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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Feingießen von Metallen und Legierungen
mittels einer gasdurchlässigen
Keramikfeingießform
und einer Druckkappe zum abdichtenden In-Anlage-Bringen an die Form
in einer Gießkammer,
um einen lokalisierten Druck auf die Schmelze in der Form aufzubringen, unmittelbar
nachdem diese in die Form vergossen wurde, während ein relatives Vakuum
oder ein anderer Druck in der Gießkammer aufrechterhalten wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
der Herstellung von Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln für moderne
Gasturbinentriebwerke mit hohem Schub sind seitens der Gasturbinenhersteller
ständig
innengekühlte
Lauf- und Leitschaufeln gefragt, die verwickelt gestaltete innere Kühlkanäle aufweisen,
einschließlich
solcher Merkmale wie Sockel, Turbulenzerzeuger und Leitflügel in den
Kanälen,
um die gewünschte
Kühlung
der Lauf- oder Leitschaufel bereitzustellen. Diese kleinen gegossenen
inneren Oberflächenmerkmale
werden typisch dadurch gebildet, dass ein kompliziert gestalteter
keramischer Kern in die Formhöhlung,
in die die Schmelze vergossen wird, mit aufgenommen wird. Durch
das Vorhandensein des kompliziert gestalteten, Oberflächenmerkmale
mit kleinen Dimensionen auf weisenden Kerns zur Ausformung von Sockeln, Turbulenzerzeugern
und Leitflügeln
oder anderen inneren Oberflächenmerkmalen
wird die Füllung
des Formhohlraums mit Schmelze um den Kern herum schwieriger und
anfälliger
für nicht
gleichbleibende Ergebnisse. Man hat netzbare keramische Werkstoffe
und erhöhten
metallostatischen Druck auf die Form und höhere Temperaturen verwendet,
um zu versuchen, in derartigen Situationen die Formfüllung zu
verbessern und lokalisierte Hohlräume zu vermindern; diese Maßnahmen
sind jedoch kostspielig und die körperliche Größe der Gießvorrichtung
kann ihnen Grenzen setzen.
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Das
US-Patent Nr. 5 592 984 beschreibt ein Verfahren zum Feingießen von
Gasturbinentriebwerks-Lauf- und -Leitschaufeln und anderen Komponenten,
wobei eine Keramikfeingießform
in einem Gießofen
in einer Gießkammer
angeordnet und mit der Schmelze gefüllt wird, wobei die Gießvakuumkammer
nach dem Gießen
schnell genug gasdruckbeaufschlagt wird, um lokalisierte Hohlraumbereiche, welche
in der Schmelze als eine Folge von Oberflächenspannungseffekten zwischen
der Schmelze und den Formkomponenten, z.B. die keramische Form und/oder
der Kern, vorhanden sind, zu vermindern.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung zum Feingießen mittels einer gasdurchlässigen Keramikfeingießform und
einer Druckkappe zum abdichtenden In-Anlage-Bringen an die Form in einer Gießkammer,
um selektiv einen Druck innerhalb der Form auf die Schmelze aufzubringen,
unmittelbar nachdem diese in die Form vergossen wurde, während ein
relatives Vakuum oder ein anderer Druck in der Gießkammer
aufrechterhalten wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1 und 7 definiert; optionale Merkmale der Erfindung sind in den
abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Feingießen
bereit, wobei eine gasdurchlässige
Keramikfeingießform
in einer Gießkammer
angeordnet wird und mit geschmolzenem Metall gefüllt wird über einen Schmelzeeinlass der
Form, bei dem es sich – rein
beispielhaft – um
einen Formeingusstümpel
handeln kann, welcher so ausgebildet ist, dass er die Schmelze von einem
in der Gießkammer
befindlichen Schmelztiegel empfangen kann. Nachdem die Schmelze
in die heiße
Feingießform
in der Gießkammer
vergossen worden ist, wird eine Druckkappe in Anlage an den Schmelzeeinlass
der heißen
Form gebracht und ein Gasdruck durch die Druckkappe aufgebracht,
um einen selektiven oder lokalen Gasdruck auf die Schmelze in dem
Schmelzeeinlass bereitzustellen, ohne wesentliche Leckage des Gases
durch die gasdurchlässige
Form oder Beschädigung
der relativ zerbrechlichen Feingießform. Die Gießkammer
kann unter einem relativen Vakuum oder bei einem anderen als dem
in der Form herrschenden Druck gehalten werden, während die
Druckkappe zu der Form abgedichtet ist.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Druckkappe an einem Schwenkmechanismus
in der Gießkammer
angeordnet, der betätigt
wird, um die Druckkappe zu der heißen Form hin zu schwenken,
um mit dem Formschmelzeeinlass in Anlage zu kommen, und um die Druckkappe
von dem Formschmelzeeinlass weg zu schwenken, um sie von ihm zu
trennen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung trägt
die Druckkappe eine Dichtung zum In-Anlage-Kommen mit der heißen Form
in abdichtender Weise, um den Gasdruck innerhalb der Form gegenüber der
Gießkammer
zu isolieren, so dass die Gießkammer
bei einem relativen Vakuum oder einem anderen Gasdruck gehalten
werden kann. Die Druckkappe wird gegen den Schmelzeeinlass der heißen Form
gepresst, um die Dichtung dicht damit abschließen zu lassen. Beispielsweise
kann eine ringförmige
Dichtung an der Druckkappe an die ringförmige Lippe des Eingusstümpels der
heißen Form
gepresst werden, um eine lokale Gasdruckbeaufschlagung der in dem
Eingusstümpel
befindlichen Schmelze zu erzielen.
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Die
vorliegende Erfindung hilft dabei, feine Details in dem Formhohlraum
zu füllen,
welche durch innere Formoberflächenmerkmale
und/oder Kernoberflächenmerkmale
definiert sind, die sonst nur schwer mit der Schmelze zu füllen sind.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil der Gasdruck die Notwendigkeit
eines hohen metallostatischen Drucks zur Erzielung der Füllung feiner
Details beseitigt und weil das Druckgas nicht in die Gießkammer
eingeführt
wird, die unter einem relativen Vakuum (Unterdruck) oder bei einem
anderen als dem in der Form vorliegenden Druck gehalten werden kann.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung.
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2 ist
ein vergrößerter Aufriss
der Vorrichtungsmerkmale in Einklang mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Gasdruckbeaufschlagen von Schmelze
in einem Formeingusstümpel.
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2A ist
eine vergrößerte Darstellung
der Form und Druckkappe.
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DETAILBESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Feingießen
von Metallen und Legierungen bereit und ist besonders geeignet zum
Gießen
von Nickel-, Cobalt- und Eisenbasis-Superlegierungen mit gleichachsigen,
einkristallinen, Stängelkorn-Mikrostrukturen,
sowie Titan und seinen Legierungen und anderen üblicherweise verwendeten Metallen
und Legierungen. Rein beispielhaft und unter Bezugnahme auf die 1 bis 2 kann
die vorliegende Erfindung umgesetzt werden zur Herstellung von Gussstücken mit
gleichachsigem Korn, mit oder ohne Kern zur Erzeugung komplexer innerer
Kanäle
darin, in einer konventionellen Gießeinrichtung, umfassend eine
obere Vakuumgießkammer 10 mit
einer vakuumdicht verschließbaren
Zugangstür
D1 und einer unteren Formkammer 13 mit einer vakuumdicht
verschließbaren
Zugangstür
D2, die mit der Gießkammer über eine Öffnung OP
in Verbindung steht.
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Gemäß den 1 und 2 wird
eine poröse,
gasdurchlässige
Keramikfeingießform 12 zunächst in
einem konventionellen, außerhalb
der Formkammer 13 angeordneten Formanwärmungsofen (nicht gezeigt)
auf eine geeignete Gießtemperatur
vorgewärmt
und dann über
die vakuumdichte Tür D2
in die Formkammer 13 eingebracht, gehalten an einer Formhaltevorrichtung 30 in
Einklang mit der vorliegenden Erfindung. Die Gießkammer 10 und die Formkammer 13 sind
durch eine Vakuumpumpe 50 auf ein Vakuumniveau von 15 μm oder weniger
evakuierbar zum Gießen
solcher Legierungen wie Nickel-, Cobalt- oder Eisenbasis-Superlegierungen
sowie Titan und seiner Legierungen. Die Form 12, welche
in der Kammer 10 oder 13 positioniert ist, wird evakuiert
als eine Folge davon, dass die Form gasdurchlässig ist.
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Die
Form 12 umfasst eine Formtraube mit einer Mehrzahl von
Formhohlräumen 12a,
welche mit Schmelze gefüllt
werden, die erstarren gelassen wird, um ein Gusstück in jedem
Formhohlraum zu bilden. Jeder der Formhohlräume 12a kann einen
darin positionierten Keramikkern (nicht gezeigt) aufweisen, um innere
Kanäle
und andere Merkmale in dem Gussstück zu bilden.
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Die
Formhohlräume 12a sind
um einen gemeinsamen Eingusstümpel 12b angeordnet
und so ausgebildet, dass sie die zu vergießende Schmelze über entsprechende
Gießkanäle oder
Gießläufe 12c, welche
mit dem Eingusstümpel
und jedem Formhohlraum 12a in Schmelzeflussbeziehung stehen,
aufnehmen. Die Form kann Entlüftungen 12e zwischen den
Formhohlräumen 12a und
dem Eingusstümpel 12b in
herkömmlicher
Weise aufweisen. Der Eingusstümpel 12b empfängt die
Schmelze von einem konventionellen neigbaren Induktionsschmelztiegel 54, der
in der Gießkammer 10 angeordnet
ist und eine Induktionsspule (nicht gezeigt) um den Tiegel 54 herum
aufweist, um die Metall- oder
Legierungscharge zu erwärmen
und zu schmelzen, um die zu vergießende Schmelze zu bilden. Die
Schmelze wird typisch auf eine Überhitzungstemperatur
erwärmt,
die in Abhängigkeit
von dem zu vergießenden
Metall oder Legierung gewählt
ist.
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Die
Form 12 umfasst typisch eine keramische Feingießschalenformtraube,
welche die oben beschriebenen Merkmale aufweist und in dem wohlbekannten
Verfahren nach dem verlorenen Wachsmodell hergestellt ist, wobei
ein Wachs- oder
ein anderes flüchtiges
Modell der Form wiederholt in einen keramischen Schlicker getaucht
wird, abtropfen gelassen und dann mit grobem Keramikstucco versehen
wird, um die gewünschte
Schalenformdicke auf dem Modell aufzubauen. Das Modell wird dann
aus der umhüllten
Schalenform entnommen, und die Schalenform wird bei erhöhter Temperatur
gebrannt, um geeignete Formfestigkeit für das Gießen zu entwickeln. Auf diese
Weise gebildete Feingießschalenformen
zeigen Porosität
und als eine Folge davon eine beträchtliche Durchlässigkeit
für Gas.
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In
Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird die gasdurchlässige Keramikfeingießform 12 in der
Formkammer 13 an einem Formhaltekragen 32 der
Formhaltevorrichtung 30 positioniert, wobei der Kragen 32 wenigstens
teilweise um den Eingusstümpel 12b herum
angeordnet ist, wie in den 1 bis 2 gezeigt.
Der Formhaltekragen 32 ist an einem aufrecht stehenden
Halteglied 34 gehalten, das seinerseits auf einer Basis 35 montiert
ist, die auf einem Stößel 37 einer
hydraulischen oder anderen Hebevorrichtung 39 sitzt. Der
Hebevorrichtungsstößel 37 erstreckt
sich durch eine geeignete Vakuumdichtung VS in der Bodenwand der
Kammer 13 zu einer konventionellen hydraulischen oder anderen
Betätigungsvorrichtung
AC, um den Hebevorrichtungsstößel 37 zu
heben und zu senken, um die Form 12 zwischen der Formkammer 13 und
der Gießkammer 10 zu
bewegen. Die Basis 35 definiert eine Aufnahme 35a zum
Auffangen von Trümmerteilchen,
welche von der Form 12 abfallen können, sowie Schmelzespritzern
während
des Vergießens
der Schmelze aus dem Tiegel 54 in den Formeingusstümpel 12b.
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Wie
gezeigt ist eine Druckkappe 40 an einem Ende 42a eines
schwenkbaren Kappenhaltegliedes 42 montiert, welches an
einer oberen Platte 34a des aufrechtstehenden Haltegliedes 34 durch
einen Schwenkzapfen 43 schwenkbar montiert ist. Eine pneumatische
oder andere Fluid-Betätigungsvorrichtung 45 ist
an dem aufrechtstehenden Halteglied 34 montiert, um das
Kappenhalteglied 42 um den Schwenkzapfen 43 zu
schwenken. Hierzu umfasst die Betätigungsvorrichtung einen Fluid-(z.B.
Inertgas-)Zylinder 45a mit einem unteren Ende, welches durch
eine Schwenkverbindung 45b und eine Kolbenstange 45c,
die mit dem Kappenhalteglied 42 durch eine Schwenkverbindung 45d verbunden
ist, an dem Halteglied 34 montiert ist.
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Die
Fluid-Betätigungsvorrichtung 45 wird
betätigt,
um die Druckkappe 40 in eine im Wesentlichen horizontale
dichtende Position zu bewegen, in der sie wie gezeigt mit dem Formeingusstümpel 12b in
dichtender Anlage ist, und in eine nichtdichtende, von dem Eingusstümpel 12b entfernte
Position zu bewegen, wie mit unterbrochenen Linien dargestellt,
wobei die Druckkappe 40 in einer geneigten Lage ausgerichtet
ist.
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Die
Druckkappe 40 umfasst eine erste Platte 40a und
eine mit dieser durch Bolzen 40c verbundene zweite ringförmige Platte 40b,
wobei die erste Platte 40a eine flache und ringförmige Faserdichtung 41 (z.B.
eine Aluminiumsilicat-Faserdichtung) trägt, wie in 2A gezeigt,
die an und in Anlage mit der ringförmigen Eingusstümpellippe 12d der
heißen Form 12 gepresst
wird, wenn die Druckkappe in der Position ist, wie sie in 2 ausgezogen
gezeichnet dargestellt ist. Ein Gasverteiler 40d ist durch
Platten 40a, 40b definiert. Im Betrieb wird die
Druckkappe 40 durch den im Vorstehenden erwähnten Schwenkmechanismus
bewegt, um sie abdichtend an die ringförmige Eingusstümpellippe 12d der
heißen
Form 12 zu pressen, nachdem die Schmelze aus dem Tiegel 54 in
die vorgewärmte
Form 12 eingeführt
worden ist, um die Formhohlräume 12a zu
füllen
und etwas Schmelze in dem Formeingusstümpel 12b bereitzustellen,
und bevor die feinen Gussdetails erstarren (z.B. innerhalb von ca.
2 Sekunden für
gleichachsige Gussstücke).
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Die
Druckkappenplatte 40a umfasst ein Gewindeloch H zur Aufnahme
eines Anschlussstücks
F, an das eine flexible Leitung 60 angeschlossen wird. Die
flexible Leitung 60 wird mit einer außerhalb der Gießkammer 10 angeordneten Quelle
S für ein
unter Druck stehendes Inertgas (z.B. ein konventioneller Argonzylinder)
verbunden durch Öffnen
eines Ventils V, welches ebenfalls außerhalb der Kammer 10,
zwischen der Leitung 60 und der Quelle S angeordnet ist.
Die Quelle S und das Ventil V sind stationär, während die flexible Leitung 60 zwischen
den Kammern 10, 13 mit der Druckkappe 40 auf
und ab bewegt wird.
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Nachdem
die Druckkappe 40 an die Eingusstümpellippe 12d angelegt
worden ist, wird das Ventil V geöffnet,
um die flexible Gasleitung 60 mit der Quelle S für ein unter
Druck stehendes Inertgas und mit dem Verteiler 40d zu verbinden,
um dadurch einen lokalisierten Inertgasdruck auf die Schmelze aufzubringen,
welche sich in dem Formeingusstümpel 12b auf
einem relativ niedrigen Niveau L gerade oberhalb der Gießläufe 12c befindet.
Hierzu umfasst der Druckkappenverteiler 40d einen Austrittsdurchlass
oder -öffnung 40e zum
Lenken des Inertgases gegen eine untere Gasumlenkplatte 40f,
welche durch eine Mehrzahl von durch Bolzen mit der Platte 40b verbundene
Abstandshalter 40g von derselben beabstandet ist, 2A,
so dass das Inertgas zu den Seiten des Formeingusstümpels 12b gezwungen wird
und sich gleichmäßig nach
unten, auf das darin befindliche geschmolzene Metall ausdehnen kann. Das
Niveau L der Schmelze in dem Formeingusstümpel 12b wird möglichst
niedrig gehalten, um den Bedarf und Verbrauch von geschmolzenem
Metall oder Legierung in der Form zu verringern, wodurch Kosteneinsparungen
speziell beim Vergießen
von teuren Metallen oder Legierungen erzielt werden. Es kann ein
ausreichender Inertgasdruck auf die in dem Eingusstümpel 12b befindliche
Schmelze bereitgestellt werden, der wirksam ist, um das Füllen von
feinen Details in dem Formhohlraum 12a, definiert durch
die inneren Formoberflächenmerkmale
und/oder Kernoberflächenmerkmale,
die sonst nur schwer mit der Schmelze zu füllen sind, zu verbessern. Rein
beispielhaft und ohne hierauf begrenzt zu sein, kann der Inertgasdruck
hierbei ca. 0,1 Atmosphären
bis über
1 Atmosphäre,
z.B. 0,3 bis 2 Atmosphären
betragen, je nach Formfestigkeit. Gleichzeitig minimiert die Faserdichtung 41,
welche an der Formeingusstümpellippe 12d anliegt,
die Leckage von Inertgas in die Gießkammer 10, so dass
die Gießkammer 10 und
die Formkammer 13 durch Betrieb der Vakuumpumpe 50 unter
einem relativen Vakuum gehalten werden können, während die Druckkappe 40 an
die Eingusstümpellippe 12d gepresst
wird, oder bei einem anderen als dem lokal in der Form vorliegenden
Druck, falls die Vakuumpumpe 50 während dieser Zeit nicht in Betrieb
ist.
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Die
Druckkappe 40 kann in Anlage mit der Formlippe gehalten
werden, während
die schmelzegefüllte
Form 12 durch die Hebevorrichtung 39 von der Gießkammer 10 nach
unten zu der Formkammer 13 bewegt wird, wobei die Gasdruckbeaufschlagung der
Schmelze in dem Eingusstümpel 12b für ca. 2
bis 3 oder mehr Sekunden nach Füllen
der Form mit geschmolzenem Metall aufrechterhalten wird. Alternativ kann
die Druckkappe 40 in Anlage gebracht und Inertgasdruck
aufgebracht werden, bis die metallgefüllte Form 12 bereit
ist, von dem Kragen 32 getrennt zu werden. In der Kammer 13 wird
die Druckkappe 40 von der Formeingusstümpellippe 12d weg
bewegt (in die in 1 gezeigte nicht anliegende
Position, durch den im Vorstehenden erwähnten Schwenkmechanismus) und
die Gasdruckbeaufschlagung wird beendet durch Schließen des
Ventils V, wenn die Tür D2
der Formkammer 13 geöffnet
wird, um die schmelzegefüllte
Form 12 aus der Kammer heraus bewegen zu können. Zu
diesem Zeitpunkt ist das geschmolzene Metall oder Legierung in der
Form 12 zur Herstellung gleichachsiger Gussstücke noch
nicht erstarrt oder nur teilweise erstarrt. Die schmelzegefüllte Form 12 kann
von der Kammer 13 in die umgebende Atmosphäre bewegt
werden, um die gleichachsigen Gussstücke in Umgebungsluft erstarren
zu lassen, oder alternativ in eine Vakuum- oder Inertgaskammer (nicht gezeigt)
zwecks Erstarrung unter einem relativen Vakuum oder Inertgas. Das
Hinein- und Herausbewegen der Form 12 in die bzw. aus der
Formkammer 13 kann mittels eines heugabelartigen Werkzeugs
von einer Person bewerkstelligt werden, durch einen Formentladeroboter
oder eine andere Entladevorrichtung, welche die Form von dem Kragen 32 abnimmt
und sie über
die offene Tür
D2 aus der Kammer heraus bewegt.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil sie die Füllung feiner
Details in dem Formhohlraum, definiert durch die inneren Formoberflächenmerkmale
und/oder Kernoberflächenmerkmale,
die sonst nur schwer mit Schmelze zu füllen sind, unterstützt. Die vorliegende
Erfindung erzeugt einen künstlichen
metallostatischen Druck ohne die Verwendung von übermäßig viel zusätzlichen
Metalls oder Legierung in dem Formeingusstümpel. Weil das Metall oder
die Legierung für
einige Gussstück-Konfigurationen
das teuerste Material bei der Herstellung der Komponente darstellt,
werden signifikante Kosteneinsparungen in Verbindung mit dem Metall
oder der Legierung erzielt. Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft,
weil das Druckgas nicht in die Gießkammer eingeführt wird,
die unter einem relativen Vakuum (Unterdruck) oder bei einem anderen
als dem in der Form vorliegenden Druck gehalten werden kann. Die
lokalisierte Druckbeaufschlagung des Formeingusstümpels ist vorteilhaft,
weil sie in kürzerer
Zeit einen höheren Gasdruck
bereitstellt als verfügbar
wäre, wenn
die gesamte Gießkammer
gasdruckbeaufschlagt würde. Ferner
werden Beschädigungen
der Gießofenkomponenten
infolge Gasdruckbeaufschlagung vermindert durch schnellere Wiederherstellung
des Vakuums in der Gießkammer
für die
nächste
zu gießende Form
als verfügbar
wäre, wenn
die gesamte Gießkammer
evakuiert würde.