EP1053804A1

EP1053804A1 - Chaplet

Info

Publication number: EP1053804A1
Application number: EP99810444A
Authority: EP
Inventors: John Dr. Fernihough
Original assignee: Asea Brown Boveri AG; ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Asea Brown Boveri AG; ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-22

Abstract

Holding element contains yttrium, magnesium or a rare earth metal to increase its oxidation resistance, and also a base material. An Independent claim is also included for a process for the production of cast parts comprising arranging a holding element a mold at a suitable position, arranging the core in the mold so that the core is held by the element; and pouring the casting material into the space between the core and the mold.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft Halteelemente zur Halterung von Gießkernen in Gießformen.The invention relates to holding elements for holding casting cores in casting molds.

Stand der TechnikState of the art

Gießen stellt als ein Urformverfahren ein weithin gebräuchliches Verfahren zur Herstellung von Guß- oder Formteilen dar. Hierbei wird ein erschmolzener, flüssiger Werkstoff, zumeist eine Metallschmelze, in eine Form eingegossen. Als Folge des anschließenden Abkühlprozesses erstarrt der flüssige Werkstoff in der Form, wodurch eine der Form entsprechende Formhaltigkeit des Gußteils erzielt wird. Bei den hierzu eingesetzten Formen unterscheidet man verlorene Formen und Dauerformen. Beiden gemeinsam ist, daß sie die äußere Kontur des Gußteils in Form eines Negativabdrucks wiedergeben. Im Anschluß an den Gießprozeß werden verlorene Formen zerstört, um das hergestellte Gußteil freizugeben. Für jedes herzustellende Gußteil ist somit eine verlorene Form erforderlich. Dauerformen hingegen bleiben erhalten, so daß mit einer Dauerform viele Gußteile hergestellt werden können.
Zur Erzeugung von Hohlräumen in den Gußteilen werden üblicherweise Kerne in die Form eingelegt, so daß das flüssige Metall, das in die Form eingegossen wird, nur in die Freiräume zwischen der Form und dem Kern gelangt. Nach Entfernen des Kernes verbleibt somit ein Hohlraum im Gußteil. Um derartige, in der Form angeordnete Kerne in ihrer Lage zu fixieren, werden in der Regel Halteelemente, die oftmals auch als Kernmarken bezeichnet werden, verwendet. Diese Halteelemente können hierbei entweder als separate Bauteile oder auch als in die jeweilige Form oder den Kern integrierte Bauteile ausgeführt sein. Weithin gebräuchlich ist hierbei beispielsweise die Ausgestaltung der Halteelemente in Form von Stiften, die aus Quarz, Siliziumoxid bzw. Quarzsand oder auch aus Platin hergestellt werden. Zur Fixierung dieser Stifte sind in der Form Bohrungen oder Vertiefungen vorgesehen, wobei jeder Stift an einem seiner Enden in einer Bohrung oder Vertiefung gehalten wird. Mit dem jeweils anderen Ende ragt der Stift in den von der Form umschlossenen Hohlraum, wobei das andere Ende an den in die Form eingelegten Kern angrenzt. Durch die Verwendung von zumeist mehreren Stiften wird der in die Form eingelegte Kern somit von der Innenwandkontur des Hohlraumes beabstandet und gleichzeitig in seiner Position innerhalb des Hohlraumes fixiert.
Vor dem eigentlichen Gießprozeß sind solche Halteelemente aufgrund hoher Temperaturbelastungen hochgradig oxidierenden Atmosphären ausgesetzt. Dies betrifft einerseits insbesondere einen Vorheizprozeßschritt, bei dem die Form mitsamt des Kernes und den Halteelementen auf eine Temperatur von ungefähr 1000°C aufgeheizt wird, um im darauffolgenden Gießprozeßschritt ein möglichst gleichmäßiges Erstarren der Schmelze zu gewährleisten. Halteelemente, die in die Form integriert sind, werden zusätzlich während der Herstellung der Form, beispielsweise während eines Sinterprozesses ("Ausbacken der Form"), mit hohen Temperaturen beaufschlagt. Aufgrund dieser hohen Temperaturen bildet sich auf der Außenseite des Bauteils in der Regel eine Oxidschicht aus (das sogenannte Verzundern des Bauteils), die aus mehreren Gründen unerwünscht ist. So können beispielsweise während des Gießens Teile der Oxidschicht abplatzen und den Gußwerkstoff verunreinigen. Ferner verhindert die Oxidschicht aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur ein teilweises oder vollständiges Schmelzen der Halteelemente. Infolgedessen bilden sich während des sich anschließenden Erstarrungsvorgangs auch keine oder nur in einem sehr geringen Umfang chemische Bindungen zwischen dem Halteelement und dem Gußwerkstoff aus. Aus diesem Grund werden die Halteelemente üblicherweise aus den oben aufgeführten Werkstoffen hergestellt, die eine hohe Resistivität gegen Oxidation aufweisen.
Nachteilig bei der Verwendung dieser Werkstoffe wirkt sich aus, daß diese Werkstoffe weitgehend inkompatibel mit dem Gußwerkstoff sind, so daß die Halteelemente nach dem Gießen aus dem Gußteil entfernt werden müssen. Die Inkompatibilität dieser Werkstoffe mit dem Gußwerkstoff bezieht sich hierbei sowohl auf die Unterschiede in der Ausbildung chemischer Bindungen als auch auf Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, unterschiedliche Festigkeiten oder Oxidationsbeständigkeiten. Die nach dem Entfernen der Halteelemente aus dem Gußteil in dem Gußteil verbleibenden Löcher müssen oftmals verschlossen werden, da aus ihnen beispielsweise im Falle der Verwendung des Gußteils als innengekühlte Turbinenschaufel Kühlluft entweichen würde. Ein Verschließen der Löcher kann mittels Hartlöten erfolgen, wobei das Hartlöten wiederum mehrere Nachteile in sich birgt. So ist der Vorgang des Hartlötens einerseits arbeits- und zeitintensiv, wodurch die Gesamtkosten für die Herstellung des Gußteils erheblich steigen. Andererseits wirkt sich der Lötvorgang infolge der thermischen Belastung während des Lötens und der hierdurch hervorgerufenen Diffusionsvorgänge in dem das Loch umgebenden Material nachteilig auf die Gefügestruktur des Gußteils in Lochnähe aus. So tritt hier infolge des Lötvorgangs oftmals eine Versprödung des Gußmaterials auf. Ferner resultiert hieraus oftmals eine Verminderung der Korrosionsbeständigkeit des Gußmaterials. Darüber hinaus ist der Lötwerkstoff zumeist von geringerer Festigkeit als der Gußwerkstoff, so daß bereits hierdurch eine Schwächung der Lötstelle bedingt ist. Des weiteren ist es möglich und in der Praxis häufig der Fall, daß der Lötvorgang mißlingt, wodurch, insbesondere bei Präzisionsgußteilen, das gesamte Gußteil als Ausschuß unbrauchbar wird.Casting, as a primary molding process, is a widely used process for the production of cast or molded parts. Here, a molten, liquid material, usually a molten metal, is poured into a mold. As a result of the subsequent cooling process, the liquid material solidifies in the mold, as a result of which the cast part retains its shape. In the forms used for this, a distinction is made between lost forms and permanent forms. Common to both is that they reproduce the outer contour of the casting in the form of a negative impression. Following the casting process, lost molds are destroyed in order to release the cast part produced. A lost mold is therefore required for each cast part to be produced. Permanent molds, on the other hand, are retained so that many castings can be produced with one permanent mold.
To create cavities in the castings, cores are usually placed in the mold so that the liquid metal that is poured into the mold only reaches the free spaces between the mold and the core. After removal of the core, a cavity remains in the casting. In order to fix such cores, which are arranged in the form, in their position, holding elements, which are often also referred to as core marks, are generally used. These holding elements can either be designed as separate components or as components integrated into the respective shape or the core. The configuration of the holding elements in the form of pins, which are produced from quartz, silicon oxide or quartz sand or also from platinum, is widely used. To fix these pins, bores or depressions are provided in the form, each pin being held at one of its ends in a bore or depression. The other end of the pin projects into the cavity enclosed by the mold, the other end abutting the core inserted into the mold. By using mostly several pins, the core inserted into the mold is thus spaced from the inner wall contour of the cavity and at the same time fixed in its position within the cavity.
Before the actual casting process, such holding elements are exposed to highly oxidizing atmospheres due to high temperature loads. On the one hand, this relates in particular to a preheating process step in which the mold together with the core and the holding elements is heated to a temperature of approximately 1000 ° C. in order to ensure that the melt solidifies as uniformly as possible in the subsequent casting process step. Holding elements which are integrated into the mold are additionally subjected to high temperatures during the manufacture of the mold, for example during a sintering process ("baking the mold"). Because of these high temperatures, an oxide layer (the so-called scaling of the component) usually forms on the outside of the component, which is undesirable for several reasons. For example, parts of the oxide layer may flake off during the casting and contaminate the casting material. Furthermore, due to its high melting temperature, the oxide layer prevents the holding elements from partially or completely melting. As a result, no chemical bonds, or only to a very small extent, form between the holding element and the cast material during the subsequent solidification process. For this reason, the holding elements are usually made from the materials listed above, which have a high resistance to oxidation.
The disadvantage of using these materials is that these materials are largely incompatible with the cast material, so that the holding elements have to be removed from the cast part after casting. The incompatibility of these materials with the cast material relates here both to the differences in the formation of chemical bonds and to material properties, such as different coefficients of thermal expansion, different strengths or resistance to oxidation. The holes remaining in the cast part after the holding elements have been removed from the cast part often have to be closed, since cooling air would escape from them, for example if the cast part were used as an internally cooled turbine blade. The holes can be closed by means of brazing, the brazing again having several disadvantages. The process of brazing is labor-intensive and time-consuming on the one hand, whereby the total costs for the production of the casting increase considerably. On the other hand, the soldering process due to the thermal load during the soldering and the diffusion processes caused thereby in the material surrounding the hole has a disadvantageous effect on the microstructure of the casting near the hole. Embrittlement of the cast material often occurs here as a result of the soldering process. Furthermore, this often results in a reduction in the corrosion resistance of the cast material. In addition, the soldering material is usually of lower strength than the casting material, so that weakening of the soldering point is already caused by this. Furthermore, it is possible, and in practice often the case, that the soldering process fails, as a result of which the entire cast part becomes unusable as a scrap, in particular in the case of precision castings.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe derer die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Insbesondere soll die Erfindung eine kostengünstigere Herstellung von Gußteilen dadurch ermöglichen, daß die Halteelemente nach dem Gießprozeß in dem Gußteil verbleiben können, ohne daß hierdurch die Materialeigenschaften des Gußteils, insbesondere die Festigkeit, in den Bereichen der Halteelemente erheblich beeinträchtigt werden.The object of the invention is therefore to provide a device and a method for To make available the disadvantages of the prior art be avoided. In particular, the invention is intended to be a more economical one Manufacture of castings in that the holding elements after Casting process can remain in the casting without this Material properties of the casting, in particular the strength, in the areas the holding elements are significantly affected.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Halteelement zumindest in einem Teilbereich aus zumindest einem Grundwerkstoff und einem Zusatzwerkstoff hergestellt ist, wobei durch den Zusatzwerkstoff die Oxidationsbeständigkeit des Halteelements erhöht wird. Der Zusatzwerkstoff ist hierzu vorteilhaft dem Grundwerkstoff möglichst homogen beigemischt. Der verhältnismäßige Anteil an Zusatzwerkstoff, der dem Grundwerkstoff beigemischt wird, ist jeweils in Abhängigkeit des Grundwerkstoffs so zu bemessen, daß sich insgesamt eine ausreichende Passivierung des Halteelements gegen Oxidation einstellt. Der Teilbereich, in dem dem Grundwerkstoff ein Zusatzwerkstoff beigemischt wird, erstreckt sich bei Anordnung des Halteelements in einer Gießform zumindest über den Bereich zwischen der Gießform und einem in der Gießform angeordneten, durch das Halteelement gehalterten Gießkern. In diesen Bereich zwischen Gießform und Gießkern wird in einem Gießverfahren zur Herstellung eines Gußteils ein erschmolzener Gußwerkstoff, eine sogenannte Schmelze, eingegossen. Aufgrund der Oxidationsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Halteelements kommt es auch im Falle sehr hoher Temperaturen, wie sie beispielsweise während des Eingießens der Schmelze in die Gießform auftreten, zu keiner oder zu einer nur geringfügigen Oxidation (Verzunderung) des Halteelements. Bei Metallschmelzen sind Temperaturen von 1000°C und darüber durchaus üblich. Derart hohe Temperaturen, die die Oxidation fördern, treten aber beispielsweise auch bei der Herstellung der Gießform mittels eines Sinterverfahrens während des sogenannten Ausbackens der Gießform, d.h. dem Erhitzen der Gießform auf eine hohe Temperatur, auf.
Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäß ausgeführte Halteelement nach dem Erstarrungsprozeß vorteilhaft in dem Gußteil verbleiben kann. Aufgrund der sich nicht oder in nur geringem Umfang ausbildenden Oxidschicht kann es insbesondere durch ein Aufschmelzen der äußeren Schicht des Halteelements während des Eingießens der Schmelze und dem anschließenden Erstarren zur Ausbildung chemischer Bindungen zwischen dem Gußwerkstoff und dem Werkstoff des Halteelements kommen. Infolge der hierdurch bewirkten, sehr guten Verbindung zwischen dem Halteelement und dem Gußwerkstoff ist keine oder eine nur geringe lokale Schwächung des Gußteils im Bereich des Halteelements zu verzeichnen.According to the invention, this is achieved in that the holding element is produced at least in a partial area from at least one base material and an additional material, the additional resistance increasing the oxidation resistance of the holding element. For this purpose, the filler material is advantageously mixed with the base material as homogeneously as possible. The proportionate amount of filler material that is added to the base material is to be dimensioned depending on the base material in such a way that there is sufficient passivation of the holding element against oxidation. The sub-area in which an additional material is mixed with the base material extends when the holding element is arranged in a casting mold at least over the area between the casting mold and a casting core arranged in the casting mold and held by the holding element. A melted casting material, a so-called melt, is poured into this area between the casting mold and the casting core in a casting process for producing a casting. Due to the oxidation resistance of the holding element according to the invention, there is no or only slight oxidation (scaling) of the holding element even in the case of very high temperatures, such as occur during the pouring of the melt into the casting mold. Temperatures of 1000 ° C and above are quite common for molten metals. Such high temperatures, which promote oxidation, also occur, for example, during the manufacture of the casting mold by means of a sintering process during the so-called baking of the casting mold, ie the heating of the casting mold to a high temperature.
It has been found that the holding element designed according to the invention can advantageously remain in the casting after the solidification process. Because the oxide layer does not form or only to a small extent, in particular melting of the outer layer of the holding element during the pouring of the melt and the subsequent solidification can lead to the formation of chemical bonds between the cast material and the material of the holding element. As a result of the very good connection between the holding element and the cast material which is thereby caused, there is no or only a slight local weakening of the cast part in the region of the holding element.

Vorteilhaft ist der Grundwerkstoff gleich oder ähnlich dem Gußwerkstoff. Die Ähnlichkeit des Grundwerkstoffs zu dem Gußwerkstoff bezieht sich hierbei insbesondere auf die Festigkeit und/oder die thermische Ausdehnung des Werkstoffs sowie vorzugsweise auch auf die gegenseitige Löslichkeit der beiden Werkstoffe. Die Werkstoffkennwerte sollten vorzugsweise um nicht mehr als 20% voneinander abweichen. Besonders bevorzugt weichen die Werkstoffkennwerte um weniger als 10% voneinander ab. Ferner bezieht sich die Ähnlichkeit des Grundwerkstoffs zu dem Gußwerkstoff zweckmäßig auf eine ähnliche Resistivität der beiden Werkstoffe gegen Oxidation sowie vorteilhaft auf Festigkeitseigenschaften der beiden Werkstoffe im Hochtemperaturbereich, insbesondere die Kurzzeitfestigkeit, die Zeitfestigkeit und die Dauerfestigkeit sowie das Kriechverhalten. Als Hochtemperaturbereich gilt hierbei der Temperaturbereich zwischen 800° C und 1000° C. Die Festigkeitseigenschaften im Hochtemperaturbereich weichen bei einer Betrachtung der Bauteillebensdauer im Falle konstanter Temperaturbelastung bevorzugt um maximal ±50%, besonders bevorzugt um ±25% voneinander ab. Schwankt hingegen die Temperatur, so ist es vorteilhaft, wenn die beiden Werkstoffe so gewählt sind, daß sich im Falle einer Schwankung der Temperatur um 50° C, besonders bevorzugt bei einer Schwankung der Temperatur um 100°C, eine jeweils gleiche Lebensdauer der aus den beiden Werkstoffen hergestellten Bauteile einstellt. Vorteilhaft wiesen die beiden Werkstoffe darüber hinaus ähnliche Elastizitätsmodule auf, so daß sich an den Werkstoffgrenzen keine lokalen Spannungsüberhöhungen ausbilden. Die Elastizitätsmodule als auch vorteilhaft die Zugfestigkeit weichen hierbei zweckmäßig um ±25%, besonders bevorzugt um ±10%, voneinander ab. Im Zusammenhang mit der Bewertung der Ähnlichkeit der beiden verwendeten Werkstoffe ist es nicht erfordelich, daß immer alle hier angeführten Kriterien erfüllt sind. In Abhängigkeit des Einsatzgebietes des herzustellenden Gußteils und der hieraus resultierenden Anforderungen an das Gußteil kann auch im Falle des Erfüllt-Seins nur einer Auswahl der obigen Kriterien eine ausreichende Ähnlichkeit der beiden Werkstoffe gegeben sein.
Insbesondere im Falle der Gleichheit der Werkstoffe kommt es, sofern der Schmelzpunkt des Werkstoffs des Halteelements durch die Beimischung des Zusatzwerkstoffes nicht erheblich erhöht wurde, zu einem zumindest teilweise Erschmelzen des Halteelements. Aufgrund der uneingeschränkten Löslichkeit des Grundwerkstoffes in dem Gußwerkstoff im Falle der Verwendung des gleichen Werkstoffs für das Halteelement und einer vorteilhaften guten Löslichkeit im Falle der Verwendung eines dem Gußwerkstoff ähnlichen Grundwerkstoffs mischt sich der aufgeschmolzene Grundwerkstoff gut mit dem Gußwerkstoff. Bei dem sich an das Eingießen der Schmelze anschließenden Erstarrungsprozeß des Gußteils kommt es infolgedessen auch zur Ausbildung chemischer Bindungen zwischen dem Gußwerkstoff und dem Grundwerkstoff des Halteelements.The base material is advantageously the same or similar to the cast material. The similarity of the base material to the cast material relates in particular to the strength and / or the thermal expansion of the material and preferably also to the mutual solubility of the two materials. The material properties should preferably not differ from each other by more than 20%. The material characteristics deviate from one another particularly preferably by less than 10%. Furthermore, the similarity of the base material to the cast material suitably relates to a similar resistivity of the two materials to oxidation and advantageously to the strength properties of the two materials in the high temperature range, in particular the short-term strength, the fatigue strength and the fatigue strength, and the creep behavior. The high-temperature range here is the temperature range between 800 ° C. and 1000 ° C. The strength properties in the high-temperature range deviate from one another by a maximum of ± 50%, particularly preferably by ± 25%, when considering the component life in the case of constant temperature load. If, on the other hand, the temperature fluctuates, it is advantageous if the two materials are selected such that in the event of a temperature fluctuation by 50 ° C., particularly preferably if the temperature fluctuates by 100 ° C., the lifespan in each case is the same components manufactured using both materials. The two materials also advantageously had similar elasticity modules, so that no local stress increases occur at the material boundaries. The elasticity modules and advantageously the tensile strength in this case expediently differ from one another by ± 25%, particularly preferably by ± 10%. In connection with the assessment of the similarity of the two materials used, it is not necessary that all of the criteria listed here are always met. Depending on the area of application of the cast part to be produced and the resulting requirements for the cast part, even if only one selection of the above criteria is met, there may be sufficient similarity between the two materials.
In particular, if the materials are identical, if the melting point of the material of the holding element has not been significantly increased by the addition of the filler material, the holding element melts at least partially. Due to the unrestricted solubility of the base material in the cast material in the case of using the same material for the holding element and an advantageous good solubility in the case of using a base material similar to the cast material, the melted base material mixes well with the cast material. As a result, during the solidification process of the cast part following the pouring of the melt, chemical bonds are also formed between the cast material and the base material of the holding element.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das Halteelement zusätzlich zumindest in einem Teilbereich mit einer Decksicht aus einem oxidationsbeständigen Material beschichtet. Der mit einer Deckschicht beschichtete Teilbereich erstreckt sich hierbei vorteilhaft wiederum zumindest über den Bereich, der bei Anordnung des Halteelements in einer Gießform zwischen der Gießform und einem in der Gießform angeordneten, durch das Halteelement gehalterten Gießkern zu liegen kommt. Im Falle der Beschichtung des Halteelements kommt es während des Eingießens der Schmelze zunächst zu einem Erschmelzen und einem Abtrag der Beschichtungsschicht. Erst nach dem zumindest lokalen Abtrag der Beschichtungsschicht wird der Grundwerkstoff zusammen mit dem Zusatzwerkstoff erschmolzen. Der Werkstoff der Beschichtungsschicht kann hierzu aus einem hoch oxidationsbeständigen Werkstoff bestehen, der eine Oxidation des Halteelements zuverlässig verhindert. In einem solchen Fall ist es oftmals ausreichend, dem Grundwerkstoff eine geringere Menge Zusatzwerkstoff beizumischen, um eine unerwünscht starke Oxidation zu verhindern.In an advantageous embodiment, the holding element is additionally at least in a partial area with a covering made of an oxidation-resistant material coated. The partial area coated with a covering layer extends here again advantageously at least over the area which, when the Holding element in a mold between the mold and one in the Casting die arranged to be held by the holding element casting core is coming. In the case of the coating of the holding element, it occurs during the Pouring the melt first to melt and remove the Coating layer. Only after the at least local removal of the Coating layer becomes the base material together with the filler material melted. The material of the coating layer can do this from a high oxidation-resistant material consist of an oxidation of the holding element reliably prevented. In such a case, it is often sufficient to use the Base material to add a smaller amount of filler material to a to prevent undesirable strong oxidation.

Um die Verbindung des Halteelements mit dem Gußwerkstoff darüber hinaus zusätzlich zu verbessern, ist es vorteilhaft, das Halteelement in dem Bereich, in dem das Halteelement bei Anordnung in der Gießform zwischen dem Gießkern und der Gießform zu liegen kommt, mit einer unregelmäßig ausgeformten Gestalt auszuführen. Durch die unregelmäßig ausgeformte Gestalt stellt sich zwischen dem Halteelement und dem Gußwerkstoff nach der Erstarrung ein Formschluß ein, der neben den chemischen Bindungen eine feste Verbindung des Halteelements in dem Gußteil gewährleistet. In addition to the connection of the holding element with the cast material In addition to improve, it is advantageous to in the holding element in the area which the holding element when arranged in the mold between the casting core and the mold comes to rest, with an irregular shape to execute. Due to the irregular shape it stands between the Holding element and the cast material after solidification, a positive connection in addition to the chemical bonds, a firm connection of the holding element in guaranteed the casting.

Das Verfahren zur Herstellung von Gußteilen unter Verwendung von zumindest einem Gießkern umfaßt in einem ersten Arbeitsschritt das Herstellen einer Gießform. Die Herstellung der Gießform ist im Stand der Technik bekannt. In einem weiteren Arbeitsschritt wird zumindest ein erfindungsgemäßes Halteelement, wie oben ausgeführt, hergestellt und an einer zur Halterung eines Gießkerns geeigneten Position in der Gießform angeordnet. Es kann hier aber auch sein, daß das Halteelement als integrales Bestandteil der Gießform zusammen mit dieser hergestellt wird. In diesem Fall entfällt demgemäß auch der Arbeitsschritt des Anordnens des Halteelements in der Gießform. In einem weiteren Arbeitsschritt wird der Gießkern hergestellt und so in der Gießform angeordnet, daß der Gießkern von dem zumindest einen Halteelement gehaltert wird. Zwischen der Gießform und dem Gießkern verbleibt infolge der Halterung mittels des Halteelements ein Freiraum, in den in einem anschließenden Arbeitsschritt der erschmolzene Gußwerkstoff eingegossen wird. Durch ein sich anschließendes Abkühlen des Gußwerkstoffes kommt es zu einem Erstarren des Gußwerkstoffes in der Gießform. Zweckmäßig wird in einem weiteren Arbeitsschritt der Gießkern und die Gießform entfernt, wobei das Halteelement erfindungsgemäß in dem Gußteil verbleibt. Anschließend ist es vorteilhaft, das Gußteil zu putzen, d.h. überstehende Grate und auch Eingußsteiger in zumeist mechanischer Weise durch beispielsweise Schleifen zu entfernen.The process of making castings using at least In a first step, a casting core comprises the production of a Mold. The manufacture of the casting mold is known in the prior art. In one Another step is at least one holding element according to the invention, such as executed above, manufactured and on one for holding a casting core appropriate position in the mold. But it can also be the case here the holding element as an integral part of the mold together with this will be produced. In this case, the step of Arranging the holding element in the mold. In a further step the casting core is manufactured and arranged in the casting mold so that the casting core is held by the at least one holding element. Between the mold and the casting core remains due to the holder by means of the holding element Free space in which the melted in a subsequent step Casting material is poured in. By subsequently cooling the Casting material causes the casting material to solidify in the casting mold. The casting core and the casting mold are expedient in a further working step removed, the holding element according to the invention remaining in the casting. Then it is advantageous to clean the casting, i.e. protruding ridges and also injectors mostly in a mechanical manner, for example by grinding to remove.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1: einen Schnitt durch eine Zusammenstellanordnung einer Gießform mit einem in der Gießform angeordneten, erfindungsgemäßen Halteelement und einem von diesem Halteelement gehalterten Gießkern.
Figur 2: einen Schnitt durch eine zweite Zusammenstellanordnung einer Gießform mit einem in der Gießform angeordneten, erfindungsgemäßen Halteelement und einem von diesem Halteelement gehalterten Gießkern.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. It shows:

Figure 1: a section through an assembly arrangement of a casting mold with a holding element according to the invention arranged in the casting mold and a casting core held by this holding element.
Figure 2: a section through a second assembly arrangement of a casting mold with a holding element according to the invention arranged in the casting mold and a casting core held by this holding element.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.They are only the elements essential for understanding the invention shown.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

In Figur 1 ist ein Schnitt durch eine erste Zusammenstellanordnung einer Gießform 4 mit einem in der Gießform 4 angeordneten, erfindungsgemäßen Halteelement 1 und einem von diesem Halteelement 1 gehalterten Gießkern 5 dargestellt. Das Halteelement 1 ist hier als Stift mit einem zylindrischen Querschnitt ausgeführt, wobei der Stift eine stufenartige Verdickung aufweist. Alternativ könnte der Stift aber auch mit einem ovalen oder auch anders geformten Querschnitt mit gleichen Seiten (dreiecksförmig, quadratisch, fünfeckig, etc.) oder auch mit unregelmäßigen Seiten mit gerundeten Kanten und einer glatten Oberfläche (ohne Verstärkungsoder Fixierrippen) ausgeführt sein. Ferner ist der Stift bevorzugt mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 20 mm ausgeführt.
Der in Figur 1 dargestellte Stift ist in einer Bohrung in der Gießform 4 fixiert. Das in die Gießform 4 hineinragende Ende des Stiftes 1 grenzt unmittelbar an den Gießkern 5 an, wodurch dieser in seiner Position gehaltert wird. Das Stiftende kann hierbei flach oder auch rund oder auch anderweitig ausgeführt sein. Zweckmäßig ist es an die Kontur des Gießkerns 5 angepaßt.
Das in Figur 1 als Stift dargestellte Halteelement 1 ist aus einem Grundwerkstoff, hier eine Nickel-Basis-Legierung, und einem dem Grundwerkstoff zusätzlich beigemischten Zusatzwerkstoff hergestellt. Der dem Grundwerkstoff beigemischte Zusatzwerkstoff führt zu einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Halteelements. Die anteilsmäßige Menge an beizumischendem Zusatzwerkstoff ist jeweils abhängig von dem verwendeten Grundwerkstoff. Als Grundwerkstoff wiederum ist aus Gründen der Kompatibilität zu dem Gußwerkstoff, der bei Verwendung der Gießform zur Herstellung eines Gußteils verwendet wird, bevorzugt ein dem Gußwerkstoff gleicher oder ähnlicher Werkstoff zu wählen.
Insbesondere für thermisch oder mechanisch hoch belastete Bauteile, beispielsweise Schaufeln für Gasturbinen, wird zur Herstellung von Gußteilen oftmals eine Nickel-Basis-Legierung als Gußwerkstoff verwendet. Die chemische Zusammensetzung typischer Nickel-Basis-Legierungen, die als Gußwerkstoffe Verwendung finden, sind in den Tabellen 1 bis 3 aufgeführt.

Werkstoff: G-Ni 60CrMoTiAl LC; Feinguß Legierungsbestandteile (Angaben in Gewichts-% oder ppm) C 0,09 bis 0,13 B 0,007 bis 0,012 Si max. 0,05 Zr 0,02 bis 0,07 Mn max. 0,1 Fe max. 0,5 P max. 0,005 Cu max. 0,02 S max. 0,003 Bi max. 0,1 ppm Cr 15,7 bis 16,3 Tl max. 0,2 ppm Ni Rest Ag max. 0,4 ppm Co 8,0 bis 9,0 Pb max. 0,5ppm Mo 1,5 bis 2,0 Te max. 0,5 ppm W 2,4 bis 2,8 Se max. 1 ppm Ta 1,5 bis 2,0 Sn max. 20 ppm Nb 0,6 bis 1,1 Ga max. 20 ppm Al 3,2 bis 3,7 Mg max. 50 ppm Ti 3,2 bis 3,7 O₂ max. 15 ppm Al+Ti 6,5 bis 7,2 N₂ max. 50 ppm

Werkstoff: G-NiCr21Fe18Mo9; Stahlguß Legierungsbestandteile (Angaben in Gewichts-% und ppm) C max. 0,2 Ni Rest Si max. 1,0 Fe 17,0 bis 20,0 Mn max. 1,0 Mo 8,0 bis 10,0 P max. 0,04 Co 0,5 bis 2,5 S max. 0,03 W 0,2 bis 1,0 Cr 20,5 bis 23,0

1 shows a section through a first assembly arrangement of a casting mold 4 with a holding element 1 according to the invention arranged in the casting mold 4 and a casting core 5 held by this holding element 1. The holding element 1 is designed here as a pin with a cylindrical cross section, the pin having a step-like thickening. Alternatively, the pin could also be designed with an oval or other shaped cross-section with the same sides (triangular, square, pentagonal, etc.) or with irregular sides with rounded edges and a smooth surface (without reinforcing or fixing ribs). Furthermore, the pin is preferably made with a diameter between 0.5 mm and 20 mm.
The pin shown in Figure 1 is fixed in a bore in the mold 4. The end of the pin 1 protruding into the casting mold 4 directly adjoins the casting core 5, as a result of which the latter is held in its position. The end of the pin can be made flat or round or otherwise. It is expediently adapted to the contour of the casting core 5.
The holding element 1 shown as a pin in FIG. 1 is made from a base material, here a nickel-based alloy, and an additional material that is additionally mixed with the base material. The filler material mixed with the base material leads to an increase in the oxidation resistance of the holding element. The proportionate amount of filler material to be mixed depends on the base material used. For reasons of compatibility with the casting material that is used to produce a casting when the casting mold is used, the base material in turn should preferably be a material that is identical or similar to the casting material.
In particular for components that are subject to high thermal or mechanical stress, for example blades for gas turbines, a nickel-based alloy is often used as the casting material for the production of castings. The chemical composition of typical nickel-based alloys that are used as casting materials are listed in Tables 1 to 3.

Material: G-Ni 60CrMoTiAl LC; Investment casting Alloy components (figures in% by weight or ppm) C. 0.09 to 0.13 B 0.007 to 0.012 Si Max. 0.05 Zr 0.02 to 0.07 Mn Max. 0.1 Fe Max. 0.5 P Max. 0.005 Cu Max. 0.02 S Max. 0.003 Bi Max. 0.1 ppm Cr 15.7 to 16.3 Tl Max. 0.2 ppm Ni rest Ag Max. 0.4 ppm Co 8.0 to 9.0 Pb Max. 0.5ppm Mon 1.5 to 2.0 Te Max. 0.5 ppm W 2.4 to 2.8 Se Max. 1 ppm Ta 1.5 to 2.0 Sn Max. 20 ppm Nb 0.6 to 1.1 Ga Max. 20 ppm Al 3.2 to 3.7 Mg Max. 50 ppm Ti 3.2 to 3.7 O ₂ Max. 15 ppm Al + Ti 6.5 to 7.2 N ₂ Max. 50 ppm

Material: G-NiCr21Fe18Mo9; Cast steel Alloy components (figures in% by weight and ppm) C. Max. 0.2 Ni rest Si Max. 1.0 Fe 17.0 to 20.0 Mn Max. 1.0 Mon 8.0 to 10.0 P Max. 0.04 Co 0.5 to 2.5 S Max. 0.03 W 0.2 to 1.0 Cr 20.5 to 23.0

Wird zur Gußteilherstellung eine Nickel-Basis-Legierung verwendet, so ist es demgemäß von Vorteil, dieselbe Nickel-Basis-Legierung oder einen dieser Nickel-Basis-Legierung ähnlichen Werkstoff als Grundwerkstoff für das Halteelement zu verwenden. Eine Ähnlichkeit der Werkstoffe ist dann gegeben, wenn die Werkstoffkennwerte der betrachteten Werkstoffe, insbesondere die Festigkeit und/oder die thermische Ausdehnung sowie vorzugsweise die Löslichkeit der Werkstoffe miteinander, in einem nur engen Bereich voneinander abweichen.If a nickel-based alloy is used for the production of castings, it is accordingly advantageous, the same nickel-based alloy or one of these nickel-based alloys similar material as the base material for the holding element use. The materials are similar if the Material characteristics of the materials under consideration, especially the strength and / or the thermal expansion and preferably the solubility of the Materials with each other, differ from each other in only a narrow range.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß insbesondere bei Verwendung einer Nickel-Basis-Legierung als Grundwerkstoff für das Halteelement 1, wie dies in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist, eine Beimischung eines der Elemente der Gruppe umfassend die Elemente Yttrium, Lanthan, Magnesium und die Seltenerdmetalle oder einer Kombination dieser Elemente besonders vorteilhaft ist, um eine hohe Oxidationsbeständigkeit des Haltelements 1 zu erzielen. Bevorzugt werden die Elemente der Gruppe oder Kombinationen dieser Elemente in einem der nachfolgenden Gewichtsverhältnissen dem Grundwerkstoff beigemischt:

0-500 ppm, bevorzugt 100-250 ppm, bei alleiniger Beimischung von Magnesium;
1-500 ppm, bevorzugt 5-100 ppm, bei jeweils alleiniger Beimischung von Yttrium bzw. Lanthan;
1-500 ppm Gesamtmenge des Zusatzwerkstoffes, bevorzugt 5-100 ppm Gesamtmenge des Zusatzwerkstoffes, bei Beimischung von Yttrium und Lanthan,
1-1000 ppm, bevorzugt 5-100 ppm, bei Beimischung eines oder mehrerer der Seltenerdmetalle.

It has surprisingly been found that, in particular when using a nickel-based alloy as the base material for the holding element 1, as is the case in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, an admixture of one of the elements of the group comprising the elements yttrium, lanthanum, Magnesium and the rare earth metals or a combination of these elements is particularly advantageous in order to achieve a high oxidation resistance of the holding element 1. The elements of the group or combinations of these elements are preferably added to the base material in one of the following weight ratios:

0-500 ppm, preferably 100-250 ppm, when magnesium is added alone;
1-500 ppm, preferably 5-100 ppm, each with the sole admixture of yttrium or lanthanum;
1-500 ppm total amount of filler material, preferably 5-100 ppm total amount of filler material, with the addition of yttrium and lanthanum,
1-1000 ppm, preferably 5-100 ppm, when one or more of the rare earth metals are added.

Durch die erfindungsgemäße Beimischung des Zusatzwerkstoffes wird eine Oxidation (Verzunderung) des Werkstoffes zuverlässig auch dann verhindert, wenn hochoxidierende Umgebungsbedingungen vorliegen, d.h. beispielsweise im Falle eines ausreichenden Sauerstoffangebots bei gleichzeitig sehr hohen Umgebungstemperaturen. The admixture of the filler material according to the invention results in a Oxidation (scaling) of the material is reliably prevented even if highly oxidizing environmental conditions exist, i.e. for example in the case a sufficient supply of oxygen with a very high level at the same time Ambient temperatures.

Während des Gießprozesses wird geschmolzener Gußwerkstoff, sogenannte Schmelze, in den zwischen dem Gießkern 5 und der Gießform 4 verbleibenden Freiraum 6 eingegossen. Das Halteelement 1 wird hierbei vollständig von Schmelze umschlossen. Aufgrund der hohen Temperaturen der Schmelze kommt es zu einem zumindest teilweisen Erschmelzen des Halteelements 1 und bei dem anschließenden Abkühlvorgang zu einem Erstarren der Schmelze unter Ausbildung chemischer Bindungen zwischen Atomen des Halteelements 1 und der zugeführten Schmelze. Hieraus resultiert eine sehr gute Verbindung des Halteelements 1 mit der erstarrten Schmelze.
Im Anschluß an das Eingießen der Schmelze in die Gießform 4 und dem Erstarren der Schmelze wird in einem weiteren Arbeitsschritt sowohl die Gießform 4 als auch der Gießkern 5 entfernt. Das mit dem Gußteil verbundene Halteelement 1 verbleibt jedoch in dem Gußteil und wird in einem weiteren, zweckmäßigen Arbeitsschritt beispielsweise durch Schleifen so bearbeitet, daß es konturbündig mit dem Gußteil abschließt.
Das erfindungsgemäß auf diese Weise hergestellte Gußteil weist in dem Bereich des in dem Gußteil verbliebenen Halteelements 1 keine oder nur geringfügig verschlechterten Werkstoffeigenschaften auf.During the casting process, molten casting material, so-called melt, is poured into the free space 6 remaining between the casting core 5 and the casting mold 4. The holding element 1 is completely surrounded by melt. Because of the high temperatures of the melt, there is at least partial melting of the holding element 1 and during the subsequent cooling process the melt solidifies with the formation of chemical bonds between atoms of the holding element 1 and the supplied melt. This results in a very good connection of the holding element 1 with the solidified melt.
Following the pouring of the melt into the casting mold 4 and the solidification of the melt, both the casting mold 4 and the casting core 5 are removed in a further working step. However, the holding element 1 connected to the casting remains in the casting and is processed in a further, expedient working step, for example by grinding, in such a way that it is flush with the casting.
The cast part produced in this way according to the invention has no or only slightly deteriorated material properties in the region of the holding element 1 remaining in the cast part.

Der in Figur 1 dargestellte Stift 1 weist eine Querschnittsveränderung in Form eines Absatzes 7 auf, wobei der Absatz 7 des Stiftes 1 bei Anordnung des Stiftes 1 in der Gießform 4 in der dargestellten Weise in dem Bereich zwischen der Gießform 4 und dem Gießkern 5 zu liegen kommt. Nach dem Erstarren des Gußwerkstoffes wirkt die Querschnittsveränderung 7 des Stiftes 1, sofern der Stift 1 während des Gießprozesses nicht vollständig erschmolzen wurde und sich demgemäß nicht vollständig mit dem Gußwerkstoff vermischt hat, ähnlich einer Wellenschulter und führt neben den chemischen Bindungen, die sich während des Erstarrens zwischen dem Gußwerkstoff und dem Halteelement ausgebildet haben, zusätzlich zu einer formschlüssigen Verbindung des Halteelements 1 in dem hergestellten Gußteil.The pin 1 shown in Figure 1 has a cross-sectional change in the form of a Paragraph 7, the paragraph 7 of the pin 1 when the pin 1 is arranged in the Casting mold 4 in the manner shown in the area between the casting mold 4 and the casting core 5 comes to rest. After the cast material has solidified acts the cross-sectional change 7 of the pin 1, provided that the pin 1 during Casting process was not completely melted and accordingly not has completely mixed with the casting material, similar to a shaft shoulder and leads alongside the chemical bonds that occur during solidification between have formed the cast material and the holding element, in addition to one positive connection of the holding element 1 in the cast part.

Alternativ kann der Stift 1, wie in Figur 2 dargestellt, in dem Bereich zwischen der Gießform 4 und dem Gießkern 5 auch bauchig ausgeführt sein. Durch die bauchig ausgeführte Querschnittsveränderung des Stiftes wird eine formschlüssige Verbindung des Halteelements 1 in dem Gußteil sichergestellt.Alternatively, the pin 1, as shown in Figure 2, in the area between the Casting mold 4 and the casting core 5 can also be of bulbous design. Through the bulbous executed cross-sectional change of the pin becomes a positive Connection of the holding element 1 ensured in the casting.

Insbesondere in den Fällen, in denen eine Nickel-Basis-Legierung als Gußwerkstoff Verwendung findet, erwies es sich zudem als äußerst vorteilhaft, das Halteelement mit einer Deckschicht zu beschichten. Die Deckschicht besteht hierbei vorteilhaft aus einem Werkstoff aus der Gruppe umfassend Cr, Al, Pt, Au, Platinoxid, MCrAIY oder Kombinationen hieraus. Wird die Deckschicht ausreichend dünn ausgeführt, beispielsweise nur 0,1 µm bis maximal 2000µm dick, so wird diese Deckschicht des Halteelements in dem Bereich des Freiraums zwischen dem Gießkern und der Gießform während des Eingießens der Schmelze vollständig von der Schmelze aufgeschmolzen und von dem Halteelement wegtransportiert. Nach dem Abtrag der Deckschicht wird im weiteren Verlauf des Gießprozesses der Grundwerkstoff des Halteelements aufgeschmolzen, so daß sich in dem anschließenden Erstarrungsvorgang chemische Bindungen zwischen dem Halteelement und dem Gußwerkstoff ausbilden. Vorteilhaft ist es im Falle einer Deckschicht möglich, dem Grundwerkstoff auch weniger Zusatzwerkstoff als oben aufgeführt beizumischen. Durch die geringere Beimischung von Zusatzwerkstoff wird das Halteelement auch in einem nur geringeren Maße resistiv gegen Oxidation. Die Restresistivität gegen Oxidation ist aber in diesem Falle ausreichend, um eine unerwünscht übermäßige Oxidbildung zu verhindern, da diese Oxidbildung erst nach dem Abtrag der Decksicht des Halteelements erfolgen kann. Insbesondere bei Verwendung von einem dem Gußwerkstoff gleichen Grundwerkstoff läßt sich hierdurch eine homogenere Werkstoffzusammensetzung des Gußteils im Bereich des Halteelements erzielen. Especially in cases where a nickel-based alloy is used as the casting material Is used, it also proved to be extremely advantageous, the holding element to be coated with a top layer. The cover layer is advantageous here from a material from the group comprising Cr, Al, Pt, Au, platinum oxide, MCrAIY or combinations of these. If the top layer is made sufficiently thin, For example, only 0.1 µm to a maximum of 2000 µm thick, this top layer of the Holding element in the area of the free space between the casting core and the Casting mold completely from the melt during pouring of the melt melted and transported away from the holding element. After the removal of the In the further course of the casting process, the base layer becomes the base material of the Holding element melted, so that in the subsequent Solidification process chemical bonds between the holding element and the Form the casting material. It is advantageously possible in the case of a cover layer Base material also add less filler material than listed above. Due to the lower admixture of filler material, the retaining element is to a lesser extent resistant to oxidation. The residual resistivity against In this case, however, oxidation is sufficient to make undesirably excessive Prevent oxide formation, since this oxide formation only after the removal of the Cover view of the holding element can be done. Especially when using a base material that is the same as the casting material can be thereby more homogeneous material composition of the casting in the area of Achieve holding element.

BezugszeichenlisteReference list

11: Halteelement / StiftHolding element / pin
22nd: GrundformBasic form
44th: GießformMold
55: GießkernPouring core
66: Bereich zwischen Gießform und GießkernArea between mold and core
77: QuerschnittsverengungCross-sectional narrowing

Claims

Holding element (1) for holding a casting core (5) in a casting mold (4), that at least in a partial area from a base material and a Is made of filler material, the by the filler material Oxidation resistance of the holding element is increased.

Holding element according to claim 1,
the base material being the same or similar to a casting material used for the production of castings.

Holding element according to one of the preceding claims,
wherein the base material of the holding element (1) is a nickel-based alloy.

Holding element according to one of the preceding claims,
wherein the filler material consists of a group comprising the elements yttrium, lanthanum, magnesium and rare earth metals or combinations of these elements.

Holding element according to claim 4,
the filler material being mixed in one of the following weight ratios:

0-500 ppm, preferably 100-250 ppm, when magnesium is added alone;

1-500 ppm, preferably 5-100 ppm, each with the sole admixture of yttrium or lanthanum;

1-500 ppm total amount of filler material, preferably 5-100 ppm total amount of filler material, with the addition of yttrium and lanthanum,

1-1000 ppm, preferably 5-100 ppm, when one or more of the rare earth metals are added.

Holding element according to one of the preceding claims,
wherein the holding element (1) is designed as a pin and the diameter of the pin is preferably between 0.5 mm and 20 mm.

Holding element according to one of the preceding claims,
wherein the holding element (1) has an irregularly shaped shape in the region which comes to lie when the holding element is arranged in the casting mold (4) between the casting mold (4) and the casting core (5).

Holding element according to one of the preceding claims,
wherein the holding element is coated at least in some areas with a cover layer made of an oxidation-resistant material.

A method for producing castings using at least one casting core, the method comprising the following steps

a) arranging at least one holding element according to one of the preceding claims 1 to 8 in a casting mold at a position suitable for holding the casting core;

b) arranging the casting core in the casting mold so that the casting core is held by the at least one holding element;

c) Pouring the casting material into the free space remaining between the casting core and the casting mold.

Method according to claim 9,
also comprehensive the work steps
d) removing the mold core and the mold, with the holding element remaining in the casting;

Casting,
characterized in that
at least one holding element for holding a casting core according to one of claims 1 to 8 is contained in the casting.