Form und Verfahren zur gießtechnischen Herstellung eines Gussstücks

Die Erfindung betrifft einerseits eine Form für die gießtechnische Herstellung eines Gussstücks, wobei die Form im Wesentlichen aus einem gebrannten, keramischen Material besteht und einen Hohlraum mit einer Hohlraumkontur aufweist, die im Wesentlichen einer Oberflächenkontur des Gussstücks entspricht und andererseits ein Verfahren zur gießtechnischen Herstellung eines Gussstücks, wobei zunächst um ein Modell des Gussstücks ein Grünling aus einem keramischen Material geformt und der Grünling zu einer Form gebrannt, sodann ein Metall schmelzflüssig in einen Hohlraum der Form gegossen und derart abgekühlt wird, dass das Metall zu dem Gussstück erstarrt und wobei anschließend die Form zerbrochen und das Gussstück freigelegt wird.

„Verlorene" Formen der vorgenannten Art und Verfahren für die gießtechnische Herstellung eines Gussstücks unter Verwendung solcher Formen sind allgemein bekannt und umfassen insbesondere Feingussverfahren mit schichtweise um ein Modell aufgebauten keramischen Grünlingen. Verfahren der vorgenannten Art umfassen andererseits Genaugussverfahren, für die - insbesondere zur Herstellung von Prototypen — der Grünling für die Form in einem Formkasten um ein Modell gegossen wird. Die Grünlinge werden anschließend jeweils zur Form gebrannt, wobei das ursprüngliche Wachs- oder Kunststoffmodell ausgeschmolzen oder -gebrannt wird.

Beim Abkühlen des schmelzflüssig in die Form gegossenen Metalls beeinflussen einerseits lokale Materialanhäufungen im Hohlraum - also im Gussstück — und andererseits die lokal unterschiedliche Dicke der Form zwischen Hohlraum und der äußeren Oberfläche der Form den Temperaturverlauf: Materialanhäufungen im Gussstück bilden so genannte Wärmereservoirs oder -quellen, die einerseits langsamer abkühlen als das umgebende Material und andererseits in dieses umgebende Material ausstrahlen. Hinzu kommt die zum erstarrenden Volumen proportionale Freisetzung latenter Wärme bei der Erstarrung des schmelzflüssigen Metalls. Lokale Aufdickungen der Form behindern im Vergleich zu dünneren Stellen der Form zusätzlich den Wärmefluss aus dem Hohlraum zur äußeren Oberfläche der Form und führen so gleichfalls in ihrer Nachbarschaft zu lokalen Wärmequellen im abkühlenden Gussstück.

In der Flugzeugtriebwerkstechnik sind durch die Einfuhrung einkristalliner Turbinenschaufeln bedeutende Fortschritte erzielt worden. Das einkristalline, entlang der Beanspruchungsrichfung ausgerichtete Gefüge fuhrt zu deutlich verbesserten Hochtemperatureigenschaften der hochbelasteten Turbinenschaufeln. Insbesondere bei der Herstellung solcher gerichtet oder einkristallin erstarrter Gussstücke durch Feinguss im Bridgman- Verfahren, wie es beispielsweise aus US 1,793,672 allgemein bekannt ist, stellen sich derartige lokale Wärmequellen als äußerst problematisch dar.

In Turbinenschaufelgeometrien treten beispielsweise beim übergang vom Schaufelblatt zum Deckband Querschnittsänderungen auf, an denen sich beim Abkühlen die dendritische Struktur quer zur (senkrechten) Hauptwachstumsrichtung ausbreiten muss. Neben anderen Faktoren ist aus „Undercooling related casting defects in single crystal turbine blades" (Meyer ter Vehn et. al. in Superalloys 1996, The 8th International Symposium on Superalloys, Sept. 1996, Seven Springs, USA) ein stark gekrümmter Verlauf der Liquidus- Isotherme als Ursache thermisch unterkühlter Schmelzzonen an solchen Querschnittsübergängen bekannt: In der unterkühlten Schmelze bilden sich Gefügefehler, die bevorzugte Ausgangspunkte für das Versagen des Bauteils bilden.

Seit Mitte der 1980er Jahre kommt es verstärkt zum Transfer der Einkristalltechnik in den Bereich der industriellen Gasturbinen für die Energieumwandlung in Kraftwerken, um das Energiepotential der Kraftwerksturbinen zu erhöhen. Die Skalierung dieser Technologien auf Bauteilgrößen für Gasturbinen zur Stromerzeugung führt zu Einkristallschaufeln mit Rohteilgewichten von über 10 kg gegenüber weniger als 0,1 kg bei Flugturbinen. In derart großen Turbinenschaufeln kann die abrupte Maßänderung bei Querschnittsübergängen mehrere Zentimeter betragen gegenüber nur mehreren Millimetern bei Flugturbinenschaufeln.

Die allgemein bekannten Maßnahmen zur Vermeidung der Fehlkornbildung, wie die änderung des Baffledesigns, der Formschalendicke, der Absenkgeschwindigkeit und der Heizertemperaturen vermögen diese Fehlkornbildung insbesondere bei der Herstellung großer Turbinenschaufeln für Gasturbinen letztlich ebenso wenig zu vermeiden wie Weiterentwicklungen des Bridgman- Verfahrens mit Flüssigmetall- oder Gaskühlung (sog. „Liquid Metal Cooling"- oder LMC-, bzw. „Gas Cooling Casting" oder GCC-Verfahren).

Trotz erheblicher Anstrengungen auf der Gießereiseite steigt, wie „Superalloy - the utilitygas turbine perspective" (B. B. Seth in Superalloys 2000, eds. T.M. Pollock et al., TMS, S. 3-6) nachweist, die Wahrscheinlichkeit für Gießdefekte überproportional mit den Abmessungen der Turbinenschaufeln an.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gefügefehler im Gussstück zu vermeiden.

Lösung

Ausgehend von den bekannten Formen wird nach der Erfindung vorgeschlagen, in die Form mindestens ein Wärmeleitelement aus einem Wärmeleiter zu integrieren, der gegenüber dem keramischen Material eine mindestens doppelte Wärmeleitfähigkeit aufweist und durch den ein Wärmestrom zwischen dem Hohlraum und einer äußeren Oberfläche der Form leitbar ist. Während die Keramik der Form aus wärmetechnischer Sicht einen Isolator darstellt, der mit einer Wärmeleitfähigkeit typischer Weise in allen relevanten Temperaturbereichen deutlich unter 0,1 W/cm K den Wärmestrom aus dem Hohlraum mit dem Gussstück durch die Form an deren äußere Oberfläche hindert, ermöglicht der erfindungsgemäße Einsatz des Wärmeleitelements die lokale Erhöhung eines anteiligen Wärmestroms.

Beim Abkühlen des Gussstücks kann so aus einem Bereich mit lokaler Materialanhäufung, an einer Querschnittsänderung oder an einer lokalen Aufdickung der Form gezielt ein höherer Wärmestrom an die äußere Oberfläche der Form abgeleitet werden, so dass diese Bereiche nicht mehr als Wärmequellen die Ausbildung der planaren Erstarrungsfront behindern. Andererseits kann auch in Bereichen des Gussstücks, in denen einen lokale Unterkühlung zu Erwarten wäre, gezielt ein Wärmestrom zugeführt werden.

Vorzugsweise ist an einer erfindungsgemäßen Form das Wärmeleitelement durch eine Trennschicht aus dem keramischen Material von dem Hohlraum getrennt. So wird zunächst - insbesondere beim Abguss von Superlegierungen im Bridgman-Prozess zur Herstellung einkristalliner Turbinenschaufeln - der unmittelbare Kontakt, und damit eine chemische Reaktion zwischen dem in die Form eingegossenen Metall und dem

Wärmeleiter vermieden. Weiterhin wirkt beim Abkühlen des Metalls die Trennschicht als Puffer und bewirkt ein Verwischen der scharfen wärmetechnischen Grenze zwischen isolierender Keramik und dem Wärmeleiter. Alternativ ist im Rahmen der Erfindung auch ein direkter Kontakt zwischen Wärmeleiter und Hohlraum möglich, insbesondere wenn eine Reaktion mit dem Metall des Gussstücks nicht auftritt, in ihren Folgen irrelevant, oder sogar erwünscht ist.

Besonders bevorzugt durchstößt an einer erfindungsgemäßen Form das Wärmeleitelement die äußere Oberfläche der Form. Geringfügige Unterschiede in der wärmebedingten Schrumpfung und Dehnung zwischen dem keramischen Material der Form einerseits und dem Wärmeleiter andererseits können an einem derart quasi in einer „Tasche" der Form angebrachten Wärmeleitelement mechanisch leichter ausgeglichen werden. Darüber hinaus kann durch die Dimensionierung einer an der äußeren Oberfläche der Form sichtbaren Fläche des Wärmeleitelements ein gegebenen Falls gegenüber dem keramischen Material der Form höherer wärmetechnischer Emissions- und/oder Absorptionsgrad des Wärmeleiters gezielt zur Erhöhung des Wärmestroms genutzt werden.

Alternativ ist im Rahmen der Erfindung auch die Integration des Wärmeleiters in einen zur äußeren Oberfläche der Form von deren keramischen Material überdeckten Hohlraum der Form möglich. So können insbesondere Reaktionen zwischen dem Wärmeleiter und der die Form umgebenden Atmosphäre vermieden werden.

An einer erfindungsgemäßen Form besteht vorteilhafter Weise das Wärmeleitelement aus Graphit oder aus Siliziumkarbid. Sowohl Graphit (C) als auch Siliziumkarbid (SiC) stehen als technische Werkstoffe preisgünstig und in verschiedenen Ausprägungen am Markt zur Verfügung. Insbesondere hat sich so genannter „Elektrographit" hinsichtlich Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Reinheit von Verunreinigungen zur Verwendung an einer erfindungsgemäßen Form als besonders geeignet erwiesen. Er weist neben seiner Feuerbeständigkeit eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Wärmekapazität und einen hohen Emissionskoeffizienten auf. Siliziumkarbid ist wegen seiner hohen Härte insbesondere als besonders verschleißfester keramischer Lagerwerkstoff bekannt und steht als sandförmiger Rohstoff in verschiedenen Körnungen zur Verfügung. Alternativ können an einer erfindungsgemäßen Form auch andere Materialien, insbesondere Metalle oder

intermetallische Phasen als Wärmeleiter zum Einsatz gelangen, deren Schmelztemperatur die Temperatur der Form beim Brennen und beim Abguss nicht unterschreitet. Verschiedene derartige Materialien sind insoweit als geeignet allgemein bekannt, so beispielsweise die Metalle Wolfram und Molybdän oder die intermetallische Phase NiAl.

Ein Wärmeleitelement kann an einer erfindungsgemäßen Form einerseits an einer Unterseite eines überhangs der Form, bei einer Turbinenschaufel insbesondere nahe am Blattbereich angeordnet werden. Beim Durchgang des überhangs - bei einer Turbinenschaufel namentlich des Deckbandes - durch das Baffle des Bridgman-Ofens gelangt zuerst dieses Wärmeleitelement in die Kühlzone und bewirkt eine erhöhte Wärmeabfuhr aus dem Bereich der kritischen Querschnittsänderung.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmeleitelement an einer Oberseite eines überhangs der Form, bei einer Turbinenschaufel insbesondere weit entfernt vom Blattbereich angeordnet werden. Beim Durchgang des überhangs durch das Baffle verbleibt dieses Wärmeleitelement länger in der Heizzone und bewirkt eine zusätzliche Wärmezufuhr in den potenziell unterkühlenden Bereich.

Ausgehend von den bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an einer Form der vorgenannten Art beim Abkühlen des Metalls einen Wärmestrom durch das Wärmeleitelement zu leiten. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren nutzt die Vorteile der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Form.

Vorzugsweise wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens der Grünling durch mehrfaches Tauchen in einen Keramikschlicker und jeweils nachfolgendes Besanden und Trocknen schichtweise um das Modell aufgebaut. Eine solche Form ermöglicht die Herstellung des Gussstücks in einem Bridgman- Verfahren. Alternativ kann die Form - für einen „Genauguss" - auch um das Modell in einer Kastenform ausgegossen werden.

Im Rahmen eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafter Weise zunächst eine Trennschicht des Grünlings auf das Modell aufgebracht und sodann das mindestens eine Wärmeleitelement auf der Trennschicht befestigt und anschließend werden weitere Schichten des Grünlings aufgebracht. Insbesondere kann das Wärmeleitelement stoffschlüssig - beispielsweise mittels eines Klebers - auf der

Trennschicht befestigt werden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Form ist so besonders einfach möglich. Alternativ ist im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein nachträglicher Einbau des Wärmeleitelements, beispielsweise in eine „Tasche" der Form möglich. Eine solche Tasche kann an einer solchen Form insbesondere durch Ausschmelzen eines Wachsmodells des Wärmeleitelements oder spanend hergestellt werden.

Im Rahmen eines solchen erfϊndungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt das Wärmeleitelement überdeckende Anteile der weiteren Schichten jeweils entfernt. Durch diese Nacharbeit jeder einzelnen Schicht wird der Aufbau von Schalenschichten über dem Wärmeleitelement vermieden. Beispielsweise beim Einsatz von Wärmeleitelementen aus Graphit oder Siliziumkarbid wird so zusätzlich auch die gegenüber den bekannten keramischen Formschalen deutlich erhöhte Emissivität zur Wärmeabfuhr genutzt. Alternativ ist im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahren auch ein nachträgliches „Freischneiden" des Wärmeleitelements möglich.

Vorzugsweise wird der Grünling im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem mindestens einen Wärmeleitelement in einer rostfreien Stahlbox gebrannt. Auch in einem typischer Weise selbst nicht hinreichend dichten Brennofen kann in einer solchen Stahlbox eine für die Verwendung des Wärmeleiters gegebenen Falls erforderliche Atmosphäre eingestellt werden. Insbesondere kann bei Verwendung von Graphit die Stahlbox zum Brennen der Form evakuiert und unter Argon-Schutzgasatmosphäre gestellt und/oder mit „Opfergraphit" zum Binden des Restsauerstoffs versehen werden.

Der Abguss des Metalls in die Form und das Abkühlen erfolgen im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise in einem Bridgman-Ofen. Bei der gerichteten und bei der einkristallinen Erstarrung in einem solchen Verfahren kommen die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zur Geltung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Gussstück mit vereinfachter Testgeometrie,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Form,

Fig. 3 ein Detail der Form,

Fig. 4 ein Detail aus der Herstellung einer erfindungsgemäßen Form,

Fig. 5 die erfindungsgemäße Form im Brennofen,

Fig. 6 eine Erstarrungsfront nach dem Stand der Technik und

Fig. 7 eine Erstarrungsfront nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 8a-d einen schematischen Ablauf dieses,

Fig. 9a-d eines weiteren,

Fig. 10a-d eines weiteren,

Fig. l la-d eines weiteren,

Fig. 12a-d eines weiteren und

Fig. 13a-d eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das in Figur 1 gezeigte Gussstück 1 besteht aus einer metallischen Nickelbasis- Superlegierung IN 939-SC und weist (in Vereinfachung der typischen Geometrie einer Turbinenschaufel) zwei Blattbereiche 2 und ein quaderförmiges Deckband 3 (4 x 8 x 40 mm) auf. Die Blattbereiche 2 werden als zylindrisch (8 mm Durchmesser) vereinfacht. Das Gussstück 1 entspricht in den wesentlichen typischen Geometrieeigenheiten einer Turbinenschaufel und ist dieser auch bezüglich der Erstarrungsbedingungen vergleichbar.

Für den Abguss in einem Feinguss-Verfahren werden in einem nicht dargestellten Wachsmodell Gruppen von je drei Gussstücken 1 auf einem Selektor und mehrere Selektoren in einem Traubenaufbau kreisförmig achsensymmetrisch um eine senkrechte Mittelsäule als Zentrum angeordnet. Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße, auf diesem Wachsmodell nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellte keramische Form 4 aus Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ).

Ein nicht dargestellter Grünling der Form 4 wurde durch Tauchen und Besanden des Wachsmodells angefertigt. Um eine ausreichend stabile Wanddicke zu erreichen, wurde der Tauch- und Besandungsprozess zehn mal wiederholt und durch Entwachsen und Brennen die Form 4 zum Abguss fertiggestellt. Wie insbesondere das Detail der Form 4 gemäß Figur 3 zeigt, ist bei dieser Art der Herstellung die Form 4 an der Außenkante 5 des Deckbandes 3 verhältnismäßig dünn, am übergang zwischen Blattbereich 2 und Deckband 3 jedoch lokal deutlich massiver.

Die Form 4 weist keilförmige erste Wärmeleitelemente 6 aus Elektrographit der C. Conradty Mechanical & Electrical GmbH jeweils an der Unterseite 7 der Deckbänder 3 unmittelbar im übergang zum Blattbereich 2 und ein zweites Wärmeleitelement 8 gleichfalls aus Elektrographit an der Oberseite 9 des Deckbands 3 in dem um das Deckband 3 ausgebildeten überhang 10 der Form 4 auf. Eine keramische Trennschicht 11 zwischen dem Gussteil und den Wärmeleitelementen 6, 8, die sich zudem zwischen Deckband 3 und dem ersten Wärmeleitelement 6 keilförmig in Richtung der Außenkante 5 verdickt, verhindert die mögliche Reaktion zwischen Metallschmelze und Wärmeleiter. Das Ende 12 der Wärmeleitelemente 6, 8 durchstößt jeweils die äußere Oberfläche 13 der Form 4.

Gemäß dem in Figur 4 dargestellten Detail aus der Herstellung der Form 4 wird das Wachsmodell vor dem Anbringen der Wärmeleitelemente 6, 8 zunächst einmal getaucht und besandet, um eine komplette Trennschicht 11 zu schaffen. Die Wärmeleitelemente 6, 8 werden erst nach dem Trocknen der Trennschicht 11 auf das Wachsmodell aufgeklebt. Als Kleber 14 dient flüssiger Keramikschlicker mit ungefähr 50 % Wasseranteil. Die trockene und wasserdurchlässige Trennschicht 1 1 ermöglicht ein gleichmäßiges Trocknen des Klebers 14. Nach jedem Tauch- und Besandungsvorgang werden die Enden 12 der Wärmeleitelemente 6, 8 mit einer Bürste gesäubert.

Der entwachste Grünling wird nicht unter Luftatmosphäre gebrannt, um die eingebauten Wärmeleiter aus Graphit nicht zu verbrennen. Zum Brennen in einem handelsüblichen, nicht luftdichten Brennofen 15 wird die Form 4 gemäß Figur 5 in eine in den Brennofen 15 gestellte geschweißte rostfreie Stahlbox 16 mit einem Zugang 17 für Argon als Schutzgas eingebracht. Rund um die Form 4 werden zudem in die Stahlbox 16 mehrere Stücke

Opfergraphit 18 gelegt, um den Restsauerstoff in der Stahlbox 16 zu absorbieren und so den Wärmeleiter zu schützen.

Figuren 6 und 7 zeigen schematisch den Verlauf der Erstarrungsfront beim Abguss der Gusstücke in einem nicht vollständig dargestellten Vakuum-Bridgman-Ofen: In dem Ofen wird die Form 4 auf die Kühlkokille gesetzt und in die Heizzone 19 oberhalb des Baffles 20 gefahren. Nach dem Evakuieren und Aufheizen des Ofens wird die Superlegierung in einem gleichfalls nicht dargestellten kippbaren Tiegel geschmolzen. Die Einwaage für einen Guss beträgt ca. 1 ,5 kg. Die Gieß- und Heizertemperatur wird beim Guss auf 1500 ⁰ C gehalten. Nach dem Eingießen des schmelzflüssigen Metalls wird die Form 4 mit konstant 3 mm/min, einer typischen Geschwindigkeit für die einkristalline Erstarrung von Superlegierungen durch das Baffle 20 in die Kühlzone 21 abgesenkt.

Trotz der unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften gestaltet sich die Passung der Wärmeleitelemente 6, 8 aus Graphit mit der Form 4 aus Keramik unproblematisch, sowohl beim Entwachsen und Brennen der Form 4 als auch beim Abguss und bei der gerichteten Erstarrung der Superlegierung. Die folgende Tabelle enthält die relevanten wärmetechnischen Daten der verwendeten Materialien Graphit (C), Superlegierung (IN939) und Keramik (Al ₂ O ₃ ), hier die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität und den Emissionskoeffizienten.

Temp. Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Emissionskoeffizient

[ ⁰ C] [W/cmK] [J/cm ³ : K] [ ]

C IN939 Al ₂ O ₃ C IN939 Al ₂ O ₃ C IN939 Al ₂ O ₃

0 1,3 0,0986 0,074 1,03 3,45 1,97 0,59 0,24 0,1

250 1 0,1343 0,0464 1,5 4 2,9 0,6 0,27 0,1

500 1,027 0,174 0,034 2,2 5,8 3,24 0,64 0,35 0,1

750 0,962 0,215 0,028 2,48 6,9 3,45 0,68 0,38 0,13

1000 0,904 0,25 0,025 2,72 7,6 3,57 0,7 0,41 0,18

1250 0,871 0,29 0,024 2,82 9 3,6 0,73 0,42 0,22

1500 0,845 0,43 0,023 2,93 9,3 3,7 0,74 0,44 0,25

Graphit weist in dem relevanten Temperaturbereich sowohl im Vergleich zu der Superlegierung als auch zur Keramik eine wesentlich niedrigere Wärmekapazität und eine

deutlich bessere Emissionsfähigkeit auf und ermöglicht somit eine effektivere Wärmeabstrahlung in die Kühlzone 21. Mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Graphit zwar ab, sie ist aber immer noch viel höher als die von Keramik. Selbst der Superlegierung ist Graphit in dieser Beziehung überlegen.

Figur 6 zeigt den Verlauf der Erstarrungsfront beim Durchgang des Deckbands 3 aus der Heizzone 19 durch das Baffle 20 in die Kühlzone 21, wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist: Deutlich ist ein wie gewünscht einkristalliner Bereich 22 unterhalb des Deckbands 3 und ein von der Außenkante 5 des Deckbands 3 in Richtung auf den Blattbereich 2 sich keilförmig verjüngender unterkühlter Bereich 23 zu erkennen, in dem Fehlkornbildung zu erwarten ist.

Der Verlauf der Erstarrungsfront ist hier komplex, nämlich weder rein konkav noch rein konvex und zeichnet sich durch ein konvexes Maximum 24 etwa in der Mitte 25 des Blattbereichs 2 aus. Von hier aus fällt die Isotherme zunächst in Richtung Außenkante 5 ab, durchläuft ein konkaves Minimum 26 und steigt bis zur Außenkante 5 wieder an. Aus dem in der Mitte 25 erstarrten Metall kann die Wärme infolge der guten Wärmeleitfähigkeit schnell nach unten abgeführt werden. Dadurch wird die Erstarrungsfront an dieser Stelle nach oben gekrümmt.

An der Außenkante 5 des Deckbands 3 kühlt die Schmelze aufgrund der hier verhältnismäßig dünnen Form 4 schnell ab. Die Isotherme krümmt sich konkav nach oben. In übergang zwischen Blattbereich 2 und Deckband 3 ist demgegenüber - durch die hier lokal massivere Form 4 - der Wärmefluss behindert, und die Erstarrungsfront wird nach unten gedrückt. Hier bleibt es länger warm als in den benachbarten Zonen. So wird die übertragung des Einkristallwachstums aus dem Blattbereich 2 in das Deckband 3 verhindert und die lokale Fehlkornbildung begünstigt.

Figur 7 zeigt demgegenüber den Verlauf an einem erfindungsgemäß in der Form 4 mit Wärmeleitelementen 6, 8 ausgestatteten Gussstück 1 : Das erste Wärmeleitelement 6, dessen Ende 12 bereits in die kalte Umgebung der Kühlzone 21 abstrahlt, führt als Wärmeausleiter die Wärme aus dem kritischen Bereich schnell ab.

Das erste Wärmeleitelement 6 verstärkt unmittelbar am Blattbereich 2 die Wärmeabfuhr aus dem erstarrenden Metall und sichert eine konvexe Erstarrungsfront. Die keilförmige Trennschicht 11 zwischen Deckband 3 und Wärmeleiter bewirkt einen Thermogradienten und ein kontinuierliches Kristallwachstum aus der Mitte 25 bis hin zur Außenkante 5 des Deckbands 3.

Das zweite Wärmeleitelement 8 fuhrt zusätzlich Wärme aus der Heizzone 19 in das schmelzflüssige Metall oberhalb der Erstarrungsfront und hält so das Gussstück 1 an der Außenkante 5 länger warm. So wird hier die Liquidus-Isotherme nach unten verlagert und die lokale Unterkühlung noch vor der Ausweitung des Einkristallwachstums bis zur Außenkante 5 verhindert. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert signifikant die Fehlkornbildung im Deckband 3.

Auch bei Verdopplung der Abzugsgeschwindigkeit auf 6 mm/min ist im Deckband 3 keine Unterkühlung zu erkennen. Durch die Wärmeleitelemente 6, 8 wird die Wärme gleichmäßig zu- beziehungsweise abgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so nicht nur eine Verbesserung der Produktqualität, sondern darüber hinaus auch eine Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit.

Figur 8a zeigt schematisch das Anbringen des Wärmeleitelements 6 an einer keramischen Trennschicht 11 auf dem Modell 27 des Gussstücks 1, das in Figur 8b nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 28, in Figur 8c beim Ausschmelzen des Modells 27 und in Figur 8d nach dem Brennen der Form 4 dargestellt ist. Durch die sehr gute Bearbeitbarkeit von Graphit ist dieses erfindungsgemäße Verfahren besonders für geometrisch komplexe Gestaltungen des Wärmeleitelements 6 geeignet. Aufgrund der hohen Oxidationsneigung des Graphits muss das Brennen der Form 4 unter Vakuum oder Schutzgas erfolgen.

Figur 9a zeigt schematisch das Anbringen eines Wärmeleitelements 29 aus Siliziumkarbid an einer keramischen Trennschicht 30 auf dem Modell 31 des Gussstücks aus Wachs, das in Figur 9b nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 32, in Figur 9c beim Ausschmelzen des Modells 31 und in Figur 9d nach dem Brennen der Form 33 dargestellt ist. Durch die gute Beständigkeit von Siliziumkarbid ist dieses erfindungsgemäße Verfahren besonders für ein Brennen der Form 33 unter Luftatmosphäre

geeignet. Aufgrund der hohen Härte des Siliziumkarbids erfordert die Bearbeitung des Wärmeleitelements 29 den Einsatz einer Diamantscheibe.

Figur 10a zeigt schematisch das Anbringen eines oberflächig in Siliziumkarbid umgewandelten Wärmeleitelements 34 aus Graphit an einer keramischen Trennschicht 35 auf dem Modell 36 des Gussstücks aus Wachs, das in Figur 10b nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 37, in Figur 10c beim Ausschmelzen des Modells 36 und in Figur 10d nach dem Brennen der Form 38 dargestellt ist. Dieses erfindungsgemäße Verfahren vereint die gute Bearbeitbarkeit des Graphits mit der geringeren Oxidationsneigung des Siliziumkarbids. Die oberflächige Umwandlung des Graphits in Siliziumkarbid bedingt aber einen weiteren hohen Aufwand.

Figur I Ia zeigt schematisch das Anbringen eines Wachsmodells 39 eines Wärmeleitelements 40 an einer keramischen Trennschicht 41 auf dem Modell 42 des Gussstücks aus Wachs, das in Figur I Ib nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 43, in Figur 1 Ic beim Ausschmelzen des Wachsmodells 39 und des Modells 42 und in Figur 1 Id nach dem Brennen der Form 44 beim Einbringen des Wärmeleitelements dargestellt ist. Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wenn ein Brennen der Form 44 unter Luftatmosphäre erfolgen soll. Beim Einsetzen des Wärmeleitelements 40 entstehen zwischen diesem und der Form 44 Hohlräume, die die Wärmeleitung vermindern.

Figur 12a zeigt schematisch das Anbringen eines Wärmeleitelements 45 an einer keramischen Trennschicht 46 auf dem Modell 47 des Gussstücks aus Wachs, das in Figur 12b nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 48, in Figur 12c beim Ausschmelzen des Modells 47 und Entnehmen des Wärmeleitelements 45 und in Figur 12d nach dem Brennen der Form 49 beim Einbringen des Wärmeleitelements 45 dargestellt ist. Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wenn ein Brennen der Form 49 unter Luftatmosphäre erfolgen soll. Auch hier entstehen beim Einsetzen des Wärmeleitelements 45 zwischen diesem und der Form 49 Hohlräume, die die Wärmeleitung vermindern.

Figur 13a zeigt schematisch das Anbringen eines Wachsmodells 50 eines Wärmeleitelements an einer keramischen Trennschicht 51 auf dem Modell 52 des

Gussstücks aus Wachs, das in Figur 13b nach mehrfachem Tauchen und Besanden mit dem Grünling 53, in Figur 13c beim Ausschmelzen des Wachsmodells 50 und des Modells 52 und in Figur 13d nach dem Brennen der Form 54 beim Einbringen eines pastösen Wärmeleiters 55 dargestellt ist. Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wenn ein Brennen der Form 54 unter Luftatmosphäre erfolgen soll. Der Einsatz eines wasserbasierten Wärmeleiters 55 mit Graphit- oder Siliziumkarbidsand bedingt die Bildung von mikroskopischen Hohlräumen im Wärmeleitelement, die dessen Wärmeleitung vermindern.

n Figuren sind

Gussstück

Blattbereich

Deckband

Form

Außenkante

Wärmeleitelement

Unterseite

Wärmeleitelement

Oberseite

überhang

Trennschicht

Ende äußere Oberfläche

Kleber

Brennofen

Stahlbox

Zugang

Opfergraphit

Heizzone

Baffle

Kühlzone einkristalliner Bereich unterkühlter Bereich

Maximum

Mitte

Minimum

Modell

Grünling

Wärmeleitelement

Trennschicht

Modell

Grünling

Form

Wärmeleitelement

Trennschicht

Modell

Grünling

Form

Wachsmodell

Wärmeleitelement

Trennschicht

Modell

Grünling

Form

Wärmeleitelement

Trennschicht

Modell

Grünling

Form

Wachsmodell

Trennschicht

Modell

Grünling

Form

Wärmeleiter