DE69816543T2

DE69816543T2 - Hochvakuum-Druckguss

Info

Publication number: DE69816543T2
Application number: DE69816543T
Authority: DE
Inventors: Gregory N. Muskegon Colvin
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: JP4712920B2; US6070643A; JPH11156517A; EP0901853B1; DE69816543D1; EP0901853A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Spritzgießen von Metallen und Legierungen und betrifft im Besonderen das Vakuumspritzgießen von Metallen und Legierungen unter relativ hohen Vakuumbedingungen im Formhohlraum.
Gussteile aus Titan, titanbasierten Legierungen, nickelbasierten Legierungen und Edelstahl kommen in großer Zahl in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Anwendung. Viele solcher Gussteife werden nach dem hinreichend bekannten Feingieß- oder Investmentgießverfahren hergestellt, wobei eine geeignete Schmelze in eine in einem Verfahren nach dem verlorenen Wachsmodell hergestellte vorgewärmte Keramik-Investmentform vergossen wird. Obgleich weitverbreitet in Gebrauch, ist das Investmentgießen von kompliziert gestalteten Komponenten aus solchen reaktiven Materialien durch relativ hohe Kosten und niedrige Ausbeuten gekennzeichnet. Die niedrigen Gießausbeuten lassen sich auf mehrere Faktoren zurückführen, zu denen z. B. oberflächliche oder mit der Oberfläche verbundene Fehler vom Hohlraumtyp und/oder ungeeignetes Ausfüllen bestimmter Formhohlraumbereiche, insbesondere dünner Formhohlraumbereiche, und damit verbundene innere Hohlraumbildung, Lunkerung oder Schrumpfung und ähnliche Fehler gehören.
Kostengünstigeres Gießen von reaktiven Metallen und Legierungen wie Titan sowie Titan- und Nickel-basierten Legierungen unter Verwendung von wiederverwendbaren mehrteiligen Metalldauerformen auf Basis von Eisen und Titan ist in US-Patent Nr. 5 287 910 (Colvin) beschrieben. Das Gießen von Aluminium-, Kupfer- und Eisen-basierten Gussteilen unter Verwendung von Dauerformen aus Metall ist in US-Patent Nr. 5 119 865 beschrieben.
Die US-A-4 154 286, auf der der Oberbegriff der beigefügten Ansprüche basiert, offenbart eine Spritzgießvorrichtung zum Vakuumgießen mit einer ersten Vakuumkammer zum Schmelzen des zu vergießenden Metalls, einer zweiten Vakuumkammer zum Aufnehmen einer Form, welche zwei Formhälften aufweist, die einen Formhohlraum definieren und relativ zueinander bewegbar sind, einer Schusshülse und einem darin beweglichen Kolben zum Einpressen des geschmolzenen Metalls in den Formhohlraum, und mehreren Vakuumpumpen (seihe Spalte 4, Zeile 68) zum Evakuieren der zwei Vakuumkammern. Innerhalb der ersten Vakuumkammer ist die Schusshülse mit einem offenen Trichter versehen zum Gießen der Schmelze in die Schusshülse, welche in den Formhohlraum mündet. Bei geschlossener Form ist der Formhohlraum nicht in luftdichter Weise abgedichtet. Wenn nach dem Gießen die Form geöffnet wird, wird das Gussstück in die zweite Vakuumkammer ausgeworfen. Diese bekannte Vorrichtung verlangt ein recht kompliziertes Gehäuse nach Art eines Balgs für die zweite Vakuumkammer, und die Schrift verlangt ausdrücklich mehrere Vakuumpumpen zum Evakuieren der zwei Vakuumkammern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer kostengünstigeren Spritzgießvorrichtung und eines entsprechenden Verfahrens zum Gießen von Metallen und Legierungen, insbesondere von mit Sauerstoff reaktionsfähigen Metallen und Legierungen, unter relativ hohen Vakuumbedingungen im Formhohlraum.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren zum Spritzgießen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 14 gelöst.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner das Quenchen der gegossenen Komponenten in einem Quenchmedium in der Nähe der Formen.
In der praktischen Anwendung der Erfindung ist eine oder mehrere Hochtemperatur-Vakuumdichtungen zwischen den Formen um den Formhohlraum herum vorgesehen, so dass ein Vakuum in dem Formhohlraum über die Schusshülse bereitgestellt wird, wenn die Vakuumkammer evakuiert wird. Die erste und die zweite Form werden geöffnet, nachdem das Metall oder die Legierung in dem Formhohlraum spritzgegossen wurde, und anschließend kann die gegossene Komponente aus dem Formhohlraum heraus direkt an die umgebende Atmosphäre oder in ein optionales Quenchmedium in der Nähe der Formen gebracht werden.
In einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung, den Formhohlraum auf ein Vakuumniveau von weniger als 33,86 hPa (1000 μm) über die Schusshülse zu evakuieren, ein/e reaktive/s geschmolzene/s Metall bzw. Legierung, wobei es sich zum Beispiel um Titan, eine titanbasierte Legierung, eine nickelbasierte Superlegierung und eine eisenbasierte Legierung handeln kann, in die Schusshülse in der Vakuumschmelzkammer einzubringen, bevorzugt in einer Menge, die weniger als 40 Vol.-%, so etwa ca. 8 bis ca. 15 Vol.-%, des effektiven Innenvolumens der Schusshülse einnimmt, und dann den Kolben vorwärtszubewegen, um die reaktive Metall- oder Legierungsschmelze in den abgedichteten, evakuierten Formhohlraum einzuspritzen, wo mindestens die Außenfläche der gegossenen Komponente erstarren kann, bevor die Formen geöffnet werden, um die Vakuumdichtungen) zu brechen und die gegossene Komponente der Umgebungsluftatmosphäre auszusetzen, zwecks Entnahme aus der Form und – optional – Quenchen in einem Quenchmedium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung, vor Einführen des Metalls oder der Legierung einen Pfropfen in der Schusshülse stromabwärts des Schusshülsen-Schmelzeeinlasses anzuordnen, so dass der Pfropfen das Füllen der Schusshülse mit dem richtigen Volumen an Metall- oder Legierungsschmelze, welches zum Füllen des Formhohlraums notwendig ist, verbessert. Der Pfropfen wird beim Einspritzen der Metall- oder Legierungsschmelze durch den Kolbendruck in Richtung des Formhohlraums vorwärtsbewegt. Der Pfropfen wird durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens in eine Pfropfenaufnahmekammer abseits des Formhohlraums bewegt, um die Einspritzung der Metall- oder Legierungsschmelze in den Formhohlraum nicht zu behindern.
Beim Spritzgießen einer mit Sauerstoff reaktionsfähigen Metall- oder Legierungsschmelze mit einem Schmelzpunkt über ca. 1093°C (2000°F) können die Schusshülse und der Kolben oder eine optionale Wegwerf-Kolbenspitze, welche mit der Metall- oder Legierungsschmelze in Kontakt kommen, aus einem eisenbasierten Material, z. B. einem Werkzeugstahl vom Typ H-13, einem Feuerfestmaterial, wie z. B. einer Mo-basierten Legierung oder einer TZM-Legierung, einem Keramikwerkstoff, wie Aluminiumoxid, oder Kombinationen hiervon hergestellt sein.
Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung mit den folgenden Figuren.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt ausgeführt, der Spritzgießvorrichtung zur Realisierung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Schusshülsen-Vakuumkammer teilweise abgebrochen dargestellt ist;
2 ist eine vergrößerte Ansicht der festen Form, wobei eine Vakuum-O-Ringdichtung in einer Nut in der Form angeordnet ist, um gegenüber der anderen Form abzudichten, wenn die Form geschlossen ist, so dass der Formhohlraum gegenüber der Umgebungsluftatmosphäre isoliert ist;
3 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt ausgeführt, einer weiteren Spritzgießvorrichtung zur Realisierung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein schwimmender Pfropfen in einer längeren Schusshülse angeordnet wird, bevor ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene Legierung in die Schusshülse eingeführt wird.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun auf die 1 bis 2 Bezug genommen, welche eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Spritzgießvorrichtung zeigen zum Spritzgießen eines Metalls oder einer Legierung, z. B. insbesondere Titan und Titan-basierten Legierungen mit einer hohen Reaktionsfähigkeit gegenüber Sauerstoff, und zwar unter relativ hohen Vakuumbedingungen im Formhohlraum, obgleich die Formen äußerlich der Umgebungsluftatmosphäre ausgesetzt sind. Die Vorrichtung kann auch zum Spritzgießen von Nickel-, Cobaltbasis- und anderen Superlegierungen, eisenbasierten Legierungen, wie Edelstahlwerkstoffen, und anderen Metallen oder Legierungen unter relativ hohen Vakuumbedingungen im Formhohlraum verwendet werden.
Die Spritzgießvorrichtung umfasst eine Basis 10 mit einem darin definierten Reservoir 10a für Hydraulikfluid, welches von einer hydraulischen Betätigungseinrichtung 12 zum Öffnen und Schließen der festen und beweglichen Formplatten 14, 16 verwendet wird. Die Platte 16 ist an festen Führungssäulen oder Stangen 18 beweglich angeordnet und nimmt eine Form 34 auf. Mit der beweglichen Formplatte 16 ist ein Formspann- oder Formschließ-Kopplungsmechanismus 20 in herkömmlicher, an sich bekannter Weise verbunden, um die bewegliche Form 34 relativ zu einer festen Form 32, welche an der Platte 14 angeordnet ist, zu öffnen und zu schließen. So umfasst beispielsweise eine herkömmliche Spritzgießmaschine, welche unter der Bezeichnung 250-Tonnen-HPM #73-086 von HPM, Cleveland, Ohio, erhältlich ist, eine derartige Basis 10, Betätigungseinrichtung 12 und Formplatten 14, 16, die an Führungssäulen 18 angeordnet sind und mit Hilfe eines Formschließ-Kopplungsmechanismus 20 in der beschriebenen Weise geöffnet/geschlossen werden. Die Spritzgießmaschine weist einen Gasspeicher 21 zum schnellen Zuführen von Hydraulikfluid zu dem Kolbenmechanismus auf.
Die Spritzgießvorrichtung weist eine röhrenförmige horizontale Schusshülse 24 auf, welche mit einem Formhohlraum 30 in Verbindung steht, der durch die an den Formplatten 14 bzw. 16 angeordneten Formen 32, 34 definiert ist. Die Formen 32, 34 können einen oder mehrere Formhohlräume zum Spritzgießen einer oder mehrerer Komponenten definieren. Die Schusshülse 24 weist einen abgabeseitigen Abschnitt 24a auf, der mit dem Einlasskanal oder der Einlassöffnung 36 zu dem einen oder den mehreren Formhohlräumen 30 in Verbindung steht, so dass das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Legierung unter Druck in die Hohlräume eingespritzt werden kann. Der Einlasskanal oder die Einlassöffnung 36 kann in der festen Form 32 oder in der beweglichen Form 34 oder in beiden Formen gearbeitet sein.
Der abgabeseitige Abschnitt 24a der Schusshülse 24 erstreckt sich durch einen geeigneten Durchlass 24b in der festen Platte 14 und Form 32, wie in 1 gezeigt.
Die Schusshülse 24 erstreckt sich durch die Form 32 hindurch in eine Vakuumschmelzkammer 40, worin das Metall oder die Legierung, welche/s spritzgegossen werden soll, unter relativ hohen Vakuumbedingungen geschmolzen wird, z. B. bei weniger als 33,86 hPa (1000 μm), wie es für Titan und dessen Legierungen, z. B. Ti-6Al-4V, die gegenüber Sauerstoff in der Umgebungsluft bei erhöhten Temperaturen hoch reaktiv sind, notwendig ist. Die Vakuumkammer 40 ist definiert durch eine Vakuumgehäusewand 42, welche sich um den gegenüberliegenden beschickungsseitigen Abschnitt der Schusshülse 24, der den Kolben 27 und die hydraulische Kolbenbetätigungseinrichtung 25 aufnimmt, erstreckt und diesen umschließt oder umgibt. Die Vakuumkammer 40 wird mittels einer konventionellen Vakuumpumpe P, welche über eine Leitung 40a mit der Kammer 40 verbunden ist, evakuiert. Die Basis 10 und die Vakuumgehäusewand 42 sind auf einem Betonboden oder einer anderen geeigneten Auflage angeordnet.
Die Kammerwandung 42 ist gegenüber der festen Platte 14 mittels einer oder mehreren zwischen ihnen angeordneten peripheren luftdichten Abdichtungen 43 luftdicht abgeschlossen, so dass die Schusshülse 24 und ein Paar von Seite an Seite angeordneten festen horizontalen Schusshülse/Kolben-Stützgliedern 44 (eines davon gezeigt), die sich durch die Kammerwandung 42 erstrecken, dichtend umschlossen sind. Derartige Schusshülse/Kolben-Stützglieder sind an der im Vorstehenden erwähnten konventionellen Spritzgießmaschine (250-Tonnen-HPM #73-08b) vorgesehen.
Ein Kolben 27 ist in der Schusshülse 24 so angeordnet, dass er über die Kolbenbetätigungseinrichtung 25 und eine Kolbenverbindungsstange 27b zwischen einer Anfangs-Spritzposition, die rechts von einer Schmelzeeintritts- oder Schmelzeeinlassöffnung 58 in der Schusshülse 24 liegt, und einer End-Spritzposition, welche in der Nähe der Formeinlassöffnung 36 liegt, bewegbar ist. Die Schmelzeeinlassöffnung 58 steht mit einem Schmelzeaufnahmebehälter 52 aus Metall (z. B. Stahl) in Verbindung, der benachbart zu der festen Platte 14 an der Schusshülse 24 mit Hilfe von Klemmeinrichtungen, z. B. Schraub-Klemmeinrichtungen (nicht gezeigt), angeordnet ist. Der Schmelzeaufnahmebehälter 52 ist unterhalb eines Schmelztiegels 54 angeordnet, um von diesem eine Charge Metall- oder Legierungsschmelze zum Spritzgießen aufzunehmen.
Der Schmelztiegel 54 kann ein herkömmlicher Induktions-Skull-Tiegel mit Kupfersegmenten sein, wobei eine zum Spritzgießen anstehende Charge eines festen Metall- oder Legierungsmaterials über eine Vakuumöffnung 40b chargiert und durch Erregung von Induktionsspulen 56, welche in herkömmlicher Weise um den Tiegel in der Kammer 40 angeordnet sind, geschmolzen wird. Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung können auch bekannte keramisch oder feuerfest ausgekleidete Tiegel verwendet werden. Der Tiegel 54 kann durch Rotation um Tiegelzapfen T unter Verwendung einer konventionellen hydraulischen, elektrischen oder anderen Betätigungseinrichtung (nicht gezeigt), welche außerhalb der Vakuumkammer 40 angeordnet ist und mit dem Tiegel über eine geeignete vakuumdichte Kopplung, welche sich von der Betätigungseinrichtung zu dem Tiegel erstreckt, schräggestellt werden. Der Tiegel wird zum Eingießen der geschmolzenen Metall- oder Legierungscharge in den Schmelzeaufnahmebehälter 52, der über die Öffnung 58 in der Schusshülsenwandung mit der Schusshülse 24 verbunden ist, schräggestellt. Die geschmolzene Metall- oder Legierungscharge wird über die Öffnung 58 vor der Kolbenspitze 27a in die Schusshülse 24 eingeführt.
Bei der praktischen Umsetzung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die geschmolzene Metall- oder Legierungscharge in die Schusshülse in einer Menge eingeführt, die weniger als 40 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse beträgt, definiert vor der Kolbenspitze 27a und sich bis hin zu dem Einlass oder der Öffnung 36 des Formhohlraums erstreckend. Bevorzugt nimmt die Menge an geschmolzenem Metall- oder Legierungsmaterial weniger als 20 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse ein, noch bevorzugter ca. 8 bis ca. 15 Vol.-%. Ein derartiges, relativ niedriges Schmelzchargevolumen relativ zu dem Innenvolumen der Schusshülse liefert ein relativ niederes Schmelzchargeprofil in der Schusshülse (d. h. die Schmelzcharge liegt mehr entlang dem Boden der Schusshülse), wodurch die Kontakt fläche und die Kontaktzeit der Hochtemperaturschmelzcharge mit der Kolbenspitze 27a und die daraus resultierende Schwellung der Kolbenspitze vor dem Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum vermindert wird.
Der Kolben 27 wird mit Hilfe einer konventionellen hydraulischen Betätigungseinrichtung 25, wie sie zum Beispiel an der im Vorstehenden erwähnten konventionellen Spritzgießmaschine (250-Tonnen-HPM #73-086) vorgesehen ist, von der Anfangs-Spritzposition zur End-Spritzposition bewegt. Typische Kolbengeschwindigkeiten liegen im Bereich von 15,24 bis 91,44 m/s (50 bis 300 ft/s). Die radialen Abstände zwischen der Schusshülse 24 und der Kolbenspitze 27a sind im Bereich von ca. 0,0127 bis 0,508 mm (0,0005 Inch bis 0,020 Inch) angesiedelt. Ein bevorzugter radialer Abstand zwischen der Schusshülse 24 und der Kolbenspitze 27a beträgt ca. 0,203 mm (0,008 Inch).
Beim Spritzgießen von Titan, titanbasierten Legierungen, nickelbasierten Superlegierungen und eisenbasierten Legierungen können die Schusshülse 24 und die vordere Kolbenspitze 27a, welche mit der Metall- oder Legierungsschmelze in Kontakt kommen, aus einem eisenbasierten Material hergestellt sein, so z. B. aus einem Werkzeugstahl vom Typ H-13, oder aus einem Feuerfestmaterial, z. B. auf Basis einer Mo-Legierung oder TZM-Legierung, einem Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, oder Kombinationen davon, welche mit dem Metall oder der Legierung, das bzw. die geschmolzen und spritzgegossen werden soll, verträglich sind. Die Kolbenspitze 27a kann eine Wegwerfspitze umfassen, welche jeweils nach erfolgter Einspritzung einer Metall- oder Legierungsschmelzcharge in den Formhohlraum 30 weggeworfen wird. Eine Wegwerfkolbenspitze kann eine kupferbasierte Legierung umfassen, z. B. eine Kupfer-Beryllium-Legierung (z. B. eine D340-Legierung), welche besonders geeignet ist zum Spritzgießen einer Aluminiumlegierung vom Typ A380.
Beim Spritzgießen von Titan, titanbasierten Legierungen, Nickel-Basis-Superlegierungen und eisenbasierten Legierungen können die Formen 32, 34 aus Stahl und/oder Titan hergestellt sein, in Einklang mit dem US-Patent Nr. 5 287 910 (Colvin); es können jedoch auch andere Formmaterialien bei der Umsetzung der Erfindung Verwendung finden.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher die erste und die zweite Form 32, 34 außerhalb der Vakuumschmelzkammer 40 in Umgebungsluftatmosphäre angeordnet sind. Das heißt, die Außenflächen oder Außenseiten der Formen 32, 34 sind der Umgebungsluftatmosphäre ausgesetzt.
Erfindungsgemäß steht bei geschlossenen Formen 32, 34 der zwischen ihnen definierte Formhohlraum 30 über die Schusshülse 24 mit der Vakuumkammer 40 in Verbindung und kann über die Schusshülse evakuiert werden.
Die feste Form 32 weist typisch eine oder mehrere Nuten 32a an ihrer Innenfläche 32b auf (eine Nut in 2 eingezeichnet), welche mit der gegenüberliegenden Innenfläche der beweglichen Form 34 zusammenpasst, wenn die Formen geschlossen sind. Die Nuten) 32a umschließen oder erstrecken sich um den Formhohlraum 30 sowie die Einlassöffnung 36 und eine Schmelzeabgabeöffnung, welche mit der Einlassöffnung 36 in Verbindung steht und durch das Schusshülsenende 24a definiert ist. Die Nut 32a nimmt eine elastische wiederverwendbare Hochtemperatur-O-Ring-Vakuumdichtung 60 auf zum vakuumdichten Abdichten gegenüber der Gegenfläche der beweglichen Form 34 beim Schließen der Formen. Es ist auch möglich, die Dichtungen) 60 in Nuten an der Gegenfläche der beweglichen Form 34 vorzusehen oder sie an den zusammenpassenden Flächen der beiden Formen 32, 34 anzuordnen, um so eine vakuumdichte Abdichtung um den Formhohlraum 30, die Einlassöffnung 36 und das Schusshülsenende 24a herum zu bilden und dieselben gegen die Umgebungsluftatmosphäre zu isolieren, welche das Äußere der Formen umgibt, wenn die Formen 32, 34 geschlossen sind. Es kann eine Reihe von mehreren Nuten und O-Ringdichtungen progressiv nach außen relativ zum Formhohlraumperimeter angeordnet sein, um eine Mehrzahl von vakuumdichten Abdichtungen zu bilden. Als Material für die Vakuumdichtungen 60 kann Viton verwendet werden, welches den hohen Temperaturen von 204°C (400°F) widerstehen kann, die sich beim Füllen des Formhohlraums 30 mit Metall- oder Legierungsschmelze einstellen können.
Durch die Verwendung der Vakuumdichtungen 60 wird der Formhohlraum 30 gegenüber der Umgebungsluftatmosphäre isoliert, wenn die Formen 32, 34 geschlossen sind, und kann der Formhohlraum 30 über die Schusshülse 24 evakuiert werden, wenn die Vakuumschmelzkammer 40 auf ein hohes Vakuumniveau von weniger als 33,86 hPa (1000 μm), wie es zum Schmelzen der festen Charge in dem Tiegel 54 verwendet wird, evakuiert wird.
Im Einsatz der Spritzgießvorrichtung von 1 wird ein festes Metall- oder Legierungsmaterial über die Öffnung 40b in den Tiegel 54 in der Vakuumschmelzkammer 40 chargiert. Die Vakuumkammer 40 wird dann mit Hilfe der Vakuumpumpe P auf ein zum Schmelzen der jeweiligen Charge geeignetes Niveau evakuiert (z. B. weniger als 3,386 hPa (100 μm), z. B. 3,047 hPa (90 μm) für Titan und dessen Legierungen wie eine Ti-6Al-4V-Legierung, Nickel-Basis-Superlegierungen und Edelstähle). Durch seine Verbindung mit der Vakuumschmelzkammer 40 via Schusshülse 24 und infolge seines Isoliertseins gegenüber der umgebenden Luftatmosphäre durch die Vakuumdichtungen) 60 wird gleichzeitig der durch die geschlossenen Formen 32, 34 gebildete Formhohlraum 30 auf das gleiche Vakuumniveau evakuiert.
Die geschmolzene Charge des Metalls oder der Legierung im Tiegel 54 wird unter Vakuum über den Behälter 52 und die Schmelzeeinlassöffnung 58 in die Schusshülse 24 gegossen, wobei der Kolben 27 anfänglich in der Anfangs-Spritzposition von 1 positioniert ist. Wie im Vorstehenden erwähnt, wird die geschmolzene Metall- oder Legierungscharge in einer Menge, die weniger als 40 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse beträgt, in die Schusshülse eingebracht. Bevorzugt nimmt die Menge an Metall- oder Legierungsschmelze weniger als 20 Vol.-%, noch bevorzugter ca. 8 bis ca. 15 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse ein. Die Metall- oder Legierungsschmelze wird in die Schusshülse 24 gegossen und bleibt dort für eine vorab gewählte Verweilzeit zwischen 0,005 Sekunden und 4 Sekunden, typisch nur 0,1 s bis 1,5 s, um sicherzustellen, dass kein geschmolzenes Metall hinter den Kolben 27 gelangt. Die Schmelze kann via Behälter 52 direkt aus dem Tiegel 54 in die Schusshülse 24 gegossen werden, wodurch der Zeitaufwand und die Metallabkühlung vor Beginn des Einspritzens reduziert werden können.
Der Kolben 27 wird dann in der Schusshülse 24 mit Hilfe der Betätigungseinrichtung 25 vorgefahren, um die Metall- oder Legierungsschmelze via Einlass kanal oder Einlassöffnung 36 unter Druck in den Formhohlraum 30 einzuspritzen. Die Metall- oder Legierungsschmelze wird bei hohen Geschwindigkeiten, z. B. bis zu 380 cm (150 Inch) pro Sekunde die Schusshülse 24 hinab und in den abgedichteten, evakuierten Formhohlraum 30 hinein gezwungen.
Nach erfolgter Einspritzung der Metall- oder Legierungsschmelze werden die Formen 32, 34 durch Bewegung der Form 34 relativ zu der Form 32 geöffnet, und zwar innerhalb eines typischen Zeitabschnitts, der im Bereich von 5 bis 25 Sekunden nach erfolgter Einspritzung liegen kann, um der Metall- oder Legierungsschmelze ausreichend Zeit zu geben, mindestens eine erstarrte Oberfläche an der/den Spritzgießkomponente(n) zu bilden. Dann werden die Formen 32, 34 geöffnet, um eine leichte Entnahme der Spritzgießkomponente(n) aus den Formen zu erlauben. Ein herkömmlicher Auswerferstiftmechanismus (nicht gezeigt), welcher an der im Vorstehenden erwähnten HPM-Spritzgießmaschine vorgesehen ist und nicht Teil der Erfindung bildet, hilft, die Spritzgießkomponente(n) aus den Formen auszuwerfen. Die Entnahme der Spritzgießkomponente(n) kann direkt aus den Formen 32, 34 erfolgen, indem die Formen einfach, ohne weitere Abkühlung der gegossenen Komponente(n) geöffnet werden. Dies ist vorteilhaft, um die Produktionsleistung der Spritzgießkomponenten zu steigern. Wenn die Formen geöffnet werden, wird/werden die Vakuumdichtungen) 60 gebrochen und die Gusskomponente(n) wird/werden der Umgebungsluftatmosphäre ausgesetzt und können optional in einem in der Nähe der geöffneten Formen 32, 34 befindlichen Quenchmedium M, bei dem es sich um Wasser, Öl und dergleichen handeln kann, gequencht werden.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, worin gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugsziffern versehen sind und gemäß welcher die vorliegende Erfindung in einer weiteren Ausführungsform das Anordnen eines schwimmenden Pfropfens 70 in einer längeren Schusshülse 24 vor Einführen des Metalls oder der Legierung aus dem Tiegel 54 umfasst. Der Pfropfen 70 befindet sich anfänglich stromab der Schmelzeeinlassöffnung 58, um das Füllen der Schusshülse 24 zwischen Pfropfen 70 und Kolbenspitze 27a mit dem richtigen, zum Füllen des Formhohlraums 30 benötigten Volumen an geschmolzenem Metall oder geschmolzener Legierung zu verbessern.
Der Pfropfen 70 wird in Richtung Formhohlraum 30 vorwärtsbewegt, wenn der Kolben 27 das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Legierung unter Druck in den Formhohlraum 30 einspritzt. Der Pfropfen 70 wird durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens 27 in eine Pfropfenaufnahmekammer 72 bewegt, welche in der beweglichen Form 34 abseits des Formhohlraum-Einlasskanals 36 gebildet ist, um die Einspritzung der Metall- oder Legierungsschmelze in den Formhohlraum nicht zu behindern. Der Pfropfen 70 kann Stahl umfassen für Titan und dessen Legierungen und andere hochschmelzende Metalle mit Reaktionsbeständigkeit gegenüber der jeweiligen Metallschmelze, welche spritzgegossen werden soll. Der Pfropfen 70 ist so bemessen, dass er während des Befüllens der Hülse mit geschmolzenem Metall aus dem Behälter 52 an Ort und Stelle bleibt und vor dem eingespritzten Metall bleibt, bis er in die Kammer 72 gelangt.
Bei der Umsetzung der im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur der Formen 32, 34 innerhalb gewünschter Bereiche gesteuert werden, um Formtemperaturen im Bereich von 37,8 bis 371°C (100–700°F) bereitzustellen. Beispielsweise können die Formen 32, 34 vor Beginn des Einspritzens der Metall- oder Legierungsschmelze in die Formen vorgewärmt werden, wobei ein oder mehrere konventionelle Gasflammenbrenner oder elektrische Widerstandsheizdrähte, zu diesem Zweck mit den Formen operativ verbunden, verwendet werden können. Die Formen 32, 34 können durch Wasserkühlkanäle (nicht gezeigt) gekühlt werden, welche im Inneren der Formen gebildet sind und durch die Kühlwasser zirkulieren gelassen wird, um die Formtemperaturen bei fortgesetzter Bildung der Spritzgießkomponenten und Aufheizung der Formen zu beherrschen. Die Schusshülse 24 kann in ähnlicher Weise optional ebenfalls erwärmt oder gekühlt werden, um die Schusshülsentemperatur unter Verwendung von ähnlichen Gasflammenbrennern oder elektrischen Widerstandsdrähten oder Wasserkühlkanälen in der Schusshülse innerhalb eines gewünschten Bereichs, z. B. 37,8 bis 371°C (100–700°F), unter Kontrolle zu halten.
Zum Spritzgießen von Ti- und Titanlegierungsteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Charge geschmolzenen Titans oder einer Legierung desselben, z. B. Ti-6Al-4V, umfassend 2,27 bis 4,54 kg (5–10 lb) Schmelze bei einer Schmelzetemperatur, die typisch gleich dem Metall- oder Legierungsschmelzpunkt plus 28°C (50°F) (z. B. ca. 1694°C (3080°F) für Ti-6Al-4V) beträgt, in die Schusshülse 24 eingeführt, welche eine Länge von 41,9 cm (16,5 Inch) und einen Durchmesser von 7,6 cm (3 Inch) aufweist. Die geschmolzene Charge nimmt ca. 9 bis 10 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse 24 ein, in welcher eine Kupfer-Beryllium-Kolbenspitze mit einem radialen Abstand von 0,051 mm (0,002 Inch) gegenüber der Schusshülse aufgenommen ist. Der Kolben bewegt sich mit mindestens 318 cm/s (125 Inch pro Sekunde), um die Charge in den Formhohlraum einzuspritzen, welcher zwischen den Formen 32, 34 definiert ist, die auf 149°C (300°F) aufgewärmt werden können. Nickel-Basis-Superlegierungen können in Einklang mit der Erfindung unter Verwendung ähnlicher Parameter mit einer Schmelzetemperatur gleich dem Legierungsschmelzpunkt plus 42°C (75°F) spritzgegossen werden. Edelstahl 17-4 PH kann in Einklang mit der Erfindung unter Verwendung ähnlicher Parameter mit einer Schmelzetemperatur gleich dem Legierungsschmelzpunkt plus 14°C (25°F) spritzgegossen werden.
Die Erfindung kann zum Spritzgießen von kompliziert gestalteten oder konfigurierten Komponenten verwendet werden, so etwa für Gasturbinen-Leit- und Laufschaufeln aus einer Nickel-Basis-Superlegierung, bei der es sich – rein beispielhaft – um eine IN 718-Nickel-Basis-Legierung handeln kann, für den Verdichterabschnitt eines Gasturbinentriebswerks sowie für Golfschläger-Putter aus Edelstahl wie Edelstahl 17-4 PH und amorphen Legierungen und für eine breite Vielfalt von weiteren Komponenten.
Aus dem Vorstehenden ist erkennbar, dass die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Spritzgießen von Titan oder einer Legierung desselben betrifft, wobei das Verfahren umfasst:

(a) Schmelzen von Titan oder einer Legierung desselben in einer über eine Schusshülse mit einem Formhohlraum in Verbindung stehenden Vakuumkammer zum Bilden einer Schmelze, Evakuieren der Vakuumkammer und des Formhohlraums über die Schusshülse auf weniger als 33,86 hPa (1000 μm), während der Formhohlraum gegenüber der Umgebungsluft atmosphäre durch Vakuumdichtungsmittel zwischen den Formen abgedichtet ist,
(b) Einführen der Schmelze in die Schusshülse in einer Menge von weniger als ca. 20 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse,
(c) Vorwärtsbewegen des Kolbens in Richtung des Formhohlraums, um die Schmelze in den abgedichteten, evakuierten Formhohlraum unter Druck einzuspritzen, um eine Spritzgießkomponente zu bilden, und
(d) Öffnen der Formen, um die Spritzgießkomponente aus dem Formhohlraum heraus direkt an die Umgebungsluftatmosphäre zu bringen.

Bevorzugt wird die Schmelze in einer Menge von ca. 8 bis ca. 15 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse in die Schusshülse eingeführt.

Claims

Spritzgießvorrichtung, umfassend: a) eine erste und eine zweite Form (32, 34), welche zwischen ihnen einen Formhohlraum (30) definieren, wenn die Formen geschlossen sind, b) eine Schusshülse (24), welche an einem Ende mit dem Formhohlraum (30) verbunden ist und ein anderes Ende mit einer Schmelzeeinlassöffnung (58) aufweist, das mit einer Vakuumkammer (40) verbunden ist, c) ein in der Vakuumkammer (40) angeordnetes Schmelzgefäß (54) zum Bereitstellen einer Schmelze von einem Metall oder einer Legierung, welche über die Schmelzeeinlassöffnung (58) vor einen in der Schusshülse beweglichen Kolben (27) in die Schusshülse (24) eingeführt wird, d) Mittel (P, 40a, 40b) zum Evakuieren der Vakuumkammer (40), wenn die Metall- oder Legierungsschmelze in dem Schmelzgefäß (54) erschmolzen wird, e) wobei der Kolben (27) in der Schusshülse (24) beweglich ist, um die Metall- oder Legierungsschmelze in den Formhohlraum (30) zu spritzen, und (f) Mittel (20) zum Öffnen der Formen (32, 34) nach Einspritzen der Metall- oder Legierungsschmelze in die Formen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen (32, 34) in Umgebungsluftatmosphäre angeordnet sind und eine Vakuumdichtung (60) zwischen den Formen aufweisen, um den Formhohlraum (30) gegenüber der Umgebungsluftatmosphäre zu isolieren, wenn die Formen geschlossen sind, dass die Mittel (P, 40a, 40b) zum Evakuieren der Vakuumkammer (40) gleichzeitig den Formhohlraum (30) über die Schusshülse (24) zu evakuieren vermögen, infolge der Isolierung des Formhohlraums (30) gegenüber der Umgebungsluftatmosphäre durch die Vakuumdichtung (60), und dass eine Spritzgießkomponente aus dem Formhohlraum (30) heraus direkt in die Umgebungsluftatmosphäre bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumdichtung (60) eine O-Ringdichtung an wenigstens einer Form (32) umfasst, welche sich um den Formhohlraum (30), eine Einlassöffnung (36) und eine mit der Einlassöffnung verbundene Schmelzeabgabeöffnung (24a) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer (40) und der Formhohlraum (30) auf weniger als 33,86 hPa (1000 μm) evakuierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein radialer Abstand zwischen dem Kolben (27) und der Schusshülse (24) zwischen ca. 0,0127 mm (0,0005 Inch) und 0,508 mm (0,020 Inch) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schmelzgefäß (54) zum Einführen einer Charge der Metall- oder Legierungsschmelze, welche weniger als 40 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse (24) einnimmt, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Charge der Metall- oder Legierungsschmelze ca. 8 bis ca. 15 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse (24) einnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen in der Schusshülse (24) stromab der Schmelzeeinlassöffnung (58) angeordneten Pfropfen (70) aufweist, wobei der Pfropfen durch die Bewegung des Kolbens (27) durch die Schusshülse (24) in Richtung des Formhohlraums (30) bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine der Formen (32, 34) eine Kammer (72) enthält zum Aufnehmen des Pfropfens (70), wenn die Metall- oder Legierungsschmelze in den Formhohlraum (30) eingespritzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schusshülse (24) und der Kolben (27) ein Material aufweisen, welches aus der Gruppe der eisenbasierten Materialien, Refraktärmaterialien und Keramikmaterialien sowie Kombinationen davon ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben (27) eine wegwerfbare Kolbenspitze (27a) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Kolbenspitze (27a) eine kupferbasierte Legierung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche Mittel zum Beherrschen der Temperatur der Formen und/oder der Schusshülse enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gefäß (54) benachbart zu einer festen Formplatte (14) angeordnet ist.
Verfahren zum Spritzgießen eines reaktiven Metalls oder einer reaktiven Legierung, umfassend a) Schmelzen eines reaktiven Metalls oder einer reaktiven Legierung in einer Vakuumkammer (40), welche über eine Schusshülse (24) mit einem durch Formen (32, 34) definierten Formhohlraum (30) verbunden ist, b) Evakuieren der Vakuumkammer (40), c) Einführen der erschmolzenen reaktiven Metall- oder Legierungsschmelze in die Schusshülse (24) vor einen Kolben (27), d) Vorwärtsbewegen des Kolbens (27) in Richtung des Formhohlraums (30), um die reaktive Metall- oder Legierungsschmelze in den evakuierten Formhohlraum einzuführen, um eine Spritzgießkomponente zu bilden, und (e) Öffnen der Formen (32, 34), um eine Spritzgießkomponente aus dem Formhohlraum (30) auszubringen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Formen (32, 34) in Umgebungsluftatmosphäre angeordnet sind, dass der Formhohlraum (30) gleichzeitig mit der Vakuumkammer (40) über die Schusshülse (24) evakuiert wird, während der Formhohlraum gegenüber der Umgebungsluftatmosphäre mittels einer oder mehreren Vakuumdichtungen (60) zwischen den Formen (32, 34) abgedichtet ist, dass die Schmelze in die Schusshülse (24) in einer Menge, die weniger als ca. 40 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse beträgt, eingeführt wird und dass die Spritzgießkomponente aus dem Formhohlraum (30) heraus direkt in Umgebungsluftatmosphäre gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das reaktive Metall oder die reaktive Legierung aus der aus Titan, Titanlegierungen, Nickel-Basis-Superlegierungen und Edelstählen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, welches als zusätzlichen Schritt das Quenchen der Spritzgießkomponente in einem Quenchmedium (M) nach Ausbringen aus den Formen (32, 34) enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erschmolzene reaktive Metall- oder Legierungsschmelze in die Schusshülse (24) in einer Menge von weniger als ca. 20 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erschmolzene reaktive Metall- oder Legierungsschmelze in die Schusshülse (24) in einer Menge von ca. 8 bis ca. 15 Vol.-% des effektiven Innenvolumens der Schusshülse eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, umfassend das Anordnen eines Pfropfens (70) in der Schusshülse (24) vor dem Kolben (27) vor Einführen der Metall- oder Legierungsschmelze und das Vorwärtsbewegen des Pfropfens in Richtung der Formen (32, 34) mit der Metall- oder Legierungsschmelze zwischen dem Pfropfen und dem Kolben.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend das Vorwärtsbewegen des Pfropfens (70) in eine Kammer (72), welche in einer der Formen (32, 34) gebildet ist, derart, dass das Einspritzen der Metall- oder Legierungsschmelze in den Formhohlraum (30) nicht störend beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Vakuumkammer (40) und der Formhohlraum (30) auf weniger als 33,86 hPa (1000 μm) evakuiert werden, wenn das reaktive Metall oder die reaktive Legierung aus Titan bzw. titanbasierten Legierungen ausgewählt ist, welche mit Sauerstoff reagieren können.