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Die
Erfindung betrifft das Gießen
von Artikeln aus geschmolzenem Metall, und befasst sich insbesondere
mit dem sogenannten Feinguss – oder Wachsausschmelzgussverfahren.
Für ein
solches Gießen
wird ein sehr genaues Modell des benötigten Produkts in Wachs erzeugt.
Dann wird ein Keramikmantel um das Wachs herum geformt, indem man aufeinanderfolgende
Schichten von Keramikschlamm und Stuck aufbringt. Bei diesem Arbeitsschritt
wird das Wachs in einen Tank mit Schlamm getaucht; beim Herausnehmen
läuft überschüssiger Schlamm,
der am Wachsmodell haftet, ab, und trockener granularer Keramikstuck
wird auf die Oberfläche
aufgebracht, entweder, indem man ihn über das Modell regnen lässt, oder
indem man das Modell in ein den Stuck enthaltendes fluidisiertes
Bett eintaucht. Bei dieser Stufe muss die erste Beschichtung getrocknet
sein, bevor die nächste
Beschichtung aufgebracht werden kann. Weitere Schichten werden wiederum
durch das gleiche Verfahren von Eintauchen, Stuck und Trocknen aufgebracht,
bis die gewünschte
Manteldicke erreicht ist. Nach dem Erreichen der benötigten Manteldicke
muss die Form weiter getrocknet werden, um Restfeuchtigkeit zu entfernen,
wonach sie "entwachst" werden kann. Bei
diesem Schritt wird das Wachsmodell aus dem Mantel entfernt, entweder
durch Schmelzen unter Venrvendung überhitzten Dampfes in einem
Autoklav, oder durch Blitzbrennen des Mantels in einem Hochtemperaturofen.
Wenn ein Autoklav zum Entfernen des Wachses verwendet wird, muss
der Mantel nachfolgend in einem Brennofen bei Temperaturen über 1000 °C geheizt
werden, um sowohl jegliche Restwachsspuren zu entfernen als auch
eine starke Keramikbindung im Mantelmaterial zu erzeugen. Der verbleibende
Mantel wird dann auf Raumtemperatur gekühlt, repariert und innen von
jeglichen Resten gereinigt, wonach er für mehrere Stunden in einem
Vorheizofen geheizt wird, bevor er zu einem Gießofen oder einer Gießstation
gebracht wird, um bei hoher Temperatur mit Metall befüllt zu werden.
Das Vorheizen ist erforderlich, um einen thermischen Schock zu vermeiden
und sicherzustellen, dass sich die Form vollständig füllt, insbesondere in dünnen Abschnitten. In
vielen Gießereien
wird der gleiche Ofen für
alle Brenn- und Vorheizoperationen eingesetzt, was den Kapitaleinsatz
verringert, jedoch zu logistischen und Produktivitätsbeschränkungen
führt.
Feinguss bietet einen Herstellungsprozess, der in der Lage ist,
Komponenten hoher Präzision,
großer
Abmessungsgenauigkeit und hervorragender Oberflächenausführung zu erzeugen. Seine Nachteile
bestehen jedoch darin, dass die Größe der Komponenten, die gegossen
werden können,
begrenzt ist und der Betrieb teuer ist. Ein Problem wird durch die
Tatsache verursacht, dass sich Wachs beim Heizen ausdehnt, und dies
kann dazu führen,
dass der umgebende Keramikmantel bricht. Es ist eine Aufgabe dieser
Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Gießverfahren
vorgeschlagen wird, das in der Lage ist, die Vorteile des Feingießens zu
bieten, das jedoch über einen
größeren Größenbereich
einsetzbar und billiger durchführbar
ist.
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Ein
Großteil
der Kosten beim Feinguss hängt zusammen
mit der Ummantelungsoperation und mit dem Erfordernis, die Form
vorzuheizen, wobei diese zwei Dinge intrinsisch miteinander verknüpft sind.
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Die
EP-A-474 078 offenbart ein Feingussverfahren unter Verwendung von
Vakuum zum Füllen der
durch einen Keramikmantel gebildeten Form, das abgesehen von Schritt
(8) des Anspruchs 8, nämlich Anlegen
eines Vakuums an den den Mantel umgebenden granularen Füller, alle
in Anspruch 8 erwähnten
Schritte umfasst. Zumindest der zum Beschichten des Wachsmusters
verwendete Ausgangsschlamm ist ein Schlamm auf Wasserbasis. Die
Dicke der durch das Beschichten erzeugten dünnwandigen Mantelform beträgt ungefähr 2,5 mm.
Die Brenn- und Dampfbehandlungstemperatur in einem Autoklav zum
Entfernen des Wachses beträgt 135-176 °C; eine weitere
Brennbehandlung zur Verbesserung der Gasdurchlässigkeit ist nicht erforderlich,
vgl. das Fehlen eines solchen Schritts in den Ansprüchen der
EP-A, in der Beschreibung der EP-A wird jedoch erwähnt, dass
er bei 985 °C
erfolgt. Die Mantelform wird in einen Kasten gesetzt, und zwar innerhalb
lockerer teilchenförmiger
feuerfester Medien, die durch Schütteln verdichtet werden. Ein
Vakuum wird nicht an die teilchenförmigen feuerfesten Medien angelegt, sondern
an das Innere des Mantels, und zwar vor und während des Metallgießschritts.
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Die
US-A-3 933 190 offenbart ein Feingießen von Turbinenblättern aus
Ni- oder Co-basierenden Superlegierungen.
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In
einem Aspekt schlägt
die Erfindung ein Verfahren zum Gießen eines Artikels aus geschmolzenem
Metall vor, wobei das Verfahren ein Gießen des flüssigen Metalls in einen gestützten dünnen Keramikmantel
umfasst, der eine glatte Oberfläche
aufweist und vor dem Eindringen des flüssigen Metalls nicht vorgeheizt
worden ist, und den vorhergehenden Schritt der Stützens des
Mantels in einem Bett aus verdichtetem granularem Material und Anlegen
eines Vakuums an das dichte granulare Material umfasst, während das
flüssige
Metall in den Mantel gegossen wird, wodurch das gesamte Metall in
den Mantel gezogen wird.
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Eine
Form, die heiß gegossen
wird, muss hinreichend stark sein, um eine Handhabung bei hoher
Temperatur auszuhalten und ein Aufbrechen während des Gießens zu
vermeiden. Dies wird erreicht, indem man eine wesentliche Manteldicke
aufbaut, die aus bis zu 15 Tauchschichten besteht. In der vorliegenden
Erfindung ist die Form zum Zeitpunkt des Hineingießens des
geschmolzenen Metalls kalt, und sie ist in einem Bett aus lockerem
Sand gestützt, der
zu einer hohen Schüttdichte
verdichtet wird. Bei diesem Verfahren ist es abhängig von der Größe und Geometrie
des erzeugten Gusserzeugnisses normal, nur fünf bis sieben Schichten aufzubringen,
was zu sehr beträchtlichen
Einsparungen bei Formmaterialien, Formherstellungsvorlaufzeit, Arbeitszeit
und Abfallbeseitigungskosten führt.
Es treten auch Umweltvorteile auf hinsichtlich einer Verringerung
des Rohmaterialverbrauchs, einer Verringerung des Abfallstroms und,
da das verwendete Mantelsystem auf Wasser basiert, einer vollständigen Beseitigung
der Emissionen von volatilen organischen Komponenten (VOC), die
auftreten, wenn Mantelsysteme auf Alkoholbasis eingesetzt werden.
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Weitere
Einsparungen werden beim Gießen gemacht.
Da in diesem Prozess die Formen kalt gegossen werden, können mehrere
Komponenten gemeinsam aus einer einzigen großen Charge von Metall gegossen
werden (vorgeheizte Feingussformen werden üblicherweise individuell gegossen,
wobei jede Form das Schmelzen und Eingießen eines kleinen, einzelnen
Metallstücks
erfordert, was zeitaufwendig und teuer ist).
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Diese
zwei Kosteneinsparungsbereiche, zusammen mit der Energieeinsparung,
die erzielt wird, da man die Form nicht unmittelbar vor dem Gießen heizen
muss, verringern die Kosten der Gusserzeugnisherstellung in einem
Maße,
das das Verfahren wirtschaftlich für Kraftfahrzeug- und allgemein
industrielle Gussanwendungen besser geeignet macht.
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Der
Keramikmantel ist in einem Bett aus granularem Material gestützt, beispielsweise
Sand, während
das geschmolzene Metall in den Mantel gegossen wird. Ferner sollte
das Bett aus granularem Material vorzugsweise bei oder nahe der
Umgebungstemperatur sein. Der Sand wird vor dem Gießen verdichtet,
vorzugsweise durch Schütteln,
und er wird weiter verdichtet, indem man ein Vakuum anlegt, während das
Metall eingegossen wird. Das Schütteln erfolgt
vorzugsweise mit hoher Frequenz und niedriger Amplitude, typischerweise
40-50 Hz und 0,045 mm RMS (root mean square), um die Verdichtung des
Stützmaterials
zu optimieren und eine akzeptable Stütze für die Form zu bieten.
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Die
Dicke des Keramikmantels beträgt
typischerweise etwa 3 mm, d.h. verhältnismäßig dünn im Vergleich zu den meisten
Feingussmänteln,
und wird erzielt, indem man eine verhältnismäßig kleine Zahl von Schlamm-
und Stuckschichten aufbringt, wobei jede Schicht getrocknet wird,
bevor die nächste
aufgebracht wird. Für
die meisten Gusserzeugnisse müssen
nur fünf
Schichten aufgebracht werden, um die erforderliche Manteldicke zu
bieten.
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Die
keramischen Schlämme,
die zur Bildung der Beschichtungen verwendet werden, welche die Mantelform
bilden, basieren vorzugsweise auf Wasser. Geeignete Materialien
zur Verwendung bei diesen Schlämmen
umfassen ohne jegliche Beschränkung
Zirkon, Silikat, Tonerde und die Aluminosilikatgruppe von Materialien.
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In
einem speziellen Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Gießen eines
Artikels aus geschmolzenem Metall, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst:
- 1) Bilden eines Musters der zu gießenden Komponente(n)
und des zugeordneten Angußsystems aus
Wachs;
- 2) Eintauchen des Wachsmusters in einen Tank mit keramischem
Schlamm, umfassend einen feuerfesten Füller sowie ein Bindemittel
auf Wasserbasis, um eine Beschichtung auf dem Muster zu bilden;
- 3) Ablaufenlassen des überschüssigen Schlamms
und Aufbringen von feuerfesten Körnern
auf die Beschichtung, um eine Stuckschicht darauf zu bilden, und
anschließendes
Trocknenlassen der Beschichtung;
- 4) Wiederholen der Schritte (2) und (3), um
eine Beschichtung mit einer Dicke von ungefähr 3 mm zu bilden;
- 5) Entfernen des Wachses und Abkühlenlassen des resultierenden
Mantels auf Raumtemperatur;
- 6) Anordnen des Mantels in einen Formkasten und Umgeben desselben
mit granularem Füller;
- 7) Schütteln
des Kastens, um den Füller
auf eine hohe Fülldichte
zu verdichten;
- 8) Anlegen eines Vakuums an den granularen Füller;
- 9) Gießen
geschmolzenen Metalls in den Mantel, während das Vakuum beibehalten
wird;
- 10) Entfernen des Vakuums, Abkühlenlassen des Gußerzeugnisses
und anschließendes
Trennen desselben vom Füller;
und
- 11) Entfernen des Mantels, um ein Gußerzeugnis zu liefern, das
eine im Wesentlichen glatte Außenoberfläche aufweist.
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Das
Gießverfahren
ist anwendbar auf einen breiten Bereich von Legierungen, umfassend
Eisen-, Stahl-, Aluminium-, Kobalt/Chrom und Nickel-basierende Superlegierungen.
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Bei
typischen Feingussbedingungen führt eine
Verringerung der Vorheiztemperatur zu einer Situation, in der das
gegossene Metall aushärtet,
bevor es die gesamte Form vollständig
füllen
kann, oder wo zwei oder mehr Ströme
geschmolzenen Metalls nicht vollständig zusammenlaufen können, bevor
sie aushärten,
was eine erkennbare Grenze zwischen ihnen im ausgehärteten Gusserzeugnis
lässt.
Das vorliegende Verfahren ist viel weniger anfällig für solche Fehler, da das an
dem dünnen
Mantel angelegte Vakuum das Metall in die Form zieht und ihr vollständiges Auffüllen begünstigt.
Auf diese Weise können verhältnismäßig komplizierte
Gestaltungen mit engen Abschnitten und feinen Details erfolgreich
gegossen werden.
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Es
ist bekannt, einen dünnen
Keramikmantel unter Verwendung eines Musters aus zellulären Kunststoffen
zu bilden, z.B. expandiertem Polystyrol, siehe die EP-A-115 402. Während solche
Mäntel
gewerblich nützlich
sind, ist die gebildete Oberfläche nicht
ausreichend glatt, um die hervorragende Oberflächenausführung zu bieten, die beim Feinguss
benötigt
wird.
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Eine
weitere Anpassung dieses Verfahrens ist seine Anwendung auf vakuumgegossene
Legierungen, z.B. Superlegierungen auf Nickelbasis oder Kobaltbasis.
Bei dieser Option wird die zu gießende Legierung unter Vakuum
in einem Vakuumschmelzofen geschmolzen. Ein die Form enthaltendes
Bett aus granularem Material wird in die Gießkammer des Ofens gesetzt,
wobei das granulare Material im Bett vorher geschüttelt worden
ist, um es zu verdichten. Dann wird ein Inertgas, z.B. Argon, in
die Gießkammer
eingelassen, und eine Pumpe wird eingeschaltet, die das Inertgas
durch die Form und das Bett aus granularem Material zieht und es
dann wieder in die Gießkammer
einlässt.
Dies verstärkt
die Scheindurchlässigkeit
des Mantels und die Scheinfluidität der Legierung und erzeugt
einen Zustand ähnlich dem
grundlegenden Luftschmelzprozess, jedoch in einer sauerstofffreien
Umgebung, was die Verarbeitung oxidationsanfälliger Vakuumgusslegierungen erlaubt.
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Die
Erfindung umfasst durch das Verfahren gegossene Komponenten.
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Damit
die Erfindung richtig verstanden wird, wird sie nun rein beispielhaft
mit Bezug zu den beigefügten
Figuren beschrieben werden, in denen:
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1 ein
Flussdiagramm zeigt, das die Schritte darstellt, die zu einem erfindungsgemäßen Verfahren
gehören,
und
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2 ein
Schnitt durch ein Bett aus granularem Material ist, welches die
Form enthält,
und zwar unmittelbar vor dem Befüllen
der Form mit geschmolzenem Metall.
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In
diesem Fall sollten mehrere Komponenten gleichzeitig gegossen werden.
Abdrücke
der zu gießenden
Komponenten wurden in Wachs erzeugt und auf einem zentralen Angusssystem
zur Erzeugung einer Wachstraube oder -anordnung zusammengefügt. Die
Anordnung wurde dann in einen Primärschlamm getaucht, der aus
einem feuerfesten teilchenförmigen
Füller
besteht, beispielsweise Zirkonfüller
und kolloidales Silikabindemittel auf Wasserbasis. Nach dem Herausnehmen
der Anordnung aus dem Schlammtank ließ man überschüssigen Schlamm ablaufen, bevor
ein Stuck aus granularem Zirkon auf die Oberfläche aufgebracht wurde, indem man
sie in eine Regenstreuvorrichtung setzte. Die Anordnung wurde dann
in einen Trockenraum mit kontrollierter Temperatur, Feuchtigkeit
und Luftstrom gesetzt, wo sie blieb, bis sie trocken genug war,
um eine zweite Schlamm- und Stuckbeschichtung aufzunehmen.
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Die
zweite sowie nachfolgende Beschichtungen waren aus Stützmaterial,
umfassend einen Schlamm aus geschmolzenem Silikafüller und
kolloidalem Silikabindemittel auf Wasserbasis und einem Stuck aus
MolochiteTM, einem Aluminiumsilikatmaterial,
das aus Porzellanton erzeugt wird. Insgesamt wurden einschließlich der
Primärschicht
fünf Beschichtungen
aufgebracht. Die Trocknungszeiten zwischen den Schichten reichten
von 36 Minuten zwischen den Schichten 1 und 2 bis
54 Mi nuten zwischen den Schichten 4 und 5. Nach
dem Aufbringen der Schicht 5 wurde die Form 20 Stunden
im Trockenraum belassen, bevor das Wachs in einem Dampfautoklav
entfernt wurde und bei 1050 °C
in einem gasbefeuerten Kiln gebrannt wurde, um alle Wachsspuren
zu beseitigen. Die Trocknungsbedingungen, die während des gesamten Formenbaus und
der Schlusstrocknung verwendet wurden, waren 23 °C Trockenkugeltemperatur und
55% relative Feuchtigkeit.
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Zum
Gießen
wurde der kalte Mantel S in einen Formkasten 3 mit den
Maßen
1 m × 1
m × 1
m gesetzt. Subangularer Silikasand 4 wurde dann um die
Außenseite
der Form herum in das Bett gegossen. Der Kasten wurde bei einer
Frequenz von 40-50 Hz
und einer Verlagerung von 0,045 mm RMS (root means square) 90 Sekunden
lang geschüttelt.
Dies verdichtete den Sand, was eine hohe Fülldichte sicherstellte sowie
dichten Kontakt des Sands mit allen Bereichen der Form. Ein Vakuum
von ungefähr
500 mm, gemessen am Pumpenquecksilbermanometer wurde an das Sandbett
angelegt, und dann wurde Stahl in den kalten Mantel über eine
Ansaugkammer 5 an der Basis des Kastens eingegossen.
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Nach
dem Gießen
wurde das Vakuum abgeschaltet, und der gegossene Artikel wurde aus
dem Kasten genommen. Die gegossenen Komponenten entsprachen der
erforderten Spezifikation ohne jegliche Anzeichen eines unvollständigen Füllens, eines Formbruchs
aufgrund eines thermischen Schocks oder eines anderen Gießfehlers,
die dem Gießen
in eine kalte Form zuzuschreiben sein könnten. Es war erstaunlich,
dass derart hochqualitative Gusserzeugnisse gemeinsam aus einem
kalten Mantel hergestellt werden konnten, der unter Verwendung eines Wachsmusters
gefertigt war.
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Die
Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise
kann der Kasten oben durch einen Deckel bedeckt sein, und/oder Schutzgas
kann während
des Gießens
bereitgestellt werden.