 10 aus dem gleichen Modellwerkstoff gefertigt sind, solange die Modellanordnung 10 später durch Erhitzen, Lösen etc. entfembar ist. Im folgenden wird ein Entfernen des Modells mittels Dampf in einem Autoklaven beschrieben, obgleich die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird die Modellanordnung 10 mit mehreren Schichten eines feuerfesten Materials umhüllt, um eine Schalenform 30 um die Modellanordnung herum zu bilden. Die Modellanordnung 10 wird umhüllt, indem sie wiederholt in einen feuerfesten Schlicker (nicht gezeigt) getaucht wird, welcher eine Suspension aus einem feuerfesten Pulver (z.B. Zircon, Aluminiumoxid, Quarzgut und andere Stoffe) in einer Bindemittellösung, wie Ethylsilicat oder kolloidale Siliciumdioxidlösung, und kleinen Mengen eines organischen Filmbildners, eines Benetzungsmittels und eines Schaumverhinderungsmittels umfaßt. Nach jedem Eintauchen läßt man überschüssigen Schlicker ablaufen, und der Schlickerüberzug auf der Modellanordnung wird mit trockenen, groben, feuerfesten Partikeln umhüllt oder besandet. Geeignete Feuerfestmaterialien für das Besanden umfassen gekörntes Zircon, Quarzgut, diverse Aluminiumsilicatgruppen, einschließlich Mullit, Schmelzkorund, und ähnliche Stoffe.
Nach jeder Folge von Tauchen und Besanden wird der Schlickerüberzug getrocknet oder gehärtet, wobei Zwangstrocknen mit Luft oder andere Mittel zur Anwendung kommen, um die feuerfeste Lage auf der Modellanordnung 10 oder der zuvor gebildeten feuerfesten Lage auszubilden. Diese Abfolge der Vorgänge des Tauchens, Besandens und Trocknens wird solange fortgesetzt, bis eine mehrlagige Schalenform 30 der gewünschten Wanddicke um die Modellanordnung entstanden ist.
Die Schalenform 30 kann in unterschiedlichen Dicken im Bereich von circa 0,12 bis circa 0,50 Inch ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Schalenform so ausgebildet, daß sie eine maximale Wanddicke aufweist, die circa 0,12 Inch nicht überschreitet, entsprechend dem US-Patent 5 069 271 (Chandley), dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text eingefügt wird. Im allgemeinen ist eine Schalenwanddicke, die circa 0,12 Inch nicht überschreitet, aus vier bis fünffeuerfesten Lagen aufgebaut oder zusammengesetzt, welche durch die wiederholte Abfolge der Vorgänge des Tauchens, Besandens und Trocknens, wie vorstehend beschrieben, gebildet wurden. Eine solche dünnwandige Schalenform 30 ist vorteilhaft wegen ihrer Fähigkeit, Spannungen aufzunehmen, die während des Entfernens des Modells mittels Dampf im Autoklaven, wie beispielsweise in dem vorgenannten Patent beschrieben, auf sie wirken. Die Erfindung kann jedoch auch mit herkömmlichen dickerwandigen Schalenformen verwirklicht werden.
Typisch wird die Bildung der Schalenform 30 um die Modellanordnung 10 einschließlich der Feuerfestelemente 18a, 18b herum vorgenommen, um den Kragen 18, so zu inkorporieren oder anzubringen, daß er eine Einheit mit der gebildeten Form bildet. Im besonderen wird die Schalenform 30 um den Übergang zwischen den Elementen 18a, 18b herum gebildet.
Als Beispiel und ohne darauf beschränkt zu sein, wird die Schalenform 30 auf einer Modellanordnung 10 wie der in Fig. 1 gezeigten ausgebildet, wobei die Teile Modellwachs umfassen. Die Modellanordnung 10 wird in einen anfänglichen Schlicker getaucht, welcher Quarzgut mit einer Teilchengröße von 200 Mesh (15,2 Gew.-%) und Zircon mit einer Teilchengröße von 325 Mesh (56,9 Gew.-%), kolbidales Siliciumdioxid-Bindemittel (17,8 Gew.-%) und Wasser (10,1 Gew.-%) enthält. Überschüssiger Schlicker wird ablaufen gelassen, und der Schlicker wird noch im nassen Zustand mit Zircon mit einer Größe von 100 Mesh besandet. Die Modellanordnung wurde anschließend in einen zweiten Schlicker getaucht, welcher Mullit vom Typ Mulgrain M-47 (15,1 Gew.-%), Quarzgut mit einer Teilchengröße von 200 Mesh (25,2 Gew.-%) und Zircon mit einer Teilchengröße von 600 Mesh (35,3 Gew.-%), Ethylsilicat-Bindemittel (15,6 Gew.-%), Isopropanol (8,8 Gew.-%) enthielt, wobei nach Ablaufenlassen nach jedem Tauchen in Schlicker nacheinander mit Mulgrain-Mullit mit einer Größe von 60 Mesh und der so erhaltene Gegenstand mit Mulgrain-Mullit M-47 von circa 25 Mesh besandet wurde. Die Schalenform wurde durch circa 4- bis 5maliges Tauchen in Schlicker/Besanden in der beschriebenen Weise gebildet.
Alternativ kann eine herkömmliche Feingießform 30 um die Modellanordnung 10 gebildet werden, ohne den Kragen 18 (d.h. die Form umfaßt kein um den Kragen 18 gebildetes unteres Ende). Der Kragen 18 kann dann- an der Schalenform befestigt werden, indem ein keramischer Flicken oder Klebstoff (nicht gezeigt) auf die Kragenoberf läche 18e aufgebracht und der Kragen 18 in das offene untere Ende der Schalenform eingeführt wird, die mit einer unteren Oberfläche ausgebildet ist, deren Gestalt komplementär zu der Kragenoberfläche 18e ausgebildet ist, um durch das keramische Flicken mit derselben verbunden zu werden. Alternativ kann der Kragen 18 gegen die untere Endoberfläche der Schalenform durch das in dem evakuierten Gießkasten 71, wie in Fig. 9 gezeigt, vorliegende Stützmedium 60 (Z.B. Gießerei- Formsand) gehalten werden, ohne Verwendung eines keramischen Flickens oder Klebstoffs hierzwischen.
Bevorzugt sind die feuerfesten Elemente 18a, 18b in ihrer Ausbildung identisch und so miteinander verbunden, daß das obere Element 18a gegenüber dem unteren Element 18b umgekehrt angeordnet und mit demselben so zusammengefügt ist, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, um den serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal 39 zu bilden.
Es wird nun auf die Figuren 5 bis 8 Bezug genommen, die ein einzelnes Feuerfestelement 18a oder 18b im Detail zeigen. Es ist nur eines der Elemente 18a, 18b dargestellt, weil sie bei dieser Ausführungsform der Erfindung in Gestaltung und Konstruktion identisch sind. Jedes feuerfeste Element 18a oder 18b weist einen schüsselförmigen feuerfesten Körper 40 auf, z.B. aus gepreßter Schamotte-Keramik, mit einem kreisförmigen Profil. Jeder Körper 40 umfaßt eine erste Seite 42 und eine zweite Seite 44. Die erste Seite 42 jedes Körpers 40 ist so gestaltet, daß sie mit der des anderen Körpers 40 so zusammenpaßt und in diese eingreift, daß der serpentinenförmige Schmelzeeinlaßkanal 39 hierzwischen gebildet wird. Im besonderen umfaßt die erste Seite 42 jedes Körpers 40 eine sehnenförmig verlaufende Wand 50 und eine sehnenförmig verlaufende Nut 52, welche von derselben über den schüsselförmigen zurückspringenden Bereich 54 beabstandet ist, derart, daß wenn das obere Element 18a umgedreht wird und seine Seite 42 mit der Seite 42 des unteren Elements 18b zusammengeführt wird und in diese eingreift, die sehnenförmig verlaufende Wand 50 des oberen (ersten) Elements 18a in der sehnenförmig verlaufenden Nut 52 des unteren (zweiten) Feuerfest-Elements 18b aufgenommen wird, und die sehnenförmig verlaufende Nut 52 des oberen (ersten) Feuerfest-Elements 18a die sehnenförmig verlaufende Wand 50 des unteren (zweiten) Feuerfestelements 18b aufnimmt, siehe Fig. 3. Die sehnenförmig verlaufenden Wände 50 sind überlappend oder einander gegenüberliegend in vertikaler Richtung, so daß ein zentraler Bereich 39a des Schmelzeeinlaßkanals 39 entsteht, als Folge davon, daß sie in der jeweiligen Nut 52 des feuerfesten Gegenelements aufgenommen sind. Wie erkennbar, entsteht ein horizontal ausgerichteter "S"-förmiger Schmelzeeinlaßkanal 39 zwischen den Feuerfest-Elementen 18a, 18b, wenn die Form 30 sich in aufrechtstehender (vertikaler) Lage befindet, wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt.
Der Schmelzeeinlaßkanal 39 umfaßt ein oberes offenes Ende 39b, welches mit dem zentralen Speiser-Teil 12 kommuniziert, und ein unteres offenes Ende 39c zum Kommunizieren mit einem Füllrohr oder einer Fülleitung 90, welches bzw. welche mit einer unteren kegelstumpfförmigen Oberfläche 18d des unteren Feuerfestelements 18b in Verbindung steht.
Die Verwendung der identischen Feuerfest-Elemente 18a, 18b zur Bildung des serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanals 39 ist bevorzugt und von Vorteil insofern, als nur eine Feuerfestelement-Ausgestaltung vorgenommen werden muß und der Schmelzeeinlaßkanal 39 gebildet werden kann, indem eines der feuerfesten Elemente (z.B. das obere Element 18a) einfach umgekehrt angeordnet und seine Seite 42 mit der Seite 42 des unteren Feuerfestelements 18b zusammengefügt wird.
Fig. 2 zeigt die Feuerfest-Schalenform 30 einschließlich des Kragens 18 nach Entfernen des Modellwerkstoffs mittels Dampf im Autoklaven. Im besonderen wird zum Entfernen des Modells aus der oben beschriebenen dünnwandigen Schalenform (d.h. die Schalenwanddicke überschreitet 0,12 Inch nicht) die feuerfeste Schalenform 30 in einen Dampfautoklaven (nicht gezeigt) herkömmlicher Ausführung eingebracht (z.B. Modell 286PT der Firma Leeds and Bradford Co.) und einer Behandlung mit Dampf von einer Temperatur von circa 275 bis circa 350 ºF (Dampfdruck circa 80 psi bis circa 110 psi) unterworfen, für eine Zeitdauer, die hinreichend ist, um den Modellwerkstoff aus der um die Modellanordnung 10 gebildeten feuerfesten Schalenform auszuschmelzen. Das Entfernen des Modellwerkstoffs hinterläßt die dünne feuerfeste Schalenform 30, welche Formhöhlungen 36 aufweist, die mit dem zentralen Speiser 38 über die entsprechenden Anschnitte 41 verbunden sind. Das untere Ende des Speisers 38 kommuniziert mit einem serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal 39, der in dem Kragen 18 ausgebildet ist; d.h. zwischen dem ersten und dem zweiten feuerfesten Element 18a, 18b. In dieser Phase des Verfahrens ist der Speiser 38 an seinem oberen Ende offen.
Vor dem Gießen werden Schalenform 30/Kragen 18 bei circa 1800 ºF 2 Stunden lang gebrannt. Wird die Schalenform 30 ohne den Kragen 18 ausgebildet, werden Schalenform und Kragen separat gebrannt und mit dem Füllrohr 90 montiert, wie in Fig. 9 gezeigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird schmelzflüssiges Metall entgegen der Schwerkraft und unter Anwendung eines Druckunterschieds in die gebrannte Schalenform 30 gegossen, wie in Fig. 9 veranschaulicht. Im besonderen ist die gebrannte Schalenform 30 in einem losen, feuerfesten Stützmedium 60 gestützt, welches seinerseits in einer Vakuumkammer 70 eines Gießkastens oder -gehäuses 71 aufgenommen ist. Der Gießkasten 71 umfaßt eine untere Stützwand 72, eine aufrechtstehende Seitenwand 73 und eine bewegbare obere Stirnwandung 74, mit der eine Vakuumkammer 78 gebildet wird. Die untere Wand 72 und die Seitenwand 73 sind aus gasundurchlässigem Material, z.B. einem Metall, während die bewegbare obere Stirnwandung 74 eine gasdurchlässige (poröse) Platte 75 umfaßt mit einem hiermit verbundenen Vakuumplenum 77, um eine Vakuumkammer 78 über (außerhalb) der gasdurchlässigen Platte 75 zu bilden. Die Vakuumkammer 78 ist über eine Leitung 82 mit einer Vakuumquelle 80 verbunden, beispielsweise einer Vakuumpumpe. Die bewegbare obere Stirnwandung 74 weist eine Umfangsdichtung 84 auf, welche dichtend innen an der aufrechtstehenden Seitenwand 73 angreift, um eine Bewegung der oberen Stirnwandung 74 relativ zur Seitenwand 73 zu gestatten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer Vakuumabdichtung hierzwischen.
Beim Zusammenbau der in Fig. 9 gezeigten Komponenten zur Bildung der Gießvorrichtung 100 wird ein keramisches Füllrohr bzw. -leitung 90 über eine Dichtung (nicht gezeigt) in einer unteren Öffnung 72a der unteren Wand 72 abdichtend aufgenommen, um einen unteren Schmelzeeinlaßkanal 92 zu bilden, der sich von der Bodenwand 72 zu einer darunterliegenden Quelle 102 von geschmolzenem Metall erstreckt. Die untere kegelstumpfförmige Oberfläche 18d des unteren Kragenelements 18b ist mittels eines keramischen Klebstoffs mit einem ähnlich geformten Flansch 90a des Füllrohrs 90 dicht verbunden. Eine feuerfeste Kappe 120 ist oben auf der Schalenform 30 vorgesehen, um das obere-Ende des Speisers 38 abzudecken. Das lose feuerfeste partikuläre Stützmedium 60 (z.B. loser Gießerei-Quarzsand mit einer Größe von circa 60 Mesh) wird in die Vakuumkammer 70 (bei entfernter Stirnwandung 74) um die Form 30 herum eingebracht, während der Gießkasten 71 vibriert wird, um das Absetzenlassen des Stützmediums 60 in der Kammer 70 um die Form herum zu unterstützen. Die bewegbare obere Stirnwandung 74 wird sodann am offenen oberen Ende des Gießkastens in Lage gebracht, wobei die Umfangsdichtung 84 dichtend an der Seitenwand 73 angreift und wobei die Innenseite der gasdurchlässigen Platte 75 dem Stützmedium 60 zugewandt und in Kontakt mit diesem ist.
Nach Zusammenbau wird die Gießvorrichtung 100 über eine Quelle 102 (z.B. ein Bad) der zu gießenden Metallschmelze 104 gebracht. Typisch liegt die Metallschmelze in einem Gießbehälter 106 vor. Die Gießvorrichtung 100 wird durch eine Betätigungsvorrichtung 108 abgesenkt, z.B. durch eine hydraulische, pneumatische, elektrische oder andere Betätigungsvorrichtung, welche funktionell durch einen Betätigungsarms 114 mit dem Gießkasten 71 verbunden ist. Die Gießvorrichtung wird in Richtung des Bades 102 in eine Gießposition abgesenkt, in der das untere offene Ende des Füllrohrs 90 in das Bad eintaucht. Nach Eintauchen des Füllrohrs wird durch Betätigen der Vakuumpumpe 80 in der Vakuumkammer 78 des Vakuumplenums 77 und damit durch die Platte 75 auch in der Vakuumkammer 70 ein Vakuum hergestellt. Die Evakuierung der Kammer 70 wiederum bewirkt die Evakuierung der Forrnhöhlungen 36 durch die dünne gasdurchlässige Wand der Schalenform. Der Grad des Vakuums in der Kammer 70 wird so gewählt, daß er ausreicht, um die Metallschmelze 104 nach oben aus dem Bad 102 durch das Füllrohr 90, den serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal. 39 und den Speiser 38 in die Formhöhlungen 36 zu ziehen, wenn das Füllrohr 90 in das Bad 102 hineinragt, wie in Fig. 9 gezeigt.
Nach Erzeugen des Vakuums in den Vakuumkammern 70, 78 ist die obere Stirnwandung 74, an der seite; die außerhalb der Dichtung 84 liegt, Atmosphärendruck ausgesetzt, während die Innenseite der Platte 75 einem relativen Unterdruck ausgesetzt ist. Dieser Druckunterschied durch die obere Stirnwandung 74 bewirkt, daß das Stützmedium 60 um die Form 30 herum verdichtet oder verfestigt wird, um sie gegen Gießspannungen zu stützen.
Das geschmolzene Metall 104 wird durch das Füllrohr 90, den serpentinenförmigen Durchlaß 39 und den Speiser 38 über die Anschnitte 41 in die Formhöhlungen gezogen. Das geschmolzene Metall wird dadurch unter Anwendung eines Druckunterschieds entgegen der Schwerkraft in die Formhöhlungen 36 gegossen.
Nachdem die Formhöhlungen 36 mit der Metallschmelze gefüllt sind, wird der Arm 114 durch die Betätigungsvorrichtung 108 angehoben, um die Gießvorrichtung 100 an- und eine ausreichende Entfernung von dem Bad 102 wegzuheben, um das Füllrohr 90 aus dem Bad 102 zurückzuziehen (von dem Bad zu trennen). Während des Anhebens der Gießvorrichtung 100 wird das Vakuum in den Kammern 70,78 durch die Vakuumpumpe 80 aufrechterhalten.
Nach Entfernen des Füllrohrs 90 aus dem Bad 102 läuft die Metallschmelze in dem Füllrohr unter dem Einfluß der Schwerkraft ab, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Metallschmelze in dem serpentinenförmigen Schmelzeeinlaßkanal 39 jedoch läuft nur aus einem abstromseitigen Abschnitt 39d desselben ab, welcher direkt mit dem unteren offenen Ende kommuniziert, wie gezeigt. Die Metallschmelze in dem mittigen Bereich 39a des serpentinenförmigen Durchlasses 39 (der zwischen den aufrechtstehenden sehnenförmig verlaufenden Wänden 50 gebildet ist) und in dem Abschnitt 39e, welcher aufstromseitig desselben in Richtung des Speisers 38 gelegen ist, wird durch-die sehnenförmig verlaufenden Wände 50 vom Auslaufen abgehalten, wie aus Fig. 10 erkennbar. Das geschmolzene Metall, welches aus dem Füllrohr 90 und dem serpentinenförmigen Durchlaß 39 abläuft, kehrt in das Bad 102 zurück, um zum Gießen in eine andere Form erneut verwendet zu werden.
Die zurückgezogene Gießvorrichtung 100 wird sodann unter Verwendung eines Drehantriebs 108 herkömmlicher Art gedreht, der funktionell durch ein zahnradgetriebe 116 mit einer Verlängerung 114a des Tragarms 114 verbunden ist. Die Gießvorrichtung 100 wird um die horizontale Achse H von der aufrechtstehenden Position in Fig. 10 in die umgekehrte Position gemäß Fig. 11 gedreht, in der das Füllrohr 90 über der Form 30 angeordnet ist.
Die Gießvorrichtung 100 wird in Richtung des Pfeils in Fig. 10 gedreht, d.h., bezogen auf Fig. 10, im Uhrzeigersinn. Diese Drehrichtung erlaubt es den sehnenförmig verlaufenden Wänden 50, ein Auslaufen des noch immer flüssigen Metalls in dem serpentinenförmigen Durchlaß 39 und der Form 30 während des Kippvorgangs zu verhindern. Tatsächlich wirken die sehnenförmig verlaufenden Wände 50 wie ein Damm, um die Metalischmelze gegen Auslaufen geschützt zu umschließen, ohne die Notwendigkeit eines Ventils in dem Durchlaß 39; d.h. es wird ein ventilloser Schmelzeeinlaßkanal 39 geschaffen, um ein Auslaufen der Schmelze während des Drehens der Form zu verhindern. Wenn die Gießvorrichtung 100 um 90º im Uhrzeigersinn gekippt ist (d.h. in eine horizontale Position), liegt der serpentinenförmige Durchlaß 39 so, daß er einen "S"-förmigen Durchlaß bildet. Sobald die Gießvorrichtung 100 kopfstehend angeordnet ist, siehe Fig. 11, besteht erkennbar keine Gefahr des Auslaufens von Metall aus der Form.
Der Arm 114, die- Armverlängerung 114a und das Zahnradgetriebe 116 sind in den Figuren 9-11 aus Zweckmäßigkeitsgründen lageverschoben gezeigt. Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß ihre tatsächliche Lage senkrecht zur gezeigten Position ist, um ein Formkippen in die in Fig. 10 gezeigte Richtung zu gestatten.
Nach Wenden der Gießvorrichtung 100 wird das Vakuum in den Kammern 70, 78 aufgehoben (durch ein geeignetes Ventil 120, welches für Atmosphärendruck in den Kammern 70, 78 sorgt), so daß die Metallschmelze in der Form 30 unter Umgebungs-(Atmosphären-)Druck in der gewendeten Form erstarren kann.
Die Erfindung ist besonders geeignet zum Gießen entgegen der Schwerkraft von Metallen und Legierungen mit hoher Schwindung (z.B. Stähle, Edelstähle und Legierung sowie Ni-, Co- und Fe-basierte Legierungen und Superlegierungen). Der Ausdruck "mit hoher Schwindung" bezieht sich auf die Volumenkontraktion der Metallschmelze bei ihrem Abkühlen von Gießtemperatur auf Umgebungstemperatur während der Erstarrungsphase des Verfahrens. Bestimmte Stähle zeigen einen hohen volumetrischen Schwund, z.B. circa 10 %, beim Abkühlen von Gießtemperatur auf Umgebungstemperatur, während im Vergleich dazu Grauguß und Kugelgraphitguß eine relativ geringe volumetrische Schwindung von beispielsweise weniger als circa 1 % zeigen. Metalle und Legierungen mit hoher Schwindung können erfindungsgemäß entgegen der Schwerkraft gegossen werden, ohne daß ein schädliches Auslaufen der Schmelze aus der Form während des Vorgangs des Formkippens auftritt. Metalle und Legierungen mit geringer Schwindung können ebenfalls auf diese Weise entgegen der Schwerkraft gegossen werden. Jedoch ist die Erfindung besonders nützlich beim Gießen von Metallen und Legierungen mit hoher Schwindung, die dazu neigen, während des Vorgangs des Formkippens aus der Form auszulaufen.
Beispielsweise wurde eine Form 30 der beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Art mit 58 lb. einer Stahllegierung 4130 bei einer Schmelzegießtemperatur von 3050 ºF unter Vakuum entgegen der Schwerkraft gegossen. In der Vakuumkammer 70 wurde ein Vakuum von 18 Inch Quecksilbersäule erzeugt, während das Füllrohr 90 in das Schmelzebad 102 getaucht war, um die Schmelze nach oben in 24 Formhöhlungen hinein zu ziehen, von denen eine jede circa 0,8 lb. der Schmelze aufnahm. Die Form wurde in 8 Sekunden gefüllt, und das Füllrohr 90 wurde aus der Schmelze durch Anheben der Gießvorrichtung abgezogen. Nach dem Abziehen lief die Schmelze aus dem Füllrohr 90 und dem Bereich 39d des serpentinenförmigen Durchlasses 39, wie in Fig. 10 gezeigt, ab und in das Schmelzebad zurück. Sobald das Ablaufen der Schmelze aus dem Füllrohr aufhörte (circa 2 Sekunden), wurde die Gießvorrichtung durch Drehen um eine horizontale Achse gewendet. Es wurde kein Ablaufen von Schmelze aus der Gießvorrichtung während des Kippvorgangs beobachtet.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine mit einem Kragen 18 ausgestattete keramische Feingießform 30 beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, in Verbindung mit derartigen Keramikschalenformen verwendet zu werden, sondern kann statt dessen unter Verwendung der hinreichend bekannten gebundenen Sandf ormen, wie in US-Patent Nr. 4 791 977 dargestellt, verwendet werden, wobei der Kragen 18 daran befestigt ist, um die Ziele und Vorteile der Erfindung zu verwirklichen. Die Offenbarung der US-PS 4 791 977 wird zu diesem Zweck durch Bezugnahme in den vorliegenden Text eingefügt. Wie er in den Ansprüchen verwendet wird, umfaßt der Ausdruck "Form" keramische Schalenformen, gebundene Sandformen sowie andere Formen.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsfgrmen derselben beschrieben, wurde, ist sie nicht als auf dieselben beschränkt zu verstehen, sondern ist allein auf den in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegten Umfang beschränkt.

Claims

1. Verfahren zum Gießen einer Schmelze entgegen der Schwerkraft, welches die (folgenden) Schrsitte umfaßt:

a) eine Form (30) wird in einer Unterdruckkammer (70) plaziert, welche in einem Gießkasten (71) definiert ist, wobei die Form (30) einen Formhohlraum (36) aufweist, der in Schmelzflußverbindung mit einem Schmelzeeinlaßkanal, (39) steht, der unterhalb des Formhohlraums (36) in der Unterdruckkammer (70) angeordnet ist,

b) man läßt den Formhohlraum (36) durch den Schmelzeeinlaßkanal (39) mit einem Füllrohr (90) kommunizieren, welches sich, ausgehend von dem Schmelzeeinlaßkanal (39), zu einer darunter befindlichen Quelle (102) der Schmelze (104) erstreckt,

c) man führt eine Relativbewegung des Gießkastens (71) mit der darin befindlichen Form (30) und der Quelle (102) der Schmelze herbei, um das Füllrohr (90) und die Quelle (102) der Schmelze in Eingriff zu bringen,

d) man legt zwischen dem Formhohlraum (36) und der Quelle (102) der Schmelze einen Differenzdruck an, um die Schmelze (104) nach oben durch das Füllrohr (90) und den Schmelzeeinlaßkanal (39) in den Formhohlraum (36) zu drücken,

e) man führt eine Relativbewegung des Gießkastens (71) mit der darin befindlichen Form (30) und der Quelle (102) der Schmelze herbei, um das Füllrohr (90) und die Quelle (102) der Schmelze außer Eingriff zu bringen, nachdem der Formhohlraum (36) mit der Schmelze (104) gefüllt ist, und

f) man dreht den Gießkasten (71) mit der darin befindlichen Form (30) von dem Formhohlraum (36), bis er umgedreht ist,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schmelzeeinlaßkanal (39) als ein serpentinenförmiger Kanal ausgebildet ist, welcher einen ersten ansteigenden Kanalteil (39d) zur Kommunikation mit dem Füllrohr (90), einen abwärts gerichteten Kanalteil (39a) stromaufwärts von dem aufsteigenden ersten Kanalteil (39d) und einen zweiten aufwärts gerichteten Kanalteil (39e) stromaufwärts von dem abwärts gerichteten Kanalteil (39a) aufweist, der mit dem Formhohlraum (36) kommuniziert,

und daß der Gießkasten (71) mit der darin befindlichen Form (30) gemäß Schritt f) in einer solchen Richtung gedreht wird, daß der Schmelzeeinlaßkanal (39) ein Herauslaufen der Schmelze aus dem Formhohlraum (36) verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein erstes und ein zweites, identisches feuerfestes Element (40) ineinandergreifen, um den Schmelzeeinlaßkanal (39) zu definieren, wobei eines der beiden feuerfesten Elemente (40) gegenüber dem anderen invertiert und mit diesem zusammengefügt ist, um den Schmelzeeinlaßkanal (39) zu definieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das erste und das zweite feuerfeste Element (40) jeweils eine seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) und eine seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut (52) aufweisen, die im Abstand von derselben (der Wand) auf einer entsprechenden Seite (42) derselben angeordnet ist, wobei die beiden feuerfesten Elemente zusammengefügt sind, wobei die seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) des ersten feuerfesten Elementes (40) von der seitlichen, sehnenförmig verlaufenden Nut des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufgenommen wird und wobei die seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut (52) des ersten feuerfesten Elementes (40) die seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufnimmt, wenn die Seiten (42) zusammengefügt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, welches das Umgeben der Form (30) in der Unterdruckkammer (70) mit partikelförmigem Material (60) umfaßt.

5. Verfahren nach-Anspruch 1, bei dem der Schmelzeeinlaßkanal (39) einen S-förmigen Kanal bildet, wenn die Form (30) gedreht ist, um das Füllrohr (90) in einer horizontalen Position auszurichten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Form (30) ein erstes und ein zweites feuerfestes Element (40) umfaßt, welche derart zusammengefügt sind, daß der Schmelzeeinlaßkanal (39) definiert wird, der unterhalb des Formhohlraums (36) in der Unterdruckkammer (70) angeordnet ist und in Schmelzflußverbidung mit dem Formhohlraum (36) steht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das erste und das zweite feuerfeste Element (40) identisch sind und eines der beiden Elemente (40) invertiert und mit dem anderen zusammegefügt ist, um den Schmelzeeinlaßkanal (39) zu definieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das erste und das zweite feuerfeste Element, (40) jeweils eine seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) und eine seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut (52) aufweisen, die im Abstand von derselben (der Wand) auf einer entsprechenden Seite derselben angeordnet ist, wobei die Wand und die Nut geeignet sind, zusammengefügt zu werden, derart, daß die seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) des ersten Elements (40) von der seitlichen, sehnenförmig verlaufenden Nut (52) des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufgenommen wird und die seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut (52) des ersten feuerfesten Elements (40) die seitliche sehnenförmig verlaufende Wand (50) des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufnimmt, wenn die Seiten zusammengefügt sind.

9. Differenzdruck-Gegenschwerkraftgießvorrichtung, umfassend:

a) einen Gießkasten (71), der darin eine Unterdruckkammer (70) definiert und eine Bodenöffnung aufweist,

a) eine feuerfeste Form (30), die in der Unterdruckkammer (70) angeordnet ist und einen Formhohlraum (36) umfaßt,

c) Einrichtungen (40), die in der Unterdruckkammer (70) angeordnet sind, um unterhalb des Formhohlraums (36) und in Schmelzflußverbindung mit demselben einen Schmelzeeinlaßkanal (39) zu bilden, und

d) ein Füllrohr (90), welches von der Bodenöffnung absteht, um eine Verbindung zwischen dem Schmelzeeinlaßkanal (39) und einer darunter liegenden Quelle der Schmelze herzustellen,

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schmelzeeinlaßkanal (39) als serpentinenförmig ausgebildeter Kanal ausgebildet ist, welcher einen ersten ansteigenden Kanalteil (39d) zum Kommunizieren mit dem Füllrohr (90), einen stromaufwärts von dem ersten ansteigenden Kanalteil (39d) gelegenen, abwärts gerichteten Kanalteil (39a) und einen zweiten, ansteigenden Kanalteil (39e) aufweist, der stromaufwärts von dem abwärts gerichteten Kanalteil (39a) vorgesehen ist und in Verbindung mit dem Formhohlraum (36) steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Schmelzeeinlaßkanal (39) durch ein erstes und ein zweites, damit identisches, feuerfestes Element (40) definiert ist, wobei eines der feuerfesten Elemente (40) invertiert und mit dem anderen feuerfesten Element (40) zusammengefügt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Schmelzeeinlaßkanal (39) durch ein erstes und ein zweites damit identisches feuerfestes Element (40) definiert ist, wobei eines der feuerfesten Elemente (40) invertiert und mit dem anderen der beiden feuerfesten Elemente (40) zusammengefügt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der jedes der beiden feuerfesten Elemente (40) eine entsprechende sehnenförmig verlaufende Wand (50) und eine sehnenförmig verlaufende Nut (52) aufweist, die im Abstand davon (von der Wand) auf einer entsprechenden Seite derselben angeordnet ist, so daß die feuerfesten Elemente passend zusammensetzbar sind, wobei die seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) des ersten Elements (40) von der seitlich verlaufenden, sehnenförmig verlaufenden Nut (52) des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufgenommen wird und wobei die seitliche, sehnenförmig verlaufende Nut (52) des ersten feuerfesten Elementes (40) die seitliche, sehnenförmig verlaufende Wand (50) des zweiten feuerfesten Elementes (40) aufnimmt, wenn die Seiten zusammengefügt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Form (30) in der Unterdruckkammer (70) von Partikeln (60) umgeben ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Schmelzeeinlaßkanal (39) als horizontal ausgerichteter, S-förmiger Kanal ausgebildet ist, wenn das. Füllrohr (90) in einer horizontalen Position orientiert ist.