DE2034404C3

DE2034404C3 - Gießofen für die Herstellung gefügeorientierter Gußstücke

Info

Publication number: DE2034404C3
Application number: DE2034404A
Authority: DE
Inventors: Douglas Wilson Shirley Brailsford Hall; Gordon John Spencer Derby Higginbotham
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1969-07-11
Filing date: 1970-07-10
Publication date: 1974-07-11
Also published as: FR2051698A1; DE2034404B2; DE2034404A1; FR2051698B1; US3677324A; JPS4813807B1; GB1269833A

Description

Die Erfindung betrifft einen C<eßofen für die Herstellung gefügeorientierter Gußfücke aus Metalllegierungen, insbesondere Turbinenschaufel, mit gekühlten Formträgern und Heizeinrichtungen für die Gießformen zur Erzielung eines von unten nach oben gerichteten Temperaturgefälles in den Gießformen.

Bei einem bekannten Gießofen dieser Bauart (französische Patentschrift 1 480 998) sind Einzelformen vorgesehen, die durch Heizspulen auf eine über der Schmelztemperatur des Metalls liegende Temperatur erhitzt werden. Das von unten nach oben gerichtete Temperaturgefälle wird durch eine Kühlplatte bewirkt, auf der die Form ruht und die von Kühlwasser bestrichen wird. Wenn das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird, beginnt die Erstarrung an der Abschreckplatte, und die Temperatur der gesamten Form wird graduell von unten nach oben vermindert, damit eine Hitzefront sich graduell von der Kühlplatte nach der Spitze der Form erstreckt und das gewünschte Korngefüge zustande kommt.

Dieser bekannte Gießofen hat den Nachteil, daß jede Schaufel einzeln mitsamt ihrer Gießform in einen Mantel eingesetzt werden muß, in dem die Temperaturbehandlung stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine kontinuierliche Serienfertigung, insbesondere von Turbinenschaufeln mit konstantem. Gefügeaufbau, ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Gießofen der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß die gekühlten Formträger auf einer durch einen Tunnel laufenden Fördervorrichtung angeordnet sind und daß sich an den Seitenwänden des Tunnels die Heizeinrichtungen befinden, welche Strahlungsflächen bilden, deren untere Grenze von der Oberkante der Fördervorrichtung in Bewegungsrichtung der Gießfor

men von unten rmch oben ansteigt.

Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Behandlung möglich, weil die Turbinenschaufeln in ihrer Form allmählich durch den Tunnel wandern können und am Ausgang des Tunnels das gewünschte Gef üge aufweisen. Vom bekannten Stand 4er Technik unterscheidet sich die Erfindung aber abgesehen von der Möglichkeit der kontinuierlichen Behandlung dadurch, daß im bekannten Fall eine Kältefront erzeugt

ίο wird, während gemäß der Erfindung eine Wärmefront benutzt wird. Dies bringt auch noch energiemäßig Vorteile, weil an jenen Stellen, an denen die Abkühlung fortschreitend erfolgt, eine unnötige Aufheizung vermieden ist.

ι j Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Fördervorrichtung als Drehtisch ausgebildet. Die Verwendung von Drehtischen ist in der Gießereitechnik an sich bekannt. So sind beispielsweise in der Literaturstelle »Gießereitechnik«, Heft 9, September 1955, S. 159 ff., Karussellgießmaschinen beschrieben. In Verbindung mit der erfindungsgemäß wirkenden Wärmefront sind derartige Gießmaschinen jedoch nicht bekanntgeworden.

An Stelle des Drehtisches, der die gewünschte Abkühlung der Turbinenschaufeln auf verhältnismäßig geringem Raum ermöglicht-, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Ofen auch langgestreckt ausgebildet sein, so daß die Werkstücke auf einem linearen Pfad hindurchwandern, wobei mehrere Öfen benachbart zueinander angeordnet sind und die Fördervorrichtung allen öfen gemeinsam ist. Eine solche Anordnung eignet sich besonders dann, wenn eine große Stückzahl von Turbinenschaufeln gefertigt werden muß.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht einer ersten Ausf'ihrungsform eines«rfindungsgemäß ausgebildeten Gießofens,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsfonn des erfindungsgemäßen Gießofens.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 insgesamt der Gießofen bezeichnet, der eine zentrale Säule 11 aufweist, die eine Fördervorrichtung in Gestalt eines Dichtisches 12 trägt, der im Uhrzeigersinn, d. h. in Richtung des Pfeiles P drehbar ist. Über etwa ein Drittel des Umfangs des Drehtisches 12 erstreckt sich ein Ofen 13 aus keramischem Material oder feuerfesten Ziegeln, der einen durchgehenden, kreisbogenförmig gekrümmten Tunnel 14 begrenzt. An seinem Eintrittsendc 14a und seinem Austrittsende 14b ist dcr'Ofen mit nicht dargestellten Wärmesperren versehen.

An den Seitenwänden des Tunnels 14 sind Heizeinrichtungen in Gestalt von Heizstäben 15 angeordnet, deren Länge vom Eintrittsende 14a des Tunnels in Richtung auf das Austrittsende 146 abnimmt. Infoleo gedessen erzeugen diese Heizelemente eine Wärmefront, die unter einem Winkel zur Ebene des Drehtisches 12 verläuft. Gegebenenfalls kann man nicht dargestellte zusätzliche Heizelemente in die Decke des Ofens einbauen.

Auf dem Drehtisch 12 sind mehrere, z. B. gemäß Fig. 1 vierzehn Formträger 16 angeordnet, die mit Wasser oder einem anderen Kühlmittel gekühlt werden, das den Formträgern 16 über die hohle Säule

ti zugeführt und auf dem gleichen Wege aus den Formtrügern abgeführt wird,

Piß Wirkungsweise der Vorrichtung XO wird im folgenden bezüglich des Hßrstellens einer einzigen Turbinenschaufel beschrieben. Die Vorrichtung kann aber auch so ausgebildet sein, daß sie ein kontinuierliches Herstellen von Turbinenschaufeln ermöglicht. Zunächst wird eine leere Form 17 zum Herstellen einer Schaufel auf einem Formträger 16 angeordnet. Während sich der Arbeitstisch 12 längs des Umfangs des Abschnitts A des Ofens 13 dreht, wird die Form 17 auf eine Temperatur erhitzt, die höher ist als die Schmelztemperatur der in sie einzubringenden Charge. Der Arbeitstisch kann kontinuierlich oder schrittweise mit einer vorbestimmten konstanten Geschwindigkeit gedreht werden. Gemäß Fig. 1 ist bei B eine Füllvorrichtung 18 vorgesehen, die mit einer Heizspule 19zum Schmelzendes Metalls versehen ist und dazu dient, die Form 17 über das offene Ende 20 der Füllvorrichtung mit einer Charge aus geschmolzenem Metall zu füllen. Während sich die Form 17 längs des Abschnitts C des Ofens bewegt, bewirkt die Anordnung der durch die Heizelemente 15 erzeugten Wärmefront in Verbindung mit der Kühlwiirkung des Formträgers 16, daß die Charge in der Form auf dem Formträger 16 von unten nach oben, d.h. von dem Formträger weg erstarrt, so daß ein gerichtetes Erstarren des Materials in der Weise erzielt wird, daß sich langgestreckte säulenähnliche Gefügefasern ausbilden, die parallel zur Längsachse X-X der Schaufel verlaufen. In Fig. 1 ist die fortschreitende Erstarrung der Schaufel an verschiedenen Punkten innerhalb des Ofens 13 durch eine Schattierung angedeutet. Wenn die Form 17 den Ofen 13 über das Austrittsende 14ί> des Tunnels verläßt, weist die gesamte Schaufel das geforderte richtungsabhängige Erstarrungsgefüge auf. Wenn sich die Form 17 durch den Ofen hindurch bewegt, schreitet somit die Wärmefront in einer Ebene fort, die im wesentlichen rechtwin_Alig zur Längsachse / -X der Schaufel verläuft und sich längs dieser Achse von unten nach oben bewegt.

Nach dem Verlassen des Austrittsendes 14fr des Tunnels 14 kann sich die Form 17 ois auf die erforderliche Temperatur abkühlen, woraufhin die Schaufel aus der Form entnommen wird.

F i g. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießofens, und in Fig. 2 sind in F i g. 1 dargestellten Teilen ähnelnde Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Bei der Auilührungsform nach Fig. 2 ist eine Standsäule 11 vorgesehen, die durch eine Zwischenwand 33 in eine obere Kammer 31 und eine unicrc Kammer 32 unterteilt ist. Der oberen Kammer M wird ein Kühlmittel, z.B. Wasser, über eine Leitung 34 zugeführt, und die untere Kammer 32 ist an eine Ablaufleitung 35 angeschlossen. Die obere Kammer 31 steht in Verbindung mit einer Ringnut 36 in der Umfangsflache der Säule 11; zu diesem Zweck sind mehrere radiale Bohrungen 38 vorgesehen. Auf der Säule 11, die fest auf dem starren Unterbau 40 ruht, ist ein zylindrisches Lager 37 drehbar angeordnet. Der Drehtisch 12 wird von dem zylindrischen Lager 37 aus über mehrere Speichen 41 abgestützt. Bei der Ausführur.gsform nach Fig. 1 hat der Arbeitstisch 12 die Form einer Scheibe, während er bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ringförmig ausgebildet ist.

Jeder Formträger 16 ist über sich durch den Arbeitstisch 12 erstreckende Kanäle mit einem Ventil ' 44 und über einen flexiblen Schlauch 42 mit einer Ringnut 36 der Säule H verbunden. Infolgedessen strömt das Kühlmittel von der oberen Kammer 31 aus durch die radialen Bohrungen 38 zu der Ringnut 36, von der aus es über die flexiblen Schläuche 42 zu dem Ventil 44 strömt, um von dort aus durch innere Kanäle des Ventils 44 und den Arbeitstisch 12 zu einer Düse

43 in dem betreffenden Formträger 16 zu strömen, um die Basis der Form 17 zu kühlen. Wenn das Kühlmittel seine Aufgabe erfüllt hat, strömt es über das Ventil 44 in der Basis des Formträgers und einen flexiblen Schlauch 45 zu einer Ringnut in der Außenfläche der Säule 11. Von dieser Ringnut aus strömt das verbrauchte Kühlmittel durch radiale Bohrungen 47 in

^X5 die untere Kammer 32, aus der es über die Austrittsleitung 35 abläuft. Das Ventil 44 kann mit der Hand mit Hilfe eines Griffs 48 betätigt werden, und normalerweise läßt es das Kühlmittel von dem flexiblen Schlauch 42 aus durch den Arbeitstisch 12 hindurch

^ao /u dem Formträ'ger 16 strömen, woraufhin das verbrauchte Kühlmittel in der beschriebenen Weise über den flexiblen Schlauch "λ abgeführt wird. Wenn der Formträger 16 entleert we^rden soll, wird das Ventil

44 mit Hilfe des Griffs 48 so betätigt, daß die beiden ^a5 flexiblen Schlauche 42 und 45 gegenüber dem das Ventil 44 mit dem Formträger 16 verbindenden Kanal abgesperrt werden. Das Ventil 44 ist so ausgebildet, daß dann, wenn die flexiblen Schläuche 42 und 45 verschlossen sind, der Formtrager 16 über Kanäle 50 mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei der eine Kanal Luft einströmen lälit, während der andere Kanal dazu dient, das Kühlmittel aus dem Formtrager

16 abzuführen.

Jeder Formträger 16 ist in ein auf dem Arbeitstisch 12 angeordnetes Bauteil 51 aus feuerfestem Material eingeschlossen.

Der Arbeitstisch 12 ist an seinem Rand mit einer Verzahnung 52 versehen, die mit einem durch einen Elektromotor 54 antreibbaren RiPeI 53 kämmt. Dei 4Q Elektromotor 54 treibt den Arbeitstisch 12 so an, daß er sich gemäß F i g. 2 in Richtung des Pfeils P dreht. Um einen toten Gang oder Schwingungen der Formen

17 während des Drehers des Arbeitstisches 12 auszuschalten, stütz! sich der Arbeitstisch an mehreren auf dem Unterbau 40 drehbar gelagerten konischen Rollen ab, die den größten Teil des Gewichtes des Arbeitstisches aufnehmen. Die Rollen 55 sind so ausgebildet und angeordnet, daß sie sich in Richtung auf das Bauteil 11 verjüngen.

Der Ofen ist mit einem radial weiter innen liegenden Kran/57 aus feuerfesten Ziegeln und einem radial weiter außen angeordneten Kranz 58 aus feuerfesten Ziegeln ausgekleidet. Sowohl der innere Kranz 57 als auch der äußere Kranz 58 ist mit einem ringförmigen Flansch 59 versehen. Diese Flansche erstrecken sich in Richtung auf die Formen 17 und bilden zusammen mit dem Kranzaus feuerfesten Bauteilen 31 eine Abdichtungsanordnung, die verhindert, daß Wärme aus dem Tunnel 14 verlorengeht. Gegebenenfalls kann man auf den feuerfesten Bauteilen 51 und/oder dem inneren Kranz 57 und dem äußeren Kranz 58 zusätzliche Dichtungen (nicht dargestellt), z.B. Labyrinth dichtungen, vorsehen. Der durch die feuerfesten Bauteile 51 gebildete Kranz ist an seiner Oberseite mit einem Trog 60 versehen, der ebenfalls dazu beiträgt, Wärmeverluste des Tunnels 14 zu verhindern, und in dem sich z.B. Metall sammelt, das aus den Formen 17 entweicht.

Statt die Formen in dem Ofen 13 mit geschmolzenem Metall zu füllen, kann man die Formen auch außerhalb oder innerhalb des Ofens mit einem pulverförmigcn oder pelletierten Metall füllen. Alternativ kann man außerhalb des Ofens in jede Form 17 eine vorgegossene Schaufel einbringen, die kein gerichtetes Korngefüge bzw. keinen bestimmten Faserverlauf zeigt, und die in dem Ofen 13 erneut geschmolzen wird, so daß die Schaufel während des Durchlaufens des Ofens 13 so umgegossen wird, daß ein Faserverlauf in einer bestimmten Richtung entsteht.

Gemäß Fig. 2 ist der Ofen 13 kreisbogenförmig gekrümmt, doch könnte man gegebenenfalls auch einen Ofen mit einer geraden Längsachse vorsehen. Ferner ist es möglich, mehrere Ofen, und zwar sowohl gekrümmte als auch gerade öfen, so anzuordnen, daß sie einander benachbart sind, und diesen öfen kann eine Einrichtung,z. B. der Arbeitstisch 12, gemeinsam so zugeordnet sein, daß die Formen 17 durch die öfen hindurch bewegt werden können.

Bei den bis jetzt beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der bzw. jeder Ofen 13 ortsfest angeordnet, doch ist es gemäß der Erfindung alternativ auch möglich, die Formen ortsfest anzuordnen und den Ofen gegenüber den Formen zu bewegen.

Die Zone unterhalb der Heizelemente 15 kann sich auf einer beliebigen Temperatur befinden, vorausgesetzt, daß diese Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Metalls liegt. Die Temperatur in der Zone unter den Heizelementen 15 und das Ausmaß der Wärmeabführung aus der Form kann innerhalb dieser Zone durch die Wandstärke des feuerfesten Materials geregelt werden, und man kann diese Regelung dadurch ergänzen, daß man in dieser Zone eine zusätzliche Kühlung bewirkt oder aber zusätzliche Wärmequellei vorsieht. Alternativ kann der unter den Heizelemen ten 14 liegende Teil des Ofens 13 zur Atmosphän offen sein, so daß ei gekühlt wird. Eine weitere Mög lichkeit, die Temperatur zu regeln, besteht darin, dal man Ströme eines Kühlmittels, z. B. von Luft oder ei nes chemisch neutralen Gases, unterhalb der Heizele mente in einer zur Ebene des Arbeitstisches 12 paral lelen Ebene auf die Form 17 leitet.

Die Form 17 wird so erhitzt, daß sie die erforderli ehe Temperatur in dem Zeitpunkt erreicht hat, in wel ehern sie gemäß Fig. 1 zu der Schmelz- und Füllvor richtung B gelangt. Man kann die Zeit, währenc welcher sich die Form vor dem Füllen mit dem ge

«5 schmolzenen Metall auf der erforderlichen Tempera tür befindet, so wählen, daß die Form »gebrannt« wird, um ihr die erforderlichen Eigenschaften z. B. bezüglich der Festigkeit, der Oberflächengüte und dei Zusammensetzung zu verleihen, damit die Form ge-

»ο eignet ist, bei dem beschriebenen richtungsabhängi gen Erstarrungsvorgang verwendet zu werden. Urr diese Eigenschaften zu entwickeln, wird die Form je nach ihrer chemischen Zusammensetzung vorzugsweise etwa 40 min lang auf einer Temperatur von übei

»5 1300° C gehalten, um sie zu brennen. Wenn die Form von dieser Temperatur abgekühlt wird, kann sich das üef üge des Materials der Form so verändern, daß die Eigenschaftender Form beeinträchtigt werden. Wenr man das Brennen der Form bei der hohen Temperatui

innerhalb des Ofens 13 unmittelbar vor dem Erreichen der Schmelzspule 19 durchführt, ohne daß die Form vor dem Füllen abgekühlt wird, ist es somil möglich, solche Veränderungen zu verringern oder zu vermeiden, bis das Metall erstarrt ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gießofen für die Herstellung gefügeorientierter Gußstücke aus Metallegierungen, insbesondere Turbinenschaufel, mit gekühlten Formtrügern und Heizeinrichtungen für die Gießformen zur Erzielung eines von unten nach oben gerichteten Temperaturgefälles in den Gießformen, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Formträger (16) auf einer durch einen Tunnel (14) laufenden Fördervorrichtung (12) angeordnet sind und daß sich an den Sei enwänden des Tunnels (14) die HeizeinrichUngen (15) befinden, weiche Strahlungsoberflächen bilden, deren untere Grenze von der Oberkante der Fördervorrichtung in Bewegungsrichtung der Gießformen von unten nach oben ansteigt.

2. Gießofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung (12) als Drehtisch ausgebildet ist.

3. Gießofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen langgestreckt ausgebildet ist, so daß die Werkstücke auf einem linearen Pfad hindurchwandern und daß mehrere öfen benachbart zueinander angeordnet sind und die Fördervorrichtung allen öfen gemeinsam ist.