Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum speiserlosen Herstellen von dickwandigen Gußstücken aus Gußeisen mit Kugelgraphit, bei dem die Form unnachgiebig aufgebaut wird, die Gußstücke gekühlt werden und die Eingüsse so bemessen werden, daß das Gußeisen in ihnen erstorrt, bevor die eutektische Erstarrung des Gußstücks einsetzt. Beim speiserlosen Giessen ist die Form mit Ausnahme der Eingüsse abgeschlossen und ein Nachfliessen des Gusseisens nach Füllung der Form erfolgt nicht von auf verschiedenen Stellen der Form abgebrachten trichterförmigen Speisern, sondern nur während kurzer Zeit durch die Eingüsse. Dickwandige, behälterartige Gußstücke aus Gußeisen mit Kugelgraphit werden z.B. benötigt als Transportbehälter für gebrauchte Brennelemente aus Kernkraftwerken. Dabei werden an die Qualität des Gussstücks besonders hohe Anforderungen gestellt. Es muss eine feinkörnige und zähe Gussstruktur haben, die frei von Volumendefizitfehlern, insbesondere frei von Mikroporen ist.
Dickwandiger Sandguss weist lange Erstarrungszeiten auf, da die frei werdenden beträchtlichen Wärmemengen nur über den isolierenden Formstoff abgeführt werden können. Dies kann im Falle von Gusseisen mit Kugelgraphit eine grobe globulitische Gussstruktur zur Folge haben. Hinzu kommt, dass unter diesen Bedingungen sich flache Temperaturgradienten zwischen der Restschmelze und der erstarrenden Randschale einstellen, die das Entstehen von Volumendefizitfehlern, insbesondere Mikroporen, begünstigen. Im Falle einer groben zellularen Gussstruktur kann die Volumenausdehnung, die bei der graphitischen eutektischen Kristallisation örtlich vorherrscht und einen zur Speisung sättigenden Druck ausübt, die Mikroporen nicht vollständig zuspeisen. Die schädlichen Folgen sind Mikrohohlräume, die zu Anzeigen bei zerstörungsfreien Prüfverfahren führen und Mikroseigerungen oder in Extremfällen sogar Karbidausscheidungen an den eutektischen Korn(Zell)grenzen, die die Zähigkeit des Werkstoffs beeinträchtigen.
Aus der DE-B-21 13 267 ist beim Elektroschlackeumschmelzen bei der Erzeugung von dickwandigen Hohlkörpern bekannt, als Kern einen monolitischen Stützkörper mit Kühlung einzusetzen, der nach Ausschalten der Kühlung und damit verbundener Ausdehnung, sowie anschliessendem Wiedereinschalten der Kühlung aus dem erschmolzenen Block gezogen werden kann. Mit dem Problem der Herstellung von Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit ohne Mikroporen beschäftigt sich die Schrift nicht, sondern mit einem Verfahren zum Ziehen des Kerns. Das gleiche Problem löst die DE-B-19 52 009 mit einem wassergekühlten Kern beim Elektroschlackeumschmelzen durch Zurückziehen von keilförmigen Teilen des Kerns mittels eines Spindeltriebs, wobei zum Ziehen der Kerndurchmesser verkleinert wird. Aus der DE-A-28 27 091 ist es beim konventionellen Giessen von Stahl zu Brammen oder Blöcken bekannt, eine Kokille aus Einzelwänden aus wassergekühlten Kühlkästen aufzubauen. Die DE-C-665 119 betrifft die Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere Stahlgusshohlkörpern in einer um eine senkrechte Achse umlaufenden Schleudergussform, wobei der untere Teil der Innenwand des Gusskörpers mit einem Kühlmittel zusätzlich beschleunigt abgekühlt wird, um einer Lunkerbildung entgegenzuwirken. Mit dem Problem der Erfindung des porenfreien Giessens von Gusseisen mit Kugelgraphit befassen sich auch diese beiden Schriften nicht.
In Giesserei 67 (1980) Nr. 2 Seiten 31-37 werden die theoretischen Grundlagen für das speiserlose Giessen von Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit besprochen. Die Sekundärschwindung der Gussstücke soll danach durch einen unnachgiebigen Formaufbau und Verschließen der Zugüsse zum Beginn des eutektischen Erstarrungszeitpunktes durch die Volumzunahme bei der eutektischen Erstarrung ausgeglichen werden. Es wird auch die Abkühlungsgeschwindigkeit als ein Parameter für die spezifische Ausdehnung genannt. Auf die Schwierigkeiten bei der Dichtspeisung durch die eutektische Volumzunahme wird ausführlich eingegangen. Aus der DE-OS 29 14 551 ist es bekannt, einen hohlen Gussblock aus Stahl im steigenden Guss abzugießen, bei dem die Innenoberfläche des Kerns mit Hilfe einer Gasströmung gekühlt wird, um die Schlußerstarrungsfront des Gussstücks nach innen zu verschieben und aus der japanischen Schrift Sho 50 28898 die Innenkühlung des Kerns, um das Seigerungsverhalten zu beeinflussen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, bei einem dickwandigen, behälterartigen Gussstück über einen die schalenförmige Erstarrung begünstigenden steileren Temperaturgradienten in Verbindung mit einer verkürzten Erstarrungszeit ein feinkörniges, seigerungsarmes und porenfreies Gussgefüge zu erhalten, wie es sonst nur in dünnwandigeren Gussstücken zu erreichen ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass für das Giesen von behälterartigen Gussstücken unter Verwendung eines Formkerns und einer Aussenform der unnachgiebige Aufbau sowohl den Formkern als auch die Aussenform betrifft und die Gussstücke sowohl an ihrer Aussen- als auch an ihrer Innenseite gekühlt werden, wobei die Kuhlung an der Innenseite durch flüssigen, im System verdampfenden Stickstoff dosiert und geregelt erfolgt. Durch diese wirksame Art der Kühlung des Kerns von innen und den storren Aufbau des Kerns wird bewirkt, dass das abkühlende Gussstück auf den Kern aufschrumpft, eine Spaltbindung vermieden wird und so der gute Wärmeübergang erhalten bleibt. Durch den unnachgiebigen Aufbau der gesamten Form wirkt sich die Ausdehnung des Metalls während der graphitischen eutektischen Erstarrung voll als Druckerhöhung im Formhohlraum aus. Das hat zur Folge, dass im erstarrenden Guss die Bildung von Mikroporen vermieden wird.
Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein.
Zur wirksamen Druckerhöhung im Formhohlraum während der eutektischen Erstarrung trägt ausser der stabilen Ausbildung der Form auch die Kühlung der Gussstücke an der äusseren Oberfläche bei. Bei Gussstücken, wie Behältern für Brennelemente, bei denen die äussere Mantelfläche für den späteren, praktischen Einsatz mit Kühlrippen versehen sein muss, kann man schon eine ausreichende Kühlung an der Aussenoberfläche dadurch erreichen, dass die Gussstücke an ihrer äusseren Oberfläche mit gross dimensionierten Kühlrippen ausgebildet werden. Dann kann die Aussenform z.B. aus formstabilem, kaltharzgebundenem Quarzsand aufgebaut werden.
Die Kühlung der äusseren Oberfläche des Gussstücks kann, z.B. bei kleineren Kühlrippen oder einer glatten äusseren Oberfläche, durch eine metallische Aussenform verbessert werden. Die metallische Aussenform verbessert durch ihr grösseres Wärmeleitvermögen gegenüber einer keramischen Form die Abfuhr der Wärme nach aussen und dadurch infolge höherer Temperatur die Konvektionskühlung durch die Umgebungsluft. Diese kann noch durch Kühlrippen auf der Aussenform verbessert werden. Ausserdem kann man die metallische Aussenform durch Kühlmittel, vornehmlich durch flüssige, im System verdampfende, nicht brennbare Kühlmittel dosiert und geregelt kühlen.
Die Massnahmen zur Verbesserung der Aussenkühlung der Gussstücke fördern eine schalenförmige Erstarrung und erhöhen dadurch den die Dichtheit des Gussstücks verbessernden Druckanstieg in der Restschmelze während der eutektischen Erstarrung.
Bei einer für das Verfahren besonders geeigneten Giessform aus einem Formkern und aus einer Aussenform ist die äussere Kontur des Formkerns durch eine vorlorene Form aus Stahlblech gebildet, an deren innerer Oberfläche von Kühlmittel durchflossene Kühlelemente angeordnet sind und der Zwischenraum zwischen der verlorenen Form, den Kühlelementen und der freie Raum im Inneren des Formkerns durch formbare, feinkörnige Substanzen ausgefüllt sind. Für die verlorene Form eignet sich Stahlblech mit 10 bis 20 mm Stärke. Die feinkörnigen Substanzen dienen der gestaltlichen Stabilisierung des Kerns und fördern den Wärmetransport zwischen der verlorenen Kokillenform und den Kühlelementen, in denen die Kühlung durch die durchfliessenden Kühlmittel bewirkt wird. Die Aussenoberfläche des Kerns wird im allgemeinen mit einer giessereiüblichen Schlichte versehen, um ein Anschweiseen zu vermeiden.
Die Kühlelemente können als Kühlkästen ausgebildet sein, in denen Ein- und Ausströmrohre nebeneinander angeordnet sind, um eine gleichmässige Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Die Kühlkästen sind vorteilhaft durch metallische Elemente wie Keile gehalten und gegen die verlorene Form gedrückt. Anstelle von Kühlkästen kann auch mit Kühlschlangen gearbeitet werden.
Die feinkörnigen Substanzen, mit denen die Zwischenräume zwischen den Kühlelementen, der vorlorenen Schalung und der Freiraum ausgefüllt sind, können keramische Formstoffe sein, wie sie in Giessereibetrieben üblich sind. Zur Erhöhung des Wärmeleitvermögens können aber auch feinkörnige metallische Stoffe, verzugsweise Stahlkies eingesetzt sein oder auch metallische Stoffe dem Formstoff zugesetzt werden.
Vorteilhaft besteht die Aussenform aus Stahlblech und ist mit Kühlelementen versehen. Dies können entweder Kühlkästen oder auch Kühlschlangen sein. Zusätzliche Kühlrippen verbessern die Wärmeabfuhr.
Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Zur speiserlosen Herstellung eines dickwandigen, behälterartigen Gussstücks 1 aus Gusseisen mit Kugelgraphit, nämlich eines Behälters für Brennelemente wurde die gesamte Form aus einem Formkern 6 und einer metallischen oder nichtmetallischen Aussenform 3 unnachgiebig aufgebaut und das Gussstück 1 sowohl an seiner Aussen- als auch an seiner Innenfläche gekühlt, wobei die Kühlung an der Innenfläche durch Kühlung das Formkerns 6 mit flüssigem Stickstoff erfolgte. Die Eingüsse 2 waren so bemessen, dass das Gusseisen in ihnen erstarrte, bevor die eutektische Erstarrung des Gussstückes 1 einsetzte. Die Aussenform 3 war aus formstabilem, kaltharzgebundenem Quarzsand aufgebaut. Zur Herstellung der Aussenform 3 wurden Kerne 4 für die auf der Aussenfläche des Gussstücks 1 zu erzeugenden Kühlrippen 5 eingesetzt. Der verlorene Formkern 6 bestand aussen aus einem ca. 6 m langen zylindrischen Eisenblechmantel 7 mit 15 mm Wandstärke mit einem 30 mm starken aufgeschweissten Deckel 8. Vor dem Anschweissen des Deckels 8 wurden die Kühlkästen 9, 10 in zwei Ebenen eingebracht und mit Stahlkeilen-11 gegen den Blechmantel 7 angepresst. Eine gute Kühlung der Kühlkästen 9, 10 wurde erreicht durch ein System von parallelen, senkrecht verlaufenden Kühlrohren, wobei über den Gesamtumfang verteilt, jeweils eine untere Zuleitung und eine obere Ableitung abwechselnd verlegt und an je eine Zuführungs- und Abführungsringleitung angeschlossen waren. Auch der Deckel 8 war mit einem Kühlkasten 12 versehen. Der Kern 6 war stehend angeordnet. Das Gussstück wurde steigend gegossen. Die Giesstemperatur betrug 1320°C, die Menge an magnesiumbehandeltem und geimpften Eisen lag bei 115 t. Die Zusammensetzung der Schmelze entsprach einem GGG-40.3, DIN 1693. Die ungefähren Abmessungen des Gussstücks 1 betrugen bezüglich der Länge 6 400 mm, des äusseren Durchmessers mit Rippen 2 500 mm, des inneren Durchmessers 1 200 mm; die Bodenstärke lag bei 400 mm.
Nach dem Abguss wurde der Kern 6 mit flüssigem Stickstoff in der Weise gekühlt, dass beim Einströmen in die Kühlelemente 9, 10, 12 eine Verdampfung erfolgte. Die Eingüsse 2 waren so ausgelegt, dass sie zufroren, als die Schmelze in der Form eine Temperatur von 1160 bis 1200°C erreicht hatte. Die Kühlung wurde über die gesamte Erstarrungszeit beibehalten. Erst kurz oberhalb der y-a-Umwandlung wurde die Kühlmittelzufuhr abgestellt, um die Ferritbildung nicht zu stören. Insgesamt wurde durch den Einsatz der Kühlung die Erstarrungszeit gegenüber einem reinen Sandguss um 56% verkürzt.
Nach erfolgter Erstarrung und Abkühlung in der Form wurden das Gussstück gezogen und die feinkörnigen Einstampfungen im Kern beseitigt, die in mehreren Ebenen angeordneten Kühlelemente herausgeholt und schliesslich die Ausschalung, das ist der Blechmantel 7 mit dem Deckel 8 durch Aufschneiden und Ziehen entfernt. Das übrige Gussstück ist auf dem üblichen Wege geputzt worden.
Die Ultraschallprüfung des geputzten und innen bearbeiteten. Gussstückes mit verschiedenen Winkel-Prüfköpfen und mit Frequenzen von 1 bis 2 MHz ergab keine Anzeigen bei einer Erkennbarkeit von einer Ersatzfehlergrösse von 3 mm.