DE1558325A1 - Heizvorrichtung fuer eine Giessform - Google Patents

Description

Dr. ing E. BERKENfELD, Pqf nto-nfrttft,"IEOtN,' 4frn»ivmiitfits»troea Anlag« AlttoiunidMn

«ur Eingab, vom 12.7-1966'Jen. Nom«d.Anm. United Aircraft Corporatior

Heizvorrichtung für eine Gießform.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Formheizung zum gesteuerten Abkühlen des geschmolzenen Metalls in einer Form und zur Verwendung beim Aufheizen von Hohlformen währen 1 des GieJens Und der Erstarrung des Met all as innerhalb dieser Fon:..

Bei der Fertigung von GuJartiKjln n.it gesteuerter Kornstrui-ctur ist es erwünscht, Ue Fun:: vor und während le,5 .iingie3ens des Metalls in die Form auf eins hohe Tai.-.peratur aufzuheizen. In bestimmten Fällen ist ea v.jitor arwünscht, He For;:, für 3ine bestimmte Zeit nach dem G ie Jen des Metalls auf einer ausgev.-ählten Temperatur zu halten. 3ie Erfindung sieht demnach eine Heizvorrichtung für eine Form vor, in welche die Form einges^llt werden kann und mi? der die gewählte Temperatur der Form herbeigeführt und aufrechterhalten werden kann.

In vielen Fällen ist es weiter erwünscht, während lar Erstarrung ein Temperaturgefälle von einem zum anderen Ende der Form zu erzeugen, damit sich die Erstarrung mit vorgewählter Geschwindig-

ο keit entlang einer quer verlaufenden Feststoff-Flüssigkeits-

Trennlinie von einem Ende zum anderen Ende der Form bewegt. Die ^J Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Heizen einer Gießform vor, •*3 mit jjler dieses Ergebnis erreichbar ist. £ U 6/84

Zum Srzialen einer gesteuerten Erstarrung des Metalls in einer

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Hohlform ist es wesentlich, das Ausmaß zu steuern, bis zu " welchem die Form erhitzt wiri, uni die Abkühlungsgesch^inr digkeit in verschiedenen Bereichen. Entsprechend .lieht lie Erfindung eine Heizvorrichtung zum Einschließen der Forn vor, die aus einer Anzahl von ringförmigen Heizelementen besteht, die zum Zweck der Aufheizung Jeite an Seite liegt uni einzeln steuerbar sind. Diese Ringe bilden eine Umhüllung, deren Durchmesser etwas über dem der Form liegt, während ihre Länge praktisch gleich der der Form ist, um diese dicht zu umhüllen.

Die Form befindet sich in dem Heizring und der dazwischenliegende Raum wird n:it einem hitzebeständigem gekörntem Material gefüllt, was zur noch besseren Steuerung der Aufheizung und Ar,-KÜhlung dient.

Andere Merkmale und Vorteile ergeben sich au3 der Beschreibung und den Ansprüchen und aus den beiliegenden Zeichnungen, welche die Erfindung erläutern.

Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Form und eine diese einschließende Heizvorrichtung, welche die Form einer umgestülpten Kappe hat.

Figur 2 ist eine Figur 1 ähnliche Ansicht einer abgewandelten AusfUhrungsform.

Figur 3 ist ein senkrechter 3chnitt durch eine au3 mehreren Heizringen bestehende Form-HeizTorrichtung.

Figur 4 ist ein Quersjjljn^fck 4 ψRVarjg der Linie 2-2 in Figur 3. BAD ORIGINAL - 2 -

Figur 5 ist ein Schnitt durch eine abgewandelte aus Form und Heizvorrichtung bestehende Ausführungsform»

Gemäß Figur 1 handelt es sich um ein© Präsislonsguß-Hohlform 2 mit einem Einlauftrichter >, sowie mehreren zur Verbindung ■iienenien Fingern 4₅ die seitlich von dem Einlauftrichter 3 ausgehen bis zu einer geschlossenen Oberseite 6 auf jedem der einzelnen Porn:elemente I₉ die .für di© Gußartikel vorgesehen sind«, Der gerade gezeigte GuSartikel ist eine Turbinenschaufel ii.it einer Strebe 8 am unteren Ende uer Oberseite 6_a mit einem Flügelabschnitt 10 und mit einem V/urselabschnitt 1.2. Unter dem Wurzelabschnitt befindet sich eine Wachstumsflache 14, die unmittelbar auf einer Kühlplatte 16 aufstehtο

Zur Bewirkung des in einer Richtung ablaufenden Erstarrungspro- ■ -esses wird die Form dureh die sie ©iras@hil@@©nde Form-Hei2vorrichtung aufgeheizte welche die Form einer umgestülpten Kappe

hat j, die ihrerseits zur Aufnahme des Einlauf trichtere 3 eine zentrische öffnung 20 aufweist. Die Kappe besteht aus einer Außenwand 22, die aus einer geeigneten isolierenden hitzebeständigen Masse ausgebildet ist, wie z.B. Aluminiumoxyd mit niedriger Dichte. Innerhalb der Außenwand und in Berührung mit einer Auskleidung 2'ß befinden sich mehrere elektrische Heizspulen 24 und 26, die axial ausgerichtet und so angeordnet sind, daß jede Spule einzeln oder auch alle Spulen gleichzeitig erhitzt werden können. Ein wärmefester Kitt 28 hält die Heizspulen in ihrer Lage zwischen der Wand 22 und der keramischen Auskleidung ZJ₁ welche aus einen; derart gewähltem Material besteht, daß die Wärme schnell auf die Form übertragen wird. Ein Beispiel für den wärmefesten Kitt kann Aluminiumoxyd-Kitt sein und die Aus-

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kleidung Kann aus Alui.-iiniu.-noxyl hoher Dichte bus tonen.

Mit ihrem Umfang »teilt die umgestülpte Kapre auf einem Inoiierriri;: -> an der Kernte ler Kühlplatte 1Ü auf. Hiei'durch wird Hi Hippe in enger Nachbarschaft i'U ler Fort:, gehalten und in einer Jtellung, i;.it 'ier ler liinlauftrichtei· β lurch die intern Boden der Kippe vorgesehene zentrische Öffnung 20 freigelegt lot.

Im ;*3trieb werden die In der umgestülpten Kappe 1b befindlichem Heisspulen 2h und e.G erregt und die von diesen ausgehende Hitze heizt die Form bis auf eine Temperatur oberhalb des ,Schmelzpunktes Jer zu gießenien Legierung auf. Z^u gleichen Zeit wird die Kühlplatte 16 durch Durchleiten von Wasser durch die in ihr vorgesehenen Kanäle ^4 Kühl gehalten. Sobald sich die Temperatur stabilisiert hat, wird die Legierung in die Form gegossen und die Erstarrung beginnt an der Kühlplatte 16. Die erste Kühlung erfolgt in Form einer regellosen Kristallisation. Bei einem Fortschreiten der Erstarrung und des Kristallwachstums in Richtung nach oben, wie es durch die für die Form zugelassene Kühlgeschwindigkeit festgelegt wird, bilden sich säulenförmige Körner und als Ergebnis erstreckt sich eine Vielzahl von Körnern vom 3cden zur Ooerseite jedes Formelementes 7· Zu Beginn der Erstarrung steuert man die Abkühlung der Form dadurch, daß man die Energie zuvor zu der Bodenspule 24 allmählich herabsetzt und an-

o schließend die zur oberen Spule 26, so daß ausgehend von der Kühles

<o platte bis zur Oberseite jeder Form eine allmähliche Abkühlung oo

J^ bis auf Erstarrungstemperatur stattfindet. Zur Temperaturmessung ρ kann die Kappe auf Wunsch öffnungen j55 für Thermoelemente erhalten.

Mit der Ausführungsform nach Figur 2 wird im großen und ganzen

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der gleiche Zweck verfolgt. Diese AusfUhrungsform verwendet aber Induktionsheizung und ein oder mehrere Graphitsuseeptoren. Gernäß der Darstellung wird die Hohlform L^Ja, die ler von Figur 1 ähnlich ist, in der gleichen Lage auf die Kühlplatte 16a aufgesetzt und wird von einer Heizvorrichtung umschlossen. Mit dieser wird die Aufhellung bewirkt, welche bei Figur 1 die umgestülpte Kappe bewirkte. 3ei Figur 2 wir! die Form aa jedoch von einem Mantel $6 umschlossen, der vorzugsweise aus Graphit besteht und einen Gaphltsusceptor für die Wärmeübertragung auf die Form darstellt. Der Mantel ^6 kann ein einziges Stück oder aus kurzen Abschnitten ;?<5a, 36b und 36c bestehen, die gemä3 1er Darstellung ausgerichtet und lurch dünne isolierende Ringe .38 leicht auseinander gehalten weiden. Diese Mantelabschnitte und die isolierenden Ringe 33 werden durch konzentrische umhüllende Zylinder 40 und .41 aus isolierendem Material an ihrem Ort gehalten. Der Zylinder 4o besteht z.B. aus Aluminiumsilikat und der Zylinder 41 aus Graphitfilz. Dieser Zylinder ist selbsttragend und steht am Umfang der Kühlplatte 16a auf einem Ring 42 aus isolierendem Material auf. Der Zylinder 40 wird von einer Vielzahl von axial ausgerichteten Induktions- Heizspulen 42a, 42b und 42c umschlossen, mit denen die Wärmezufuhr zur Form in verschiedenen Höhen gesteuert wird. Gemäß der Darstellung erstrecken sich die Susceptorabschnitte axial in gleicher Richtung wie die einzelnen Spulen.

• Geeignete elektrische Leitungen 44 sorgen für den elektrischen Anschluß jeder Spule und die Spulen sind vorzugsweise rohrförmig, um eine Wasserkühlung der Spulen zu ermöglichen.

Während des Brhltzens der Form kann ein beweglicher Hitzeschild 46 auf die Oberseite <Jfir_ftEpEnk und.die diese umhüllenden Zylinder

-■" j.
j gelegt werden.

Die ifctriüosweise liejer Vorrichtung i::t lie gleiche ..ie bei Figur 1 . Xe Crstarrung les eingegebenen .'viUalla oeginnt an ler "Jielle ies uninitteloaron Kcntakt-j;; i.iO der Kühlplatte lea unl bewegt .3ich entlang oiner Pejtati^ff-FlU.isigkeitsfront nchrittweise nach juen, wouoi liu.>j 7:-ont .ναπί-οη 1 ihror Vertikalbe.vegung in Richtung au Γ lie O^ir.-ait-j l»r Form im wesentlichen horizontal bleibt.

Die Vorrichtung Kann zum Herstellen von 3\:haui'elri ^lor Blättern für Oasturbinen verwanlt werlen, ,vie 'lies in 'ler U.J.A. Patentanmeldung von VerJnyler, Aktenzeichen .5o1,.•«;>, eingereicht air. 17. April Iyt4, beschrieben wird.

Sine Form-Heizvorrichtung für eine Forr, mit ler T'.u'oinen.'-.chaufeln gegO3sen werden, wird in Figur 3 gezeigt. Die 'jshaufal 5^' wird in der Form 5⁴ gezeigt.

Die Form hat eine zentrische öffnung 56 zum Bilden des tra^lächen· förmigen Abschnittes der 3chaufel, eine verbindende öffnung 50 für den Wurzelabschnitt, und eine Bodenöffnung 60 für eine Wachstumsfläche. Die Form steht auf einer Kühlplatte 62, gegenüber welcher sie offen ist. Diese Kühlplatte dient zur Fertigung von gerichtet erstarrten GuQartikeln, wenn dies so gewünscht wird. Die Form hat noch ein oberes Ende mit einem Eingießstutzen 64, über den die Form mit geschmolzenem Metall gefüllt v/ird.

Die Form wird von einer Vielzahl von gestapelten Ringen 66 oder Heizelementen umschlossen, deren Innenflächen ihrer Gestalt nach im wesentlichen den Konturen der Form entsprechen. Der Bodenring 66a hat verhältnismäßig gestreckte Seiten, welche den Wurzel-

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tuii '.iachstu::,.jflachen lev V >nr. entsprechen. Der !mittlere ΛΊng im 1 Jor oböi-ϊ ilia^ ou L;;w. ·λο haben konvergiei'enie Innenfläcn·::!, v;olcihe i:.r .."esentii alien parallel ,;u ien Au3en.von!en les Tra^fläah-mabschnitAeo 1er Forr.i verlaufen.

1:: ,'-j !-in Rinv; ies. Stapels ist eine Heizspule co eingebettet. vK^%n.äi -ier P .i';-V,alliinc lie_f;l jede 3pule im wesentlichen parallel .vi ioi' Innenfläche Λ es entsprechenien ninfres, Oeeicnete An-■vO:ilU,53e T'"'.^;ini vorcesehen-, um je'le 3pule über geeißnetj 3Oqu-•..■:'.-.-o:ialtor an eine elektrische Kraftquelle-- anzuschlieien. Die \'"•.-CMi.iieive·: :\'_vn^e h-ben prarallel "Hache Or.er- uni Unterseiten, . lci:.;ii> ;;ian ~ji; uii::.Utelbar übereinander stapeln rcunn. Dyr !'nvieni'in.; -ueht an U:.:i"ang ler Kühlplatte auf einem isolierend-Sri- H

. "i).:.ooo -yinge ii leräe-ien vorzugsweise au3 gießbarer, wart.ef ester Keramik,' v.iu z.B. Tonerde- Grundmaterial. Dieses Material ist' ;;iit.,AeU Material des eingebetteten Heizelementes, welches voruu >3 ■ie.lsQ ein in spulenfon., gewickelter Molybianiraht ist, ico:^- patibol. Die Hin^e ..'erden^daiiilt aLblätterfsot, cherLisch stabil

und hitzebeständig, so daß die Perm wiricungavoll aufgeheizt und '- deren Temperatur gesteuert werden kann. Die Ringe können weiter eine oxydationsfeste Schutsumhüllung für den Draht bilden. Fulls erforderlich können geeignete thermostatische Anschlüsse vorgesehenwerden.

«o Zur Unterstützung der Wärmezufuhr zu der Form wird der Raum

oo^; '■■.-■.-■· ■ ■ . -

J^- zwischen dieser und dem Ringstapel mit etiem hitzebeständigen · o gekörnten Material T^ angefüllt, welches zur Füllung dieses

NJ Raumbs dient und ein Mittel zum Abstützen der Form bildet. Dieses

Material wird so ausgewählt, daß es seine kornförmige Konsistenz

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selbst dann beibehält, wenn die Form auf eine Temperatur oberhalb der der zugießenden Legierung erhitzt wird, so daß die übereinander gestapelten Ringe nach Abschluß iea öießvorganges intakt entfernt werden können. Eine Art eines für diesen Z-./eck geeigneten hitzefesten Materials ist gekörntes Aluminiumoxyd.

Die Innenflächen der Heizringe können ringförmig sein, wie Figur 4 zeigt. Für bestimmte Fälle, wie in Figur 5, können die •Innenflächen 76 aber auch stärker der Querschnittsform der Hohlform angenähert werden, wenn die Temperaturen besonders kritisch sind.

Im Betrieb kann diese Vorrichtung zur Ausbildung einer aufgeheizten Form verwendet werden. Besonders brauchbar ist sie jedoch bei einer gerichteten Erstarrung, wie sie in der oben erwähnten Patentanmeldung von VerSnyder, U.S.A. Aktenzeichen >61 beschrieben wird. In diesem Fall wird den Spulen elektrische Energie zugeführt, bis die Form praktisch bis über den Schmelzpunkt der Legierung aufgeheitezt ist, und die Kühlplatte wird auf einer Temperatur, die neben dem Kochpunkt von Wasser liegt, gekühlt gehalten. Bei«-EingrWfßen d«»¹-Metalle in'die FpTm bewirkt die Kühlplatte eine augenblickliche Kristallisation an ihrer Oberfläche und die Kristalle wachsen vertikal innerhalb der Form, während die Kühlplatte Wärme von der geschmolzenen Legierung abzieht. Während sich die Erstarrung in Richtung nach oben fortpflanzt, werden nach_weinbander Heizspülen abgeschaltet. Man beginnt mit der im Bodenring liegenden Spule, um während der Erstarrung sukzessive die Wärmezufuhr von den verschiedenen Ringen herabzusetzen.

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Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Auto*·

   ν«« 12.7.1966 Sch» No«· 4.Aim. United Aircraft Corporation

   Patentansprüche

   1. Heizvorrichtung fUr eine Form für Hochtemperaturlegierungen mit einem Mantel aus wärmefestem Material mit einer Länge, die Über der Höhe der Form liegt, und mit einem Innendurchmesser, der etwas größer als die aufzuheizende Form ist, und weloher zur Aufnahme der Form an einem Ende offen ist, daduroh gekennzeichnet, daß das wärmefeste Material mindestens zwei unabhängige axial angeordnete Heizspulen 24,26 zum Aufheizen ausgewählter Abschnitte des Mantels j?6 aufweist, welche Spulen dicht an der Innenfläche* des Heizermantels angeordnet sind.

   2. ° Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulen 24,26 axial ausgerichtet sind.

   5. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 und Z, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzbeständige Material 22 außerhalb der Spulen 24,26 »in isolierendes hitzebeständiges Material ist.

   '/' 4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1·3* dadurch gekennzeich- - net?, daß d*6 hitzebeständige Material 2jS innerhalb der Spulen 24,26 «in wärmeabstrahlendes Material ist.

   5* Heizvorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß die Spulen 24,26 unabhängig gesteuert werden, um von _r 009812/0724 '

   f* _r 009812/0724 ■ . ₉.

   OBSGlNAL

   dem einen bis zum anderen Ende des Mantels 36 ein Temperaturgefälle auszubilden.

   6. Heizvorrichtung nach Anspruch 1-5* dadurch gekennzeichnet, daß ein nach innengedrehter Plansch an demjenigen Ende des Mantels, das von dem offenen Ende abgelegen ist, einen Teilverachluß bildet mit einer zentrischen öffnung 20 für den . auf die Form 2 aufzusetzenden Einlauftrichter J5.

   7· Heizvorrichtung nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet durch Mittel zum Halten des Mantels 36?an seiner Stelle innerhalb der Spulen 24,26, vorzugsweise durch konzentrische, einschließende Zylinder 40,41, die mit einem isolierendem Material gefüllt sind.

   8. Heizvorrichtung nach Anspruch 1-7* dadurch■gekennzeichnet, daß der Mantel 36 aus Abschnitten besteht, die im wesentlichen in gleicher Richtung wie die einzelnen Heizspulen 26,28 verlaufen.

   9. , Heizvorrichtung nach Anspruch 1-8« dadurch gekennzeichnet« daß der Mantel 36 Graphit und die Heizspulen 26*28 Induktionsspulen sind.

   10. Heizvorrichtung nach Anspruch 1-9* dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlplatte 16 die Form 2 trägt und das offene Ende des Mantels 36 auf der Platte 16 aufsteht.

   11* Heizvorrichtung nach* Anspruch 1-IO, dadurch gekennzeichnet* daß der Mantel $6 von einem konzentrischen Zylinder aus

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   - 10

   BAD QRSQWAl

   isolierendem Material umschlossen wird.

   12. Heizvorrichtung nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel 36 von konzentrischen Zylindern 41,40 umschlossen wird, von denen der innere 41 mit Graphit gefüllt ist und der äußere 40 aus wärmebeständigem Material besteht.

   13. Heiζvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer aus einer Vielzahl von Ringen 38 aus keramischem Material besteht, die Seite an Seite liegen, diese die Form umschließen und in jeden neben dem Innenumfang des Ringes mindestens eine Heizspule eingebettet ist.

   14. - Heizvorrichtung nach Anspruch 13* dadurch gelmnzelohnet, daß der Heizer eine Länge hat, die wesentlich über seiner Querabmessung liegt, und jede Heizspule 26,28 Einzelanschlüsse aufweist, die am Außenumfang des Ringes, in den sie eingebettet ist, zugänglich ist.

   15' Heizvorrichtung nach Anspruch I3 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenumfänge der Ringe eine Innenwand bilden, die etwa gleichförmigen Abstand von der Form hat.

   16. Heizvorrichtung nach Anspruch 13-15* dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der verschiedenen Ringe 38 im, wesentlichen gleich der Länge der Form ist.

   17. Heizvorrichtung nach Anspruch I3-I6, dadurch gekenn- ■ zeichnet, daß die Form eine Eingießmündung an einem Ende hat, und daß der JSndring an einem Punkt endet, der dicht bei dieser Mündung

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   gt, wenn lie F rm innerhalb der RinganOrdnung angeordnet

   1j. Heizvorrichtung nach Anspruch 13-1?» dadurch gekennzeichnet, laß die I^rorn innurhaliv lor iiin^anorinung durch hitze- i'azzez, kürnför:ni{S(i3 Ma'o'jrial in do:·. H'iu:n zwischen der I'urm und len Innonuüii'ängun ler H.iizringe gehalten wird.

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