DE2528843C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die Anwendung dieses Verfahrens und die Verwendung einer Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Viele Metallgegenstände mit Rotationssymmetrie benötigen hohe mechanische Eigenschaften, um für ihre bezweckte Verwendung brauchbar zu sein. Solche Gegenstände werden häufig durch Schmieden eines Gußblocks, Strangpressen eines Blocks aus dem Metall oder Pendelwalzen eines gelochten Blocks hergestellt. Ein Beispiel ist das lange und aufwendige Schmiedeverfahren, das bei der Herstellung von Gasturbinenläufern aus Metallgußblöcken durchgeführt wird. Die Fertigung solcher Formgegenstände nach herkömmlichen Gießverfahren, jedoch ohne anschließende plastische Verformung wird allgemein nicht als praktikabel beurteilt, wenn die höchsten mechanischen Eigenschaften in einem verhältnismäßig großen Abschnitt benötigt werden, da man beim üblichen Gießverfahren gewöhnlich grobe und segregationsreiche Gefüge erhält. Im Fall gewisser Legierungen, die erhebliche Mengen solcher Metalle wie Ti, Cr und Al enthalten, ist es oft wichtig, den Oxidgehalt auf einen äußerst niedrigen Wert zu verringern, um gute mechanische Eigenschaften zu sichern. Viele solche Hochtemperaturlegierungen lassen sich nicht ohne weiteres schmieden, und andere herkömmliche Fertigungsverfahren, die auf pulvermetallurgischem Weg arbeiten und anschließend einen begrenzten Grad des Schmiedens vorsehen, sind schwierig ohne eine gewisse Verunreinigung durch atmosphärischen Sauerstoff durchführbar. Daraus ergibt sich ein Oxidfilm, der an den ursprünglichen Teilchengrenzen verbleibt und infolgedessen das Gefüge schwächt.

In den obigen Fällen wird es allgemein als praktisch undurchführbar angesehen, in einem Arbeitsgang ein Erzeugnis mit vorbestimmten Änderungen der Legierungszusammensetzung innerhalb des Erzeugnisses herzustellen, um an bestimmten Stellen desselben verschiedene mechanische Eigenschaften zu erreichen. Jedoch kann ein solches heterogenes Erzeugnis u. U. am besten für bestimmte Betriebsbedingungen geeignet sein. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, werden bestimmte hoch beanspruchte Gegenstände, wie z. B. Turbinenschaufeln, gelegentlich unter Zusammensetzung mehrerer verschiedener Teile von unterschiedlicher Zusammensetzung und Struktur ohne Rücksicht auf die mit diesem Verfahren verbundenen sehr hohen Kosten erzeugt.

Die DE-OS 16 71 181 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von partikulären Körpern eines refraktären Materials durch Schmelzen in einem Tiegel mittels Lichtbogens, wobei der Tiegel gleichzeitig gedreht und die Schmelze zentrifugal derart versprüht wird, daß sich die Schmelze ohne wesentlichen Kontakt mit einer festen Oberfläche zu allgemein sphärischen Teilchen verfestigt.

Die DE-OS 22 52 139 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines festen Gegenstandes durch Richten eines mittels Gasstrahlen vernebelten Stroms geschmolzenen Metalls auf eine darunter angeordnete Sammelfläche und Bearbeitung der Metallablagerung mittels eines Werkzeugs, falls die zunächst poröse Metallablagerung verdichtet werden soll.

Die DE-PS 6 90 449 offenbart ein Verfahren zum Auskleiden eines Leichtmetall-Motorzylinders mit einem härteren, höherschmelzenden Material durch Schleuderguß, bei dem das Auskleidungsmetall durch einen zum Zylinder vorteilhaft gegenläufig umlaufenden und axial zu ihm verschiebbaren Behälter mit einer an dessen Boden vorgesehenen, schräg unmittelbar gegen die Zylinderinnenfläche gerichteten Auslaßöffnung in einem dünnen Strahl schraubenlinienförmig abgelagert wird und unter Legierungsbildung mit dem Zylindermetall an der Auftragsstelle erstarrt.

Schließlich offenbart die DE-OS 21 30 421 ein Verfahren zur Herstellung von metallischem Verbundmaterial durch gleichzeitiges Leiten mindestens zweier flüssiger Metalle zu Zerstäubungseinrichtungen, um einen feinen Sprühstrahl der zerstäubten Metallteilchen zu bilden, und durch Leiten des Sprühstrahls auf ein darunter angeordnetes Unterlagematerial, an dem die Teilchen haften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, womit sich auf einfacherem Wege als bisher rotationssymmetrische oder exzentrische Metallhohlkörper mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und bei Bedarf innerhalb der Metallhohlkörper variierter Zusammensetzung herstellen lassen, sowie eine Anwendung dieses Verfahrens und die Verwendung einer Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben.

Es wurde für möglich befunden, ringförmige Metallgegenstände nach einem Zentrifugalsprühgießverfahren zu erzeugen, das zu einer feinen Korngröße mit einem Minimum unerwünschter Segregation im Gefüge und in vielen Fällen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften führt. Dieses Verfahren läßt sich unter gesteuerten atmosphärischen Bedingungen bei sehr geringer Verunreinigung durch Sauerstoff oder andere schädliche Stoffe durchführen. Außerdem ist es, falls erforderlich, dabei auch möglich, eine Variation (innerhalb gewisser praktischer Grenzen) der Legierungszusammensetzung an bestimmten Stellen der Gegenstände nach Wunsch zu erreichen.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Gegenstände der Patentansprüche 4 bzw. 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet.

Die Metallschmelze kann zugeführt werden, indem man Metall aus einem gesonderten Behälter in eine offene Schale gießt, die um eine senkrechte Achse drehbar ist.

Die Metallschmelze kann auch gesteuert zugeführt werden, indem man einen elektrischen Lichtbogen zwischen einer aus dem Metall gebildeten verzehrbaren Elektrode und einer nicht-verzehrbaren Elektrode zündet und die verzehrbare Elektrode gesteuert zur nicht-verzehrbaren Elektrode hin vorrücken läßt.

Im letzteren Fall kann die verzehrbare Elektrode um eine senkrechte Achse drehbar sein, und ein Metallschmelzenvorrat kann dann an der äußeren Oberfläche der verzehrbaren Elektrode gebildet werden; alternativ kann der Metallschmelzenvorrat aufrecht erhalten werden, indem man Metall von der verzehrbaren Elektrode in eine offene Schale abfließen läßt, die um eine senkrechte Achse drehbar ist.

Bei Bedarf kann man die Zusammensetzung des Metalls im Metallschmelzenvorrat während der Herstellung des Metallgegenstandes ändern. Wenn eine drehbare Schale verwendet wird, kann man dies durch Änderung der Zusammensetzung der der Schale zugeführten Metallschmelze erreichen. Alternativ kann, wenn eine verzehrbare Elektrode verwendet wird, die Zusammensetzung der verzehrbaren Elektrode über ihre Länge in der Vorschubrichtung variiert werden.

Es ist allgemein zweckmäßig, Mittel zur relativen Hin- und Herbewegung zwischen der freien Oberfläche des Metallschmelzenvorrats und der ringförmigen Formoberfläche in Achsrichtung vorzusehen, um den Gegenstand als Aufeinanderfolge von Schichten aufzubauen.

Vorteilhaft wird das Verfahren in einer Atmosphäre durchgeführt, die gegenüber dem verwendeten Metall inert ist, also z. B. im Vakuum oder in einer Argonatmosphäre.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt einer Vorrichtung zur Verwendung gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 und 3 schematische Vertikalschnitte von Formen zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1 mit erfindungsgemäß hergestellten Metallgegenständen.

Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung zur Herstellung eines dicken Ringes mittels des erfindungsgemäßen Sprühgießens eine große Kammer 1 von kreisförmigem Querschnitt mit einer (nicht dargestellten) großen Türöffnung auf, die einen Zugang zum Inneren der Kammer für Wartungszwecke ermöglicht. Die Kammer 1 läßt sich durch einen Stutzen 2 evakuieren und durch einen Stutzen 3 mit einem inerten Gas, wie z. B. Argon, füllen. Eine verzehrbare Metallelektrode 4 wird vom oberen Ende der Kammer durch eine Dichtung 5 zwischen der Kammer und dem Elektrodenhalter 6 eingeführt, und man erzeugt einen elektrischen Lichtbogen zwischen der verzehrbaren Elektrode 4 und einem bzw. einer wassergekühlten Kupfertiegel bzw. -schale 8, der bzw. die als nicht-verzehrbare Elektrode wirkt und als Zentrifuge dient. Die Schale wird mit Drehzahlen zwischen 500 und 10 000 U/min durch einen außerhalb der Kammer 1 angebrachten Motor 7 über eine Antriebswelle 9 in Drehung versetzt, die eine Dichtung 10 durchsetzt. Ein Starkstrom fließt im Betrieb zur Bildung eines Lichtbogens, und Metallschmelze wird von der Elektrode 4 der rotierenden Schale 8 zugeführt, von deren Rand die Metallschmelze nahezu tangential als versprühter Strom von kleinen Metallschmelzetröpfchen 11 abgeschleudert wird. Die erforderliche Stärke des Stroms liegt in der Größenordnung von 1000 Amp. und hängt u. a. von der Elektrodenabmessung ab, die bis zu etwa 76,2 mm Durchmesser oder mehr betragen kann.

Die Metallschmelzetröpfchen nehmen rasch eine nahezu kugelige Form an und prallen auf eine Unterlage in Gestalt einer wassergekühlten Kupferform 12 mit einer zylindrischen Innenoberfläche auf, die die rotierende Schale 8 umgibt. Die Form ist mit einer unteren, nach innen gerichteten Wulst versehen, die verhindert, daß der gegossene Gegenstand aus der Form während des Sprühgießprozesses herausrutscht.

Die Tröpfchen zerplatzen unverzüglich zur Form von kleinen "Pfannenkuchen"- Flocken an der Formoberfläche und erstarren äußerst rasch. Die erste Schicht von Flocken wird schnell von einer anderen bedeckt, und die Schichten wachsen unter Bildung eines zusammenhängenden Gegenstandes 13 in der Form eines Ringes auf. Um die gewünschte Querschnittsform des Ringes 13 zu erhalten, erteilt man der rotierenden Schale 8 und der verzehrbaren Elektrode 4 eine geeignete vertikale Hin- und Herbewegung über die Welle 9 bzw. den Elektrodenhalter 6, während die Sprühgießabscheidung weitergeht. In dieser Weise kann ein Ring mit den erforderlichen Abmessungen und dem gewünschten Querschnitt auf der Forminnenoberfläche aufwachsen. Sobald die benötigten Abmessungen erreicht sind, schaltet man den Strom ab und zieht die Elektrode zurück, beendet die Drehung der Schale und öffnet die Zugang zum Inneren verschaffende Türöffnung der Hauptkammer 1, worauf die Form zusammen mit dem erzeugten Ring 13 entnommen wird. Man findet allgemein, daß sich der Ring ohne weiteres von der rohrförmigen Form ablöst. Schwierigkeiten aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung werden normalerweise nicht angetroffen, da die zerplatzten Metallteilchen sehr viel heißer als die Formoberfläche sind, wenn sie dort abgeschieden werden. Der erzeugte Gegenstand neigt daher allgemein zu einer Kontraktion nach innen, d. h. von der Forminnenoberfläche weg, auch wenn der Formwerkstoff einen verhältnismäßig hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Wenn die geometrische Form des Gegenstandes derart ist, daß dieser nicht ohne weiteres von der Form getrennt werden kann, kann man eine unterteilte Formanordnung verwenden.

Typisch betreibt man die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung mit etwa atmosphärischem Druck, obwohl auch andere Drücke anwendbar sind.

Das zentrifugale Versprühen von Metallen ist eine an sich bekannte Technik, und Hinweise in dieser Richtung lassen sich einer Veröffentlichung von Hodkin, Sutcliffe, Mardon und Russell in "Powder Metallurgy" 277, 32, 1973, entnehmen, die ein Verfahren zur Herstellung von zerstäubtem Metallkorn durch Kornguß beschreibt.

Die gesamte verbrauchte Gasmenge zur Erzeugung der Atmosphäre ist gering, und es ergibt sich ohne weiteres eine gute Gaszirkulation durch die rotierende Schale, was unter bestimmten Umständen ein Vorteil sein kann. Um die Abkühlungsgeschwindigkeit der Sprühgießabscheidungsschichten zu steigern, können die äußeren Wände der Kammer 1 bei Bedarf wassergekühlt sein.

Die versprühten Metallteilchen fliegen vom Tiegel oder von der Schale zur Formoberfläche angenähert in einer horizontalen Ebene mit einer sehr geringen Streuung in Vertikalrichtung. Die vertikale Streuung verringert sich mit steigender Drehzahl der Schale und mit wachsender Teilchengröße. Unter normalen Umständen übersteigt die Streuung von Teilchen mit einem Durchmesser über 100 µm nicht 5,1 mm an der Formoberfläche. Das Verfahren ist besonders für Gegenstände mit Rotationssymmetrie bei gleichzeitigem Vorliegen einer kreisförmigen zentralen Bohrung brauchbar. Dessen ungeachtet läßt sich auch eine analoge Vorrichtung mit Verwendung einer exzentrischen Form einrichten, in der ein nicht-symmetrischer Gegenstand in erfindungsgemäßer Weise erzeugt werden kann.

Die Formoberfläche wird mit der Sprühgießabscheidung unter in Vertikalrichtung hin- und hergehender Bewegung der rotierenden Schale oder der Form bedeckt. Aufeinanderfolgende Schichten von Teilchen werden mittels der geeigneten Vertikalbewegung der Schale oder der Form im gewünschten Bereich abgeschieden. Zum Beispiel kann man durch geeignete Regulierung der Vertikalbewegungen auch einen Gegenstand 14, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, unter Verwendung der einfachen zylindrischen Form 12 herstellen. Ein komplizierter gestalteter Gegenstand, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, kann eine kompliziertere Form 15 erfordern, die im dargestellten Fall in einer Ebene 16 unterteilt ist, um die Herausnahme des fertigen Gegenstands 17 zu ermöglichen.

In vielen Fällen ist eine Wasserkühlung der Form erforderlich. Wenn es nötig ist, die Metallschmelzetröpfchen zu schnell wie möglich abzukühlen und die Temperatur des Gegenstandes während des Sprühgießvorganges verhältnismäßig niedrig zu halten, können die Vertikalbewegungen des Tiegels bzw. der Schale oder der Form rasch und in derart schnell hin- und hergehender Weise durchgeführt werden, daß während jeder einzelnen vertikalen Hin- oder Herbewegung nur eine oder wenige Schichten von zerplatzten Teilchen in irgendeinem Bereich abgeschieden werden, bevor die Bewegung zum benachbarten Bereich erfolgt. Wenn der Tröpfchensprühstrahl zum ursprünglichen Bereich zurückkehrt, haben sich dann die vorher abgeschiedenen Teilchen bereits auf eine relativ niedrige Temperatur abgekühlt und sind imstande, neu abgeschiedene Teilchen abzuschrecken. Bestimmte Legierungen, wie z. B. solche, in denen eine Phase eine begrenzte Löslichkeit in einer anderen aufweist, können besondere Vorteile aufgrund einer solchen sehr schnellen Abkühlung aufweisen. In solchen Fällen kann sie zu einer weiter ausgedehnten festen Löslichkeit mit nachträglicher Ausscheidung der aufgelösten Phase in Form feiner Teilchen führen, woraus sich verbesserte mechanische Eigenschaften im Erzeugnis ergeben.

Üblicherweise findet man, daß bei wachsender Dicke der Sprühgießabscheidung und der damit verbundenen Verringerung des Flugweges zwischen der Abscheidungsfläche und der Metallschmelzenschale zweckmäßig der Massendurchsatz der Abscheidung verringert wird. Die Abscheidungsrate läßt sich mittels Regulierung der Spannung und des Stroms, die den Lichtbogen speisen, und der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode zur Schale steuern.

Falls man wünscht, eine Legierungszusammensetzung in einem Teil des herzustellenden Gegenstandes und eine andere Zusammensetzung in einem anderen Teil desselben abzuscheiden, oder falls die stetige Änderung der Legierungszusammensetzung benötigt wird, läßt sich dies unter Einsatz von Elektroden erreichen, die die erforderlichen Legierungszusammensetzungsänderungen über ihre Länge aufweisen, wobei gleichzeitig gewährleistet wird, daß während des Abschmelzens die verschiedenen Zusammensetzungen an den vorbestimmten Bereichen des Gegenstandes abgeschieden werden. Solche Gegenstände finden etwa Anwendung als Rotorläufer für Gasturbinenantriebe, bei denen gute Hochtemperatureigenschaften am Umfang des Läufers benötigt werden, während überlegene mechanische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen nahe dem Mittelpunkt des Läufers erforderlich sind.

Als Beispiel lassen sich ringförmige Scheiben aus einer Hochtemperatur- Hochfestigkeit-Nickelbasis-Ni-Cr-Ti-Al-Legierung nach diesem Verfahren herstellen, bei denen der Al- und Ti-Gehalt am Umfang am höchsten und an der Innenoberfläche des Ringes am niedrigsten ist. Die erforderliche Variation läßt sich unter Verwendung einer Elektrode erreichen, die aus Abschnitten oder Teilen von abgestuft eingestellter Zusammensetzung zusammengeschweißt ist, so daß die Elektrodenzusammensetzung den höchsten Al- und Ti-Gehalt am Boden (d. h. dem zuerst abzuscheidenden Teil) und den niedrigsten Al- und Ti-Gehalt am oberen Ende (d. h. dem zuletzt abzuscheidenden Teil) aufweist. Geeignete Elektroden mit den erforderlichen Legierungszusammensetzungsabstufungen über ihre Längen lassen sich aus Pulver, Stücken oder Blockteilen zusammensetzen.

Ein wirksames Verfahren zum Erreichen der erforderlichen Zusammensetzungsabstufung in einer Elektrode und gleichzeitig zur Sicherstellung deren guten Zusammenhalts besteht darin, die Elektrode unter Anwendung einer Variante des gut bekannten Elektroschlackeumschmelz- und -gießverfahrens zu gießen. Im betrachteten Fall wird eine Ausgangselektrode, die aus zusammengeschweißten Pulver- oder Stückbereichen unter Sicherstellung der erforderlichen Gesamtzusammensetzungsabstufung über ihre Länge zusammengesetzt ist, in die Elektroschlackeumschmelzeinrichtung eingeführt und so ein Gußstrang erzeugt, der die gleiche Zusammensetzungsabstufung über seine Länge wie die ursprüngliche Elektrode enthält. Der Stranggußbarren kann dann als die verzehrbare Elektrode für das erfindungsgemäße Verfahren dienen. Wegen des mit dem Elektroschlackeumschmelzverfahren verbundenen hohen Rührungsgrades ist die radiale Zusammensetzungsvariation im Gußstrang vernachlässigbar, jedoch die erforderlichen Längszusammensetzungsvariationen bleiben erhalten.

Es muß sorgfältig vorgegangen werden, wenn man einen Zusammensetzungsgradienten für ein Sprühgußerzeugnis festlegt. In vielen Fällen, wie z. B. im Fall der Nickelbasis-Ni-Cr-Ti-Al-Legierungen, ist es möglich, von einer stetigen Zusammensetzungsvariation zu profitieren, da es hier keine Zwischenzusammensetzungen gibt, bei denen die mechanischen Eigenschaften unannehmbar schlecht sind. In bestimmten Legierungssystemen können jedoch Zusammensetzungsbereiche zwischen den gewünschten Optimalzusammensetzungen vorkommen, deren Eigenschaften bis zu unannehmbaren Werten absinken. Solche Legierungssysteme sollten vermieden werden.

Auch hinsichtlich der Wärmebehandlung von erfindungsgemäßen Sprühgußerzeugnissen mit größeren Zusammensetzungsvariationen müssen sorgfältige Überlegungen angestellt werden. Durch eine Wärmebehandlung wird eine Diffusion begünstigt, die dazu neigt, Zusammensetzungsunterschiede auszugleichen. Man muß dann ein Kompromiß-Wärmebehandlungsverfahren anwenden, das die herkömmlichen, für Zusammensetzungen an den Enden des Zusammensetzungsbereichs des Gegenstandes am meisten geeigneten Wärmebehandlungsverfahren ersetzt.

Obwohl das bevorzugte Verfahren zur Durchführung des Prozesses das der Einführung einer verzehrbaren Elektrode in einen zwischen der Schale und der verzehrbaren Elektrode gezündeten Lichtbogen ist, sind auch andere Arten der Zuführung von Metallschmelze für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbar.

Zum Beispiel kann man eine nicht-verzehrbare Elektrode in Verbindung mit einer rotierenden verzehrbaren Elektrode verwenden, um Metallschmelze zuzuführen, in welchem Fall ein guter Zusammenhalt und eine hohe mechanische Festigkeit der verzehrbaren Elektrode erforderlich sind, damit sie die durch die hohen Drehzahlen erzeugten Kräfte aushalten kann, die beim Betrieb benötigt werden.

Alternativ kann die Metallschmelze zum zentrifugalen Zersprühen durch Gießen eines Strahls von Metallschmelze auf die rotierende Oberfläche eines offenen Tiegels oder einer offenen Schale zugeführt werden. Die Schale kann ausgehöhlt sein, oder es kann für einige Anwendungsfälle auch eine flache Scheibe geeignet sein. Geplante Zusammensetzungsvariationen im herzustellenden Gegenstand können dann durch eine ähnliche oder gleiche Variation der Legierungszusammensetzung der zugeführten Metallschmelze erreicht werden. Zum Beispiel kann die Metallschmelze der rotierenden Oberfläche von einer Pfanne zugeführt werden, die ihrerseits mit der Metallschmelze von beispielsweise zwei verschiedenen Zusammensetzungen gespeist werden kann. Die erste Zusammensetzung wäre dann die, die in dem zuerst abgeschiedenen Teil des Erzeugnisses benötigt wird, und die zweite Zusammensetzung diejenige des zuletzt abgeschiedenen Teils. Falls erforderlich, kann die Zufuhr der ersten Metallschmelze zur Pfanne jederzeit fortlaufend reduziert und die Zufuhr der zweiten Metallschmelze fortlaufend gesteigert werden. Die Mischung in der Pfanne und an der rotierenden Oberfläche ist äußerst wirksam, und man erreicht dementsprechend eine stetige Änderung der Zusammensetzung. Andere Alternativen, wie z. B. die Verwendung zweier verzehrbarer Elektroden und die Zuführung von Granalien in einen rotierenden Tiegel durch eine hohle Elektrode können ebenfalls verwirklicht werden. Diese Verfahren lassen sich gleichfalls so anpassen, daß man die erforderlichen Zusammensetzungsgradienten erhält.

Ein bevorzugter Werkstoff für den rotierenden Tiegel oder die rotierende Scheibe ist Kupfer, wobei zweckmäßig mit Wasserkühlung gearbeitet wird, es ist jedoch auch möglich, andere Metalle als Tiegel- oder Schalenmaterialien zu verwenden, und auch Kohlenstoff kann in bestimmten Fällen Verwendung finden.

Es ist auch möglich, ein indirektes Lichtbogenverfahren mit verzehrbaren Elektroden und einem nichtleitenden rotierenden feuerfesten Tiegel als Quelle der zu versprühenden Metallschmelzeteilchen anzuwenden.

Der Oberflächenzustand der Formoberfläche zu Beginn der Abscheidung ist wichtig. Eine sehr glatte Formoberfläche führt bei dem Sprühgußerzeugnis zu einer rauh genarbten Außenfläche mit dem allgemeinen Aussehen einer Apfelsinenschale, was normalerweise für seine weitere Verwendung nachteilig ist.

Eine etwas aufgerauhte Formoberfläche, z. B. die durch leichtes Sand- oder Schrotstrahlen erzeugte, ergibt eine glatte Außenoberfläche am Sprühgußerzeugnis. Die Formoberfläche darf jedoch nicht zu rauh sein, da sich sonst Schwierigkeiten beim Ablösen des erzeugten Gegenstandes von der Form ergeben könnten.

Wenn die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt, wo Sauerstoff strikt ausgeschlossen ist, hat das Sprühgußerzeugnis allgemein eine sehr geringe Porosität. Die Abwesenheit von Oxidfilmen an den ursprünglichen Grenzen der zerplatzten Teilchen ermöglicht ein Kornwachstum über die ursprünglichen Teilchengrenzen hinweg und führt zu einem sehr hohen Grad von Integrität und guten mechanischen Eigenschaften. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens. Es ist anzunehmen, daß die plötzliche Vergrößerung der Teilchenoberfläche infolge der Zerplatzungswirkung auch zur Beseitigung der ursprünglichen Teilchengrenzen verhilft. Bei vielen Legierungen kann das sehr schnelle Abkühlen der Teilchen beim Abscheiden zu einer ausgedehnten oder erweiterten festen Löslichkeit und zur anschließenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Ausscheidungen führen, wie bereits erwähnt wurde.

Im folgenden wird ein Beispiel der mechanischen Eigenschaften gegeben, die man durch den erfindungsgemäßen Sprühguß eines kurzen Rohres mit einem Durchmesser von 406,4 mm und einer Wanddicke von 6,35 mm aus einer hochfesten Hochtemperatur-Nickelbasislegierung unter Verwendung der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung erreichen kann. Probestücke wurden in der Vertikal (d. h. Längs-) Richtung des Rohres ausgeschnitten und direkt im Gußzustand überprüft. Die Legierung enthielt 75% Ni, 20% Cr, 2% Ti und 1,5% Al und wurde in einer Argonatmosphäre unter Verwendung einer stationären verzehrbaren Elektrode in Verbindung mit einem wassergekühlten Kupfertiegel mit einem Durchmesser von 76,2 mm bei einer Drehzahl von 300 U/min sprühgegossen. Die verzehrbare Elektrode wurde zur Kathode gemacht und mit einer Gleichstromquelle verbunden, die mit 80 V im offenen Kreis arbeitete, so daß sich eine Stromstärke von angenähert 2000 Amp. während der Abscheidung ergab. Das Rohr wurde durch Sprühguß auf einem dicken, wassergekühlten Kupferring abgeschieden, der als Unterlage diente. Die mechanischen Eigenschaften des abgeschiedenen Ringmaterials waren eine Zugfestigkeit von 803 N/mm² und eine Dehnung von 28%. Diese Eigenschaften stellen eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Gußstücken, insbesondere hinsichtlich der Dehnung dar. Herkömmliche Gußstücke aus der gleichen Legierung wiesen nach Anwendung der Sandguß- oder Präzisionsformgußtechnik im Gußzustand eine Zugfestigkeit von etwa 525 N/mm² und eine Dehnung von nur etwa 6% auf. Eine weitere Eigenschaftenverbesserung läßt sich manchmal durch nachfolgende Wärmebehandlung oder durch mechanische Verformung oder beides erreichen.

Die Erfindung ist auf eine sehr weite Auswahl von Metallen und Legierungen anwendbar, jedoch besonders vorteilhaft im Fall von Aluminium und seinen Legierungen, legierten Stählen, Hochnickel- und Chromlegierungen und Titan und seinen Legierungen.

Bei diesen letzteren Werkstoffen liefert die Erfindung erhebliche Vorteile gegenüber Herstellungswegen, die auf der bekannten Pulvermetallurgie basieren, wobei kleine Oxidmengen an den Oberflächen der Ausgangspulverteilchen zwangsläufig in jedes daraus hergestellte Erzeugnis eingeschleppt werden. So tritt im Fall von Hochnickellegierungen mit Chrom, Titan und Aluminium, die nach der bekannten Pulvermetallurgie hergestellt werden, häufig eine "Belegung" der Ausgangspulverteilchen mit Karbiden an den ursprünglichen Korngrenzen mit nachteiligem Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften auf. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die gleichen Legierungen ergibt sich keine solche Belegung, und neue Körner wachsen ungehindert über die ursprünglichen Grenzen der zerplatzten Teilchen hinaus.

Formoberflächen können aus einer Anzahl von üblicherweise verwendeten Formwerkstoffen hergestellt werden. In den meisten Fällen wird sich entweder Stahl oder Kupfer als brauchbar erweisen. Stets ist es nötig, die Formoberfläche mit Wasser zu kühlen, um den erforderlichen Abkühlungsgrad in Teilen des Spritzgußstückes zu erzielen.

Es ist unerläßlich, Mittel zum Heben und Senken der rotierenden Oberfläche der Metallschmelze oder der Formoberfläche vorzusehen, und im Fall des Elektrodenschmelzprozesses ist es allgemein nötig, Mittel zum Heben und Senken der Elektrode vorzusehen. Wenn die Metallquelle ein Strom von aus einem Tiegel oder einer Pfanne ausgegossener Metallschmelze ist, können Mittel vorgesehen werden, um das Metall auf die rotierende Oberfläche in einer gesteuerten Atmosphäre oder im Vakuum zu gießen.

Obwohl einige Metallgegenstände nach diesem Verfahren ohne Notwendigkeit einer Atmosphärensteuerung herstellbar sind, ist es üblich, den Sprühgußvorgang in einer inerten Atmosphäre ablaufen zu lassen, die z. B. Vakuum oder ein inertes Gas sein kann. Geeignete Inertatmosphären umfassen Argon, das für die meisten Metalle geeignet ist, und Stickstoff, das in einigen Fällen für Aluminium brauchbar ist. Gelegentlich können Wasserstoff oder andere reduzierende Gase verwendet werden.

Obwohl sich das Sprühgußerzeugnis häufig direkt im Gußzustand oder im wärmebehandelten Zustand verwenden läßt, ist es manchmal erforderlich, die Eigenschaften durch anschließende Arbeitsgänge, wie z. B. isostatisches Heiß- oder Kaltpressen, Schmieden oder Pendelwalzen noch weiter zu verbessern. Diese sind bekannte Verfahren, für die sich die Sprühgußerzeugnisse allgemein eignen.

Ein Vorteil des Verfahrens ist der, daß in vielen Fällen die Wirkung der Unterteilung der Metallschmelze in eine große Zahl von kleinen Tröpfchen und damit der Vergrößerung der gesamten Oberfläche und Verringerung der Diffusionswege innerhalb jedes Tröpfchens eine Entgasung der Metallschmelzetröpfchen im Flug hervorruft. Dies ist besonders bei bestimmten Stählen vorteilhaft, wo die Anwesenheit von gelöstem Wasserstoff in Gußstücken und Schmiedestücken sehr schädlich sein kann, wenn das Erzeugnis im Einsatz hoch beansprucht werden soll. Man findet häufig, daß die Menge von gelöstem Wasserstoff in der Metallschmelze derart groß ist, daß bei Erstarrung unter normalen Bedingungen der Wasserstoffgehalt des festen Körpers z. B. über 10 ppm liegt. In solchen Fällen weist dagegen das durch den erfindungsgemäßen Sprühguß abgeschiedene Erzeugnis einen erheblich niedrigeren Wasserstoffgehalt, z. B. nur 2 ppm auf, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einer wasserstofffreien Atmosphäre oder in einer Atmosphäre durchgeführt wird, in der man den Wasserstoffgehalt durch ständiges Evakuieren auf einem sehr niedrigen Niveau hält.

Man bezweckt damit sicherzustellen, daß der Teildruck von Wasserstoff in der Atmosphäre sehr niedrig ist, so daß der Wasserstoff rasch aus den Metallschmelzetröpfchen im Flug herausdiffundiert, da die Diffusionswege innerhalb der Tröpfchen klein sind und diese eine große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen aufweisen. Der Entgasungsprozeß hängt stark von der Teilchengröße ab und läuft bei kleinen Schmelzetröpfchen sehr rasch ab.

Die Senkung des Wasserstoffniveaus ist besonders ausgeprägt, wenn während der Sprühgießabscheidung Unterdruck herrscht. Die Wirkung ist der bekannten Vakuumentgasung von Stahl sehr ähnlich, bei der der Stahlschmelzenstrahl in eine Form in einer evakuierten Kammer herabfällt. Es bilden sich Wasserstoffbläschenkeime und dehnen sich in dem fallenden Metall aus, reißen es auseinander und zerteilen es in kleine Tröpfchen. Im Fall der Erfindung wird der Metallschmelzestrom natürlich durch Zentrifugalwirkung in Tröpfchen zerrissen, und außerdem ist die Teilchengröße allgemein viel kleiner als bei der bekannten Vakuumentgasung.

Obwohl bei der Erfindung die Tröpfchenfluggeschwindigkeit größer und die von den Schmelzetröpfchen durchlaufenden Wege geringer als bei der bekannten Vakuumentgasung von Stahl sind, ist der Gesamteffekt ähnlich, da die Tröpfchengröße beim erfindungsgemäßen Verfahren geringer ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen, festen Metallgegenstandes (13) durch Sprühgießen, bei dem eine Metallschmelze unter Verwendung einer Zentrifuge (8) versprüht wird, eine ringförmige Formoberfläche (12) um die Zentrifuge (8) herum in der Bahn der versprühten Metallschmelzetröpfchen (11) innerhalb einer Kammer (1) vorgesehen wird und die Formoberfläche (12) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Atmosphäre in der Kammer (1), insbesondere durch Ausschluß von Sauerstoff, gesteuert wird, daß eine gesteuerte axiale relative Hin- und Herbewegung zwischen der Formoberfläche (12) und der Zentrifuge (8) vorgenommen wird,
daß die Zentrifuge (8) mit einer solchen Drehzahl gedreht wird, daß die versprühten Metallschmelzetröpfchen (11 ) an der Formoberfläche zu Flocken verformt werden, und daß die Formoberfläche (12) derart gekühlt wird, daß die Metallschmelzetröpfchen (11) in im wesentlichen unporöser Form abgekühlt werden, und daß der ringförmige, feste Metallgegenstand (13) dadurch aus einer Mehrzahl von in aufeinanderfolgenden Schichten übereinander aufgetragenen Flocken derart gebildet wird, daß die Kristallkörner über die Grenzen der Flocken hinauswachsen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine oder wenige Schichten der Flocken während jeder Hin- und Herbewegung abgeschieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, einem legierten Stahl, einer nickel- oder chromreichen Legierung, Titan oder einer Titanlegierung versprüht wird.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 zur Herstellung eines insbesondere ring- oder rohrförmigen Metallgegenstandes.

5. Verwendung einer Vorrichtung mit Mitteln (4, 6) zum Zuführen von Metall in geschmolzener Form, einer Zentrifuge (8) mit einem Motor (7) und einer gesteuert axial hin- und herbewegbaren Drehantriebswelle (9) zum Drehen der Zentrifuge (8) mit hoher Drehzahl,
einer um die Zentrifuge (8) herum angeordneten Formoberfläche (12),
einem Mittel zum Kühlen der Formoberfläche (12) und einer die Zentrifuge (8) und die Formoberfläche (12) einschließenden Kammer (1) mit Stutzen (2, 3) zum Gasein- oder -auslaß zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3.