WO1998020995A2 - Method and device for directed solidification of a molten mass - Google Patents

Method and device for directed solidification of a molten mass Download PDF

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WO1998020995A2
WO1998020995A2 PCT/EP1997/006197 EP9706197W WO9820995A2 WO 1998020995 A2 WO1998020995 A2 WO 1998020995A2 EP 9706197 W EP9706197 W EP 9706197W WO 9820995 A2 WO9820995 A2 WO 9820995A2
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melt
casting mold
bath
metal
cooling
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PCT/EP1997/006197
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German (de)
French (fr)
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WO1998020995A3 (en
Inventor
Andreas Lohmüller
Peter Krug
Robert Singer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Tfb Feingusswerk Bochum Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • 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 the directional solidification of a melt of a metal in a casting mold, the method heating the melt and the casting mold to a first temperature above the melting point of the metal and then cooling the melt in the casting mold by immersing the casting mold in a bath from a liquid cooling medium which is at a second temperature which is below the melting point of the metal.
  • the invention further relates to a device for directional solidification of a melt with a heating chamber, which has a heating zone for maintaining a first temperature above the melting point of the metal in the melt and the casting mold.
  • the device has a crucible arranged below the heating chamber with a bath of a liquid cooling medium, which is at a second temperature which is below the melting point of the metal, and a driving device for moving the casting mold from the heating zone into the bath.
  • a method or a device for the directional solidification of a melt is used if a piece with a crystalline or single-crystal structure is to be formed from a melt. This comes into question in particular when producing a turbine blade for a gas turbine from a melt of a nickel-based or cobalt-based alloy, in particular a superalloy, as described in WO 96/05006 AI.
  • a covering layer of flowable material is arranged on the cooling medium, which is in particular tin. This completely shields the bath, even while the casting mold is entering the bath, since the flowable bulk material always tightly encloses the casting mold, even if its cross section changes during penetration of the Top layer changed.
  • WO 96/05006 AI is a rational and series production of castings with dimensions that enables the use of directional solidification for components of stationary gas turbines with nominal powers up to 200 MW and beyond, in particular for turbine blades.
  • a method and a device for producing small turbine blades with a directionally solidified structure is known from DE 28 15 818 AI.
  • Immersing the casting mold in the cooling bath which consists in particular of liquid tin, serves to create a zone in the casting mold and the melt with a steep vertical temperature gradient. With increasing immersion of the casting mold in the bath, this zone migrates through the melt against the direction in which the casting mold is immersed.
  • An advantage of a steep temperature gradient is that it enables a quick and inexpensive manufacturing process.
  • in order to prevent radiation from the heating chamber from heating the bath in the device according to DE 28 15 881 AI on the underside of the heating chamber is directed towards the casting mold, generally as
  • a separating plate made of a heat-insulating material floats on the bath, which has an opening for immersing the casting mold in the melt.
  • the bath has cooling coils in its upper area for cooling the tin and heating elements in its lower area.
  • DE-AS 19 53 716 shows a container with a bath for cooling a melt in a casting mold, the surface of the bath being covered with a heat-insulating cover layer.
  • the bath consists of liquid lead or a salt, as used in connection with salt bath stoves.
  • the purpose of the heat-insulating layer is to prevent oxidation and excessive cooling of the bath.
  • the bathroom has no direct relation to a heating device; rather it is surrounded by a cooling line, with the help of which the temperature of the lead or the salt is to be kept constant.
  • the bath is used by first inserting the empty mold and then filling it with the melt to be solidified. Directed solidification of the melt is not intended; the creation of a special distribution of the temperature inside the melt or of the casting formed therefrom is likewise not the subject of DE-AS 19 53 716.
  • heating and cooling coils are provided for generating and amplifying convection currents in the liquid bath, as a result of which an almost exactly the same temperature is maintained for the part of the bath in which the mold is embedded.
  • the embedding of the mold results in a very rapid heating of the surrounding liquid and causes one upward flow to the surface.
  • the cooling coils near the top of the liquid bath serve to cool the liquid adjacent them and cause a downward flow along the inner surface of the tank towards the bottom of the tank. There the liquid is heated up by the heating coils and an upward flow to the center of the tank is effected. As a result, a circulating device may. omitted. After the melt has solidified, the casting mold is removed upward from the heating chamber.
  • EP 0 631 832 A1 specifies a process for the directional solidification of a molten metal and a casting device for carrying out the process.
  • the casting mold which is not specified in more detail, is introduced into a cooling melt, a container receiving the cooling melt being moved relative to a heating chamber.
  • the heating chamber can also be moved relative to the container for the cooling melt.
  • DE 42 09 227 Cl relates to a device and a method for producing components from superalloys.
  • a liquid metal alloy is produced in a casting mold or mold shell for a component or is introduced into this casting mold or mold shell from the outside.
  • the liquid metal alloy is brought into a metastable supercooled state by progressive cooling, with a location being determined at which the greatest subcooling occurs.
  • This metastable state of the supercooled liquid metal alloy is destroyed at the point with the greatest supercooling, so that the liquid metal alloy solidifies and forms a dendritic crystal structure.
  • the dendritic crystal structure is transferred as a single crystal from the side of the strongest supercooling via a selector to the liquid metal alloy, which is located in the molded shell.
  • a casting mold In order to ensure single crystallinity, a casting mold is used, the inside of which is provided with aluminum oxide or boron oxide. This is where it comes from Boron oxide in contact with the melt to be solidified and thereby prevents nucleation between the inside of the casting mold and the melt.
  • the metal alloy low in germs before it is introduced into the casting mold, the melt is brought into contact with a boron oxide slag and heated to over 1500 ° C.
  • the object on which the invention is based is the method and the device of the type mentioned with regard to a higher temperature of the bath and / or an improved heat dissipation from the bath, especially when inserting the mold with the melt into it Bad, to be further developed while guaranteeing targeted solidification.
  • the object directed to a method for the directional solidification of a melt of a metal in a casting mold is achieved in that a heat exchange is carried out between the cooling medium and an inorganic heat exchange medium in order to regulate the second temperature, the temperature of the cooling medium in the bath.
  • This heat exchange preferably causes cooling of the cooling medium during and / or after immersing the casting mold in the cooling medium, so that the second temperature is kept largely constant even during immersion.
  • the heat exchange medium extracts additional heat from the cooling medium and in turn releases this heat to the environment or a second heat exchange medium, such as cooling water or cooling air.
  • the heat exchange medium is preferably a salt or has at least one salt.
  • the salt is preferably an alkali hydroxide, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate. Cooling air is preferably used as the second heat exchange medium.
  • Such an inorganic heat exchange medium in particular a heat transfer salt, has the advantage that it is generally non-toxic, non-flammable and not hazardous to water.
  • such inorganic heat exchange media are inexpensive and can be produced on an industrial scale. They also enable a large temperature working range, in particular between 140 ° C to 650 ° C. They also have a low corrosion rate.
  • the melting point of the heat exchange medium is preferably between 100 ° C and 200 ° C, in particular between 130 ° C and 170 ° C. It is therefore preferably also suitable for regulating the temperature of a metallic liquid cooling medium, in particular tin. In this case it is ensured that the second temperature is kept above 240 ° C., so that immersion of the casting mold in the tin bath is ensured at all times. Through a heat exchange with the inorganic heat exchange medium, the temperature of the tin is kept at a low level above 240 ° C., so that a steep temperature gradient of the melt of the metal in the casting mold remains guaranteed.
  • Heat exchanger salts based on sodium hydroxide and potassium hydroxide and based on an alkali metal nitrate or an alkali metal nitrate such as sodium nitrite are sold, for example, by Durferrit GmbH Thermotechnik, Hanau, Germany, under the name Durferrit AS 140, Durferrit GS 230.
  • Such heat transfer salts have a density in the melt between 1700 kg / m 3 and 2000 kg / m 3 and a melting point of about 140 ° C.
  • a floating, flowable cover layer made of a heat-insulating bulk material is preferably applied to the cooling medium, through which the casting mold with the melt is immersed into the bath becomes.
  • This top layer can be relatively can be generated with little effort and inexpensively by using flowable and insulating solid bodies.
  • Solid solid spheres and / or hollow bodies, preferably hollow spheres, are used in particular as such solid bodies. These are preferably made of aluminum, magnesium or zirconium oxide. They have an outer diameter between a lower limit of 0.06 mm and an upper limit of 0.4 mm. When using hollow bodies, they have an outer diameter between 0.5 mm and 3 mm, preferably about 1 mm, and are made of an aluminum oxide-silicon dioxide
  • the solid bodies are preferably constructed from a material such as cannot be wetted by the cooling medium, in particular tin. This ensures that when a metal is used as the cooling medium, an incorporation of this metal into the cover layer and thus the formation of an undesirable thermal bridge is avoided.
  • a melt for example from an inorganic salt, the non-wettability is of less importance.
  • the process is preferably carried out for the purpose of avoiding the formation of oxidic slags on the bath in the absence of oxygen, preferably under vacuum.
  • the avoidance of oxidic slags on the bath largely prevents the bulk material from sticking to the top layer.
  • the vacuum is preferably maintained at a residual pressure of 10 "3 bar, more preferably at most 10 " 4 mbar.
  • the method of any configuration is used in particular for the directional solidification of a metal in the form of a nickel-based or cobalt-based alloy, in particular a superalloy, as is usually taken into account in connection with turbine blades for gas turbines, in particular stationary gas turbines.
  • an inorganic salt with at least one alkali hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate as a cooling medium in addition to a metal such as aluminum or tin.
  • Such inorganic salts allow a wide temperature range, for example between 160 ° C and 1200 ° C.
  • the inorganic salts used preferably have a boiling point above 1200 ° C., in particular above 1400 ° C.
  • inorganic salts are easy to remove from the casting.
  • they enable good wetting of the preferably ceramic casting mold and, as a result, good heat transfer.
  • They are easy to handle, and the cooling medium can be circulated in the bath by means of inexpensive pumps.
  • a lower density compared to a metallic cooling medium, for example tin, by a factor of 3 to 4 reduces buoyancy forces in the region of the attachment of the casting mold to a quenching plate.
  • a simple locking mechanism for example a bayonet lock, can also be used effectively.
  • boron oxide which has a high boiling point of around 1800 ° C and a melting point of 450 ° C. Due to its very high boiling point, the boron oxide (B 2 0 3 ) enables a bath temperature of over 600 ° C. It is extremely low corrosive and stable even at very high temperatures, so that decomposition is avoided.
  • the boron oxide is therefore particularly suitable as a cooling medium for a bath for carrying out a directional solidification of a metal in a casting mold.
  • the melt of the boron oxide is preferably kept at a second temperature between 450 ° C. and 750 ° C., in particular above 550 ° C.
  • a floating, flowable cover layer made of a heat-insulating bulk material is preferably also provided in this case on the cooling medium, the boron oxide.
  • the object directed to a device for a device according to the preamble of claim 15 is achieved in that the crucible arranged below the heating chamber for heat exchange is connected to a cooling system comprising at least one cooling channel for throughflow with an inorganic heat exchange medium.
  • the cooling channel is preferably wound helically around the crucible.
  • the crucible is preferably designed as a double-walled container having the cooling channel.
  • Such a double-walled container is particularly easy to manufacture by attaching corresponding L- or T-profile strips to the crucible, which form partitions for cooling channels to be formed.
  • An outer wall is at least selectively attached to these profile strips, in particular welded.
  • the cooling system preferably has a heating device by means of which the cooling system is heated in such a way that inorganic cooling medium guided in the cooling system is kept above its melting point.
  • a cover layer of floating, flowable bulk material is preferably indicated on the cooling medium.
  • the cover layer preferably has a thickness of between 30 mm and 50 mm in order to ensure adequate thermal insulation. It is preferably designed and arranged such that the distance between the heating zone and the surface of the bath is as small as possible in order to produce the largest possible temperature gradient. It therefore preferably extends up to the heating chamber.
  • the device is more preferably enclosed by an evacuable and / or fillable protective vessel in order to prevent the effect of harmful gases such as oxygen on the metal or the cooling medium and, if necessary, the spread of heat by forming a vacuum in the protective vessel prevent by convection.
  • the temperature inside the vessel can be up to 300 ° C, which in particular also ensures that organic deposits are removed by the pumping process required to maintain the vacuum and neither the device nor the heat-sensitive liquid metals and / or organic Can affect heat exchange media.
  • the device and the method are explained in more detail on the basis of the exemplary embodiment shown in the drawing. To clarify the specific details, the drawing is not to scale and, if necessary, slightly distorted.
  • the single figure shows a vertical section through a device according to the invention with a casting mold which contains a melt to be cooled.
  • the figure shows a melt 1 of a metal, in particular a superalloy for the production of turbine blades 8, in a casting mold (2) which, for the purpose of cooling, is to be immersed in a bath 3 of a liquid cooling medium, preferably tin, an inorganic salt or boron oxide.
  • the liquid cooling medium is at a second temperature, which is lower than the first temperature of the melt 1.
  • the bath 3 is covered by a cover layer 4, which consists of a flowable, heat-insulating bulk material made of spherical solids 5, 6 (hollow balls 5, solid balls 6 ) is covered.
  • the hollow balls 4 are preferably made of a ceramic material, such as silicon dioxide-aluminum oxide (mullite).
  • Solid balls 6 are preferably made of a material such as aluminum oxide, magnesium oxide or zirconium oxide. Solid out A solid material can also consist, for example, of powder particles 6 of a commercially available powder.
  • the cover layer 4 significantly reduces the heat input from the heating zone 7, in which the casting mold 2 with the melt 1 is initially held, into the bath 3.
  • the casting mold 2 is in the heating zone 7 at a very high first temperature, in particular around 1600 ° C.
  • a high temperature gradient corresponding to a particularly high temperature gradient, forms in the interior of the cover layer 4.
  • melt 1 Due to the heat input into the melt 1 and the casting mold 2 in the heating zone 7, and due to the heat discharge from the melt 1 and the casting mold 2 in the bath 3, the melt 1 arises in the area where the casting mold 2 covers the top layer 4 traverses, also a high temperature gradient.
  • a high temperature gradient causes a directed solidification of the melt 1 to form a workpiece or several workpieces, in particular a turbine blade 8 with a columnar-crystalline or single-crystal structure.
  • the heating zone 7 is located in a heating chamber 9, which is placed on a crucible 10, which contains the bath 3.
  • the crucible 10 is surrounded by a cooling system 20 with at least one cooling channel 21.
  • the cooling channel 21 is formed by a double-walled design of the crucible 10, in which a plurality of partition walls 25 are arranged between an inner wall 23 and an outer wall 24 of the crucible 10, through which a cooling channel 21 or a plurality of cooling channels 21 are formed.
  • the partition walls 25 can be produced by metal supports with an L-shaped or T-shaped profile, the outer wall 24 being attached, in particular welded, at least at certain points to these partition walls 25. It is also possible to form cooling channels 21 by pipes coupled to the crucible 10 in terms of heat technology.
  • the cooling channel 21 is designed for a through-flow with an inorganic heat exchange medium, in particular an inorganic salt based on an alkali hydride, an alkali nitrite and / or an alkali nitrate. Since such heat exchange media 19 have a melting point of above have half 130 ° C, a heating device 22, in particular in the form of electrically heatable mats, is applied to the cooling duct 21 in terms of heat technology. With the heat exchange medium 19, heat is preferably withdrawn from the bath 3 during and / or after immersion of the casting mold 2 in the bath 3, so that the second temperature remains largely constant even during the directional solidification of the melt 1. It is also possible to heat the bath 3 via the heat exchange medium 19.
  • an inorganic heat exchange medium in particular an inorganic salt based on an alkali hydride, an alkali nitrite and / or an alkali nitrate. Since such heat exchange media 19 have a melting point of above have half 130 ° C, a heating device 22, in particular
  • a driving device 11 protrudes into the interior of the heating chamber 9, symbolized by a holding frame 11 with or with which the casting mold 2 can be moved and in particular can be immersed into the bath 3 from the heating zone 7.
  • a seal of the bath 3, and associated desired positioning of the bath
  • Oxidize melt 1 could keep away from the device.
  • the protective vessel 13 can be evacuated and / or with a suitable protective gas, e.g. Argon, be filled.
  • the casting mold 2 rests on a cooling plate 14, which should also partially immerse in the bath 3 when the casting mold 2 itself does not do this. This serves to cool the lower area of the casting mold 2, if necessary, even before the melt 1 is poured in. This ensures a suitable initial temperature distribution for the directional solidification of the melt 1, which is achieved by slowly immersing the casting mold 2 in the bath 3.
  • the cooling plate 14 can optionally be omitted.
  • a plurality of heating elements 15, for example resistance heating elements, inductively acting susceptors or the like, are arranged vertically one above the other in the heating zone 7.
  • the heating chamber 9 is lined Det with an insulating liner 16.
  • the heating chamber 9 is covered with a lid 17 which has a corresponding passage for the support frame 11.
  • insulating rings 18 Arranged between the heating elements 15 are insulating rings 18 which, depending on the size and shape of the casting mold 2, may allow one or more of the heating elements 15 to be left unused, starting from above, or in the heating power generated in each case with regard to a desired distribution of the temperature adapt.
  • the invention is characterized in that, on the one hand, better heat dissipation is achieved even at higher bath temperatures by means of an inorganic heat exchange medium, in particular a melt of a salt containing an alkali metal hydroxide, an alkali metal nitrite and / or an alkali metal nitrate.
  • a cooling medium is provided for the directional solidification of the metallic melt, which is preferably boron oxide. Due to its high boiling point, boron oxide allows directional solidification to be carried out at a high temperature of over 400 ° C, especially over 500 ° C.
  • a melt of an inorganic salt for example an alkali metal hydroxide or an alkali metal nitrite and / or an alkali metal nitrate with a correspondingly high boiling point, can also be provided as an alternative cooling medium.

Abstract

The invention relates to a method for directed solidification of a molten mass (1) of a metal in a casting mould (2). The molten mass (1) is prepared in a casting mould (2) at a first high temperature and directely solidified by dipping the casting mould (2) in a bath (3) consisting of a liquid cooling medium at a lower second temperature. To regulate the second temperature, heat exchange is conducted between the cooling medium and an inorganic heat transfer medium (19). Independently thereof or complementary thereto, boroxide or an inorganic salt containing an alkali hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate is used as cooling medium. The invention further relates to a device for directed solidification of a molten mass (1).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer SchmelzeMethod and device for the directional solidification of a melt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze eines Metalls in einer Gießform, wobei das Verfahren das Aufheizen der Schmelze und der Gießform auf eine erste Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls und anschließendes Abkühlen der Schmelze in der Gießform durch Eintauchen der Gießform in ein Bad aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, welche unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, umf ßt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze mit einer Heizkammer, welche eine Heizzone zur Aufrechterhaltung einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls in der Schmelze und der Gießform aufweist. Die Vorrichtung hat einen unterhalb der Heizkammer angeordneten Tiegel mit einem Bad aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, sowie eine Fahreinrichtung zur Bewegung der Gießform aus der Heizzone in das Bad.The invention relates to a method for the directional solidification of a melt of a metal in a casting mold, the method heating the melt and the casting mold to a first temperature above the melting point of the metal and then cooling the melt in the casting mold by immersing the casting mold in a bath from a liquid cooling medium which is at a second temperature which is below the melting point of the metal. The invention further relates to a device for directional solidification of a melt with a heating chamber, which has a heating zone for maintaining a first temperature above the melting point of the metal in the melt and the casting mold. The device has a crucible arranged below the heating chamber with a bath of a liquid cooling medium, which is at a second temperature which is below the melting point of the metal, and a driving device for moving the casting mold from the heating zone into the bath.
Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze wird angewendet, wenn aus einer Schmelze ein Stück mit stengelkristallinem oder einkristallinem Gefüge gebildet werden soll. Dies kommt insbesondere in Frage bei der Herstellung einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine aus einer Schmelze einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, insbesondere einer Superlegierung, wie es in der WO 96/05006 AI beschrieben ist. Auf dem Kühlmedium, welches insbesondere Zinn ist, ist eine Deckschicht aus fließfähigem Material angeordnet. Diese schirmt das Bad vollständig ab, auch während die Gießform in das Bad eintritt, da das fließfähige Schüttgut die Gießform stets eng umschließt, selbst dann, wenn sich ihr Querschnitt während des Durchdringens der Deckschicht verändert. Dies gilt ebenfalls, wenn die Gießform eingerichtet ist zur Aufnahme mehrerer voneinander beabεtan- deter Schmelzen. Hierdurch wird eine weitgehend vollständige Verhinderung eines wesentlichen Wärmeeintrags in das Bad er- reicht, während eine Schmelze in gerichteter Weise erstarrt wird. Dies bedingt eine wesentliche Vergrößerung des beim Erstarren einer Schmelze wirksamen Temperaturgradienten und erlaubt aufgrund der erreichbaren schnellen Abkühlung die Erzielung besserer Eigenschaften sowie eine hohe Produktivität bei der Serienfertigung von Gußstücken. Gemäß derA method or a device for the directional solidification of a melt is used if a piece with a crystalline or single-crystal structure is to be formed from a melt. This comes into question in particular when producing a turbine blade for a gas turbine from a melt of a nickel-based or cobalt-based alloy, in particular a superalloy, as described in WO 96/05006 AI. A covering layer of flowable material is arranged on the cooling medium, which is in particular tin. This completely shields the bath, even while the casting mold is entering the bath, since the flowable bulk material always tightly encloses the casting mold, even if its cross section changes during penetration of the Top layer changed. This also applies if the casting mold is set up to accommodate a plurality of melts spaced apart from one another. This largely prevents substantial heat input into the bath while a melt is solidified in a directed manner. This requires a substantial increase in the temperature gradient effective when a melt solidifies and, due to the rapid cooling that can be achieved, enables better properties to be achieved and high productivity in the series production of castings. According to the
WO 96/05006 AI ist eine rationelle und serienweise Fertigung von Gußstücken mit Abmessungen gegeben, die die Anwendung der gerichteten Erstarrung für Komponenten von stationären Gasturbinen mit Nennleistungen bis 200 MW und darüber hinaus, insbesondere für Turbinenschaufeln, ermöglicht.WO 96/05006 AI is a rational and series production of castings with dimensions that enables the use of directional solidification for components of stationary gas turbines with nominal powers up to 200 MW and beyond, in particular for turbine blades.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung kleiner Turbinenschaufeln mit gerichtet erstarrtem Gefüge ist aus der DE 28 15 818 AI bekannt. Ein Eintauchen der Gießform in das kühlende Bad, welches insbesondere aus flüssigem Zinn besteht, dient dazu, in der Gießform und der Schmelze eine Zone mit einem steilen vertikalen Temperaturgradienten zu erzeugen. Diese Zone wandert mit zunehmendem Eintauchen der Gießform in das Bad entgegen der Richtung, in der die Gießform eingetaucht wird, durch die Schmelze. Ein Vorteil eines steilen Temperaturgradienten ist, daß er einen schnellen und kostengünstigen Fertigungsprozeß ermöglicht. Um zu verhindern, daß Strahlung aus der Heizkammer das Bad erwärmt, ist bei der Vorrichtung gemäß der DE 28 15 881 AI an der Unterseite der Heizkammer ein zur Gießform hin gerichteter, allgemein alsA method and a device for producing small turbine blades with a directionally solidified structure is known from DE 28 15 818 AI. Immersing the casting mold in the cooling bath, which consists in particular of liquid tin, serves to create a zone in the casting mold and the melt with a steep vertical temperature gradient. With increasing immersion of the casting mold in the bath, this zone migrates through the melt against the direction in which the casting mold is immersed. An advantage of a steep temperature gradient is that it enables a quick and inexpensive manufacturing process. In order to prevent radiation from the heating chamber from heating the bath, in the device according to DE 28 15 881 AI on the underside of the heating chamber is directed towards the casting mold, generally as
"Baffle" bezeichneter Strahlungεschirm vorgesehen. Dieser soll das Bad gegen die Heizzone abschirmen. Zusätzlich schwimmt auf dem Bad eine Trennplatte aus einem wärmeisolierenden Material, welche zum Eintauchen der Gießform in die Schmelze eine Öffnung hat. Das Bad weist in seinem oberen Bereich Kühlschlangen zur Kühlung des Zinns und in seinem unteren Bereich Heizelemente auf. Die DE-AS 19 53 716 zeigt einen Behälter mit einem Bad zur Abkühlung einer Schmelze in einer Gießform, wobei die Oberfläche des Bads mit einer wärmeisolierenden Deckschicht bedeckt ist. Das Bad besteht aus flüssigem Blei oder einem Salz, wie es in Verbindung mit Salzbadöfen eingesetzt wird. Die wärmeisolierende Schicht hat den Sinn, ein Oxidieren und übermäßig starkes Abkühlen des Bades zu verhindern. Das Bad steht in keinerlei unmittelbarer Beziehung zu einer Heizvorrichtung; vielmehr ist es von einer Kühlleitung umgeben, mit deren Hilfe die Temperatur des Bleis oder des Salzes konstant gehalten werden soll. Das Bad wird benutzt, indem zunächst die leere Gießform hineingegeben und anschließend mit der zu erstarrenden Schmelze gefüllt wird. Ein gerichtetes Erstarren der Schmelze ist nicht vorgesehen; ebensowenig ist die Erzie- lung einer besonderen Verteilung der Temperatur im Inneren der Schmelze oder des daraus gebildeten Gußstücks Gegenstand der DE-AS 19 53 716."Baffle" designated radiation screen is provided. This should shield the bathroom from the heating zone. In addition, a separating plate made of a heat-insulating material floats on the bath, which has an opening for immersing the casting mold in the melt. The bath has cooling coils in its upper area for cooling the tin and heating elements in its lower area. DE-AS 19 53 716 shows a container with a bath for cooling a melt in a casting mold, the surface of the bath being covered with a heat-insulating cover layer. The bath consists of liquid lead or a salt, as used in connection with salt bath stoves. The purpose of the heat-insulating layer is to prevent oxidation and excessive cooling of the bath. The bathroom has no direct relation to a heating device; rather it is surrounded by a cooling line, with the help of which the temperature of the lead or the salt is to be kept constant. The bath is used by first inserting the empty mold and then filling it with the melt to be solidified. Directed solidification of the melt is not intended; the creation of a special distribution of the temperature inside the melt or of the casting formed therefrom is likewise not the subject of DE-AS 19 53 716.
Aus der DE 22 42 111 B2 ist es bei einem Verfahren und bei einer Vorrichtung zum Gießen von Gegenständen mit gerichtet erstarrtem Gefüge bekannt, die Oberfläche des Bades so dicht unterhalb der Heizkammer vorzusehen, daß eine am unteren Ende der Gießform vorgesehene Kühlplatte schon vor dem Eintauchen der eigentlichen Gießform zumindest teilweise in das Bad ein- taucht. Dadurch wird die Kühlplatte auch dann auf einer der Temperatur des Bades entsprechenden Temperatur gehalten, wenn die Gießform sich noch in der Heizzone befindet und womöglich noch nicht gefüllt ist. Hierdurch wird die Kühlung der Schmelze am unteren Ende der Gießform intensiviert und dar- über hinaus eine gewisse zusätzliche Beschirmung des Bades vor der von der Heizzone ausgehenden Hitzestrahlung erreicht. Analog zur DE 28 15 818 AI sind Heiz- und Kühlspulen vorgesehen zum Erzeugen und Verstärken von Konvektionsströmen in dem flüssigen Bad, wodurch eine fast genau gleiche Temperatur für den Teil des Bades gehalten wird, in welchem die Form eingebettet ist. Die Einbettung der Form ergibt eine sehr schnelle Aufheizung der umgebenden Flüssigkeit und verursacht einen nach oben gerichteten Fluß zur Oberfläche. Die Kühlspulen in der Nähe des oberen Endes des flüssigen Bades dienen zum Abkühlen der an ihnen anliegenden Flüssigkeit und verursachen einen Abwärtsfluß entlang der inneren Oberfläche des Tanks zum Boden des Tanks hin. Dort wird die Flüssigkeit durch die Heizspulen aufgeheizt und ein Aufwärtsfluß zur Mitte des Tanks hin bewirkt . Hierdurch kann eine Umwälzvorrichtung ggf . entfallen. Nach Erstarren der Schmelze wird die Gießform nach oben aus der Heizkammer herausgenommen.From DE 22 42 111 B2 it is known in a method and in a device for casting objects with a directionally solidified structure to provide the surface of the bath so close below the heating chamber that a cooling plate provided at the lower end of the casting mold even before immersion the actual casting mold is at least partially immersed in the bath. As a result, the cooling plate is kept at a temperature corresponding to the temperature of the bath even when the casting mold is still in the heating zone and possibly not yet filled. As a result, the cooling of the melt at the lower end of the casting mold is intensified and, moreover, a certain additional shielding of the bath from the heat radiation emanating from the heating zone is achieved. Analogous to DE 28 15 818 AI, heating and cooling coils are provided for generating and amplifying convection currents in the liquid bath, as a result of which an almost exactly the same temperature is maintained for the part of the bath in which the mold is embedded. The embedding of the mold results in a very rapid heating of the surrounding liquid and causes one upward flow to the surface. The cooling coils near the top of the liquid bath serve to cool the liquid adjacent them and cause a downward flow along the inner surface of the tank towards the bottom of the tank. There the liquid is heated up by the heating coils and an upward flow to the center of the tank is effected. As a result, a circulating device may. omitted. After the melt has solidified, the casting mold is removed upward from the heating chamber.
In der EP 0 631 832 AI ist ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Metallschmelze sowie eine Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Hierin wird die nicht näher spezifizierte Gießform in eine Kühlschmelze eingeführt, wobei ein die Kühlschmelze aufnehmender Behälter gegenüber einer Heizkammer verfahren wird. Alternativ kann auch die Heizkammer gegenüber dem Behälter für die Kühlschmelze verfahren werden.EP 0 631 832 A1 specifies a process for the directional solidification of a molten metal and a casting device for carrying out the process. Herein the casting mold, which is not specified in more detail, is introduced into a cooling melt, a container receiving the cooling melt being moved relative to a heating chamber. Alternatively, the heating chamber can also be moved relative to the container for the cooling melt.
Die DE 42 09 227 Cl betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Superlegierungen. Hierbei wird eine flüssige Metall-Legierung in einer Gießform oder Formschale für ein Bauteil erzeugt oder von außen in diese Gießform bzw. Formschale eingebracht. Die flüssige Me- tall-Legierung wird durch progressive Abkühlung in einen metastabilen unterkühlten Zustand gebracht, wobei eine Stelle festgelegt wird, an der die größte Unterkühlung auftritt. Dieser metastabile Zustand der unterkühlten flüssigen Metall- Legierung wird an der Stelle mit der größten Unterkühlung zerstört, so daß sich die flüssige Metall-Legierung verfestigt und eine dendritische Kristallstruktur ausbildet. Die dendritische Kristallstruktur wird als Einkristall von der Seite der stärksten Unterkühlung über einen Selektor in die flüssige Metall-Legierung überführt, die sich in der Form- schale befindet. Um die Einkristallität zu gewährleisten, wird hierbei eine Gießform verwendet, deren Innenseite mit Aluminiumoxid oder Boroxid versehen ist . Hierdurch kommt das Boroxid mit der zu erstarrenden Schmelze in Kontakt und verhindert dabei eine Keimbildung zwischen der Innenseite der Gießform und der Schmelze. Um die Schmelze, die Metall-Legierung, bereits vor Einbringen in die Gießform keimarm zu hal- ten, wird die Schmelze mit einer Boroxid-Schlacke in Kontakt gebracht und auf über 1500 °C erwärmt.DE 42 09 227 Cl relates to a device and a method for producing components from superalloys. In this case, a liquid metal alloy is produced in a casting mold or mold shell for a component or is introduced into this casting mold or mold shell from the outside. The liquid metal alloy is brought into a metastable supercooled state by progressive cooling, with a location being determined at which the greatest subcooling occurs. This metastable state of the supercooled liquid metal alloy is destroyed at the point with the greatest supercooling, so that the liquid metal alloy solidifies and forms a dendritic crystal structure. The dendritic crystal structure is transferred as a single crystal from the side of the strongest supercooling via a selector to the liquid metal alloy, which is located in the molded shell. In order to ensure single crystallinity, a casting mold is used, the inside of which is provided with aluminum oxide or boron oxide. This is where it comes from Boron oxide in contact with the melt to be solidified and thereby prevents nucleation between the inside of the casting mold and the melt. In order to keep the melt, the metal alloy, low in germs before it is introduced into the casting mold, the melt is brought into contact with a boron oxide slag and heated to over 1500 ° C.
Die Aufgabe, von der die Erfindung ausgeht, liegt darin, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine höhere Temperatur des Bades und/oder einer verbesserten Wärmeabfuhr aus dem Bad heraus, insbesondere beim Einführen der Gießform mit der Schmelze in das Bad, wei- terzuentwickeln unter Gewährleistung des gerichteten Erstar- rens .The object on which the invention is based, is the method and the device of the type mentioned with regard to a higher temperature of the bath and / or an improved heat dissipation from the bath, especially when inserting the mold with the melt into it Bad, to be further developed while guaranteeing targeted solidification.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze eines Metalls in einer Gießform gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Regulierung der zweiten Temperatur, der Temperatur des Kühlmediums in dem Bad, zwischen dem Kühlmedium und einem anorganischen Wärme- austauschmedium ein Wärmeaustausch durchgeführt wird. Bevorzugtermaßen bewirkt dieser Wärmeaustausch während und/oder nach dem Eintauchen der Gießform in das Kühlmedium eine Kühlung des Kühlmediums, so daß die zweite Temperatur auch wäh- rend des Eintauchens weitgehend konstant gehalten wird. Das Wärmeaustauschmedium entzieht dem Kühlmedium zusätzliche Wärme und gibt diese Wärme wiederum an die Umgebung oder ein zweites Wärτneaustauschmedium, wie Kühlwasser oder Kühlluft, ab.According to the invention the object directed to a method for the directional solidification of a melt of a metal in a casting mold is achieved in that a heat exchange is carried out between the cooling medium and an inorganic heat exchange medium in order to regulate the second temperature, the temperature of the cooling medium in the bath. This heat exchange preferably causes cooling of the cooling medium during and / or after immersing the casting mold in the cooling medium, so that the second temperature is kept largely constant even during immersion. The heat exchange medium extracts additional heat from the cooling medium and in turn releases this heat to the environment or a second heat exchange medium, such as cooling water or cooling air.
Vorzugsweise ist das Wärmeaustauschmedium ein Salz oder weist zumindest ein Salz auf. Bevorzugt ist das Salz ein Alkalihydroxid, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, ein Alkalinitrit oder ein Alkalinitrat. Als zweites Wärmeaustausch- medium wird vorzugsweise Kühlluft verwendet. Ein solches anorganisches Wärmeaustauschmedium, insbesondere ein Wärmeübertragungssalz, hat den Vorteil, daß es in der Regel ungiftig, nicht brennbar und nicht gewässergefährdend ist. Zudem sind solche anorganischen Wärmeaustauschmedien ko- stengünstig sowie in industriellem Großmaßstab herstellbar. Sie ermöglichen zudem einen großen Temperaturarbeitsbereich, von insbesondere zwischen 140 °C bis 650 °C. Sie haben zudem eine niedrige Korrosionsrate.The heat exchange medium is preferably a salt or has at least one salt. The salt is preferably an alkali hydroxide, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate. Cooling air is preferably used as the second heat exchange medium. Such an inorganic heat exchange medium, in particular a heat transfer salt, has the advantage that it is generally non-toxic, non-flammable and not hazardous to water. In addition, such inorganic heat exchange media are inexpensive and can be produced on an industrial scale. They also enable a large temperature working range, in particular between 140 ° C to 650 ° C. They also have a low corrosion rate.
Der Schmelzpunkt des Wärmeaustauschmediums liegt vorzugsweise zwischen 100 °C und 200 °C, insbesondere zwischen 130 °C und 170 °C. Es eignet sich somit bevorzugtermaßen auch zur Regulierung der Temperatur eines metallischen flüssigen Kühlmediums, insbesondere von Zinn. In diesem Fall ist gewährleistet, daß die zweite Temperatur auf über 240 °C gehalten wird, so daß ein Eintauchen der Gießform in das Zinnbad jederzeit gewährleistet ist. Durch einen Wärmeaustausch mit dem anorganischen Wärmeaustauschmedium wird die Temperatur des Zinns auf einem niedrigen Niveau oberhalb von 240 °C gehalten, so daß ein steiler Temperaturgradient der Schmelze des in der Gießform befindlichen Metalls gewährleistet bleibt. Wärmetau- schersalze auf Basis von Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid sowie auf Basis eines Alkalinitritε oder eines Alkalinitrates, wie Natriumnitrit, werden beispielsweise von der Durfer- rit GmbH Thermotechnik, Hanau, Deutschland, unter dem Namen Durferrit AS 140, Durferrit GS 230 vertrieben. Solche Wärmeübertragungssalze haben in der Schmelze eine Dichte zwischen 1700 kg/m3 und 2000 kg/m3 sowie einen Schmelzpunkt von etwa 140 °C.The melting point of the heat exchange medium is preferably between 100 ° C and 200 ° C, in particular between 130 ° C and 170 ° C. It is therefore preferably also suitable for regulating the temperature of a metallic liquid cooling medium, in particular tin. In this case it is ensured that the second temperature is kept above 240 ° C., so that immersion of the casting mold in the tin bath is ensured at all times. Through a heat exchange with the inorganic heat exchange medium, the temperature of the tin is kept at a low level above 240 ° C., so that a steep temperature gradient of the melt of the metal in the casting mold remains guaranteed. Heat exchanger salts based on sodium hydroxide and potassium hydroxide and based on an alkali metal nitrate or an alkali metal nitrate such as sodium nitrite are sold, for example, by Durferrit GmbH Thermotechnik, Hanau, Germany, under the name Durferrit AS 140, Durferrit GS 230. Such heat transfer salts have a density in the melt between 1700 kg / m 3 and 2000 kg / m 3 and a melting point of about 140 ° C.
Zur Vermeidung eines ungewollten Abkühlens des Kühlmediums und zur Verhinderung eines Wärmeübertrages zwischen der Gießform und dem Kühlmedium vor Eintauchen der Gießform ist vorzugsweise auf dem Kühlmedium eine schwimmende, fließfähige Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut aufgebracht, durch die die Gießform mit der Schmelze in das Bad hinein eingetaucht wird. Diese Deckschicht kann mit relativ geringem Aufwand und kostengünstig erzeugt werden, indem zu ihrer Bildung fließfähige und isolierende Festkörper verwendet werden. Als solche Festkörper kommen insbesondere keramische Vollkugeln und/oder Hohlkörper, vorzugsweise Hohlkugeln, zum Einsatz. Diese bestehen vorzugsweise aus Aluminium-, Magnesium- oder Zirkonoxid. Sie haben einen Außendurchmesser zwischen einer unteren Grenze von 0,06 mm und einer oberen Grenze von 0,4 mm. Bei Verwendung von Hohlkörpern haben diese einen Außendurchmesser zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, und sind aus einer Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-To avoid undesired cooling of the cooling medium and to prevent heat transfer between the casting mold and the cooling medium before immersion of the casting mold, a floating, flowable cover layer made of a heat-insulating bulk material is preferably applied to the cooling medium, through which the casting mold with the melt is immersed into the bath becomes. This top layer can be relatively can be generated with little effort and inexpensively by using flowable and insulating solid bodies. Solid solid spheres and / or hollow bodies, preferably hollow spheres, are used in particular as such solid bodies. These are preferably made of aluminum, magnesium or zirconium oxide. They have an outer diameter between a lower limit of 0.06 mm and an upper limit of 0.4 mm. When using hollow bodies, they have an outer diameter between 0.5 mm and 3 mm, preferably about 1 mm, and are made of an aluminum oxide-silicon dioxide
Keramik aufgebaut. Vorzugsweise sind die Festkörper aus einem solchen Material aufgebaut, wie es von dem Kühlmedium, insbesondere Zinn, nicht benetzbar sind. Hierdurch ist gewährleistet, daß bei Verwendung eines Metalls als Kühlmedium, eine Einlagerung dieses Metalles in die Deckschicht und damit eine Ausbildung einer unerwünschten Wärmebrücke vermieden ist. Bei Verwendung einer Schmelze, beispielsweise aus einem anorganischen Salz, ist die Unbenetzbarkeit von weniger großer Bedeutung.Ceramic built. The solid bodies are preferably constructed from a material such as cannot be wetted by the cooling medium, in particular tin. This ensures that when a metal is used as the cooling medium, an incorporation of this metal into the cover layer and thus the formation of an undesirable thermal bridge is avoided. When using a melt, for example from an inorganic salt, the non-wettability is of less importance.
Vorzugsweise erfolgt die Durchführung des Verfahrens zum Zwecke der Vermeidung der Entstehung oxidischer Schlacken auf dem Bad unter Ausschluß von Sauerstoff, vorzugsweise unter Vakuum. Durch die Vermeidung oxidischer Schlacken auf dem Bad wird das Verkleben des Schüttgutes in der Deckschicht weitgehend vermieden. Das Vakuum wird vorzugsweise auf einen Rest- druck von 10"3 bar, weiter bevorzugt von höchstens 10"4 mbar, gehalten.The process is preferably carried out for the purpose of avoiding the formation of oxidic slags on the bath in the absence of oxygen, preferably under vacuum. The avoidance of oxidic slags on the bath largely prevents the bulk material from sticking to the top layer. The vacuum is preferably maintained at a residual pressure of 10 "3 bar, more preferably at most 10 " 4 mbar.
Das Verfahren jedweder Ausgestaltung findet im besonderen Verwendung zum gerichteten Erstarren eines Metalls in Form einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung, insbesondere einer Superlegierung, wie sie im Zusammenhang mit Turbinenschaufeln für Gasturbinen, insbesondere stationären Gasturbi- nen, üblicherweise in Betracht gezogen wird. Es ist ebenfalls möglich, als Kühlmedium neben einem Metall, wie Aluminium oder Zinn, auch ein anorganisches Salz mit zumindest einem Alkalihydroxid, einem Alkalinitrit oder einem Alkalinitrat zu verwenden. Solche anorganischen Salze ermög- liehen einen großen Temperaturarbeitsbereich, beispielsweise zwischen 160 °C und 1200 °C. Die verwendeten anorganischen Salze haben vorzugsweise einen Siedepunkt von oberhalb 1200 °C, insbesondere oberhalb von 1400 °C. Gegenüber einem Kühlmedium aus Metall, welches sich an dem Gußteil anlagert oder einlegiert, weisen anorganische Salze eine leichte Entfern- barkeit von dem Gußteil auf. Zudem ermöglichen sie eine gute Benetzung der vorzugsweise keramischen Gießform und daraus resultierend einen guten Wärmeübergang. Sie sind einfach handhabbar, wobei eine Umwälzung des Kühlmediums in dem Bad mittels kostengünstiger Pumpen durchführbar ist. Eine geringere Dichte gegenüber einem metallischen Kühlmedium, beispielsweise Zinn, um den Faktor 3 bis 4 erniedrigt Auftriebskräfte im Bereich der Befestigung der Gießform auf einer Abschreckplatte. Hierdurch ist auch wirksam ein einfacher Ver- schlußmechanismus, beispielsweiese ein Bajonettverschluß, einsetzbar. Die gleichen Vorteile gegenüber einem metallischen Kühlmedium sind ebenfalls mit Boroxid zu erzielen, welches einen hohen Siedepunkt von etwa 1800 °C und einen Schmelzpunkt von 450 °C aufweist. Das Boroxid (B203) ermög- licht aufgrund seines sehr hohen Siedepunktes eine Badtemperatur von über 600 °C. Es ist extrem gering korrosiv und selbst bei sehr hohen Temperaturen stabil, so daß eine Zersetzung sicher vermieden ist.The method of any configuration is used in particular for the directional solidification of a metal in the form of a nickel-based or cobalt-based alloy, in particular a superalloy, as is usually taken into account in connection with turbine blades for gas turbines, in particular stationary gas turbines. It is also possible to use an inorganic salt with at least one alkali hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate as a cooling medium in addition to a metal such as aluminum or tin. Such inorganic salts allow a wide temperature range, for example between 160 ° C and 1200 ° C. The inorganic salts used preferably have a boiling point above 1200 ° C., in particular above 1400 ° C. Compared to a cooling medium made of metal, which is deposited or alloyed on the casting, inorganic salts are easy to remove from the casting. In addition, they enable good wetting of the preferably ceramic casting mold and, as a result, good heat transfer. They are easy to handle, and the cooling medium can be circulated in the bath by means of inexpensive pumps. A lower density compared to a metallic cooling medium, for example tin, by a factor of 3 to 4 reduces buoyancy forces in the region of the attachment of the casting mold to a quenching plate. As a result, a simple locking mechanism, for example a bayonet lock, can also be used effectively. The same advantages over a metallic cooling medium can also be achieved with boron oxide, which has a high boiling point of around 1800 ° C and a melting point of 450 ° C. Due to its very high boiling point, the boron oxide (B 2 0 3 ) enables a bath temperature of over 600 ° C. It is extremely low corrosive and stable even at very high temperatures, so that decomposition is avoided.
Das Boroxid eignet sich mithin unabhängig von einem Wärmeaustausch zwischen Kühlmedium (Boroxid) und einem Warmeaus- tauschmedium besonders als Kühlmedium für ein Bad zur Durchführung einer gerichteten Erstarrung eines Metalls in einer Gießform. Die Schmelze des Boroxids wird vorzugsweise auf ei- ner zweiten Temperatur zwischen 450 °C uns 750 °C, insbesondere oberhalb von 550 C, gehalten. Um einen Wärmeaustausch zwischen der Schmelze und der in der Heizkammer angeordneten Gießform zu vermeiden, ist auch in diesem Fall vorzugsweise auf dem Kühlmedium, dem Boroxid, eine schwimmende, fließfähige Deckschicht aus einem wärmeisolierenden Schüttgut vorgesehen.Irrespective of a heat exchange between the cooling medium (boron oxide) and a heat exchange medium, the boron oxide is therefore particularly suitable as a cooling medium for a bath for carrying out a directional solidification of a metal in a casting mold. The melt of the boron oxide is preferably kept at a second temperature between 450 ° C. and 750 ° C., in particular above 550 ° C. To exchange heat between the melt and that located in the heating chamber To avoid casting mold, a floating, flowable cover layer made of a heat-insulating bulk material is preferably also provided in this case on the cooling medium, the boron oxide.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15 dadurch gelöst, daß der unterhalb der Heizkammer angeordnete Tiegel für einen Wärmeaustausch mit einem Kühlsystem um- fassend zumindest einen Kühlkanal für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium verbunden ist. Der Kühlkanal ist vorzugsweise schraubenförmig um den Tiegel herumgewunden. Er kann beispielsweise an den Tiegel wärmetechnisch gekoppelte Rohre aufweisen. Der Tiegel ist vorzugsweise als doppelwandiger, den Kühlkanal aufweisender Behälter ausgeführt . Ein solcher doppelwandiger Behälter ist besonders einfach dadurch herstellbar, daß an den Tiegel entsprechende L-, oder T-Profilleisten angebracht werden, die Trennwände für zu bildende Kühlkanäle formen. An diese Profilleisten wird zumindest punktuell eine äußere Wand befestigt, insbesondere verschweißt. Das Kühlsystem weist vorzugsweise eine Heizeinrichtung auf, durch welche eine Beheizung des Kühlsy- stems derart erfolgt, daß in dem Kühlsystem geführtes anorganisches Kühlmedium oberhalb seines Schmelzpunktes gehalten wird.According to the invention, the object directed to a device for a device according to the preamble of claim 15 is achieved in that the crucible arranged below the heating chamber for heat exchange is connected to a cooling system comprising at least one cooling channel for throughflow with an inorganic heat exchange medium. The cooling channel is preferably wound helically around the crucible. For example, it can have tubes thermally coupled to the crucible. The crucible is preferably designed as a double-walled container having the cooling channel. Such a double-walled container is particularly easy to manufacture by attaching corresponding L- or T-profile strips to the crucible, which form partitions for cooling channels to be formed. An outer wall is at least selectively attached to these profile strips, in particular welded. The cooling system preferably has a heating device by means of which the cooling system is heated in such a way that inorganic cooling medium guided in the cooling system is kept above its melting point.
Die oben bereits ausgeführten Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten ebenfalls für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Vorzugsweise ist auf dem Kühlmedium eine Deckschicht aus schwimmendem, fließfähigem Schüttgut, wie oben bereits beschrieben, angegeben. Die Deckschicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm, um eine ausreichende Wärmeisolierung zu gewährleisten. Sie ist vorzugsweise so ausgeführt und angeordnet, daß der Abstand zwischen der Heizzone und der Oberfläche des Bades möglichst klein ist, um einen möglichst großen Temperaturgradienten zu erzeugen. Sie reicht mithin vorzugsweise bis an die Heizkammer heran. Die Vorrichtung ist mit weiterem Vorzug umschlossen von einem evakuierbaren und/oder mit einem Schutzgas befüllbaren Schutzgefäß, um die Einwirkung schädlicher Gase wie z.B. Sau- erstoff auf das Metall oder das Kühlmedium zu verhindern und gegebenenfalls durch Bildung eines Vakuums in dem Schutzgefäß die Ausbreitung von Wärme durch Konvektion zu verhindern. Die Temperatur im Inneren des Gefäßes kann auf einem Wert bis zu 300 °C liegen, was insbesondere auch sicherstellt, daß orga- nische Ablagerungen durch den zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderlichen Pumpprozeß entfernt werden und weder die Vorrichtung noch die wärmeempfindlichen flüssigen Metalle und/oder organischen Wärmeaustauschmedien beeinträchtigen können .The advantages of the method according to the invention already explained above also apply to the device according to the invention. A cover layer of floating, flowable bulk material, as already described above, is preferably indicated on the cooling medium. The cover layer preferably has a thickness of between 30 mm and 50 mm in order to ensure adequate thermal insulation. It is preferably designed and arranged such that the distance between the heating zone and the surface of the bath is as small as possible in order to produce the largest possible temperature gradient. It therefore preferably extends up to the heating chamber. The device is more preferably enclosed by an evacuable and / or fillable protective vessel in order to prevent the effect of harmful gases such as oxygen on the metal or the cooling medium and, if necessary, the spread of heat by forming a vacuum in the protective vessel prevent by convection. The temperature inside the vessel can be up to 300 ° C, which in particular also ensures that organic deposits are removed by the pumping process required to maintain the vacuum and neither the device nor the heat-sensitive liquid metals and / or organic Can affect heat exchange media.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiels werden die Vorrichtung sowie das Verfahren näher erläutert. Zur Verdeutlichung der spezifischen Einzelheiten ist die Zeichnung nicht maßstabsgetreu und ggf . leicht verzerrt ausgeführt. Die einzige Figur zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Gießform, die eine abzukühlende Schmelze enthält.The device and the method are explained in more detail on the basis of the exemplary embodiment shown in the drawing. To clarify the specific details, the drawing is not to scale and, if necessary, slightly distorted. The single figure shows a vertical section through a device according to the invention with a casting mold which contains a melt to be cooled.
Die Figur zeigt eine Schmelze 1 eines Metalls, insbesondere einer Superlegierung zur Herstellung von Turbinenschaufeln 8, in einer Gießform (2) , welche zum Zwecke der Abkühlung in ein Bad 3 eines flüssigen Kühlmediums, vorzugsweise Zinn, ein anorganisches Salz oder Boroxid, einzutauchen ist. Das flüssige Kühlmedium befindet sich auf einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die erste Temperatur der Schmelze 1. Das Bad 3 ist abgedeckt von einer Deckschicht 4, die aus einem fließfähigen, wärmeisolierenden Schüttgut aus kugelförmigen Festkörpern 5,6 (Hohlkugeln 5, Vollkugeln 6) abgedeckt ist. Die Hohlkugeln 4 bestehen vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, wie Siliciumdioxid-Aluminiu oxid (Mullit) . DieThe figure shows a melt 1 of a metal, in particular a superalloy for the production of turbine blades 8, in a casting mold (2) which, for the purpose of cooling, is to be immersed in a bath 3 of a liquid cooling medium, preferably tin, an inorganic salt or boron oxide. The liquid cooling medium is at a second temperature, which is lower than the first temperature of the melt 1. The bath 3 is covered by a cover layer 4, which consists of a flowable, heat-insulating bulk material made of spherical solids 5, 6 (hollow balls 5, solid balls 6 ) is covered. The hollow balls 4 are preferably made of a ceramic material, such as silicon dioxide-aluminum oxide (mullite). The
Vollkugeln 6 bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkonoxid. Festkörper aus einem Vollmaterial können beispielweise auch aus Pulverteilchen 6 eines marktgängigen Pulvers bestehen. Die Deckschicht 4 reduziert deutlich einen Wärmeeintrag aus der Heizzone 7, in der die Gießform 2 mit der Schmelze 1 zunächst gehalten wird, in das Bad 3. Die Gießform 2 befindet sich in der Heiz- zone 7 auf einer sehr hohen ersten Temperatur, insbesondere um 1600 °C. Im Inneren der Deckschicht 4 bildet sich ein hohes Temperaturgefälle, entsprechend einem besonders hohen Temperaturgradienten, aus. Aufgrund des Wärmeeintrags in die Schmelze 1 und die Gießform 2 in der Heizzone 7, und aufgrund des Wärmeaustrags aus der Schmelze 1 und der Gießform 2 in dem Bad 3, stellt sich in der Schmelze 1 in dem Bereich, wo die Gießform 2 die Deckschicht 4 durchquert, ebenfalls ein hoher Temperaturgradient ein. Durch einen solchen hohen Tem- peraturgradienten wird ein gerichtetes Erstarren der Schmelze 1 zu einem Werkstück oder mehreren Werkstücken, insbesondere einer Turbinenschaufel 8 mit stengelkristallinem oder einkristallinem Gefüge bewirkt .Solid balls 6 are preferably made of a material such as aluminum oxide, magnesium oxide or zirconium oxide. Solid out A solid material can also consist, for example, of powder particles 6 of a commercially available powder. The cover layer 4 significantly reduces the heat input from the heating zone 7, in which the casting mold 2 with the melt 1 is initially held, into the bath 3. The casting mold 2 is in the heating zone 7 at a very high first temperature, in particular around 1600 ° C. A high temperature gradient, corresponding to a particularly high temperature gradient, forms in the interior of the cover layer 4. Due to the heat input into the melt 1 and the casting mold 2 in the heating zone 7, and due to the heat discharge from the melt 1 and the casting mold 2 in the bath 3, the melt 1 arises in the area where the casting mold 2 covers the top layer 4 traverses, also a high temperature gradient. Such a high temperature gradient causes a directed solidification of the melt 1 to form a workpiece or several workpieces, in particular a turbine blade 8 with a columnar-crystalline or single-crystal structure.
Die Heizzone 7 befindet sich in einer Heizkammer 9, die auf einen Tiegel 10 aufgesetzt ist, welcher das Bad 3 enthält. Der Tiegel 10 ist von einem Kühlsystem 20 mit zumindest einem Kühlkanal 21 umgeben. Der Kühlkanal 21 ist durch eine doppel- wandige Ausführung des Tiegels 10 gebildet, in dem zwischen einer Innenwand 23 und einer Außenwand 24 des Tiegels 10 eine Mehrzahl von Trennwänden 25 angeordnet sind, durch die ein Kühlkanal 21 oder mehrere Kühlkanäle 21 gebildet sind. Die Trennwände 25 können durch Metallträger mit L-förmigem oder T-förmigem Profil hergestellt sein, wobei zumindestens punk- tuell an diese Trennwände 25 die Außenwand 24 befestigt, insbesondere verschweißt, ist. Es ist ebenfalls möglich, Kühlkanäle 21 durch wärmetechnisch an den Tiegel 10 gekoppelte Rohre zu bilden. Der Kühlkanal 21 ist für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium, insbesondere einem anorganischen Salz auf Basis eines Alkalihydrids, eines Alkalinitrits und/oder eines Alkalinitrats ausgeführt. Da solche Wärmeaustauschmedien 19 einen Schmelzpunkt von ober- halb 130 °C aufweisen, ist wärmetechnisch an den Kühlkanal 21 eine Heizeinrichtung 22, insbesondere in Form von elektrisch beheizbaren Matten, aufgebracht. Mit dem Wärmeaustauschmedium 19 wird vorzugsweise bei und/oder nach Eintauchen der Gießform 2 in das Bad 3 Wärme dem Bad 3 entzogen, so daß die zweite Temperatur auch während des gerichteten Erstarrens der Schmelze 1 weitgehend konstant bleibt. Es ist ebenfalls möglich, über das Wärmeaustauschmedium 19 eine Beheizung des Bades 3 durchzuführen.The heating zone 7 is located in a heating chamber 9, which is placed on a crucible 10, which contains the bath 3. The crucible 10 is surrounded by a cooling system 20 with at least one cooling channel 21. The cooling channel 21 is formed by a double-walled design of the crucible 10, in which a plurality of partition walls 25 are arranged between an inner wall 23 and an outer wall 24 of the crucible 10, through which a cooling channel 21 or a plurality of cooling channels 21 are formed. The partition walls 25 can be produced by metal supports with an L-shaped or T-shaped profile, the outer wall 24 being attached, in particular welded, at least at certain points to these partition walls 25. It is also possible to form cooling channels 21 by pipes coupled to the crucible 10 in terms of heat technology. The cooling channel 21 is designed for a through-flow with an inorganic heat exchange medium, in particular an inorganic salt based on an alkali hydride, an alkali nitrite and / or an alkali nitrate. Since such heat exchange media 19 have a melting point of above have half 130 ° C, a heating device 22, in particular in the form of electrically heatable mats, is applied to the cooling duct 21 in terms of heat technology. With the heat exchange medium 19, heat is preferably withdrawn from the bath 3 during and / or after immersion of the casting mold 2 in the bath 3, so that the second temperature remains largely constant even during the directional solidification of the melt 1. It is also possible to heat the bath 3 via the heat exchange medium 19.
In das Innere der Heizkammer 9 ragt eine Fahreinrichtung 11, symbolisiert durch ein Haltegestell 11, mit der, bzw. mit dem die Gießform 2 verfahrbar und insbesondere aus der Heizzone 7 in das Bad 3 eintauchbar ist . Eine Abdichtung des Bades 3 , und damit verbunden eine gewünschte Positionierung des BadesA driving device 11 protrudes into the interior of the heating chamber 9, symbolized by a holding frame 11 with or with which the casting mold 2 can be moved and in particular can be immersed into the bath 3 from the heating zone 7. A seal of the bath 3, and associated desired positioning of the bath
3 und der Deckschicht 4 relativ zur Heizzone 7, wird erreicht mittels eines auf dem Bad 3 schwimmenden und die Deckschicht3 and the top layer 4 relative to the heating zone 7, is achieved by means of a floating on the bath 3 and the top layer
4 umgrenzenden Ringes 12. Die ganze Vorrichtung ist umschlossen von einem schematisch angedeuteten Schutzgefäß 13, insbe- sondere zu dem Zweck, Sauerstoff, welcher das Bad 3 oder die4 surrounding ring 12. The entire device is enclosed by a schematically indicated protective vessel 13, in particular for the purpose of oxygen, which the bath 3 or
Schmelze 1 oxidieren könnte, aus der Vorrichtung fernzuhalten. Zu diesem Zweck kann das Schutzgefäß 13 evakuiert und/oder mit einem geeigneten Schutzgas, wie z.B. Argon, gefüllt sein.Oxidize melt 1 could keep away from the device. For this purpose, the protective vessel 13 can be evacuated and / or with a suitable protective gas, e.g. Argon, be filled.
Die Gießform 2 ruht auf einer Kühlplatte 14, die auch dann teilweise in das Bad 3 eintauchen soll, wenn die Gießform 2selbst dies nicht tut. Dies dient dazu, den unteren Bereich der Gießform 2 gegebenenfalls bereits vor dem Eingießen der Schmelze 1 abzukühlen. Hierdurch ist für die gerichtete Erstarrung der Schmelze 1 eine geeignete anfängliche Temperaturverteilung sichergestellt, welche durch langsames Eintauchen der Gießform 2 in das Bad 3 bewerkstelligt wird. Die Kühlplatte 14 kann gegebenenfalls entfallen. In der Heizzone 7 vertikal übereinander angeordnet sind mehrere Heizelemente 15, beispielsweise Widerstandsheizelemente, induktiv wirkende Suszeptoren oder dergleichen. Die Heizkammer 9 ist ausgeklei- det mit einer Isolierauskleidung 16. Abgedeckt ist die Heizkammer 9 mit einem Deckel 17, der einen entsprechenden Durchlaß für das Haltegestell 11 aufweißt . Zwischen den Heizelementen 15 angeordnet sind Isolierringe 18, die es je nach Größe und Gestalt der Gießform 2 gegebenenfalls gestatten, eines oder mehrere der Heizelemente 15, beginnend von oben, unbenutzt zu lassen oder in der jeweils erzeugten Heizleistung im Hinblick auf eine gewünschte Verteilung der Temperatur anzupassen.The casting mold 2 rests on a cooling plate 14, which should also partially immerse in the bath 3 when the casting mold 2 itself does not do this. This serves to cool the lower area of the casting mold 2, if necessary, even before the melt 1 is poured in. This ensures a suitable initial temperature distribution for the directional solidification of the melt 1, which is achieved by slowly immersing the casting mold 2 in the bath 3. The cooling plate 14 can optionally be omitted. A plurality of heating elements 15, for example resistance heating elements, inductively acting susceptors or the like, are arranged vertically one above the other in the heating zone 7. The heating chamber 9 is lined Det with an insulating liner 16. The heating chamber 9 is covered with a lid 17 which has a corresponding passage for the support frame 11. Arranged between the heating elements 15 are insulating rings 18 which, depending on the size and shape of the casting mold 2, may allow one or more of the heating elements 15 to be left unused, starting from above, or in the heating power generated in each case with regard to a desired distribution of the temperature adapt.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß einerseits eine bessere Wärmeabfuhr auch bei höheren Temperaturen des Bades durch ein anorganisches Wärmeaustauschmedium, insbesondere eine Schmelze aus einem Salz beinhaltend ein Alkalihydroxid, ein Alkalinitrit und/oder ein Alkalinitrat, erreicht ist. Unabhängig oder zusätzlich davon ist ein Kühlmedium für die gerichtete Erstarrung der metallischen Schmelze vorgesehen, welches bevorzugtermaßen Boroxid ist. Durch seinen hohen Siedepunkt erlaubt das Boroxid die Durchführung einer gerichte- ten Erstarrung bei einer hohen Temperatur von über 400 °C, insbesondere über 500 °C. Als alternatives Kühlmedium kann auch eine Schmelze aus einem anorganischen Salz, beispielsweise einem Alkalihydroxid oder einem Alkalinitrit und/oder einem Alkalinitrat mit entsprechend hohem Siedepunkt vorgese- hen sein. The invention is characterized in that, on the one hand, better heat dissipation is achieved even at higher bath temperatures by means of an inorganic heat exchange medium, in particular a melt of a salt containing an alkali metal hydroxide, an alkali metal nitrite and / or an alkali metal nitrate. Independently or in addition, a cooling medium is provided for the directional solidification of the metallic melt, which is preferably boron oxide. Due to its high boiling point, boron oxide allows directional solidification to be carried out at a high temperature of over 400 ° C, especially over 500 ° C. A melt of an inorganic salt, for example an alkali metal hydroxide or an alkali metal nitrite and / or an alkali metal nitrate with a correspondingly high boiling point, can also be provided as an alternative cooling medium.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) eines Metalls in einer Gießform (2) , umfassend Bereitstellung der Schmelze (1) in der Gießform (2) auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls und anschließendes Abkühlen der Schmelze (1) in der Gießform (2) durch Eintauchen der Gießform (2) in ein Bad (3) aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Tempera- tur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Regulierung der zweiten Temperatur zwischen dem Kühlmedium und einem anorganischem Wärmeaustauschmedium (19) ein Warmeaus- tausch durchgeführt wird.1. A method for the directional solidification of a melt (1) of a metal in a casting mold (2), comprising providing the melt (1) in the casting mold (2) at a first temperature above the melting point of the metal and then cooling the melt (1) in the casting mold (2) by immersing the casting mold (2) in a bath (3) from a liquid cooling medium which is at a second temperature which is below the melting point of the metal, characterized in that for regulating the second temperature a heat exchange is carried out between the cooling medium and an inorganic heat exchange medium (19).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während und/oder nach dem Eintauchen der Gießform (2) in das Kühlmedium durch das Wärmeaustauschmedium (19) gekühlt wird.2. The method according to claim 1, wherein during and / or after immersing the mold (2) in the cooling medium is cooled by the heat exchange medium (19).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Wärmeaustauschmedium (19) zumindest ein Salz aufweist, insbesondere ein Alkalihydroxid, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, ein Alkalinitrit oder ein Alkalinitrat.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the heat exchange medium (19) has at least one salt, in particular an alkali hydroxide, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, an alkali nitrite or an alkali nitrate.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmeaustauschmedium (19) einen Schmelzpunkt zwischen 100 °C und 200 °C, insbesondere zwischen 130 °C und 170 °C, aufweist .4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the heat exchange medium (19) has a melting point between 100 ° C and 200 ° C, in particular between 130 ° C and 170 ° C.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bad (3) von einer schwimmenden, fließfähigen Deckschicht (4) aus einem wärmeisolierenden Schüttgut (5, 6) bedeckt ist und die Gießform (2) mit der Schmelze (1) durch die Deck- schicht (4) hindurch in das Bad (3) eingetaucht wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, in which the bath (3) is covered by a floating, flowable cover layer (4) made of a heat-insulating bulk material (5, 6) and the casting mold (2) with the melt (1) through Cover layer (4) is immersed in the bath (3).
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Deckschicht (4) aus Festkörpern (5,6), insbesondere keramischen Vollkugeln (6) und/oder keramischen Hohlkörpern (5) , wie Hohlkugeln (5) , aufgebaut wird.6. The method according to claim 5, wherein the cover layer (4) from solid bodies (5, 6), in particular ceramic solid balls (6) and / or ceramic hollow bodies (5), such as hollow balls (5), is built up.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Festkörper (5, 6) aus Aluminium-, Magnesium- oder Zirkonoxid bestehen mit einem jeweiligen Außendurchmesser zwischen 0,06 mm und 0,4 mm.7. The method according to claim 6, wherein the solids (5, 6) consist of aluminum, magnesium or zirconium oxide with a respective outer diameter between 0.06 mm and 0.4 mm.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Deckschicht (4) unter einem Vakuum mit einem Restdruck von höchstens 10"3 mbar, vorzugsweise höchstens 10~4 mbar, gehalten wird.8. The method according to claim 6 or 7, wherein the cover layer (4) is held under a vacuum with a residual pressure of at most 10 "3 mbar, preferably at most 10 ~ 4 mbar.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Metall eine Nickelbasis- oder Kobaltbasiε-Legierung, inε- beεondere eine Superlegierung, ist.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the metal is a nickel-based or cobalt-based alloy, in particular a superalloy.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmedium ein Metall, insbesondere Aluminium oder Zinn, ein anorganisches Salz mit zumindest einem Alkalihydroxid, einem Alkalinitrit oder einem Alkalnitrat oder Boroxid ist.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the cooling medium is a metal, in particular aluminum or tin, an inorganic salt with at least one alkali metal hydroxide, an alkali metal nitrite or an alkali metal nitrate or boron oxide.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch gerichtetes Erstarren der Schmelze (1) eine Komponente (8) für eine Gasturbine, insbeεondere eine Turbinen- schaufel (8) , erzeugt wird.11. The method according to any one of the preceding claims, in which a component (8) for a gas turbine, in particular a turbine blade (8), is produced by directional solidification of the melt (1).
12. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) eines Metalls in einer Gießform (2) , umfasεend Bereitεtellung der Schmelze (1) in der Gießform (2) auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls und anschließendes Abkühlen der Schmelze (1) in der Gießform (2) durch Eintauchen der Gießform (2) in ein Bad (3) aus einem flüssigen Kühlmedium, welches sich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unterhalb des Ξchmelzpunkteε des Metalls liegt; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß alε Kühlmedium eine Schmelze mit Boroxid verwendet wird.12. Method for the directional solidification of a melt (1) of a metal in a casting mold (2), comprising provision of the melt (1) in the casting mold (2) at a first temperature above the melting point of the metal and subsequent cooling of the melt (1) in the casting mold (2) by immersing the casting mold (2) in a bath (3) from a liquid cooling medium which is at a second temperature which is below the melting point of the metal; characterized in that a melt with boron oxide is used as the cooling medium.
13. Verfahren nach Anεpruch 12, bei dem das Bad (3) von einer schwimmenden, fließfähigen Deckschicht (4) aus einem wärme- isolierenden Schüttgut (5, 6) bedeckt ist und die Gießform (2) mit der Schmelze (1) durch die Deckschicht (4) hindurch in das Bad (3) eingetaucht wird.13. The method according to claim 12, in which the bath (3) is covered by a floating, flowable cover layer (4) made of a heat-insulating bulk material (5, 6) and the casting mold (2) with the melt (1) is covered by the Cover layer (4) is immersed in the bath (3).
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Schmelze auf der zweiten Temperatur zwischen 450 °C und 750 °C, insbesondere oberhalb 550°C, gehalten wird.14. The method according to claim 12 or 13, wherein the melt at the second temperature between 450 ° C and 750 ° C, in particular above 550 ° C, is maintained.
15. Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze (1) eines Metalls in einer Gießform (2) , mit einer Heizkammer15. Device for the directional solidification of a melt (1) of a metal in a casting mold (2), with a heating chamber
(9) , welche eine Heizzone (7) zur Warmhaltung der Schmelze (1) und der Gießform (2) auf einer ersten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls aufweist, mit einem unterhalb der Heizkammer (9) angeordneten Tiegel (10) mit einem Bad (3) aus einem flüεεigen Kühlmedium, welcheε εich auf einer zweiten Temperatur befindet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, sowie mit einer Fahreinrichtung (11) zur Bewegung der Gießform (2) aus der Heizzone (7) in das Bad (3) , wobei das Bad (3) bedeckt ist von einer schwimmenden, fließfähigen und von der Gießform (2) durchdringbaren(9), which has a heating zone (7) for keeping the melt (1) and the casting mold (2) warm at a first temperature above the melting point of the metal, with a crucible (10) with a bath arranged below the heating chamber (9) (3) from a liquid cooling medium which is at a second temperature which is below the melting point of the metal, and with a driving device (11) for moving the casting mold (2) from the heating zone (7) into the bath (3) , wherein the bath (3) is covered by a floating, flowable and penetrable by the mold (2)
Deckschicht (4) aus einem wärmeisolierenden Schüttgut (5, 6) d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Tiegel (10) für einen Wärmeaustausch mit einem Kühlsyεtem (20) , umfassend zumindest einen Kühlkanal (21) für eine Durchströmung mit einem anorganischen Wärmeaustauschmedium (19) , verbunden ist .Cover layer (4) made of a heat-insulating bulk material (5, 6), characterized in that the crucible (10) for heat exchange with a cooling system (20), comprising at least one cooling channel (21) for a flow with an inorganic heat exchange medium (19) is.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der einen schraubenförmig gewundenen Kühlkanal (13) aufweist. 16. The apparatus of claim 15, wherein a helically wound cooling channel (13).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der der Tiegel (10) als doppelwandiger den Kühlkanal (21) aufweisender Behälter ausgeführt ist.17. The apparatus of claim 15 or 16, wherein the crucible (10) is designed as a double-walled container having the cooling channel (21).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 biε 17, bei der die Deckschicht (4) bis an die Heizkammer (9) heranreicht.18. Device according to one of claims 15 to 17, in which the cover layer (4) reaches up to the heating chamber (9).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der die Deckschicht (4) eine Dicke zwischen 30 mm und 50 mm hat.19. Device according to one of claims 15 to 18, wherein the cover layer (4) has a thickness between 30 mm and 50 mm.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der für das Kühlsystem (20) eine Heizeinrichtung (22) , inεbeson- dere umfassend eine elektrische Heizmatte, vorgeεehen iεt. 20. Device according to one of claims 15 to 19, in which a heating device (22), in particular comprising an electric heating mat, is provided for the cooling system (20).
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