DD139801A1

DD139801A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von gussteilen

Info

Publication number: DD139801A1
Application number: DD20899078A
Authority: DD
Inventors: Vasily A Chumakov
Original assignee: Vasily A Chumakov
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1980-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung wird angewandt in Gießereibetrieben, beispielsweise zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln oder Dauerma·* gneten sowie von Gußstücken verschiedenster Formgebung, Das Verfahren zur Herstellung von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation mit den Arbeitsgängen: Gießformerwärmung, Füllung des Formhohlraumes mit Metall, Verschiebung der mit Flüssigmetall gefüllten Form durch die Kristallisationszone, Endkühlung der Gießform wird erfindungsgemäß derart ausgeführt, daß die Gießform vor der Füllung des Formhohlraumes mit Metall über deren ganze Oberfläche, den Bödenbasisabschnitt mit einbegriffen, erwärmt und der Bodenteil der Gießform erst ab Zeitpunkt der Ankunft der Gießform in der Kristallisationszone mit einem abnehmenden Erwärmungsfeld mit einer gekühlten Oberfläche in Berührung gebracht wird. Der Kühlgrad der Gießform mit Metall kann in der Kristallisationszone erfindungsgemäß durch stufenweise Regelung der Heizelemente in Bewegungsrichtung der Gießform sowie durch HöhenverStellung der Heizelemente geregelt werden.

Description

-A-

Berlin, den 2.4.1979 54 489/27 WP B22D/208 99O

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Gußteilen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gebiet des Gießereibetriebs, und zwar die Herstellungstechnologie von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation, z.B. Gasturbinenschaufeln oder Dauermagneten unter Bedingungen der Massenfertigung. Die Erfindung betrifft weiterbin eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntgeworden sind Verfahren zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation aus der Schmelze, die die Arbeitsgänge Gießformerwärmung bis auf eine den Schmelzpunkt von Metall überschreitende Temperatur, Niederschmelzen von Metall, Füllung des Formbohlraumes mit Metall und Abkühlung der Gießform durch deren Kontaktierung mit der gekühlten Oberfläche des Kristallisators (s. z.B. US-PS 3 008 855, Kl. 22-196 aus dem Jahre 196I und US-PS 2 951 272, Kl. 164-127 aus dem Jahre I96O) beinhalten.

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Bekannt ist auch die GB-PS 1 269 833, Kl, B22 d 27/04, Έ27 b 9/12, B22 d 23/О6, Bekanntmachung am 6. April 1972, erteilt für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation in beweglichen Gießformen, In dieser Patentschrift wird die Ausführung eines einheitlichen Drehofens vorgesehen, auf dessen Umfang Gießformen starr befestigt sind, die durch die Kristallisationszone befördert werden. In dieser Zone erzeugt der Erhitzer ein Wärmefeld, das sich in Bewegungsrichtung der Gießformen verringert. Zur Zwanglaufkühlung der auf dem Drehofen befestigten Gießformen wird der Küblflüssigkeitsstrom den Abschnitten des Drehofens zugeleitet, die mit den unteren Enden der Gießformen in Berührung kommen. Diese Konstruktion der Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Gießform nicht auf der ganzen Oberfläche bis auf eine den Schmelzpunkt von Metall übersteigende Temperatur erwärmt werden kann. Im einzelnen wird ihr Bodenbasisabscbnitt, der mit der gekühlten Oberfläche des Kristallisators im ständigen Kontakt steht, verhältnismäßig ungenügend erwärmt. Dadurch wird die Verwendung eines vereinfachten Verfahrens, das die Vereinigung des Schmelzens und Ver~ gießens von Metall mit der Erwärmung der Gießform vorsieht, äußerst erschwert, weil dabei eine Überhitzung von Flüssigmetall erforderlich ist, die die Erwärmungstemperatur der Gießform wesentlich überschreitet, was sich in der Gießform selbst unter deren gleichzeitiger Erwärmung allzu umständlich durchführen läßt.

Ein weiterer wesentlicher Konstruktionsnachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß sie es nur ermöglicht, das Gußstück in der Kristallisationszone von nur einer bestimmten Höhe oder unter dieser herzustellen. Dabei werden

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aber der Ofenwirkungsgrad und die Ofenleistung durch die Verkürzung der Ausdehnung des Wärmefelds, das an dem Kristallisationsvorgang aktiv beteiligt ist, herabgesetzt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Rotations-Fließbandverschiebung der starr befestigten Gießformen den Vorgang und die Konstruktion der Einheit zum Schleusen der Gießformen beträchtlich erschwert, falls das Verfahren der gerichteten Kristallisation unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden muß, was für die Gasturbinenschaufeln wegen extremer Oxydierbarkeit der für sie verwendbaren Legierungen zur Zeit eine inhärente Bedingung bildet.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und ein vervollkommnetes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation zu schaffen, womit die !Leistung der Vorrichtung erhöht und das Gefüge der herzustellenden Gußteile verbessert werden kann,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das System der Wärmewechselwirkung zwischen den Gießformen und der Heiz- und Küblzone der Vorrichtung zur Kristallisation günstiger zu gestalten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation vorgeschlagen, das die

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Arbeitsgänge Gießformerwärmung bis auf eine den Schmelzpunkt von Metall überschreitende Temperatur, Füllung des Formhoblraumes mit Metall, Beförderung der Gießform mit Flüssigmetall durch die Kristallisationszone des Ofens, die ein Wärmefeld erzeugt, das sich in Bewegungsrichtung der Gießform verringert, sowie den Arbeitsgang Sndküblung der Gießform mit Metall einschließt; dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Gießform vor der Füllung des Formbohlraumes mit Metall über deren ganze Oberfläche, den Bodenbasisabschnitt mit einbegriffen, erwärmt und der Bodenteil der Gießform erst ab Zeitpunkt der Ankunft der Gießform in der Kristallisationszone mit dem erwähnten abnehmenden Erwärmungsfeld mit einer gekühlten Oberfläche in Berührung gebracht wird.

Diese technische Lösung ermöglicht es, die Stadien der Vorwärmung der Gießform und deren Abkühlung im Kristallisationsvorgang scharf abzugrenzen sowie eine gleichmäßige Erwärmung des Formhohlraumes der Gießform über deren ganze Oberfläche zu gewährleisten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß während der vorgenannten Arbeitsgänge eine Gruppe aneinander anstoßender Gießformen, die den identischen Srwärmungs- und Küblbedingungen ausgesetzt sind, gleichzeitig und parallel den Arbeitszyklus durchläuft.

Diese technische Vervollkommnung bietet die Möglichkeit, unter Verwendung der Vorteile des Verfahrens gleichzeitig eine Gruppe Qualitätsfertiggußstücke im kontinuierlichen Strom herzustellen.

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Im Sinne der Erfindung ist weiterbin, daß der Küblgrad der Gießform mit Metall in der Kristallisationszone durch eine Stufenregelung der Erwärmungstemperatur in Bewegungsrichtung der Gießform geregelt wird.

Die erwähnte Vervollkommnung ermöglicht es, praktisch eine beliebige erforderliche Wärmeführung der Kristallisation unter optimaler Ausbildung des Gußgefüges zu erhalten.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche aufeinanderfolgend eine Heizzone der Gießform, eine Kristallisationszone mit Heizelementen, die ein sich in Bewegungsrichtung der Gießformen verringerndes Wärmefeld erzeugen, und eine Kühlzone sowie Mittel zum Füllen der Gießformen mit Flüssigmetall und Mittel zum Verschieben der Gießformen durch die erwähnten Zonen enthält, zeichnet sich dadurch aus, daß ein Ofen vorgesehen ist, der in Form einer einheitlichen, durch alle erwähnten Zonen verlaufenden Führung ausgebildet und aus der Reihe aneinander anstoßender Abschnitte - einem Heiz- und einem Kühlabschnitt zusammengesetzt ist, wobei die Stoßstelle dieser Abschnitte am Eingang der Kristallisationszone liegt und die Bodenteile der Gießformen längs des Verschiebeweges im Ofen stets im unmittelbaren Wärmekontakt mit den genannten Abschnitten stehen.

Diese technische Lösung bietet die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren auf höchst fertigungsgerechte Weise zu realisieren und eine funktionssichere und konstruktiv einfache Vorrichtung zur Massenherstellung von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation zu schaffen.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht der erwähnte Heizabscbnitt des Ofens aus schwerschmelzbarem Werkstoff, vorzugsweise Graphit, und der Küblabschnitt aus Metall mit einem relativ hohen Wärmeleitvermögen. Hierdurch ist es möglich, einen hohen Heizwirkungsgrad der Bodenabschnitte der Gießformen bei deren Verschiebung über den graphitischen Abschnitt des Ofens sowie eine rasche Abkühlung auf dem metallischen Abschnitt des Ofens mit größtmöglichem Temperaturgradienten zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß ist ebenfalls, daß in der genannten Kristallisationszone Blöcke aus einzelnen Heizelementen über dem ungeteilten Kühlabschnitt des Ofens angeordnet und eine Verstellvorrichtung zur unabhängigen Höhenverstellung der Heizelemente gegenüber dem erwähnten Kühlabschnitt des Ofens vorgesehen sind.

Durch diese technische Lösung wird die Stufenregelung der JSrwärmungsart der Gießformen in der ICristallisationszone und die Benutzung der Vorrichtung zum Herstellen von verschieden gestalteten und bemessenen Gußteilen ermöglicht.

Ausführun^sbeispiel

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Prinzipsehaltplan der Herstellung von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation;

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Pig. 2: eine der Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation;

Pig. 3·* ©ine der Varianten der Stufenregelung der Erwärmung stemperatur in der Kristallisationszone in Bewegungsrichtung der Gießform.

Das Verfahren zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation nach der vorliegenden Erfindung wird, wie in Fig. 1 gezeigt, folgenderweise realisiert. Eine keramische Hülle , die einen Formbohlraum 1 für das Gußteil enthält, wird in einem Formkasten 2 aus Graphit untergebracht. Der freie Raum zwischen ihnen wird mit einem Stützfüllstoff 3 gefüllt, von oben mit einem Deckel Ц- mit einer darauf angeordneten keramischen Pfanne 5 verschlossen, in die ein fester Metallrohling б aus einer Legierung auf Nickelbasis hineingelegt ist. Der F_ormk_as-t;_en 2 wird durch ein durch seitliche Erhitzer 7 erzeugtes Wärmefeld verschoben (die Richtung ist in der Zeichnung mit Pfeilen angegeben). Zuerst wird die Gießform 29 vorzugsweise von seiten des Bodenbasisabschnitts erwärmt. Nachdem hier eine den Schmelzpunkt von Metall übersteigende Temperatur (1350 für die Fickelbasislegierung) erreicht worden ist, wird danach die Erwärmung des restlichen Teils und des oberen Endes der Gießform 29 mittels zusätzlicher Erhitzer 8 auf eine Temperatur von 1480 bis 1500⁰C intensiviert. Vor dem Eintritt der Gießform 29 in die Kristallisationszone 20 fließt das flüssige Metall in den Formhoblraum 1 hinab. Am Eingang der Kristallisationszone 20 kommt der Bodenbasisabschnitt der Gießform 29 mit der Kühlfläche des Kristallisators 9, der mit Wasser 10 gekühlt wird, in Berührung.

2.4.1979 - 8 - WP B22D/208 990

In der unterkühlten Schicht aus flüssigem Metall kommen am Fuß des Formbohlraumes 1 Kristallisationskeime auf, deren Wachstum in Form von Stengelkörnern 11 aus der Schmelze 12 andauert. Durch das in Bewegungsrichtung der Gießform 29 abnehmende Erwärmungsfeld 13 m der Kristallisationszone wird das weitere Wachstum der Stengelkörner 11 bis zur endgültigen Erstarrung des Gußteiles insgesamt gewäbrleistet-

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung, die aus hintereinander angeordneten Elementen, wie Aufgabetisch 14, Vakuumverschluß 15, Schleusenkammer 16, Vakuumverscbluß 17, Arbeitskammer 18 mit der Reihe nach darin angeordneter Heizzone 19, Kristallisationszone 20, mit Heizelementen 21, die ein sich in Bewegungsrichtung der Gießformen 29 (mit Pfeilen bezeichnet) verringerndes Wärmefeld 13 erzeugen, Kühlzone (nicht dargestellt), Transportvorrichtung 22 zum Verschieben der Gießformen 29 durch die erwähnten Zonen, Vakuumverschluß 23, Schleusenkammer 24, Vakuumverschluß 25» Austragtisch 26 besteht. Außerdem ist in der Arbeitskammer 18 ein Ofen untergebracht, der in Form einer einheitlichen, durch alle erwähnten Zonen verlaufenden Führung ausgebildet und aus der Reibe nach aneinander anstoßenden Abschnitten - einem Heizabschnitt 27 und einem Kühlabschnitt 28 - zusammengesetzt ist, deren Stoßstelle am Eingang der Kristallisationszone 20 liegt.

Die Vorrichtung ist ebenfalls mit entsprechenden Nebenanlagen, wie Vakuum- und Hydrauliksystem, Energieblöcke, Steuerpult mit mnemonischem Schema ausgerüstet, die nicht dargestellt sind.

2.4.1979 - 9 - WP B22D/208

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im automatischen geschlossenen Zyklus wie folgt betrieben. Eine Gruppe mit Metallrohlingen 6 beschickter Gießformen 29, de fünf Stück, wird auf den Aufgabetisch 14 gestellt, von dem die Gießformen 29 mit Hilfe einer Aufgabevorrichtung 30 bei geöffnetem Vakuumverschluß 15 der Schleusenkammer 16 zugeführt werden, in der sie automatisch evakuiert werden. Beim Druckausgleich in den Kammern 16 und 18 werden die Gießformen 29 ähnlicberweise in die Arbeitskammer 18 übertragen, in der sie die Transportvorrichtung 22, die je nach der Größe der Gußstücke periodisch, alle 6 bis 15 Minuten, arbeitet, durch alle oben erwähnten Zonen verschiebt, wie beschrieben wurde. Die auf eine Temperatur von 3OO bis 400⁰C abgekühlten Gießformen 29 mit den Gußstücken werden in Gruppen über die Schleusenkammer 24 mit Hilfe einer Entladevorrichtung y\ durch den geöffneten Vakuumverschluß 25 automatisch auf den Austragtisch 26 entladen.

Pig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab den Aufbau der Heizelemente 21 in der Kristallisationszone 20, wo über dem ungeteilten Kühlabschnitt 28 des Ofens Blöcke aus einzelnen Heizelementen 21 angeordnet und eine Verstellvorrichtung zu ihrer unabhängigen Höhenverstellung gegenüber dem erwähnten Kühlabschnitt 28 des Ofens mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung 33 vorgesehen sind. Bei Bedarf können die erwähnten Blöcke der Heizelemente 21 zusätzliche oder individuell unabhängig gesteuerte, an eine Programmeinricbtung angeschlossene Hauptantriebe aufweisen, die nicht dargestellt sind.

2.4.1979 - 10 - WP B22D/208

Diese Konstruktion der Heizeinheit bietet die Möglichkeit, die Stufenregelung der Erwärmungstemperatur in Bewegungsrichtung der Gießformen 29 ia eier Kristallisationszone 20 durchzuführen und somit den Kühlgrad der metallgefüllten Gießformen 29 stufenweise zu regeln.

Durch die Verschiebemöglichkeit der Einzelblöcke der Heizelemente 21 wird gewährleistet, verschieden gestaltete und bemessene Gußteile mit dem maximalen Anwendungsnutzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellen.

Die ungehinderte Verschiebung der Gruppe der Gießformen 29 auf der festen Führung des Ofens der Vorrichtung ermöglicht es, die Schleusung der Gießformen 29 am Ein- und Ausgang der Arbeitskammer 18 auf die konstruktiv einfachste V/eise durchzuführen und die Bauart des Ofens wesentlich zu vereinfachen sowie dessen Betriebssicherheit und Leistung zu erhöhen. Im Falle der Anwendung eines mit einem mnemo— nischen Schema versebenen Zentralsteuerpultes wird die Einmann-Ofenbedienung gewährleistet.

Das Vorhandensein einer Heizstelle beim Fübrungsofen bietet die Möglichkeit, das Schmelzen des Metallrohlings 6 mit der Erwärmung der Gießform 29 zu vereinigen und somit das Verfahren und die Bauart des Ofens insgesamt zu vereinfachen.

Durch die Verwendung eines graphitischen Formkastens 2 wird der Ofen gegen einen zufälligen Durebbruch des flüssigen Metalls durch die keramische Maskenform gesichert und somit dessen störungsfreier Betrieb im Laufe einer relativ längeren Zeit gewährleistet.

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Die Tagesleistung der in Betrieb stehenden Vakuumöfen bei der Massenherstellung von gegossenen Gasturbinenschaufeln beträgt 360 bis 480 Stück bei Durchlaufbetrieb.

Aufgrund einer gewissen Vervollkommnung der Technologie sowie bei Verlängerung der Kristallisationszone und Leistungssteigerung des Erwärmungssystems kann die erwähnte Leistung um ein 1,5- bis 2-faches erhöht werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Gußteilen mit gerichteter Kristallisation, das die Arbeitsgänge Gießformerwärmung bis auf eine den Schmelzpunkt von Metall überschreitende Temperatur, Füllung des Formboblraumes mit Metall, Verschiebung der Gießform mit Flüssigmetall durch die Kristallisationszone des Ofens, die ein Wärmefeld erzeugt, das sich in Bewegungsrichtung der Gießform verringert, sowie den Arbeitsgang Endkühlung der Gießform mit Metall einschließt, gekennzeichnet dadurch, daß die Gießform (29) vor der Füllung des Formhohlraumes (1) mit Metall über deren ganze Oberfläche, den Bodenbasisabscbnitt mit einbegriffen, erwärmt und hiernach der Bodenteil der Gießform (29) bei Ankunft der Gießform (29) in der Kristallisationszone (20) mit dem abnehmenden Erwärmungsfeld mit einer gekühlten Oberfläche in Berührung gebracht wird.

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ist, der in *'огт einer einheitlichen, dtircb alle erwähnten Zonen verlaufenden Führung ausgebildet und aus der Reihe aneinander anstoßender Abschnitte - einem Heizabschnitt (27) und einem Küblabschnitt (28) - zusammengesetzt ist, wobei die Stoßstelle dieser Abschnitte am Eingang der Kristallisationszone (20) liegt und die Bodenteile der Gießformen (29) längs des Verscbiebeweges im Ofen stets im unmittelbaren Wärmekontakt mit den genannten Abschnitten (27; 28) stehen.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Gruppe aneinander anstoßender Gießformen (29), die identischen Srwärmungs- und Kühlbedingungen ausgesetzt sind, gleichzeitig und parallel den Arbeitszyklus durchläuft.

2.4.1979 - 12 - WP B22D/208 990

Erfind ungsanspruch

3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Kühlgrad der Gießform (29) mit Metall in der Kristallisationszone (20) durch eine Stufenregelung der Erwärmungstemperatur in Bewegungsrichtung der Gießform (29) geregelt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkten 1 bis 3> gekennzeichnet dadurch, daß ein Ofen vorgesehen

5. Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Heizabschnitt (27) des Ofens aus schwerscbmelzbarem Werkstoff, vorzugsweise Graphit, und der Kühlabscbnitt (28) aus Metall mit einem relativ hohen Wärmeleitvermögen besteht.

6. Vorrichtung nach Punkt 4 oder 5» gekennzeichnet dadurch, daß in der genannten Kristallisationszone (20) Blöcke aus einzelnen Heizelementen (21) über dem ungeteilten Kühlabscbnitt (28) des Ofens angeordnet und eine Verstellvorrichtung (32) zur unabhängigen Höhenverstellung der Heizelemente (21) gegenüber dem Kühlabschnitt (28) des Ofens vorgesehen sind.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen