EP0477136A1 - Method of manufacturing castings by directional or single crystal solidification - Google Patents

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EP0477136A1
EP0477136A1 EP91810678A EP91810678A EP0477136A1 EP 0477136 A1 EP0477136 A1 EP 0477136A1 EP 91810678 A EP91810678 A EP 91810678A EP 91810678 A EP91810678 A EP 91810678A EP 0477136 A1 EP0477136 A1 EP 0477136A1
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EP
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casting
mold
melt
heat
cooling plate
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EP91810678A
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Fritz Staub
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Sulzer Innotec AG
Sulzer AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings

Definitions

  • the invention relates to a method for producing castings according to the preamble of claim 1, molds for carrying out the method and castings produced by the method.
  • the object of the invention is to further develop the method with a heat source integrated in the molded shell so that the amount of melt required for the heat reservoirs can be reduced. This object is achieved by the characterizing feature of claim 1.
  • FIG. 1 shows one half of the casting mold 10 with a mold shell 11 and an insulating one Shell 12.
  • the other half shows the cavities of the molded shell in the form of the wax model that is used to manufacture the molded shell.
  • the following cavities, in physical representation, can be seen: the partial casting mold 1 for a single component, which is shown in simplified form as a cuboid; Cavities 2a and 2b for the heat reservoirs formed by overheated melt; the starter 3 with the disk-shaped base zone 3a and the helical selector 3b; the cavity 5 which is taken up by the cooling plate during casting; the volume 6 of the middle stem, which is sealed with ceramic material after the wax has melted; and finally the pouring funnel 7.
  • the mold shell 11 has a ring 15 on the circumference of the cavity 5, which is provided on the inside by appropriate shaping of the wax model with grooves, not shown, by means of which the mold 10 can be fastened in a bayonet-type manner on the cooling plate.
  • the insulating sheath 12 can be composed of ceramic fiber mats.
  • the space 13 between the molded shell 11 and the shell 12 is preferably filled with heat-insulating material, for example a ceramic wadding.
  • the selector 3b is shown schematically as a serpentine structure.
  • the solidification front 205 is located in the entrance area of the partial mold 1.
  • the solidified alloy is polycrystalline; it changes into a directionally crystalline phase which extends into the mouth region of the selector 3b.
  • An appearance of stem crystals, as indicated in Fig. 2, can be seen as an idealization of reality.
  • the heat flow is indicated by the arrows in FIG.
  • the latent heat released during solidification and the heat from the overheated melt must be dissipated downward on the solidification front 205 to the cooling plate 50: arrows 301.
  • Part of the heat is released to the surroundings of the mold 10: arrows 304.
  • the heat flow 304 is directed to the environment, as shown, in a grape structure of the mold 10 on one side.
  • the heat is dissipated to the cooling plate on the one hand via the base zone 3a (arrows 302) and on the other hand via the molded shell 11 (arrows 303).
  • a diameter is chosen for the base zone 3a which is substantially larger than the diameter of the selector 3b.
  • the height of the base zone 3a is chosen to be small, so that the gap width, which is proportional to the height, is also small.
  • the solidification front 205 does not run parallel to the cooling plate; it is inclined.
  • the inclination of the solidification front 205 must be taken into account when aligning the partial mold 1 in the grape. Care must be taken that - see FIG. 3b - island regions 201 do not arise in which the solidification front 205 prevents the melt from flowing in again.
  • an increased microporosity arises due to the contraction during the phase change, which means a local weakening of the casting.
  • the use of feeders prevents the formation of island areas. Under certain circumstances, however, this can be achieved much more simply by a different orientation of the partial mold 1, as illustrated in FIG. 3a.
  • the inclination of the solidification front 205 or more generally its shape, which need not be flat, can be specifically influenced by the special shape and arrangement of the cavities 2a and 2b or rather the heat reservoirs resulting therefrom, in order to counteract the formation of island regions 201.
  • the creation of the heat reservoirs means an additional requirement for alloy, which can be quite expensive.
  • the casting mold 10 is heated according to the invention in a furnace to a temperature which is significantly higher than the liquidus temperature. This also gives the mold 10 the property of a heat source.
  • the importance as an additional heat source can be increased, for example, by replacing the Cavity 2b integrated into the molded shell 11, a ceramic body with high heat capacity. The heat stored in this ceramic body, which is supplied in the heating furnace, obviously allows a corresponding saving in melt.
  • the casting mold 10 is heated according to the invention in a separate heating oven 40 to around 1500 degrees Celsius.
  • the alloy is melted with an induction furnace 30 and in a crucible 20 and heated to about 200 to 350 K, depending on the alloy and shape of the component, above the liquidus temperature.
  • the heated casting mold 10 is transported from the furnace 40 into the lock 120 of the casting installation 100 by means of an automatic machine 60 on a rail 62 and a gripping device 65.
  • the cooling plate 50 (not shown) is located in the lock 120 with the lock gates 125 and 126.
  • the gripping device 65 must be able to perform a rotational movement when the mold 10 is placed on the cooling plate 50, through which claw-like projections on the edge of the circular cooling plate engage in a bayonet-like manner with the grooves which are located in the above-mentioned ring 15 of the mold 10 .
  • the cooling plate 50 with the mold 10 attached to it is moved into the casting chamber 130.
  • the cooling takes place preferably by means of water, for which the connections 51 and 52 are provided.
  • the superheated melt can now be poured from the crucible 20 into the pouring funnel 7 by means of a device (not shown). The melt fills the molded shell and comes into contact with the cooling plate 50 in the starters, with the shock-like cooling spontaneously forming crystal nuclei at the interface and then the already mentioned polycrystalline phase in the base zones.
  • the separate heating of the mold 10 is advantageously carried out in two stages: in a first oven, the temperature is preheated to between 1000 and 1200 degrees Celsius, and in a second oven 40, the further heating is carried out to around 1500 degrees.
  • the dwell times in both ovens are around one hour each.
  • a ceramic firing furnace which has been adapted for the purposes of the method can be used for the furnace 40.
  • gaseous hydrocarbons 45 in particular propane, can be used for heating.
  • the heating can also be carried out by means of electric furnaces, in particular in the first stage.
  • the handling by the automatic machine 60 and the introduction must be carried out within a maximum of two minutes. It is not necessary that the mold 10 be as hot as the overheated melt. It is sufficient if the temperature difference between the melt and the mold is of the order of magnitude of around 50 K at the start of the casting, the temperature of the mold shell 11 of course being greater than the liquidus temperature.
  • the cycle times are considerably shorter: they are 10 to 30 minutes compared to 60 to 150 minutes in the other processes.
  • the exemplary embodiment described relates to the production of castings by single-crystalline solidification.
  • the production of directionally solidified castings can be carried out using the same procedure; the only difference is that the selectors 3b are missing in the mold.

Abstract

The method of manufacturing castings by directional or single-crystal solidification is carried out in vacuum-casting units (100) which, apart from a conventional cooling plate (50), have no special devices, in particular no auxiliary heating systems for the casting mould (10). The unidirectional heat flow required for guiding the solidification front is on the one hand produced by means of heat sources which are partly formed from overheated melt and on the other hand by means of heat sinks which consist of the cooling plate (50) and the surroundings of the casting mould (10). According to the invention, the casting mould is heated in a separate heating furnace (40) to a temperature which is greater than the liquidus temperature of the melt, with the aim of having the casting mould contribute to the heat source in addition to the melt. The method is especially suitable for smaller components whose dimensions in the direction of the unidirectional heat flow are less than roughly 15 cm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken gemäss Oberbegriff von Anspruch 1, Gussformen zum Durchführen des Verfahrens sowie nach dem Verfahren hergestellte Gussstücke.The invention relates to a method for producing castings according to the preamble of claim 1, molds for carrying out the method and castings produced by the method.

Zum Herstellen von gegossenen Bauteilen, die - wie beispielsweise Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken - bei hohen Temperaturen mechanisch stark beansprucht werden, eignen sich verschiedene bekannte Nickelbasislegierungen, für die beim Giessen eine gerichtete Erstarrung möglich ist. Beim Erstarren der Schmelze einer solchen Legierung bilden sich dendritische Kristalle aus. Werden keine besondern Massnahmen ergriffen, so entstehen beim Abkühlen der gegossenen Schmelze im allgemeinen an verschiedenen Stellen Kristallkeime, die zu einem polykristallinen Erstarren führen. Durch spezielle Anordnung von Wärmesenken und Wärmequellen sowie durch ein kontrolliertes Auslösen der Kristallisation lässt sich eine Erstarrungsfront ausbilden, deren Ausbreitung durch einen sogenannten "unidirektionalen" Wärmestrom lenkbar ist. Bei diesem gerichteten Erstarren bilden sich stengelförmige Kristalle aus; mittels einer besonderen Startphase der Erstarrung (beispielsweise mittels eines "Selektors") wird es auch möglich, das gegossene Bauteil in Form eines Einkristalls wachsen zu lassen.Various known nickel-based alloys, for which directional solidification is possible during casting, are suitable for producing cast components which are subjected to high mechanical stresses, for example turbine blades of aircraft engines. When the melt of such an alloy solidifies, dendritic crystals form. If no special measures are taken, crystal nuclei generally form at various points when the cast melt cools, which leads to polycrystalline solidification. Through a special arrangement of heat sinks and heat sources as well as through a controlled triggering of the crystallization, a solidification front can be formed, the spread of which can be controlled by a so-called "unidirectional" heat flow. In this directional solidification, columnar crystals form; By means of a special start phase of solidification (for example by means of a "selector") it is also possible to let the cast component grow in the form of a single crystal.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung bekannt. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass eine Gussform aus keramischem Material verwendet wird, die oben und unten offen ist: oben zum Eingiessen der Schmelze, unten zum Aufsetzen auf eine Kühlplatte, mit der die Schmelze in direkten Kontakt kommt. Müssen relativ grosse Bauteile hergestellt werden, so ist man dazu gezwungen, eine teure Spezialausführung einer Vakuumgiessanlage zu verwenden. Bei einer solchen speziellen Giessanlage wird mit einer Zusatzheizung als Wärmequelle zusammen mit der Kühlplatte als Wärmesenke der unidirektionale Wärmestrom erzeugt und aufrechterhalten. Mittels einer Absenkvorrichtung für die Kühlplatte und die Gussform kann die Erstarrungsfront von unten nach oben durch das Bauteil geführt werden. Die Relativbewegung zwischen Gussform und Zusatzheizung kann auch durch Verschieben der Heizelemente erreicht werden. Mit solchen Verfahren lassen sich der Temperaturgradient G im Bereich der Erstarrungsfront und die Geschwindigkeit v, mit der die dendritischen Kristalle wachsen, gut steuern. Die Dendritenstruktur, insbesondere der Abstand zwischen benachbarten Dendriten, hängt von diesen Grössen G und v ab.Various methods for producing castings by directional or single-crystalline solidification are known. What these processes have in common is that a casting mold made of ceramic material is used, which is open at the top and bottom: at the top for pouring the melt, below to be placed on a cooling plate with which the melt comes into direct contact. If relatively large components have to be produced, you are forced to use an expensive special version of a vacuum casting system. In such a special casting system, the unidirectional heat flow is generated and maintained with additional heating as a heat source together with the cooling plate as a heat sink. By means of a lowering device for the cooling plate and the casting mold, the solidification front can be guided through the component from bottom to top. The relative movement between the mold and the additional heating can also be achieved by moving the heating elements. With such methods, the temperature gradient G in the area of the solidification front and the speed v at which the dendritic crystals grow can be controlled well. The dendrite structure, in particular the distance between neighboring dendrites, depends on these sizes G and v.

Bei anderen Verfahren, die in einfachen, für verschiedene Anwendungszwecke vorgesehenen Vakuumgiessanlagen durchführbar sind, werden die Wärmequellen nicht mehr durch Heizelemente erzeugt, sondern mittels überhitzter Schmelze und mittels besonderer Formgebung der Gussform durch Hinzunahme zusätzlicher Hohlräume. Diese mit überhitzter Schmelze gefüllten Hohlräumen haben die Funktion von Wärmereservoiren. Neben dem Vorteil, hinsichtlich der Giessanlage kostengünstiger zu sein, weisen diese "Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmereservoiren" den Nachteil auf, einen grössern Bedarf an Legierung zu haben. Überdies muss muss man sich, um die Steuerung des Temperaturgradienten G und der Erstarrungsgeschwindigkeit v möglich zu machen, mit einem eingeschränkten Anwendungsbereich begnügen. Diese Parametersteuerung ist nur mit Erfolg hinsichtlich der angestrebten Dendritenstruktur durchführbar, wenn die Bauteile nicht zu gross sind, nämlich nicht mehr als rund 15 cm in ihrer Längserstreckung. Hingegen ein weiterer und wichtiger Vorteil der zweiten Verfahrensart ist, dass die Belegungsdauer der Vakuumgiessanlage für einen Guss rund fünfmal kürzer ist.In other processes, which can be carried out in simple vacuum casting plants intended for different applications, the heat sources are no longer generated by heating elements, but by means of superheated melt and by means of special shaping of the casting mold by adding additional cavities. These cavities filled with overheated melt act as heat reservoirs. In addition to the advantage of being more cost-effective with regard to the casting installation, these "processes have been integrated into the mold shell Heat reservoirs "have the disadvantage of having a greater need for alloys. Furthermore, in order to make it possible to control the temperature gradient G and the solidification rate v, one has to be satisfied with a restricted range of application. This parameter control is only successful with regard to the desired dendrite structure feasible if the components are not too large, namely no more than around 15 cm in their longitudinal extent, whereas another and important advantage of the second type of process is that the occupancy time of the vacuum casting system for a casting is around five times shorter.

Aus der CH-PS-641985 ist ein Verfahren der zweiten oben genannten Art bekannt, bei welchem das in die Formschale integrierte Wärmereservoir durch den Giesstrichter gebildet wird. Bei diesem Verfahren wird die Gussform mit einer Hülle aus wärmedämmendem Material ummantelt, wobei mit dieser isolierenden Hülle angestrebt wird, dass sich ein linearer Wärmestrom in vertikaler Richtung ausbildet, damit sich die Erstarrungsfront parallel zur Kühlplatte ausgerichtet nach oben bewegt. Als wesentliches kennzeichnendes Merkmal der CH-PS-641985 wird angegeben, dass die Vorerhitzung der Gussform auf eine Temperatur über der Liquidustemperatur, die zwischen 1300 und 1400 Grad Celsius liegt, zur Durchführung der gerichteten Erstarrung nicht nötig ist; denn das abschliessende Aufheizen nach einer Vorerhitzung auf rund 1200 Grad Celsius lässt sich mittels überhitzter Schmelze durchführen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zusätzliche Schmelze für die Formerhitzung zur Verfügung gestellt werden muss.From CH-PS-641985 a method of the second type mentioned above is known, in which the heat reservoir integrated in the molded shell is formed by the pouring funnel. In this method, the casting mold is encased with a casing made of heat-insulating material, the aim of this insulating casing being that a linear heat flow is formed in the vertical direction, so that the solidification front moves upwards parallel to the cooling plate. As an essential characteristic of CH-PS-641985 it is stated that the preheating of the casting mold to a temperature above the liquidus temperature, which is between 1300 and 1400 degrees Celsius, is not necessary to carry out the directional solidification; because the final heating after preheating to around 1200 degrees Celsius can be carried out using superheated melt. However, this method has the disadvantage that additional melt has to be made available for the mold heating.

Das Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmequelle ist weiterentwickelt worden: Statt der eindimensionalen Ausrichtung des Wärmestroms, die zu einem linearen Erstarrungsverlauf führt, wird durch spezielle Formgebung und Anordnung der Hohlräume für die Wärmereservoire ein Wärmestrom erzeugt, der einen mehrdimensionalen Verlauf der Erstarrung ermöglicht.The process with the heat source integrated in the mold shell has been further developed: Instead of the one-dimensional alignment of the heat flow, which leads to a linear solidification process, a special flow and shape of the cavities for the heat reservoirs generate a heat flow that enables a multidimensional process of the solidification.

Aufgabe der Erfindung ist, das Verfahren mit in der Formschale integrierten Wärmequelle so weiterzuentwikkeln, dass die Menge an Schmelze, die für die Wärmereservoire benötigt wird, reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.The object of the invention is to further develop the method with a heat source integrated in the molded shell so that the amount of melt required for the heat reservoirs can be reduced. This object is achieved by the characterizing feature of claim 1.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig.1 den Aufbau einer Gussform mit vier gleichen Bauteilen, die in Form einer "Traube" angeordnet sind,
  • Fig.2 eine vereinfachte Darstellung eines Längsschnittes durch einen "Selektor",
  • Fig.3a,b zwei Beispiele für den Verlauf der Erstarrungsfront und
  • Fig.4 Teil einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show it:
  • 1 shows the structure of a casting mold with four identical components which are arranged in the form of a "grape",
  • 2 shows a simplified illustration of a longitudinal section through a “selector”,
  • 3a, b two examples for the course of the solidification front and
  • 4 part of a plant for carrying out the method according to the invention.

Die perspektivische Darstellung in Fig.1 zeigt die eine Hälfte der Gussform 10 mit Formschale 11 und isolierender Hülle 12. Von der andern Hälfte sind die Hohlräume der Formschale in Form des Wachsmodells dargestellt, das zur Herstellung der Formschale dient. Es sind folgende Hohlräume, in körperlicher Darstellung, zu sehen: die Teilgiessform 1 für ein einzelnes Bauteil, das stark vereinfacht als Quader dargestellt ist; Hohlräume 2a und 2b für die durch überhitzte Schmelze gebildeten Wärmereservoire; der Starter 3 mit der scheibenförmigen Basiszone 3a und dem helixförmigen Selektor 3b; der Hohlraum 5, der beim Giessen von der Kühlplatte eingenommen wird; das Volumen 6 des Mittelstamms, das nach dem Ausschmelzen des Wachses mit keramischem Material verschlossen wird; und schliesslich der Giesstrichter 7.The perspective illustration in FIG. 1 shows one half of the casting mold 10 with a mold shell 11 and an insulating one Shell 12. The other half shows the cavities of the molded shell in the form of the wax model that is used to manufacture the molded shell. The following cavities, in physical representation, can be seen: the partial casting mold 1 for a single component, which is shown in simplified form as a cuboid; Cavities 2a and 2b for the heat reservoirs formed by overheated melt; the starter 3 with the disk-shaped base zone 3a and the helical selector 3b; the cavity 5 which is taken up by the cooling plate during casting; the volume 6 of the middle stem, which is sealed with ceramic material after the wax has melted; and finally the pouring funnel 7.

Die Formschale 11 weist am Umfang des Hohlraums 5 einen Ring 15 auf, der auf der Innenseite durch entsprechende Formgebung des Wachsmodells mit nicht dargestellten Nuten versehen wird, mittels derer die Gussform 10 bajonettverschlussartig auf der Kühlplatte befestigt werden kann. Die isolierende Hülle 12 lässt sich aus Keramikfasermatten zusammensetzen. Der Zwischenraum 13 zwischen Formschale 11 und Hülle 12 wird vorzugsweise mit wärmedämmendem Material, beispielsweise einer Keramikwatte, gefüllt.The mold shell 11 has a ring 15 on the circumference of the cavity 5, which is provided on the inside by appropriate shaping of the wax model with grooves, not shown, by means of which the mold 10 can be fastened in a bayonet-type manner on the cooling plate. The insulating sheath 12 can be composed of ceramic fiber mats. The space 13 between the molded shell 11 and the shell 12 is preferably filled with heat-insulating material, for example a ceramic wadding.

In Fig.2 ist ein Längsschnitt durch den Starter 3 kurz nach dem Einsetzen der Erstarrung der Schmelze 200 gezeigt, wobei der Schnitt bezüglich der zentralsymmetrischen Gussform 10 radial orientiert ist und das Zentrum auf der rechten Seite liegt. Der Übersichtlichkeit halber ist der Selektor 3b schematisch als schlangenförmiges Gebilde dargestellt. Bei der Formschale 11 ist ein geschichteter Aufbau angedeutet, wobei in Wirklichkeit rund zehn dünne statt der dargestellten drei dicken Schichten vorliegen. Die Erstarrungsfront 205 befindet sich im Eingangsbereich der Teilgiessform 1. In der Basiszone 3a ist die erstarrte Legierung polykristallin; sie geht in eine gerichtet kristalline Phase über, die sich in den Mündungsbereich des Selektors 3b erstreckt. Ein Auftreten von Stengelkristallen, wie in Fig.2 angedeutet, ist als Idealisierung der Wirklichkeit anzusehen ist. Dank der Verengung des Querschnitts im Selektor 3b und wegen dessen gewundenen Form ist es nur für einen einzigen der in der Basiszone 3a gebildeten Kristalle möglich, den Selektor zu durchwachsen und auf diese Weise als Keim der Einkristallphase 210 zu wirken.2 shows a longitudinal section through the starter 3 shortly after the onset of solidification of the melt 200, the section being radially oriented with respect to the centrally symmetrical casting mold 10 and the center being on the right side. For the sake of clarity, the selector 3b is shown schematically as a serpentine structure. In the case of the molded shell 11, a layered structure is indicated, in reality there are around ten thin layers instead of the three thick layers shown. The solidification front 205 is located in the entrance area of the partial mold 1. In the base zone 3a, the solidified alloy is polycrystalline; it changes into a directionally crystalline phase which extends into the mouth region of the selector 3b. An appearance of stem crystals, as indicated in Fig. 2, can be seen as an idealization of reality. Thanks to the narrowing of the cross section in the selector 3b and because of its tortuous shape, it is only possible for a single one of the crystals formed in the base zone 3a to grow through the selector and in this way to act as a seed of the single crystal phase 210.

Durch die Pfeile in Fig.2 ist der Wärmefluss angedeutet. Die bei der Erstarrung frei werdende latente Wärme und die Wärme aus der überhitzten Schmelze muss an der Erstarrungsfront 205 nach unten zur Kühlplatte 50 abgeführt werden: Pfeile 301. Ein Teil der Wärme wird an die Umgebung der Gussform 10 abgegeben: Pfeile 304. Der Wärmestrom 304 an die Umgebung ist, wie dargestellt, bei einem Traubenaufbau der Gussform 10 einseitig gerichtet. An die Kühlplatte wird die Wärme einerseits über die Basiszone 3a (Pfeile 302) und andererseits über die Formschale 11 (Pfeile 303) abgeführt.The heat flow is indicated by the arrows in FIG. The latent heat released during solidification and the heat from the overheated melt must be dissipated downward on the solidification front 205 to the cooling plate 50: arrows 301. Part of the heat is released to the surroundings of the mold 10: arrows 304. The heat flow 304 is directed to the environment, as shown, in a grape structure of the mold 10 on one side. The heat is dissipated to the cooling plate on the one hand via the base zone 3a (arrows 302) and on the other hand via the molded shell 11 (arrows 303).

Da beim Erstarren und dem anschliessenden Abkühlen eine Kontraktion des gegossenen Materials erfolgt, entsteht zwischen der Oberfläche der Kühlplatte 50 und dem Gusskörper ein Spalt 56, der zu einer Beeinträchtigung des Wärmeabflusses 302 führt. Um die über den Starter 3 abgegebene Wärmemenge trotz des Spalts 56 auch bei kleinem Temperaturgefälle gross erhalten zu können, wählt man für die Basiszone 3a einen Durchmesser, der wesentlich grösser als der Durchmesser des Selektors 3b ist. Die Höhe der Basiszone 3a wählt man klein, damit die zur Höhe proportionale Spaltbreite auch klein ausfällt.Since a contraction of the cast material occurs during solidification and the subsequent cooling, there is a gap 56 between the surface of the cooling plate 50 and the cast body, which leads to an impairment of the heat flow 302. In order to be able to maintain a large amount of heat emitted via the starter 3 despite the gap 56 even with a small temperature gradient, a diameter is chosen for the base zone 3a which is substantially larger than the diameter of the selector 3b. The height of the base zone 3a is chosen to be small, so that the gap width, which is proportional to the height, is also small.

Wegen der einseitigen Wärmeabführung 304 an die Umgebung verläuft die Erstarrungsfront 205 nicht parallel zur Kühlplatte; sie ist geneigt. Die Neigung der Erstarrungsfront 205 muss bei der Ausrichtung der Teilgiessform 1 in der Traube berücksichtigt werden. Es ist darauf zu achten, dass - siehe Fig.3b - nicht Inselbereiche 201 entstehen, bei denen die Erstarrungsfront 205 ein Nachfliessen von Schmelze unterbinden. Beim Erstarren eines solchen Inselbereichs 201 entsteht wegen der Kontraktion bei der Phasenumwandlung eine erhöhte Mikroporosität, was eine lokale Schwächung des Gussstücks bedeutet. Durch Verwendung von Speisern lässt sich das Entstehen von Inselbereichen verhindern. Dies lässt sich aber unter Umständen viel einfacher durch eine andere Orientierung der Teilgiessform 1 erreichen, wie es in Fig.3a illustriert ist.Because of the one-sided heat dissipation 304 to the surroundings, the solidification front 205 does not run parallel to the cooling plate; it is inclined. The inclination of the solidification front 205 must be taken into account when aligning the partial mold 1 in the grape. Care must be taken that - see FIG. 3b - island regions 201 do not arise in which the solidification front 205 prevents the melt from flowing in again. When such an island region 201 solidifies, an increased microporosity arises due to the contraction during the phase change, which means a local weakening of the casting. The use of feeders prevents the formation of island areas. Under certain circumstances, however, this can be achieved much more simply by a different orientation of the partial mold 1, as illustrated in FIG. 3a.

Die Neigung der Erstarrungsfront 205 oder allgemeiner ihre Form, die nicht eben zu sein braucht, kann durch besondere Formgebung und Anordnung der Hohlräume 2a und 2b oder vielmehr der durch sie resultierenden Wärmereservoire gezielt beeinflusst werden, um so dem Entstehen von Inselbereichen 201 zu begegnen. Die Erzeugung der Wärmereservoiren bedeutet einen Mehrbedarf an Legierung, was ziemlich kostspielig sein kann. Zur Einsparung an Schmelze wird die Gussform 10 erfindungsgemäss in einem Ofen auf eine Temperatur aufgeheizt, die wesentlich höher als die Liquidustemperatur liegt. Dadurch erhält zusätzlich auch die Gussform 10 die Eigenschaft einer Wärmequelle. Die Bedeutung als zusätzliche Wärmequelle lässt sich steigern, indem man beispielsweise anstelle des Hohlraums 2b in die Formschale 11 einen Keramikkörper mit hoher Wärmekapazität integriert. Die in diesem Keramikkörper gespeicherte Wärme, die im Aufheizofen zugeführt wird, erlaubt offensichtlich eine entsprechende Einsparung an Schmelze.The inclination of the solidification front 205 or more generally its shape, which need not be flat, can be specifically influenced by the special shape and arrangement of the cavities 2a and 2b or rather the heat reservoirs resulting therefrom, in order to counteract the formation of island regions 201. The creation of the heat reservoirs means an additional requirement for alloy, which can be quite expensive. To save melt, the casting mold 10 is heated according to the invention in a furnace to a temperature which is significantly higher than the liquidus temperature. This also gives the mold 10 the property of a heat source. The importance as an additional heat source can be increased, for example, by replacing the Cavity 2b integrated into the molded shell 11, a ceramic body with high heat capacity. The heat stored in this ceramic body, which is supplied in the heating furnace, obviously allows a corresponding saving in melt.

Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens werden nun anhand der schematischen Darstellung der Fig.4 näher erläutert. Die Herstellung der isolierten Gussform 10 wird nach bekannten Verfahrensschritten durchgeführt und muss hier nicht beschrieben werden. Unmittelbar vor dem Giessen wird die Gussform 10 erfindungsgemäss in einem separaten Aufheizofen 40 auf rund 1500 Grad Celsius erhitzt. In der Vakuumgiessanlage 100 wird die Legierung mit einem Induktionsofen 30 und in einem Tiegel 20 aufgeschmolzen und rund 200 bis 350 K -je nach Legierung und Form des Bauteils - über die Liquidustemperatur erhitzt. Mittels einem Bewegungsautomaten 60 auf einer Schiene 62 und einer Greifvorrichtung 65 wird die erhitzte Gussform 10 aus dem Ofen 40 in die Schleuse 120 der Giessanlage 100 transportiert.The essential features of the method according to the invention will now be explained in more detail with reference to the schematic illustration in FIG. The production of the isolated mold 10 is carried out according to known process steps and need not be described here. Immediately before casting, the casting mold 10 is heated according to the invention in a separate heating oven 40 to around 1500 degrees Celsius. In the vacuum casting system 100, the alloy is melted with an induction furnace 30 and in a crucible 20 and heated to about 200 to 350 K, depending on the alloy and shape of the component, above the liquidus temperature. The heated casting mold 10 is transported from the furnace 40 into the lock 120 of the casting installation 100 by means of an automatic machine 60 on a rail 62 and a gripping device 65.

In der Schleuse 120 mit den Schleusentoren 125 und 126 befindet sich die Kühlplatte 50 (nicht dargestellt). Die Greifvorrichtung 65 muss in der Lage sein, beim Aufsetzen der Gussform 10 auf die Kühlplatte 50 eine Drehbewegung auszuführen, durch die klauenartige Vorsprünge am Rand der kreisförmigen Kühlplatte bajonettverschlussartig in Eingriff mit den Nuten gelangen, die sich im oben erwähnten Ring 15 der Gussform 10 befinden.The cooling plate 50 (not shown) is located in the lock 120 with the lock gates 125 and 126. The gripping device 65 must be able to perform a rotational movement when the mold 10 is placed on the cooling plate 50, through which claw-like projections on the edge of the circular cooling plate engage in a bayonet-like manner with the grooves which are located in the above-mentioned ring 15 of the mold 10 .

Nach dem Evakuieren der Schleuse 120 wird die Kühlplatte 50 mit der auf ihr befestigten Gussform 10 in die Giesskammer 130 verschoben. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise mittels Wasser, für das die Anschlüsse 51 und 52 vorgesehen sind. Mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung kann nun die überhitzte Schmelze aus dem Schmelztiegel 20 in den Giesstrichter 7 gegossen werden. Die Schmelze füllt die Formschale und tritt in den Startern mit der Kühlplatte 50 in Kontakt, wobei sich durch die schockartige Abkühlung spontan Kristallkeime an der Grenzfläche und darauf die schon erwähnte polykristalline Phase in den Basiszonen bilden.After the lock 120 has been evacuated, the cooling plate 50 with the mold 10 attached to it is moved into the casting chamber 130. The cooling takes place preferably by means of water, for which the connections 51 and 52 are provided. The superheated melt can now be poured from the crucible 20 into the pouring funnel 7 by means of a device (not shown). The melt fills the molded shell and comes into contact with the cooling plate 50 in the starters, with the shock-like cooling spontaneously forming crystal nuclei at the interface and then the already mentioned polycrystalline phase in the base zones.

Das separate Aufheizen der Gussform 10 wird mit Vorteil in zwei Stufen durchgeführt: In einem ersten Ofen wird auf eine Temperatur zwischen rund 1000 und 1200 Grad Celsius vorerhitzt und in einem zweiten Ofen 40 wird die weitere Aufheizung auf rund 1500 Grad vorgenommen. Die Verweilzeiten dauern in beiden öfen je rund eine Stunde. Für den Ofen 40 kann ein Keramikbrandofen verwendet werden, der den Zwecken des Verfahrens angepasst worden ist. Geheizt kann beispielsweise mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen 45, insbesondere Propan, werden. Selbstverständlich kann das Heizen auch mittels Elektroöfen, insbesondere bei der ersten Stufe, durchgeführt werden.The separate heating of the mold 10 is advantageously carried out in two stages: in a first oven, the temperature is preheated to between 1000 and 1200 degrees Celsius, and in a second oven 40, the further heating is carried out to around 1500 degrees. The dwell times in both ovens are around one hour each. A ceramic firing furnace which has been adapted for the purposes of the method can be used for the furnace 40. For example, gaseous hydrocarbons 45, in particular propane, can be used for heating. Of course, the heating can also be carried out by means of electric furnaces, in particular in the first stage.

Damit die Wärmeverluste während des Transports der Gussform 10 in die Vakuumgiessanlage 100 tolerierbar bleiben, muss die Handhabung durch den Bewegungsautomaten 60 und das Einschleusen innert maximal zwei Minuten durchgeführt sein. Es ist nicht nötig, dass die Gussform 10 gleich heiss ist wie die überhitzte Schmelze. Es genügt, wenn zu Beginn des Giessens die Temperaturdifferenz zwischen Schmelze und Gussform die Grössenordnung von rund 50 K aufweist, wobei selbstverständlich die Temperatur der Formschale 11 grösser als die Liquidustemperatur sein soll.So that the heat losses during the transport of the mold 10 into the vacuum casting system 100 can be tolerated, the handling by the automatic machine 60 and the introduction must be carried out within a maximum of two minutes. It is not necessary that the mold 10 be as hot as the overheated melt. It is sufficient if the temperature difference between the melt and the mold is of the order of magnitude of around 50 K at the start of the casting, the temperature of the mold shell 11 of course being greater than the liquidus temperature.

Da das Aufheizen der Gussform 10 separat und nicht in der Vakuumgiessanlage wie bei den Verfahren mit Zusatzheizungen erfolgt, sind die Taktzeiten wesentlich kürzer: Sie liegen bei 10 bis 30 Minuten gegenüber 60 bis 150 Minuten bei den anderen Verfahren.Since the casting mold 10 is heated up separately and not in the vacuum casting system as in the processes with additional heating, the cycle times are considerably shorter: they are 10 to 30 minutes compared to 60 to 150 minutes in the other processes.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von Gussstücken durch einkristalline Erstarrung. Die Herstellung von gerichtet erstarrter Gussstücke kann nach dem gleichen Verfahren durchgeführt werden; der Unterschied liegt einzig darin, dass in der Gussform die Selektoren 3b fehlen.The exemplary embodiment described relates to the production of castings by single-crystalline solidification. The production of directionally solidified castings can be carried out using the same procedure; the only difference is that the selectors 3b are missing in the mold.

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung von Gussstücken durch gerichtete oder einkristalline Erstarrung in einer Vakuumgiessanlage, wobei mittels Wärmequellen, die teilweise aus überhitzter Schmelze gebildet werden, und mittels Wärmesenken, die aus mindestens einer Kühlplatte sowie der Umgebung der Gussform bestehen, ein kontrollierter Wärmestrom zur Lenkung der Erstarrungsfront erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Schmelze das Material der Gussform zur Wärmequelle beiträgt, indem die Gussform vor dem Giessen auf eine Temperatur, die mindestens 50 K höher als die Liquidustemperatur der Schmelze ist, erhitzt wird.Process for the production of castings by directional or monocrystalline solidification in a vacuum casting plant, whereby a controlled heat flow for steering the solidification front is generated by means of heat sources, which are partly formed from overheated melt, and by means of heat sinks, which consist of at least one cooling plate and the surroundings of the mold becomes,
characterized in that, in addition to the melt, the material of the casting mold contributes to the heat source by heating the casting mold to a temperature which is at least 50 K higher than the liquidus temperature of the melt before casting. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform vor dem Einschleusen in die Giesskammer in mindestens einem separaten Aufheizofen erhitzt wird.A method according to claim 1, characterized in that the mold is heated in at least one separate heating furnace before it is introduced into the casting chamber. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen in einem Gasofen mit Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, ausgeführt wird.A method according to claim 2, characterized in that the heating is carried out in a gas furnace with hydrocarbon, in particular propane. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform in einem ersten Ofen auf eine Temperatur zwischen rund 1000 und 1200 Grad Celsius vorerhitzt wird und dass in einem zweiten Ofen das weitere Aufheizen auf rund 1500 Grad vorgenommen wird.A method according to claim 2, characterized in that the mold is preheated in a first oven to a temperature between about 1000 and 1200 degrees Celsius and that the further heating is carried out to around 1500 degrees in a second oven. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe des Aufheizens in einem modifizierten Keramikbrandofen durchgeführt wird.A method according to claim 4, characterized in that the second stage of heating is carried out in a modified ceramic furnace. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform beim Einschleusen in die Giessanlage auf eine Kühlplatte aufgesetzt wird.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the casting mold is placed on a cooling plate when it is introduced into the casting installation. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Greifvorrichtung und einem Bewegungsautomaten die Gussform in die Giessanlage eingeschleust wird.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the casting mold is introduced into the casting system by means of a gripping device and an automatic machine. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform auf eine Temperatur gebracht wird, die tiefer als die Temperatur der überhitzten Schmelze ist.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mold is brought to a temperature which is lower than the temperature of the superheated melt. Gussform (10) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel, die ein bajonettverschlussartiges Verbinden mit einer Kühlplatte (50) ermöglichen.Casting mold (10) for carrying out the method according to one of claims 2 to 8, characterized by means which enable a bayonet-type connection to a cooling plate (50). Gussform (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Körper (2b) mit hoher Wärmekapazität, die in die Formschale (11) integriert sind.Casting mold (10) according to claim 9, characterized by bodies (2b) with high heat capacity, which are integrated in the molded shell (11). Gussstück, hergestellt aus einer Nickelbasislegierung nach einem der Verfahren 1 bis 8.Casting made of a nickel-based alloy according to one of the methods 1 to 8. Gussstück nach Anspruch 11 zur Verwendung als Turbinenschaufel von Flugzeugtriebwerken.Casting according to claim 11 for use as a turbine blade of aircraft engines.
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