DE2031844C3 - Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gußstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gußstückes, bei dem ein Lichtbogen zwischen dem Ende einer in eine Gießform axial beweglich hineinragenden Elektrode und dem Boden der Gießform gezündet wird, um das Schmelzen der Elektrode in der Gießform zu bewirken, wobei die Stromzufuhr zur Elektrode regelbar ist.

Ein solches Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenofens ist aus DE-AS 11 56 520 bekannt. Hierbei wird der gesamte Mantel der Gießform kontinuierlich gekühlt, und es wird die Energiezufuhr zur Elektrode durch Umpolung bzw. Halbwellenanschnittsteuerung geregelt. Hierdurch ist es möglich, bei gleichbleibender Energie am Schmelzsee der Elektrode selbst mehr Energie zuzuführen und ein schnelleres Abschmelzen hervorzurufen.

Das bekannte Verfahren ist nicht zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gußstückes geeignet. Gerichtet erstarrte Gußstücke aus Hochtemperatur-Legierungen sind besonders nützlich in Gasturbinen, und zwar insbesondere dort, wo die Kristallorientierung beispielsweise in bezug auf die Belastung des fertigen Teiles gesteuert werden soll. Derartige Gußstücke und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind in US-PS 32 60 505 beschrieben. Es wird mit einer Form gearbeitet, deren oberer Teil vor Einguß des Metalles über den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt wird und deren unterer Teil abgekühlt werden kann und während des Gießvorganges wesentlicn kälter bleibt als der Formkörper, wodurch das Gußmetall im unteren Teil der Form gekühlt wird. Diese von einem Ende her wirksame Kühlung verursacht ein Kristallisieren des Gußstückes in einer Säulenstruktur mit einseitig gerichteten Kristallen. Die Qualität der Gußstücke ist umso besser, je feiner die Dendritenstruktur ist, und es hat sich gezeigt, daß die gewünschte feingefügige Dendritenstruktur erzielt werden kann, indem mit einer relativ schnellen Abkühlgeschwindigkeit gearbeitet wird, sobald die Erstarrung begonnen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem gerichtet erstarrte Gußstücke hergestellt werden können, die durch hohe Abkühlgeschwindigkeit eine feine Dendritenstruktur mit gewünschter Orientierung aufweisen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man nur die Bodenplatte der Gießform kontinuierlich kühlt, so daß das Material vom Gießformboden aufwärts gerichtet erstarrt, so wie es geschmolzen wird, die Legierung weiter oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht schmilzt, die durch die Erstarrung der Legierung aufgrund des Wärmeabzuges an der gekühlten Bodenplatte gebildet wird, und daß man den Lichtbogen periodisch unterbricht, um die Tiefe der geschmolzenen Legierung oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht zu steuern.

Während des Gießvorganges wird der Lichtbogen periodisch unterbrochen, um die Tiefe der geschmolzenen Zone zu beschränken und um einen weiteren Wärmefluß von der geschmolzenen Zone durch die Festzone in den gekühlten Formboden zu gewährleisten. Bei unterbrochenem Lichtbogen wird der geschmolzenen Legierung keine Wärme zugeführt und die Erstarrung geht mit großer Geschwindigkeit vor sich. 1st der Lichtbogen gezündet, so wird durch seine große Wärmemenge schnell zusätzliches Metall zur Erhöhung der Badtiefe geschmolzen, ohne daß der Erstarrungsprozeß wesentlich verzögert wird. Diese Technik mit unterbrochenem Lichtbogen bewirkt eine schnellere Erstarrung der Schmelze während des Gießvorganges, wodurch ein feiner Dendritenabstand und eine zufriedenstellende Kornstruktur in dem Gußstück erzielt werden. Die Dendriten haben die bevorzugte (001)-Orientierung entlang der Längsachse des Gußstückes. Der erzeugte Gußblock hat die gewünschte Mikrostruktur und eine verringerte Mikroporosität. Die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit, welche mit dem Lichtbogenschmelzverfahren mit abschmelzender Elektrode erzielt wird, bewirkt einen sehr geringen Abstand der Dendritenarme, eine kleine eutektische Phase und eine sehr feine Verteilung von kleineren NC-Karbiden, was ein besseres Gußstück gewährleistet. Als Einkristall ist das Gußstück völlig ohne Korngrenzen. Die periodische Unterbrechung des Lichtbogens ermöglicht das Aufrechterhalten eines hohen Wärmegradienten an der flüssig-festen Zwischenschicht. Die Erstarrung, die an der gekühlten Bodenplatte der Gießform begann, bewegt sich aufwärts mit im wesentlichen waagerechter fester Oberfläche. Es ergibt sich eine dünne Schicht, welche zu einem Teil aus festem Metall und zum anderen Teil aus flüssigem Metall besteht, »breiige Zone« genannt, und über der sich das flüssige Bad aus der Legierung befindet. Während der Periode, in der der Lichtbogen nicht brennt, bewegt sich die breiige Zone schnell nach oben, bedingt durch den Wärmeverlust zur gekühlten Bodenplatte. Während der Periode, in der der Lichtbogen brennt, befindet sich die größte Wärme am Ende der Elektrode und das Schmelzen geschieht, ohne die Wärme an der breiigen Zone zu erhöhen, wodurch die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der breiigen Zone nur zeitlich verringert wird. Das periodische Abschalten des Lichtbogens begrenzt die Tiefe der Zone der geschmolzenen Legierung in der Form und

6s ermöglicht eine Steuerung des Wärmegradienten in der Legierung, um die gewünschte Erstarrungsgeschwindigkeit im Innern der Form aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewe-

gung der flüssig-festen Zwischenschicht in dem Erstarrungsprozeß genau gesteuert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei

F i g. 1 einen Schnitt durch die Vorrichtung und s

F i g. 2 einen Teilschnitt einer Abänderung darstellt

Das Verfahren kann in der gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden welche eine Abschreckplatte 10, oder Tiegelboden, begreift auf der eine Gegenstandsform 12 in Form einer keramischen Hülse steht deren unteres Ende auf der Abschreckplatte 10 ruht Diese Keramikhülse wird in einem gewissen Abstand von einer Tiegelhülse oder Tiegelwand 14 umgeben, welche an ihrem unteren Ende fest mit der Abschreckplatte verbunden ist, z. B. durch Schrauben 16. Diese Tiegelhülse kann wiederum von einem Kühlmantel umgeben sein (nicht dargestellt) obschon dies nicht ein kritischer Teil der Vorrichtung ist. Der Raum zwischen der Form 12 und der Tiegelwand 14 k?nn mit einem isolierenden körnigen Keramikmaterial 17 gefüllt sein um den Wärmeverlust aus der geschmolzenen Legierung durch die Formwand auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Heizspule 18 kann zum Heizen der Form vor dem Beginn des Gießvorganges die Form 12 umgeben.

Eine abschmelzende Stange oder Elektrode 19 aus der zu gießenden Legierung taucht in der Hülse 12 ein und wird durch irgend einer der herkömmlichen Elektrodenhalter und Zuführungsvorrichtungen getragen, mit denen ein Lichtbogen gezündet und während des Abschmelzens der Elektrode im innern der Hülse aufrecht erhalten werden kann. Eine Art der bestbekannten Lichtbogenschmelzofen mit abschmelzender Elektrode, welche diese Sorte von Zuführung haben, ist der Heraeus L 200 M-Ofen. Zum Zweck der vorliegenden Erfindung genügt es, daß die Stange 19 an einer Förderzahnstange 20 montiert ist, welche mittels eines Zahnrades 22 bewegt wird, um die Elektrode in oder aus der Hülse 12 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zu bewegen um das gewünschte Schmelzen des Blockes aufrechtzuerhalten.

Selbstverständlich ist der Lichtbogen ein elektrischer Lichtbogen; die Energie gelangt von einer geeigneten Quelle 24 mit Starkstromleitungen 26 zu der Elektrode und zum Tiegel. Natürlich hält eine geeignete Regelung 28 herkömmlicher Bauart die geeignete Energiezufuhr zum Lichtbogen aufrecht und dient ebenfalls zur Regelung der Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit. Eine weitere Regelung in Form eines Zeitreglers 30 ermöglicht eine periodische Unterbrechung der Stromzufuhr zum Halter und zum Lichtbogen während des Schmelzprozesses. Ein solcher Zeitregler ist bestens bekannt und braucht an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Das Ziel eines solchen Abschaltens ist eine periodiche Unterbrechung des Schmelzens während des Gießvorganges zu bewirken. Die Hülse 12 und die umgebende Isolierung dienen als Hitzebarriere, so daß während des Abschmelzens der Elektrode zur Bildung eines Bades in der Hülse, der Hauptwärmeverlust axial durch die Abschreckphtte geschieht.

Die Erstarrungsfront bc .vegi sich von der Abschreckplatte aus aufwärts und das erstarrende Metall bildet Stengelkörner, wie dies in der US-PS 32 60 505 beschrieben ist. Überhitztes geschmolzenes Metall wird knapp oberhalb der flüssigfest Zwischenschicht (»breiige Zone«) durch die abschmelzende Elektrode in die Form eingebracht. Dies bewirkt eine sehr schnelle Erstarrungsgeschwindigkeit, wodurch eine feine Dendritenstruktur erzielt wird. Diese Dendriten haben die bevorzugte (OOl)-Orientierung entlang der Vertikalachse des Gußstückes.

Wenn der Lichtbogen zum Schmelzen der Stange zwischen der Elektrode und der Abschreckplatte gezündet ist und ein flüssiges Bad gebildet worden ist, bewirkt die Abschreckplatte die Erstarrung. Die Hülse 12 wirkt als Hitzeschild und der Wärmefluß aus dem geschmolzenen Metall in die Abschreckplatte wird durch das Vorwärmen der Keramikhülse aus der fortschreitenden Schmelzgeschwindigkeit weiter erhöht. Es ist zu verstehen, daß die Schmelzgeschwindigkeit der Elektrode und somit die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung eine Funktion der Energiezuführung und der Wirksamkeit der Abschreckschicht ist Die Herstellung von gerichtet erstarrten Teilen mittels einer Abschreckschicht und einem steilen Wärmegradienten in der Form ist in der US-PS 32 60 505 beschrieben und beansprucht. Während des Gießvorganges wird der Lichtbogen periodisch unterbrochen, um die Tiefe der geschmolzenen Zone zu beschränken und um einen weiteren Wärmefluß von der geschmolzenen Zone durch die Festzone in die Abschreckplatte zu gewährleisten. Bei unterbrochenem Lichtbogen wird der geschmolzenen Legierung keine Wärme zugeführt und die Erstarrung wird großer Geschwindigkeit vorsichgehen. Ist der Lichtbogen gezündet, so wird durch die mittels dem Lichtbogen zugeführte große Wärmemenge schnell zusätzliches Metali zur Erhöhung der Badtiefe geschmolzen, ohne den Erstarrungsprozeß wesentlich zu verzögern. Diese Technik mit unterbrochenem Lichtbogen gewährt eine schnellere Erstarrung der Schmelze während des Gießvorganges, wodurch ein feiner Dendritenabstand und eine zufriedenstellendere Kornstruktur in dem Gußstück erzielt wird Selbstverständlich können auch andere Vorrichtungen als der spezielle Zeitregler 30 verwendet werden, um die gewünschten abwechselnden Lichtbogenbedingungen (brennend oder unterbrochen) während des Verfahrens zu gewährleisten.

Beispielsweise, bei der Herstellung eines gerichtet erstarrten Blockes von 38,1 mm Durchmesser, war die Abschreckplatte eine Kupferplatte mit Kühlungsdurchläufen. Der Kühlwasserdurchfluß war auf 30,3 Liter pro Minute eingestellt. Die Energiezufuhr für den Lichtbogen war 220 Ampere bei 21 Volt und die Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit war 12,7 mm pro Minute; der Querschnitt der Elektrode war 4,84 cm². Der Block wurde aus einer Mar M 200 Legierung gegossen. Es ist zu verstehen, daß dieser Gießvorgang vorzugsweise im Vakuum durchgeführt wird.

Nach 210 Sekunden Brennzeit des Lichtbogens war das Bad aus flüssiger Legierung ungefähr 38,1 mm tief und der Lichtbogen wurde für 60 Sekunden unterbrochen. Danach brannte der Lichtbogen periodisch während 60 Sekunden und war periodisch für 150 Sekunden abgeschaltet, bis die Form auf das gewünschte Niveau gefüllt war.

Der erzeugte Block hatte die gewünschte Mikrostruktur und eine verringerte Mikroporosität. Die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit welche mit dem Lichtbogenschmelzverfahren mit abschmelzender Elektrode erzielt wird, bewirkt einen geringeren Abstand der Dendritenarme, eine kleine eutekische Phase und eine feinere Verteilung von kleineren NC Karbiden, was ein besseres Gußstück gewährleistet.

Die periodische Unterbrechung des Lichtbogens ermöglicht das Aufrechterhalten eines hohen Wärme-

gradienten an der flüssigfest Zwischenschicht. Wie in F i g. 1 dargestellt, bewegt sich die Erstarrung, welche an der Abschreckplatte begann, aufwärts mit wesentlich waagerechter fester Oberfläche. Wie dargestellt, gibt es eine dünne Schicht, welche zu einem Teil aus festem Metall und zum anderen Teil aus flüssigem Metall besteht, »breiige Zone« genannt, und über der-sich das flüssige Bad aus der Legierung befindet. Während der Periode in der der Lichtbogen nicht brennt, bewegt sich die breiige Zone schnell nach oben, bedingt durch den Wärmeverlust zur Abschreckplatte hin. Während der Periode in der der Lichtbogen brennt, befindet sich die größte Wärme am Ende der Elektrode und das Schmelzen geschieht ohne die Wärme an der breiigen Zone wesentlich zu erhöhen wodurch die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung der breiigen Zone nur zeitlich verringert wird.

Das Wachstum der Stengelkörner in diesem Gießverfahren geht in der in dem US Patent 32 60 505 oder in dem US Patent 34 17 809 beschriebenen Art vor sich. Das Dendritenwachstum in den einzelnen Stengelkörnern ist in rechten Winkeln zu der Abschreckplatte und somit ist das Wachstum gerichtet erstarrt mit sowohl den Stengelkörnern als auch dem Dendritenwachstum in den Körnern parallel zu der Längsachse des Gußstückes.

Dieses periodische Schmelzen der Elektrode während des Gießvorganges ist ebenfalls auf das Gießen von Einkristallblöcken oder Einkristallgegenständen anwendbar. Der Einkristallblock ist eine weitere Form von gerichtet erstarrtem Material mit einer durch ein Keimkristall gesteuerten Richtung der Dendriten. Beispielsweise, wie in F i g. 2 dargestellt, ist die Vorrichtung praktisch die gleiche wie in Fig. 1 mit der Ausnahme, daß ein Keimkristall 34 auf der Abschreckplatte 10 angebracht ist, um während des Gießvorganges das Wachstum der Dendriten in Einkristallform zu fördern. Die Herstellung des Einkristallblockes geschieht wie oben in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben, mit periodischer Unterbrechung des Lichtbogens um einen steileren Wärmegradienten in der erstarrenden Legierung und eine größere Erstarrungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Obschon der Keim gewöhnlich derart aus einem Einkristall herausgeschnitten wird, daß das Dendritenwachstum in rechten Winkel zu der Abschreckplatte ist, so ist doch eine solche Einschränkung nicht notwendig; wird das Dendritenwachstum so gewünscht, daß die (OOl)-Orientierung in einem spitzen Winkel zu der Abschreckplatte ist, so wird der Keimkristall mit der gewünschten Winkelorientierung gewählt, wie durch die gestrichelten Linien 38 auf dem Keimkristall dargestellt. Ob die Orientierung der Dendritenstruktur des Keims in rechten Winkeln zu dei Abschreckplatte ist oder in spitzem Winkel, wie dargestellt, das periodische Unterbrechen des Lichtbogens zur Erzeugung eines periodischen Schmelzens dei Elektrode bei Aufrechterhaltung des Bades aus geschmolzener Legierung ist wirksam zur Erzeugung der gewünschten MikroStruktur in der Legierung. Das

ίο periodische Abschalten des Lichtbogens begrenzt die Tiefe der Zone der geschmolzenen Legierung in dei Form und ermöglicht eine Steuerung des Wärmegradienten in der Legierung um die gewünschte Erstarrungsgeschwindigkeit im Innern der Form aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit dei Aufwärtsbewegung der flüssig-fest Zwischenschicht ir dem Erstarrungsprozeß genau gesteuert werden. Wie ir Fig. 1 dargestellt, kann die Abkühlgeschwindigkeit wenn es wünschenswert erscheint, mittels einei Heizspule welche die Form umgibt, zusätzlich gesteuen werden. Diese Heizspule kann zum Vorwärmen dei Form auf eine Temperatur gleich oder höher als die Schmelztemperatur der Legierung verwendet werden.

Als Beispiel dieser Technik, auf die Herstellung vor gerichtet erstarrten Gegenständen des Einkristalltyp! angewendet, wurde ein Block mit 38,1 mm Durchmesse! und 10,16 cm Länge auf einer Abschreckplatte au; Kupfer und mit Durchläufen darin für das Kühlmitte gegossen. Der Durchfluß des Kühlwassers wurde aul 303 Liter pro Minute eingestellt. Die elektrische Energie für den Lichtbogen war 220 Ampere bei 21 Voll und die Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode währenc der Lichtbogenbrennzeit war 25,4 mm. Der Querschnit der Elektrode betrug 4,84 cm². Die Lichtbogenbrennzei' war 35 Sekunden und die Zeit in welcher dei Lichtbogen unterbrochen war betrug 150 Sekunder nach einer ersten Schmelzperiode, welche eine Tief« von 38,1 mm der geschmolzenen Legierung in der Forn bewirkte. Dieser unterbrochene Vorgang wurde bis zi einer Endhöhe der Oberfläche des Bades von 12,06 cn oberhalb der Abschreckplatte fortgesetzt Der Blöd wurde aus einer Mar M 200-Legierung gegossen unc der Keimkristall war aus der gleichen Legierung. Da; Gießverfahren wurde im Vakuum durchgeführt Dei gegossene Block wies die gewünschte Mikrostruktui und eine verringerte Mikroporosität auf. Als Einkristal war er völlig ohne Korngrenzen. Die Abstände dei Dendritenarme waren sehr klein, er wies eine kleine eutektische Phase auf, und besaß eine sehr feinf Verteilung von kleinen NC Karbiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Gußstückes, bei dem ein Lichtbogen zwischen dem Ende einer in eine Gießform axial beweglich hineinragenden Elektrode und dem Boden der Gießform gezündet wird, um das Schmelzen der Elektrode in der Gießform zu bewirken, wobei die Stromzufuhr zur Elektrode regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß man nur die Bodenplatte der Gießform kontinuierlich kühlt so daß das Material vom Gießformboden aufwärts gerichtet erstarrt, so wie es geschmolzen wird, die Legierung weiter oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht schmilzt, die durch die Erstarrung der Legierung aufgrund des Wärmeabzuges an der gekühlten Bodenplatte gebildet w ird, und daß man den Lichtbogen periodisch unterbricht, um die Tiefe der geschmolzenen Legierung oberhalb der flüssig-festen Zwischenschicht zu steuern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gießform vor dem Schmelzen der Legierung erwärmt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Hochtemperatur-Legierung verwendet.