Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung mit einer Gußform und einem Positionierungselement welches zur Beabstandung zweier Gußformbereiche, insbesondere einer verlorenen Gußform, dient, wobei diese einen Gußbereich zumindest teilweise begrenzen, welcher Gußbereich mit einem Gußmaterial ausfüllbar ist.
Zur Herstellung eines Gußteils mit einem Innenhohlraum ist es aus der DE 33 12 867 A1 bekannt, eine Gußform zu verwenden, die eine äußere Schale und einen Gußkern aufweist. Die äußere Schale umschließt einen Gußraum, der eine äußere Form des Gußteils definiert. Zur Herstellung des Innenhohlraums ist der Gußkern im Gußraum angeordnet und durch eine Abstützung von der äußeren Schale beabstandet sowie positioniert. Dadurch ist zwischen der äußeren Schale und dem Gußkern ein Gußbereich gebildet, der mit einem Gußmaterial ausfüllbar ist. Weist das Gußteil zwei benachbarte Innenhohlräume auf, die durch eine Zwischenwand aus dem Gußmaterial voneinander getrennt sind, so werden zur Herstellung der Innenhohlräume zwei Gußkerne verwendet, die im Gußraum angeordnet sind. Die Gußkerne weisen jeweils einen Gußformbereich auf, wobei die Gußformbereiche voneinander beabstandet sind, so daß sich der Gußraum zwischen ihnen zur Herstellung der Zwischenwand erstreckt.
Die Abstützung ist sowohl zur Beabstandung und Positionierung der Gußkerne in bezug auf die äußere Schale, als auch zur Beabstandung und Positionierung der Gußformbereiche ausgebildet. Sie besteht aus einem Material, das bei einem Ausgießen des Gußbereiches aufschmilzt und mit dem Gußmaterial verbindet. Durch das Aufschmelzen kann die Abstützung beim Ausgießen des Gußbereiches instabil werden, so daß sie eine Veränderung der Position der verlorenen Gußformbereiche nicht mehr sicher unterbinden kann.
Aus der US-PS 3,596,703 und der US-PS 3,662,816 ist es jeweils bekannt, zur Herstellung des Gußteils eine Gußform zu verwenden, die Pfosten aufweist, welche einen Gußkern zur Herstellung eines Innenhohlraums im Gußraum halten und von der äußeren Schale beabstanden. Die Gußform und die Pfosten sind aus einem keramischen Material ausgeführt. Nach dem Ausgießen des Gußbereiches werden die äußere Schale und der Gußkern entfernt und dabei zerstört. Technologisch bedingt werden die Pfosten dabei mit entfernt, da sie aus dem gleichen Material bestehen wie die äußere Schale und der Gußkern. Dadurch weist ein mit der Gußform herstellbares Gußteil Löcher auf, die einen Zugang zum Innenhohlraum bilden. Wird der Innenhohlraum des Gußteils zur Führung eines Kühlfluids verwendet, so kann unerwünschterweise Kühlfluid durch die Löcher aus dem Innenhohlraum nach außen treten. Es ist weiterhin bekannt, die Pfosten als metallische zylindrische Stifte auszuführen, die in die äußere Schale hineinragen und am Gußkern enden. Da die äußere Schale und der Gußkern nach der Herstellung des Gußteils entfernt und zerstört werden, werden sie auch als verlorene äußere Schale und verlorener Gußkern bezeichnet.
In der deutschen Zeitschrift "Gießerei-Praxis", Nr. 18, 1960, sind in dem Artikel von Fritz Paschke "Erfahrung mit Kernstützen und ihre Verwendung", Seite 327 bis 330, sogenannte Doppelkernstützen beschrieben, durch die ein schwerer Gußkern, beispielsweise für die Herstellung von dickwandigen Gußstucken, abgestützt ist. Diese Doppelkernstützen bewirken hierbei eine gleitende Lagerung zwischen einer äußeren Schale und dem inneren Gußkern. Ziel der Doppelkernstützen ist es hierbei nicht nur, dem dabei auftretenden hohen Druck standhalten zu können sondern auch den beim Gießen auftretenden hohen Auftriebskräften zu widerstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gießvorrichtung mit einer Gußform mit einem Positionierungselement anzugeben, das der Beabstandung von Gußformbereichen, insbesondere verlorenen Gußformbereichen, dient.
Erfindungsgemäß wird die auf die Gußform mit Positionierungselement gerichtete Aufqabe gelöst durch eine Gießvorrichtung mit einer Gußform mit einem Positionierungselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das eine geometrische Ausgestaltung aufweist, welche nach einem Ausgießen des Gußbereiches mit dem Gußmaterial eine Sicherung gegen Herausfallen aus dem Gußmaterial bedingt.
Zur Herstellung eines Gußteils mit mehreren benachbarten Innenhohlräumen oder mehreren miteinander verbundenen Innenhohlraumbereichen eines Innenhohlraums wird eine Gußform mit zumindest einem Gußkern oder einem Gußkerngebilde verwendet. Ein Gußkern definiert hierbei jeweils einen inneren Gußformbereich. Eine äußere Schale, ob einteilig oder mehrteilig, bildet hierbei einen äußeren Gußformbereich. Die Innenhohlräume, bzw. die Innenhohlraumbereiche des Gußteils sind dabei durch eine Zwischenwand voneinander getrennt und können beispielsweise der Führung eines Kühlfluids zur Kühlung des Gußteils dienen. Als verlorene Gußformbereiche werden im folgenden Gußformbereiche von einem Gußkern oder von einem Gußkerngebilde bezeichnet, welcher/welches nach einer Verwendung zur Herstellung des Gußteils zerstört wird und damit verloren ist. Ein Positionierungselement oder mehrere Positionierungselemente dient/dienen der festen Positionierung (Fixierung) von Gußkernen oder Gußkerngebieten, so daß eine gegenseitige Verschiebung dieser Kernteile beim Ausgießen vermieden ist.
Der Gußraum zwischen den, insbesondere verlorenen, Gußformbereichen dient der Herstellung der Zwischenwand. Nach einem Ausgießen des Gußbereiches mit dem Gußmaterial ist das Positionierungselement zwischen dessen Anfangsbereich und dessen Endbereich von Gußmaterial umschlossen. Durch die geometrische Ausgestaltung des Positionierungselements ist ein Herausfallen aus der Zwischenwand sicher vermieden, so daß keine Löcher in der Zwischenwand entstehen können. Es verbleibt allenfalls ein geringer Zwischenraum zwischen dem Gußmaterial und der Oberfläche des Positionierungselements. Durch die bevorzugte geometrische Ausgestaltung ist das Positionierungselement in der Zwischenwand gehalten und durch den eventuell verbleibenden Zwischenraum kann bei einer Führung von Kühlfluid durch die Innenhohlraumbereiche nur wenig Kühlfluid treten.
Vorzugsweise weist die geometrische Ausgestaltung des Positionierungselements eine Kontur der Oberfläche mit mindestens einem lokalen Extremum zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich auf. Bevorzugtermaßen weisen der Anfangsbereich und der Endbereich jeweils eine Verdickung auf. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist das Positionierungselement zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich zusätzlich oder alternativ eine Verdickung auf.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist das Positionierungseiement aus einem Grundmaterial ausgebildet, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist, als das Gußmaterial. Als Gußmaterial dient beispielsweise eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung. Ein Anschmelzen, ein Einschmelzen oder Aufschmelzen des Grundmaterials beim Ausgießen des Gußbereichs mit dem Gußmaterial unterbleibt in diesem Fall. Eine Veränderung der Position der, insbesondere verlorenen, Gußkerne oder der Geometrie des, insbesondere verlorenen, Gußkerngebildes ist dadurch vermieden. Weiter bevorzugt ist das Grundmaterial ein Metall, insbesondere Wolfram.
An der Oberfläche des Positionierungselements ist vorzugsweise eine Schutzschicht, insbesondere eine Oxidschicht, angebracht. Hierdurch ist eine Verbindung des Gußmaterial mit dem Grundmaterial, insbesondere durch Anschmelzen, Einschmelzen oder Aufschmelzen des Grundmaterials und Mischung mit dem Gußmaterial zu einem Eutektikum, zumindest deutlich erschwert, wenn nicht sogar vermieden.
Bevorzugterweise wird das Positionierungselement zur Beabstandung zweier, insbesondere verlorener, Gußformbereiche verwendet, die dem Herstellen einer Turbinenschaufel dienen. Weiter bevorzugt werden die, insbesondere verlorenen, Gußformbereiche zur Herstellung von zumindest einem Innenhohlraum in der Turbinenschaufel verwendet.
Vorzugsweise ragt der Anfangsbereich und/oder der Endbereich des Positionierungselements in einen jeweiligen, insbesondere verlorenen, Gußformbereich hinein. Hierdurch wird das Positionierungselement in den Gußformbereichen gehalten und ist gegen ein Verrutschen gesichert.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden das Positionierungselement, die Gußform, das Gußteil und das Verfahren zur Herstellung eines Gußteils beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen schematisiert und teilweise nicht maßstäblich unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und funktionellen Merkmale:
Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die gleiche Bedeutung.
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine entlang einer Hauptachse 24 gerichtete Gußform 1 zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel. Die Gußform 1 weist eine äußere Schale 2 auf, die einen Gußraum 7 umgibt, in dem drei Gußkerne 3, 4 und 5 mit Hilfe von Abstützelementen 6 positioniert und von der äußeren Schale 2 beabstandet sind. Es ist ebenfalls möglich, die Gußkerne 3, 4, 5 außerhalb des Gußbereiches 8 in bezug auf die Hauptachse 24 gegenüber der äußeren Schale 2 zu beabstanden durch z. B. eine geeignete Aufhängung. In diesem Falle sind die Gußkerne 3, 4, 5 an einem Ende fixiert und am anderen Ende beweglich. Dadurch ist zwischen der äußeren Schale 2 und den Gußkernen 3, 4 und 5 ein Gußbereich 8 gebildet. Die äußere Schale 2 bildet einen äußeren Gußformbereich 40. Die Gußkerne 3, 4 und 5 bilden jeweils die inneren Gußformbereiche 9, 10 und 11, die voneinander mit Positionierungselementen 12 bis 16 beabstandet sind. Die Positionierungselemente 12 bis 16 sind aus einem Grundmaterial 35 (siehe FIG 4 oder FIG 5) ausgeführt. Die Abstützelemente 6 ragen jeweils in die äußere Schale 2 und die Positionierungselemente 13 und 14 ragen in die Gußformbereiche 9 und 10 und das Positionierungselement 16 ragt in die Gußformbereiche 10 und 11 hinein.
Bei der Herstellung eines Gußteils 17 (siehe FIG 3) mit der Gußform 1, wird der Gußbereich 8 mit einem aufgeschmolzenen Gußmaterial 23, beispielsweise eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung ausgegossen. Das Gußmaterial 23 umschließt in dem Gußbereich 8 die Abstützelemente 6 und die Positionierungselemente 12 bis 16. Nach dem Erstarren des Gußmaterials 23 werden die Gußkerne 3 bis 5 entfernt. Die Positionierungselemente 12 bis 16 weisen jeweils eine geometrische Ausgestaltung auf, die ein Herausfallen aus dem Gußmaterial 23, selbst bei einem Nichtverschmelzen des Gußmaterials 23 mit dem Grundmaterial 35, verhindert.
In Figur 2 ist stark vereinfacht und schematisiert eine Gußform 2 zur Herstellung eines Gußteils 17, insbesondere einer Turbinenschaufel dargestellt mit einer äußeren Schale 2 und darin angeordneten Gußkernen 3, 4, und 5. Benachbarte Paare von Gußkernen 3, 4 und 4, 5 sind jeweils durch Positionierelemente 14 gegeneinander fixiert. Zwischen der äußeren Schale 2 und den Gußkernen 3, 4, 5 sind keine Fixierstifte oder Positionierelemente vorgesehen. Vielmehr sind die Gußkerne 3, 4 und 5 an einem Festende 42 fest mit der äußeren Schale 2 verbunden und an einem dem Festende 42 entlang der Hauptachse 24 gegenüberliegenden Losende 43 durch zumindest ein jeweiliges Loslager (Gleitlager) 41 entlang der Hauptachse 24 beweglich gelagert. Hierdurch ist gewährleistet, daß bei einem Eingießen von Gußmaterial 23 in den zwischen äußerer Schale 2 und Gußkernen 3, 4, 5 gebildeten Gußbereich 8 keine Verschiebung der Gußkerne 3, 4, 5 in Querrichtung gegeneinander sowie gegenüber der äußeren Schale 2 auftritt.
Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein mit der Gußform 8 herstellbares Gußteil 17, insbesondere eine Turbinenschaufel 17. Die Turbinenschaufel 17 weist drei Hohlräume 18 bis 20 auf. Diese werden bei der Herstellung des Gußteils 17 durch die Gußkerne 3, 4 und 5 definiert. Zwischen den Hohlräumen 18 und 19 sowie 19 und 20 befindet sich jeweils eine Zwischenwand 21 und 22. In der Zwischenwand 21 sind die Positionierungselemente 12 bis 14 angebracht, die aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltung nicht aus der mit dem Gußmaterial 23 gebildeten Zwischenwand 21 herausfallen können. Die Zwischenwand 22 weist die Positionierungselemente 15 und 16 auf, die ebenfalls aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltung (mit Knick, mit Loch) nicht aus dem Gußmaterial 23 herausfallen können.
In Figur 4 ist in vergrößerter Darstellung das Positionierungselement 14 gezeigt. Es ist im wesentlichen zylindrisch mit einem Anfangsbereich 25, einem Endbereich 26 und einer Oberfläche 27 mit einer Oberflächenkontur 28 ausgeführt. Die Oberflächenkontur 28 weist zwischen dem Anfangsbereich 25 und dem Endbereich 26 ein lokales Extremum 29, ein Maximum 29 durch eine zwischen Anfangsbereich 25 und Endbereich 26 angebrachte Verdickung 30 auf. Dadurch ist das Positionierungselement 14 nach einem Umschließen mit einem Gußmaterial 23 zwischen dem Anfangsbereich 25 und dem Anfangsbereich 26 gegen ein Herausfallen aus dem Gußmaterial 23 gesichert.
In Figur 5 ist in einer vergrößerten Darstellung das Positionierungselement 13 gezeigt, das an seinem Endbereich 25 und an seinem Anfangsbereich 26 jeweils eine Verdickung 31 und 32 aufweist. Dadurch weist die Oberflächenkontur 28 zwischen dem Anfangsbereich 25 und dem Endbereich 26 ein lokales Extremum 33, ein Minimum auf.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Positionierungselement mit einem Anfangsbereich und einem Endbereich, welches Positionierungselement eine geometrische Ausgestaltung aufweist, die nach einem Umschließen des Positionierungselements zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich mit einem Gußmaterial ein Herausfallen aus dem Gußmaterial verhindert. Das Positionierungselement dient der Fixierung zweier innerer Gußformbereiche (Gußkerne, Gußkerngebiete) gegeneinander.