DE19505689C2

DE19505689C2 - Gießform zum Herstellen von Gußteilen aus reaktiven Metallen

Info

Publication number: DE19505689C2
Application number: DE1995105689
Authority: DE
Inventors: Alok Choudhury; Matthias Blum; Harald Scholz; Georg Jarczyk
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: DE19505689A1

Description

Es geht um eine Gießform für die Mehrfachverwendung, insbesondere eine Schleudergießform, mit mindestens einem tragenden Grundkörper, in dem mindestens ein Formhohlraum angeordnet ist, dessen der Schmelze ausgesetzte Oberfläche eine strukturfeste, homogene Schale aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle ist.

Die Gießform dient bevorzugt zum Herstellen von Gußteilen aus einer Schmelze eines reaktiven Metalls aus der Gruppe Titan, Titanlegierungen und Titanbasislegierungen.

Es besteht ein steigender Bedarf an Bauteilen aus Titan oder aus Legierungen mit einem beträchtlichen Titananteil, da diese Werkstoffe ein geringes spezifisches Gewicht und dennoch eine hohe Festigkeit aufweisen, vorausgesetzt, man beachtet in ausreichendem Umfange die spezifischen Eigenschaften des Titans, zu denen sein hoher Schmelzpunkt und seine Reaktionsfreudigkeit bei hohen Temperaturen gehören. Bei Schmelztemperatur reagiert Titan nicht nur mit reaktionsfähigen Gasen, darunter insbesondere Sauerstoff, sondern auch mit Oxiden und nahezu allen Keramiken, da diese üblicherweise zumindest überwiegend aus oxidischen Verbindungen bestehen. Durch die größere Affinität des Titans zu Sauerstoff wird den Oxiden Sauerstoff entzogen und führt zur Bildung von Titanoxiden. Einige Werkstoffe, die sich für bestimmte Einsatzgebiete hervorragend bewährt haben, werden nachstehend beispielhaft aufgeführt:
Reintitan
Ti6Al4V
Ti6Al2Sn4Zr2Mo
Ti5Al2,5Sn
Ti15V3Al3Cr3Sn
TiAl5Fe2,5
50Ti46Al2Cr2Nb
Titanaluminide.

Besonders zu erwähnen ist der Einsatz von Titanaluminiden, z. B. TiAl als Werkstoff für zahlreiche Bauteile. Aufgrund ihrer geringen Dichte, relativ hohen Wärmefestigkeit und Korrosionsbeständigkeit gelten die Titanalu minide als optimaler Werkstoff für verschiedene Anwendungsgebiete. Da diese Werkstoffe sehr schwer verformbar sind, kommt nur eine Formgebung durch Gießen in Frage. Insbesondere beim Gießen aber werfen titanhaltige Metalle weitere Probleme auf, auf die nachfolgend noch näher eingegangen werden wird.

Einige Beispiele für den Einsatz titanhaltiger Werkstoffe werden wie folgt an gegeben:
Ventile für Verbrennungskraftmaschinen
Turbinenräder und Turbinenschaufeln
Verdichterräder
Biomedizinische Prothesen (Implantate)
Kompressorgehäuse im Flugzeugbau.

Insbesondere im Motor-Rennsport haben sich sowohl Einlaß- als auch Aus laßventile aus bestimmten Titanlegierungen hervorragend bewährt, so daß an einen Masseneinsatz für Verbrennungskraftmaschinen aller Art gedacht wird.

In dem Aufsatz von Schädlich-Stubenrauch u. a. "Numerical simulation of the alpha case as a quality criterion for the investment casting of small, thin walled titanium parts", veröffentlicht auf der Sixth World Conference on Titanium", Frankreich 1988, Seiten 649 bis 654, sind die Probleme be schrieben, die dann entstehen, wenn Titanlegierungen in Formen aus Oxid werkstoffen vergossen werden. Dabei bilden sich nicht nur auf der Oberfläche des Gußteils Titanoxide, sondern bis zu 10 Gewichtsprozent Sauerstoff gehen auch an den Korngrenzen in Lösung, so daß sich die Notwendigkeit ergibt, die Oberflächen der Gußteile nachträglich zu bearbeiten, was auf chemische oder spanabhebende Weise geschehen kann. Notwendigerweise wächst die Dicke der sauerstoffhaltigen Oberflächenschicht mit zunehmender Abkühldauer, so daß die Verwendung von Formen aus oxidischen Werkstoffen auf dünnwandige Werkstücke begrenzt ist. Außerdem wird angegeben, daß es zweckmäßig ist, die fertig bearbeiteten Werkstücke nachträglich einem isostatischen Heißpreßverfahren (HIP-Verfahren) auszusetzen. Dadurch verteuern sich die Kosten der Bauteile ganz erheblich. Der Aufsatz untersucht diese Zusammenhänge anhand von keilförmigen Gußteilen.

Durch den Aufsatz von Tsutomu Oka u. a. "Manufacturing of automotive engine valves by plasma package melting of titanium scraps", veröffentlicht auf der Sixth World Conference on Titanium, Frankreich, 1988, Seiten 621 bis 626, ist es bekannt, Ventile für Verbrennungsmotoren aus Titanlegierungen herzustellen. Für die Herstellung von Einlaßventilen, die bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen bis zu etwa 450°C arbeiten, wird die Legierung Ti6Al4V empfohlen. Für die Auslaßventile, deren Betriebstemperaturen bis über 700°C hinausgeht, wird die Legierung Ti6 Al2Sn4Zr2Mo0,1Si empfohlen, wobei darauf hingewiesen wird, daß es schwierig ist, Teile mit einem Durchmesser unterhalb 10 mm herzustellen, weil dieser Werkstoff schwierig zu bearbeiten ist. Es wird daher weiterhin empfohlen, für die Auslaßventile die Ventilteller aus der zuletzt genannten Titanlegierung herzustellen und mit Ventilschäften zu vereinigen, die aus Ti6Al4V bestehen. Auch diese Veröffentlichung zeigt, welche Umwege eingeschlagen werden müssen, um bei der Verarbeitung den Stoffeigenschaften bestimmter Titanlegierungen entgegenzukommen.

Durch den Aufsatz von Zwicker u. a. "Evaluation of centrifugally cast TiAl5Fe2.5 alloy for implant material" ist es bekannt, Hüftgelenk-Prothesen bzw. -Implantate aus der im Titel angegebenen Titanlegierung durch ein Schleudergußverfahren in einer Kupferkokille herzustellen. Einerseits wird angegeben, daß durch die hohe Abschreckgeschwindigkeit durch das Kupfer eine vorteilhafte feine Kornstruktur erreicht wird, andererseits wird jedoch direkt darauf hingewiesen, daß die hohe Abkühlgeschwindigkeit zur Ausbil dung von Poren durch Gaseinschlüsse führt sowie zur Ausbildung von Schrumpf-Hohkäumen, die zu einer Kerbwirkung führen. Es wird daher empfohlen, die Poren und Lunker durch ein HIP-Verfahren zu beseitigen, wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß es selbst mit einem Druck von 1.000 bar nur möglich ist kleine Poren und Lunker zu schließen, nicht aber Poren an der Werkstückoberfläche, die durch den Druck geöffnet werden und die Kerbwirkung noch verstärken. Um diese Defekte zu ver meiden, wird angegeben, die Oberflächenunregelmäßigkeiten durch Schweißen zu schließen, womit allerdings wieder der Nachteil einer groben Kornstruktur erkauft wird. Als Parameter für das HIP-Verfahren wird eine Einwirkungsdauer eines Drucks von 1.000 bar über 3 Stunden bei 950°C angegeben. Die Veröffentlichung enthält den weiteren Hinweis, daß die Kupfer-Kokille im Verhältnis zum Werkstück-Gewicht ein relativ sehr hohes Gewicht aufweisen muß, um eine Reaktion zwischen der flüssigen Titanlegierung und der Kupferoberfläche zu vermeiden. Dieser Hinweis läßt nur den Schluß zu, daß die Kupferkokille in kaltem Zustand eingesetzt werden muß, daß also jegliche Vorwärmung der Kupfer-Kokille zu unterbleiben hat, womit wiederum eine unerwünscht hohe Abschreckgeschwindigkeit verbunden ist.

Aus dem nachgewiesenen Stande der Technik läßt sich herleiten, daß an die Auswahl des Kokillenwerkstoffs, d. h. des Werkstoffs für die Gießform, extrem hohe Anforderungen zu stellen sind, und daß ferner Verarbeitungsrichtlinien in engen Grenzen einzuhalten sind, soll es nicht zu einer Schädigung des Werkstücks oder Kokille bzw. Gießform kommen. Es stehen sich also gewissermaßen die Eigenschaften der Schmelze und die der Gießform diametral entgegen, wobei zu beachten ist, daß die meisten Titanlegierungen bei Temperaturen vergossen werden müssen, die deutlich oberhalb von 1.500°C liegen, während Kupfer einen Schmelzpunkt von 1.084°C hat und der eutektische Punkt der Legierung Kupfer/Titan bei 865°C liegt.

Die EP-0 443 544 B1 befaßt sich mit dem Problem, die Formgenauigkeit bzw. Formtreue von Schleudergußkokillen aus Kupfer und die Entformbarkeit der Werkstücke aus Titan-Legierungen dadurch zu verbessern, daß man dem Kupfer als Legierungselemente Zirkonium, Chrom, Beryllium, Kobalt und Silber zusetzt, wobei die Summe aller Legierungselemente jedoch nicht über 3 Gewichtsprozent hinausgeht. Ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Kupfer mit 18 Gewichtsprozent Nickel legiert wurde, hat nicht zum Erfolg geführt. Die betreffende Druckschrift befaßt sich zwar mit der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffs, nicht aber mit dessen thermischer Leitfähigkeit, so daß die Probleme der hohen Abschreckgeschwindigkeit, der Lunker- und der Porenbildung nicht behandelt werden. Andererseits geht aber auch diese Literaturstelle auf die Nachteile keramischer bzw. oxidischer Formwerkstoffe ein.

Durch die Aufsätze von:

1. Krone, "Herstellung und Eigenschaften von Fein- und Kompakt gußteilen aus Titanwerkstoffen" veröffentlicht in "GIESSEREI 65" (28. September 1978) Nr. 20, Seiten 540 bis 549, und
2. Krone u. a., "Titanium Castings: Manufacture and Properties", veröffentlicht in "AFS International Cast Metals Journal" (März 1977 2., Nr. 1, Seiten 37 bis 40,

ist es bekannt, Feingußformen mit einer "metallischen Frontschicht" herzu stellen, die aber sogenannte "verlorene Formen" nach dem Wachs-Aus schmelzverfahren für einmalige Verwendung sind und hinter der metallischen Frontschicht nichtmetallische, vor altem oxidische, Werkstoffe besitzen. Auch die metallische Frontschicht wird aus einer Paste (slurry) aus Metallpulvern, darunter Wolfram-, Tantal-, Niob und/oder Molybdänpulver, Inhibitorbildnern und flüssigen metallorganischen Verbindungen hergestellt und gebrannt, d. h., sie enthält merkliche Anteile an nichtmetallischen Beimengungen. Die kompletten Formen sollen durch Wasserstrahlen, Schleuderradputzen, Sandstrahlen etc. von den Gußteilen entfernt werden, die danach noch durch Salzbäder und manuelles Putzen gereinigt werden müssen. Dies funktioniert nur deshalb, weil auch die Frontschicht durch die nichtmetallische Beimengungen keinen festen Zusammenhalt besitzt.

Ein entscheidender Unterschied liegt aber darin, daß die bekannte Front schicht nicht die Aufnahme von Sauerstoff in die Gußteile verhindern kann, weil einerseits die Frontschicht selbst Sauerstoffverbindungen enthält, für Sauerstoff aus der nachfolgenden Keramikmasse durchlässig ist und insbe sondere beim Abguß eine sehr hohe Temperatur annimmt, die die Wande rung von Sauerstoff begünstigt.

Durch die DE 37 18 372 A1 ist es bekannt, eine Stranggießkokille mit einem Grafiteinsatz für Nichteisenmetalle wie Messing und Neusilber mit einer Diffusionssperre auszukleiden, die beispielhaft durch eine Metallfolie mit einer Dicke von 0,010 bis 0,1 mm, vorzugsweise aus Kupferblech, gebildet ist. Dadurch soll das Ausdampfen von niedrig schmelzenden Legierungselementen wie Zink aus der Kupferbasislegierung verhindert werden. Für das Vergießen von hochschmelzenden Metallen wie Titan, Titanlegierungen und Titanaluminiden, deren Schmelztemperaturen über derjenigen von Kupfer liegen, ist eine solche Gießform weder vorgesehen noch geeignet. Formauskleidungen aus hochschmelzenden Metallen aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und deren Legierungen sind nicht erwähnt.

Durch die DE 33 45 412 C2 ist es bekannt, Gießformen für ein niedrig schmelzendes Metall wie Zinn mit auswechselbaren Formteilen aus Gummi auszukleiden. Für das Vergießen von hochschmelzenden Metallen wie Titan, Titanlegierungen und Titanaluminiden ist eine solche Gießform weder vorgesehen noch geeignet.

Durch die DE 31 06 675 C2 ist es bekannt, an der Verbindungsstelle eines Schmelzenbehälters für eine Stahlschmelze und einer waagrechten Stranggießkokille einen Trennring anzuordnen, der aus einem hochschmelzenden Keramikmaterial wie einem Siliziumnitrid/Bornitrid- Mischsinterkörper besteht. Diese Schrift liefert jedoch kein Vorbild für die Einbettung von Formauskleidungen aus hochschmelzenden Metallen aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium oder deren Legierungen.

Durch die JP 01 087 050 A ist eine Schleudergießkokille bekannt, deren Innenflächen durch Schmelzbeschichtung aus mindestens einem der Metalle Yttrium und Cer und aus mindestens drei der Metalle aus der Gruppe Ni, Co, Cr, Al, Fe und Ta überzogen werden. Der Werkstoff des Grundkörpers, der dieses Schichtsystem trägt, ist nicht offenbart.

Durch die nicht vorveröffentlichte DE 44 20 138 A1 gehören u. a. Ganzmetall- Kokillen der eingangs beschriebenen Gattung zum Stande der Technik, bei der der Grundwerkstoff der Kokille aus mindestens einem der Metalle Kupfer, Eisen, Nickel und/oder deren Legierungen, vorzugsweise aus Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen oder austenitischen hitzebeständigen Stählen besteht. Während diese Kokillen zu einwandfreien Gußteilen führen, haben die genannten Werkstoffe jedoch ein hohes spezifisches Gewicht von über 7 g/cm³, wodurch sich dann mechanische Probleme ergeben, wenn die besagten Kokillen als Schleudergußkokillen ausgeführt sind und für hohe Drehzahlen verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gießform anzugeben, durch die Gußteile aus Titan oder Titanlegierungen erhalten werden, die eine glatte Oberfläche ohne Sauerstoffaufnahme aufweisen, und die frei von Lunkern und anderen Hohlräumen sind, so daß aufwendige Nachbearbeitungen, die zu einer Beseitigung der bekannten Fehler führen, zumindest weitgehend entfallen können. Insbesondere sollen die Gießformen auch als Schleudergießformen verwendet werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt daher bei der eingangs be schriebenen Gießform erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Durch die Verwendung einer solchen Gießform ist zunächst einmal jegliche Reaktion des Formwerkstoffs mit dem Gußwerkstoff ausgeschlossen, und es unterbleibt ein Anschmelzen der Oberfläche des Formhohlraums unter dem Einfluß der Schmelzentemperatur selbst dann, wenn die Gießform vor dem Abguß bereits eine Temperatur aufweist, die deutlich oberhalb 800°C liegt.

Weiterhin wird durch die Verwendung von Metallen aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen eine wesentlich geringere Ab schreckgeschwindigkeit erzielt, weil diese Werkstoffe eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. So beträgt beispielsweise die Wärmeleitfähig keit von Tantal und von Niob 14% bzw. 13% der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, und die Wärmeleitfähigkeit von Zirkonium beträgt gar nur 6% der jenigen von Kupfer. Auch die spezifische Wärmekapazität der angegebenen Formwerkstoffe ist deutlich geringer als diejenige von Kupfer: So beträgt bei spielsweise die spezifische Wärmekapazität von Tantal 36% des vergleich baren Wertes von Kupfer, und die spezifischen Wärmekapazitäten der Werk stoffe Niob und Zirkonium betragen 70% bzw. 72% des vergleichbaren Wertes von Kupfer. Diese Eigenschaften führen, insbesondere in ihrer Ver knüpfung, zu einer deutlich verzögerten Abkühlung der Gußteile, so daß die gefürchtete Ausbildung einer harten Schale mit im Innern befindlichen Lunkern und Poren unterbleibt. Die Schmelze hat hinreichend Zeit, um während der Schrumpfung des Gußteils beim Abkühlen und Erstarren zu folgen.

Durch die beschriebene Werkstoffauswahl werden Nachbearbeitungen der Werkstückoberfläche zumindest weitgehend vermieden, sei es durch Ent fernen der Randschicht, sei es durch örtliche Schweißarbeiten, und auch eine Nachverdichtung der Werkstücke durch das sogenannte HIP-Verfahren ist überflüssig geworden. Es ist bei Ventilen für Verbrennungsmotoren auch nicht mehr erforderliche, Ventilteller und Schaft aus unterschiedlichen Werk stoffen zusammenzusetzen, nur weil die Verarbeitung dieser Werkstoffe schwierig ist.

Die erfindungsgemäße Gießform ermöglicht insbesondere die Herstellung einwandfreier Gußteile im Schleudergußverfahren, weil die erfindungs gemäßen Werkstoffe des Grundkörpers ein niedriges spezifisches Gewicht aufweisen. Außerdem sind auch die erfindungsgemäßen Werkstoffe frei von Sauerstoff bzw. Sauerstoffverbindungen, so daß eine Sauerstoffwanderung in die Gußteile auch dann unterbleibt, wenn die Schale dünnwandig ausgebildet ist, beispielsweise mit einer Wandstärke um etwa 2 mm, und/oder, wenn die Gießform auf hohe Temperaturen vorgeheizt ist.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Erfindung nach den Unteransprüchen besonders vorteilhaft,

- wenn der tragende Grundkörper mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, in die die strukturfeste homogene gegebenenfalls mehr teilige Schale auswechselbar eingesetzt ist, oder
- wenn der tragende Grundkörper mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, in der sich eine Schale befindet, die fest mit dem Grund körper verbunden ist, insbesondere wenn die Schale durch einen bindemittelfreien Beschichtungsvorgang aufgebracht ist, z. B. durch Flammspritzen, galvanische Prozesse, Explosionsverformung oder dergleichen.
- Wenn der tragende Grundkörper mit der mindestens einen Aus nehmung aus gepreßtem und gesintertem sauerstoffreien Material besteht, insbesondere wenn der tragende Grundkörper aus gepreßtem und gesintertem Siliziumnitrid oder Graphit besteht.
- Ganz besonders zweckmäßig soll der tragende Grundkörper aus einem sauerstoffreien Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht von höchstens 4,5 g/cm³ bestehen.

Die Herstellung der Schalen und der rein metallischen Grundkörper erfolgt dabei durch Gießen und gegebenenfalls nachfolgende Bearbeitungsprozesse herkömmlicher Art.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend an hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung mit einem stationären Kaltwandtiegel mit Bodenauslaß und einer Gießform, die als Schleudergießform mit einer Vielzahl von Formhohlräumen ausgebildet ist,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, d. h., einen Radialschnitt durch die Gießform in Fig. 1 mit zusätz lichen Details,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein Ventil eines Verbrennungsmotors, hergestellt in einer herkömmlichen Kupfer-Kokille,

Fig. 4 einen Axialschnitt analog Fig. 4 durch ein Ventil eines Ver brennungsmotors, hergestellt in einer erfindungsgemäßen Gießform.

Fig. 1 zeigt eine Gießvorrichtung 1 mit einem druckfesten und gasdichten Gehäuse 2, dessen Innenraum durch ein Schiebergehäuse 3 in eine Schmelzkammer 4 und eine Formkammer 5 unterteilt ist. Im Schieberge häuse 3 befindet sich ein Schieber 6, durch den zwei fluchtende Gieß öffnungen 7 mittels einer Antriebsstange 8 verschließbar sind.

Im Innern der Schmelzkammer 4 befindet sich ein Kaltwandtiegel 9, dessen Inhalt, der Gußwerkstoff, durch eine induktive Heizeinrichtung 10 aufge schmolzen werden kann. Für die Versorgung mit Schmelzenergie dienen zwei Stromanschlüsse 11 und 12. Der Kaltwandtiegel 9 besitzt in seinem Boden 13 einen Bodenauslaß 14, der durch eine Verschlußeinrichtung 15, die als Magnetspule ausgebildet sein kann, freigebbar und wieder verschließbar ist. Der Strom für die Verschlußeinrichtung 15 wird über einen Anschluß 16 zugeführt. In die Decke 17 der Schmelzkammer 4 mündet eine Chargierein richtung 18, von der nur das untere Chargierventil 19 angedeutet ist. Bau- und Betriebsweise eines solchen Kaltwandtiegels sind bekannt und werden daher nicht näher beschrieben. Es sei nur so viel gesagt, daß sich in einem Kaltwandtiegel ein sogenannter "Skull" ausbildet, der eine Reaktion der Schmelze mit dem Tiegelmaterial verhindert. Die Anschlüsse für einen Kühlmittelkreislauf sind der Einfachheit halber fortgelassen.

Es versteht sich, daß der beschriebene, induktiv beheizte Kaltwandtiegel auch durch einen solchen ersetzt werden kann, der mittels eines Lichtbogens, einer Elektronenstrahl- oder Plasmakanone beheizt werden kann. Auch ist es nicht erforderlich, die Schmelze durch einen Bodenauslaß abzugießen; viel mehr ist es möglich, am oberen Tiegelrand einen Überlauf, eine sogenannte Gießlippe, vorzusehen. In einem solchen Fall wird der Kaltwandtiegel zweckmäßigerweise in einem sogenannten Kippstuhl aufgehängt und über eine Drehachse entleert, die sich in der Nähe des Überlaufs befindet.

In der Formkammer 5 befindet sich eine Gießform 20, deren Einzelheiten an hand der Fig. 2 nachstehend noch näher erläutert werden. Es sei hier nur so viel ausgeführt, daß die Gießform 20 einen Eingußkanal 21 besitzt, der konzentrisch zu einer senkrechten Achse A-A ausgerichtet ist, die mit der Rotationsachse der Gießform 20 und der Tiegelachse übereinstimmt. Die Gießform 20 ist konzentrisch in einem Schleuderteller 22 gehalten, der durch eine Schleuderwelle 23 angetrieben werden kann, die mittels einer gas dichten Drehdurchführung 24 durch einen Boden 25 der Formkammer 5 hin durchgeführt ist. Die Formkammer 5 ist an eine Saugleitung 26 angeschlos sen, die zu einem Vakuum-Pumpsatz führt, der aus mindestens einer Va kuumpumpe, vorzugsweise aber aus einer Reihenschaltung von Vakuum pumpen besteht, die für unterschiedliche Druckbereiche ausgelegt sind. In die Formkammer 5 mündet weiterhin eine Gasleitung 27, durch die Inertgas zu Kühlzwecken der Gießform 20 eingeführt werden kann. Öffnungen 28 im Schleuderteller 22 erleichtern den Austausch der Kühlgase auch auf der Unterseite der Gießform 20. Die Formkammer 5 ist weiterhin mit einer Tür 29 versehen, die zum Einsetzen und zum Herausnehmen der Gießform 20 dient. Es sei darauf verwiesen, daß Fig. 1 nur eine sehr schematische Darstellung der gesamten Gießvorrichtung zeigt.

Die Gießform 20 nach den Fig. 1 und 2 besteht aus einem Stapel paar weise und spiegelbildlich zueinander angeordneter Scheiben 30 und 31, die Formhohlräume 32 zwischen sich einschließen, die im vorliegenden Fall dem in Fig. 4 gezeigten Ventil eines Verbrennungsmotors entsprechen. Die Scheiben 30 und 31 sind zur Rotationsachse A-A koaxial ausgebildet, und sämtliche Formhohlräume 32 sind an den gemeinsamen, gleichfalls in der Rotationsachse A-A liegenden Eingußkanal 21 angeschlossen.

Jeweils ein Scheibenpaar 30/31 ist durch Distanzhalter 33 von dem benach barten Scheibenpaar getrennt, wobei der Distanzhalter 33 auch den Einguß kanal 21 auf dem Umfang abdichtet. Dadurch stehen nur die inneren Enden der Formhohlräume 32 mit dem Eingußkanal 21 in Verbindung. An dieser Stelle liegt das Ende der Ventilschäfte, die nach Beendigung von Gieß- und Abkühlphase von dem Material abgetrennt werden müssen, das sich in dem Eingußkanal 21 befindet. Die stapelförmige Anordnung von Scheiben 30 und 31 sowie der Distanzhalter 33 wird durch vier äquidistant auf den Umfang verteilte Zuganker 34 zusammengehalten.

Mit einer Gießform 20 nach den Fig. 1 und 2 können gleichzeitig 40 Ven tile gemäß Fig. 4 hergestellt werden.

Durch die Einwirkung des Kühlgases bei fortgesetzter Rotationsbewegung der Gießform 20 kann auch eine gerichtete Erstarrung der Gußteile durchge führt werden, und zwar ausgehend vom Außenumfang der Gießform, da an dieser Stelle die Einwirkung des Kühlgases am intensivsten ist.

Fig. 2 zeigt vergrößert den oberen Teil der wiederverwendbaren Gießform 20 nach Fig. 1. Die Formhohlräume 32 in den Scheiben 30 und 31 sind von Schalen 48 (einfach schraffiert) umgeben, die aus einem von nicht metallischen Beimengungen freien Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder deren Legierungen bestehen. Dies besagt, daß die Schalen 48 für sich dicht, kompakt, homogen und fest zusammenhängend sind, also z. B. nicht durch Wasserstrahlen, Bürsten oder dergleichen entfernt werden können und von einem Grundkörper 49 (kreuzschraffiert) gehalten werden, der den Scheiben 30, 31 ihre Grundfestigkeit verleiht. Der Anteil eines der Metalle Tantal, Niob oder Zirkonium im Schalenwerkstoff beträgt dabei vorzugsweise mindestens 50 Gewichtsprozent. Die Innenflächen 32a der Schalen 48 bzw. der Formhohlräume 32 stehen dabei mit dem Gußwerk stoff in Berührung.

Dieser Grundkörper 49 kann aus mindestens einem der Metalle Titan, Titan legierungen oder Titanaluminid bestehen. Der Grundkörper 49 kann aber auch aus mindestens einem nichtmetallischen sauerstoffreien Werkstoff wie beispielsweise aus Graphit und Siliziumnitrid bestehen. Der Grundkörper 49 besitzt Ausnehmungen 50, in denen die Schalen 48 angeordnet sind.

Für Schleuder-Gießformen sind Titan, Titanlegierungen, Titanaluminide, Graphit und/oder Siliziumnitrid sehr gut als Werkstoffe für die Grundkörper 49 geeignet, weil die Menge des Werkstoffs der Grundkörper überwiegt und da durch die rotierenden Massen gering gehalten werden können. Außerdem haben diese Werkstoffe insbesondere im Verbund mit den Schalen 48 eine hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit.

Mit einer Schleudergießform 20 nach den Fig. 1 und 2 wurden beispiels weise Auslaßventile für Verbrennungsmotoren nach Fig. 4 hergestellt. Die Schalen 48 bestanden aus einer Legierung aus 90 Gewichtsprozent Tantal und 10 Gewichtsprozent Wolfram. Der in Fig. 4 gezeigte Axialschnitt durch das Ventil läßt keinerlei Lunker, Hohlstellen oder andere Porositäten erken nen; auch die Oberfläche war von einwandfreier Beschaffenheit.

Beim Ersatz der Scheiben 30 und 31 durch Scheiben aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem hohen Kupferanteil ließen sich aus der gleichen Titanlegierung nur Ventile gemäß Fig. 3 erzeugen, die in der Schliffebene entlang nahezu der gesamten Längsachse Lunker und Hohlräume 35 auf wiesen.

Beispiel 1

In einer Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 wurde im Kaltwandtiegel 9 die Legierung 50Ti46Al2Cr2Nb bei einem Druck von 10^-1 mbar in der Schmelzkammer 4 erschmolzen und nach dem Aufschmelzen für die Dauer von 10 Minuten homogenisiert. Im Anschluß daran wurde die Schmelze bei einer Schmelzentemperatur von 1.540°C bei einem Druck von 10^-1 mbar in die Gießform 20 in der Formkammer 5 abgegossen. Die Gießform 20 war zu vor mittels nicht dargestellter Heizeinrichtungen auf eine Temperatur von 1.400°C aufgeheizt worden. Während des Gießens rotierte die Gießform mit 1.000 Umdrehungen pro Minute. Nach Beendigung des Abgusses wurde der Schieber 6 geschlossen. Ca. 20 Sekunden nach Beendigung des Abgusses wurde in die Formkammer 5 über die Gasleitung 27 Argon eingelassen, bis ein Druck von 1.000 mbar erreicht wurde. Die Rotationsbewegung der Gieß form 20 wurde bis zur völligen Erstarrung der Gußteile fortgesetzt. Nach etwa 60 Minuten waren die Gußteile vollständig erstarrt, und die Gießform wurde der Formkammer 5 entnommen. Die axialen Schliffbilder der einzelnen Ven tile entsprachen denjenigen nach Fig. 4. Das Schliffbild zeigte keine sicht baren Poren oder Lunker, so daß eine Nachverdichtung, beispielsweise durch ein HIP-Verfahren, nicht erforderlich war.

Beispiel 2

Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit den Unter schieden, daß an die Stelle der erfindungsgemäßen Gießform 20 Scheiben aus Reinkupfer traten, die infolge der Eigenschaften dieses Werkstoffes nicht vorgeheizt werden konnten. Bei Beginn des Abgusses hatte die Kokille mithin Raumtemperatur. Nach dem Entnehmen der einzelnen Ventile aus der Kupferkokille zeigten die Schliffbilder sämtlich das Aussehen nach Fig. 3, d. h. entlang der Ventilachse befanden sich typische Lunker und andere poröse Stellen, so daß derartige Ventile entweder verworfen oder durch ein HIP-Verfahren nachverdichtet werden mußten.

Claims

1. Gießform für die Mehrfachverwendung, insbesondere Schleudergieß form, mit mindestens einem tragenden Grundkörper (49), in dem min destens ein Formhohlraum (32) angeordnet ist, dessen der Schmelze ausgesetzte Oberfläche (32a) eine strukturfeste, homogene Schale (48) aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Tantal, Niob, Zirkonium und/oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle ist, wobei der Grundkörper (49) aus mindestens einem der Werkstoffe aus der Gruppe Titan, Titanlegierungen, Titanaluminid, Graphit und Siliziumnitrid besteht.

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50) versehen ist, in die die strukturfeste homogene Schale (48) auswechselbar eingesetzt ist.

3. Gießform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (48) mehrteilig ausgebildet ist.

4. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50) versehen ist, in der sich eine Schale (48) befindet, die fest mit dem Grundkörper (49) verbunden ist.

5. Gießform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der tragende Grundkörper (49) mit mindestens einer Ausnehmung (50) versehen ist, in der sich eine Schale (48) befindet, die durch einen bindemittelfreien Beschichtungsvorgang aufgebracht ist.

6. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tragende Grundkörper (49) mit der mindestens einen Ausnehmung (50) aus gepreßtem und gesintertem Material besteht.

7. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tragende Grundkörper (49) aus einem Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht von höchstens 4,5 g/cm³ besteht.