EP0025481B1 - Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Präzisionsgiessen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Präzisionsgiessen Download PDF

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EP0025481B1
EP0025481B1 EP80103836A EP80103836A EP0025481B1 EP 0025481 B1 EP0025481 B1 EP 0025481B1 EP 80103836 A EP80103836 A EP 80103836A EP 80103836 A EP80103836 A EP 80103836A EP 0025481 B1 EP0025481 B1 EP 0025481B1
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casting
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ceramic
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melt
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns

Definitions

  • the invention relates to a method for producing castings by precision casting using lost models with inserted cores, the ceramic casting mold produced with the aid of the model being fired and heated for the casting before the melt to be poured is poured in and after it solidifies Core is extracted.
  • Cores for precision castings have so far been made from ceramic material, the basic substance of which is generally silicon dioxide and aluminum oxide. Such cores are extracted from the finished casting with the aid of highly viscous melts of sodium hydroxide. Especially in the case of cores with narrow diameters and / or complicated shapes, this removal is a lengthy and time-consuming process step, which can only produce weak movements of the highly viscous “solvent” for the ceramic core material in such cores, which makes the removal of dissolved core material very difficult and delayed .
  • ceramic cores are very brittle, which leads to high breakage rates or complicated working methods for cores with small cross sections. For example, it is necessary to produce models of turbine blades with such cores in two work operations and with two tools. The blade core, which is traversed by cores, is sprayed with almost liquid wax practically without pressure, then the solid blade root is sprayed with wax from the solid / liquid area with pressure.
  • the object of the invention is to use cores with better mechanical properties, which allow a simple method of model production and decisively accelerate the step of detaching the core material from the finished casting.
  • This object is achieved according to the present invention in that a metal is used as the core material which can be oxidized below the solidification temperature of the melt to be poured off, and the oxide of which escapes by sublimation.
  • the core is dissolved at a solid / gaseous interface;
  • the diffusion and mobility of the “solvent” particles are orders of magnitude larger than in highly viscous melts, which considerably speeds up the removal of cores.
  • Molybdenum which in the simplest case is inserted into the models in the form of drawn wires, has proven to be the core material for the new process.
  • the preferred model materials for the lost models required for producing the ceramic casting mold are known to be wax and urea.
  • the urea as a model material, there are additional advantages with the present invention: As is known, the last remnants of the detached model must be removed from the ceramic mold before the melt is poured in. This is generally done by burning; In order to avoid the formation of carbon residues, molds containing wax residues must be exposed to elevated temperatures in an oxygen-containing atmosphere. If you work at temperatures below 300 ° C, this «burning out of the mold also takes a relatively long time, while at higher temperatures there is a risk of premature oxidation of the core. In contrast, model residues made from urea do not require oxygen to be removed. They can therefore be removed from the mold at any high temperature with the exclusion of oxygen, without premature oxidation on the cores.
  • the melt can then absorb the metal of the core material as an alloy component in a not insignificant amount.
  • a change in the composition of the alloy of the casting can be prevented in a simple manner if the metallic core is covered with a ceramic protective layer before being inserted into the model; a preferred ceramic material for such a protective layer is aluminum oxide (Al z 0 3 ).
  • a turbine blade for a gas turbine is to be produced from the well-known nickel-based alloy IN 738 LC, the nominal composition of which (in% by weight) is known to be: C 0.11; Cr 16.0; Co 8.5; Mo 1.7; W 2.6; Ta 1.7; Nb 0.9; AI 3.5; Ti 3.5; Zr 0.05; B 0.01 and Ni rest.
  • the blade to be cast is interspersed with cooling air channels with relatively small diameters, the cavities of which are created in the casting by inserted cores.
  • the core material used is molybdenum in the form of wires of a suitable diameter, which are first inserted into the mold for model manufacture and fixed in the desired position in the usual manner, for example with the aid of core bearings.
  • the lost model of the casting is now produced in a known, simple manner in the mold prepared in this way.
  • a ceramic mold is then built up in the manner customary for precision molds; the mo dell is immersed several times, for example, in a dipping compound made of melt mullite, which is made up with an ethyl silicate binder. Each immersion layer is then sanded with granular enamel mullite. The dipping and sanding are continued until a desired mold thickness is reached, which requires, for example, 10 dips.
  • the urea model is removed from the mold with the help of water and this - to remove the model residues - to about 1,000 ° C with the exclusion of air - thus in a protective gas atmosphere, for example made of argon, or in a vacuum, for example with a Roots blower generated and at which a pressure of 10- 4 bar is maintained, heated and burned for about 4 hours, which happens, for example, in a suitable vacuum oven.
  • a protective gas atmosphere for example made of argon
  • a vacuum for example with a Roots blower generated and at which a pressure of 10- 4 bar is maintained, heated and burned for about 4 hours, which happens, for example, in a suitable vacuum oven.
  • the melting of the casting material is carried out in a vacuum casting apparatus under a pressure of about 5 x 10- 4 mbar in a commercially available crucible made of Si-Al oxide.
  • the heating of the melt is continued until its temperature is about 1,400-1,450 ° C.
  • the cast into the heated mold is also carried out in a vacuum or under protective gas.
  • the shape can be exposed to the air, so that part of the core material oxidizes and sublimes as soon as the casting cools down.
  • the casting is then re-heated to over 500 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. The high temperature reached is maintained until all core material has escaped from the casting through oxidation and sublimation.
  • a similar turbine blade made of the same material should solidify in a directional manner or grow as a single crystal.
  • Example 1 As already mentioned, such crystal growth is achieved by controlled, relatively slow solidification of the melt.
  • the process conditions of Example 1 must therefore be changed in a few points:
  • molybdenum wire is used as the core material, which has previously been coated with a protective layer of ceramic, preferably oxidic material.
  • This coating which in the present case consists of aluminum oxide, is deposited on the molybdenum wire by means of the plasma spraying process using customary and known parameters and starting materials; its thickness can be up to 0.1 mm, for example.
  • a coating with such a layer thickness is not self-supporting, so that it collapses when its Mo core is sublimed and can be easily removed from the casting.
  • the ceramic casting mold in this case consists only of a molded shell, which is placed on a cooling device in a known manner, wherein the molded shell can optionally also be enclosed by a heating device which can be displaced in relation to the axis in order to control the cooling conditions.
  • Example 2 Another variation of the method according to Example 2 compared to Example 1 is that the melt - and possibly also the mold - are heated to a higher temperature before casting.
  • the mold temperature is, for example, up to 1200 ° C, while the superheating of the melt is driven up to temperatures of 1 550-1 600 ° C.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Präzisionsgiessen unter Verwendung von verlorenen Modellen mit eingelegten Kernen, wobei die mit Hilfe des Modells hergestellte keramische Giessform nach dessen Herauslösen gebrannt und für den Abguss aufgeheizt wird, ehe die abzugiessende Schmelze eingegossen und nach ihrem Erstarren der Kern herausgelöst wird.
  • Kerne für Präzisionsgussstücke werden bisher aus keramischem Material hergestellt, dessen Grundsubstanz im allgemeinen Siliziumdioxid und Aluminiumoxid sind. Das Herauslösen derartiger Kerne aus dem fertigen Gussstück erfolgt mit Hilfe von hochviskosen Schmelzen von Natriumhydroxid. Besonders bei Kernen mit engen Durchmessern und/oder komplizierten Formen ist dieses Herauslösen ein langwieriger und zeitraubender Verfahrensschritt, das in derartigen Kernen nur schwache Bewegungen des hochviskosen « Lösungsmittels » für das keramische Kernmaterial erzeugt werden können, was den Abtransport von gelöstem Kernmaterial sehr erschwert und verzögert. Zudem sind keramische Kerne sehr spröde, was bei Kernen mit kleinen Querschnitten zu hohen Bruchraten oder komplizierten Arbeitsmethoden führt. So ist es zum Beispiel notwendig, Modelle von Turbinenschaufeln mit solchen Kernen in zwei Arbeitsoperationen und mit zwei Werkzeugen herzustellen. Dabei wird das von Kernen durchzogene Schaufelblatt mit fast flüssigem Wachs praktisch drucklos gespritzt, anschliessend der massivere Schaufelfuss mit Wachs aus dem Fest/flüssig-Bereich mit Druck gespritzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Kerne mit besseren mechanischen Eigenschaften zu verwenden, welche eine einfache Methode der Modellherstellung erlauben und den Schritt des Herauslösens des Kernmaterials aus dem fertigen Gussstück entscheidend zu beschleunigen. Diese Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass als Kernmaterial ein Metall verwendet wird, das unterhalb der Erstarrungstemperatur der abzugiessenden Schmelze oxidierbar ist, und dessen Oxid durch Sublimation entweicht.
  • Bei dem neuen Verfahren erfolgt das Auflösen des Kerns an einer Grenzfläche fest/gasförmig ; in der Gasphase sind Diffusion und Beweglichkeit der « Lösungsmittel »-Partikel um Grössenordnungen grösser als in hochviskosen Schmelzen, wodurch das Herauslösen von Kernen erheblich beschleunigt wird. Als Kernmaterial für das neue Verfahren hat sich Molybdän, das im einfachsten Fall in Form von gezogenen Drähten in die Modelle eingelegt wird, bewährt.
  • Die bevorzugten Modellwerkstoffe für die zur Herstellung der keramischen Giessform benötigten verlorenen Modelle sind bekanntlich Wachs und Harnstoff. Bei der Verwendung des Harnstoffes als Modellwerkstoff ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung zusätzliche Vorteile : Die letzten Reste des herausgelösten Modells müssen aus der keramischen Giessform bekanntlich vor dem Eingiessen der Schmelze entfernt werden. Dies erfolgt im allgemeinen durch Verbrennen ; um die Bildung von Kohlenstoffrückständen zu vermeiden, müssen dabei Wachsreste enthaltende Giessformen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Arbeitet man bei Temperaturen unter 300 °C, so erfordert dieses « Ausbrennen der Form ebenfalls relativ lange Zeiten, während bei höheren Temperaturen die Gefahr einer vorzeitigen Oxidation des Kerns besteht. Demgegenüber erfordern Modell-Reste aus Harnstoff zu ihrer Beseitigung keinen Sauerstoff. Sie können daher bei beliebig hohen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff aus der Form entfernt werden, ohne dass vorzeitige Oxidationserscheinungen an den Kernen auftreten können.
  • Um ein gerichtetes Wachstum der Kristalle in dem zu fertigenden Gussstück zu erreichen, ist es unter Umständen notwendig, die Abkühlung und damit das Erstarren der Schmelze relativ langsam durchzuführen ; hierbei kann die Schmelze dann in nicht zu vernachlässigender Menge das Metall des Kernmaterials als Legierungsbestandteil aufnehmen. Eine solche Veränderung der Zusammensetzung der Legierung des Gussstückes lässt sich auf einfache Weise verhindern, wenn der metallische Kern vor dem Einlegen in das Modell mit einer keramischen Schutzschicht überzogen wird ; ein bevorzugter keramischer Stoff für eine solche Schutzschicht ist Aluminiumoxid (AIz03).
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Als Präzisionsgussstück soll eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine aus der bekannten Nickel-Basis-Legierung IN 738 LC hergestellt werden, deren nominelle Zusammensetzung bekanntlich (in Gew.-%) lautet : C 0,11 ; Cr 16,0 ; Co 8,5 ; Mo 1,7 ; W 2,6 ; Ta 1,7 ; Nb 0,9 ; AI 3,5 ; Ti 3,5 ; Zr 0,05 ; B 0,01 und Ni Rest.
  • Die zu giessende Schaufel ist durchsetzt von Kühlluftkanälen mit relativ geringen Durchmessern, deren Hohlräume in dem Gussstück durch eingelegte Kerne erzeugt werden.
  • Als Kernmaterial dient Molybdän in Form von Drähten geeigneten Durchmessers, die zunächst in die Kokillenform für die Modellherstellung eingelegt und in der gewünschten Lage in üblicher Weise, beispielsweise mit Hilfe von Kernlagern, fixiert werden. Im Spritzgussverfahren wird nun in bekannter, einfacher Weise in der so vorbereiteten Kokille das verlorene Modell des Gussstückes hergestellt.
  • Mit Hilfe dieses Modells wird anschliessend eine keramische Giessform in der für Präzisionsgiessformen üblichen Weise aufgebaut; das Modell wird dabei beispielsweise mehrfach in eine Tauchmasse aus Schmelzmullit getaucht, der mit einem Aethylsilikatbinder angesetzt ist. Jede Tauchschicht wird anschliessend mit körnigem Schmelzmullit besandet. Die Tauchungen und das Besanden werden solange fortgesetzt, bis eine gewünschte Formdicke erreicht ist, was beispielsweise 10 Tauchungen erfordert.
  • Nunmehr wird das Harnstoffmodell, wie üblich, mit Hilfe von Wasser aus der Form herausgelöst und diese - zu Beseitigung der Modellreste - auf etwa 1 000 °C unter Luftabschluss -also in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Argon, oder im Vakuum, das beispielsweise mit einem Roots-Gebläse erzeugt und bei dem ein Druck von 10-4 bar gehalten wird-erhitzt und etwa 4 Stunden gebrannt, was beispielsweise in einem geeigneten Vakuum-Ofen geschieht.
  • Unabhängig davon und gleichzeitig erfolgt das Schmelzen des Gussmaterials in einer Vakuum-Giesseinrichtung unter einem Druck von etwa 5 x 10-4 mbar in einem handelsüblichen Tiegel aus Si-AI-Oxid. Die Aufheizung der Schmelze wird solange fortgesetzt, bis ihre Temperatur etwa 1 400-1 450 °C beträgt.
  • Mit dieser Temperatur erfolgt der Abguss in die aufgeheizte Form ebenfalls im Vakuum oder unter Schutzgas.
  • Kurze Zeit nach dem Abguss kann die Form der Luft ausgesetzt werden, so dass ein Teil des Kernmaterials bereits beim Abkühlen des Gussstückes oxidiert und sublimiert.
  • Falls die Kerne während des Abkühlens nicht restlos aus dem Gussstück verdampft sind, wird anschliessend noch ein erneutes Aufheizen des Gussstückes auf über 500 °C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre vorgenommen. Die dabei erreichte hohe Temperatur wird solange gehalten bis alles Kernmaterial durch Oxidation und Sublimation aus dem Gussstück entwichen ist.
    • Beispiel 2
  • Eine gleichartige Turbinenschaufel aus dem gleichen Material soll gerichtet erstarren oder als Einkristall wachsen.
  • Wie bereits erwähnt, wird ein derartiges Kristallwachstum durch gesteuertes relativ langsames Erstarren der Schmelze erreicht. Die Verfahrensbedingungen des Beispiels 1 müssen daher in einigen Punkten geändert werden : Zum einen wird als Kernmaterial Molybdän-Draht verwendet, der zuvor mit einer Schutzschicht aus keramischen, bevorzugt oxidischem Material überzogen worden ist.
  • Dieser Ueberzug, der im vorliegenden Fall aus Aluminiumoxid besteht, wird mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens unter Verwendung üblicher und bekannter Parameter und Ausgangsmaterialien auf dem Molybdän-Draht niedergeschlagen ; seine Dicke kann beispielsweise bis zu 0,1 mm betragen. Ein Ueberzug mit einer solchen Schichtdicke ist nicht selbsttragend, so dass er beim Absublimieren seines Mo-Kernes zusammenbricht und leicht aus dem Gussstück entfernt werden kann.
  • Weiterhin besteht die keramische Giessform in diesem Fall lediglich aus einer Formschale, die in bekannter Weise auf eine Kühleinrichtung aufgesetzt wird, wobei gegebenenfalls für die Steuerung der Abkühlungsbedingungen die Formschale zusätzlich von einer relativ zu ihr in Achsrichtung verschiebbaren Warmhalte-Heizeinrichtung umschlossen sein kann.
  • Eine weitere Abweichung des Verfahrens nach Beispiel 2 gegenüber Beispiel 1 besteht darin, dass die Schmelze - und gegebenenfalls auch die Form-vor dem Abguss höher erhitzt werden. Die Formtemperatur beträgt dabei beispielsweise bis zu 1200°C, während die Ueberhitzung der Schmelze bis auf Temperaturen von 1 550-1 600 °C getrieben wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Präzisionsgiessen unter Verwendung von verlorenen Modellen mit eingelegten Kernen, wobei die mit Hilfe des Modells hergestellte keramische Giessform nach dessen Herauslösen gebrannt und für den Abguss aufgeheizt wird, ehe die abzugiessende Schmelze eingegossen und nach ihrem Erstarren der Kern herausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kernmaterial ein Metall verwendet wird, das unterhalb der Erstarrungstemperatur der abzugiessenden Schmelze oxidierbar ist, und dessen Oxid durch Sublimation entweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kernmaterial Molybdän in Form eines Drahtes verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Modellmaterial Harnstoff verwendet wird und dass ferner das Brennen und Aufheizen der keramischen Giessform unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kern vor dem Einlegen in das Modell mit einer keramischen Schutzschicht überzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzschicht durch Plasmaspritzen aufgebrachtes Aluminiumoxid (AI203) verwendet wird.
EP80103836A 1979-09-10 1980-07-05 Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch Präzisionsgiessen Expired EP0025481B1 (de)

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