High Rate Solidification-HRS-Verfahren

Allgemein
, auch als Bridgman-Verfahren bekannt, gehört zu den Feingießverfahren und ermöglicht die Herstellung von Gussteilen mit gerichtet erstarrtem Gefüge. Dabei wird das zu erstarrende Gussteil unter Beibehaltung eines uniaxialen Temperaturgradienten abgekühlt.

Wärmeeintrag und Wärmeaustrag erfolgen hauptsächlich über Strahlung. Der experimentelle Aufbau zur gerichteten Erstarrung sieht einen Heizer und eine Kühlkammer vor, die durch eine annähernd adiabatische Zone (Baffle) thermisch voneinander getrennt sind (im Bild links). Infolge des kontinuierlichen Absenkens der Probe aus der Heizzone in die Kühlkammer bewegt sich die Erstarrungsfront bei annähernd gleicher Geschwindigkeit von unten nach oben durch das Gussteil. Die Prozesstemperaturen in der Heizzone befinden sich oberhalb der Liquidustemperatur der zu erstarrenden Legierung. Die Wandung der Kühlkammer ist wassergekühlt. Typische Abzugsgeschwindigkeiten liegen zwischen 2 und 10 mm/min. Bei geeigneter Prozessführung verbleibt die relative Position der Erstarrungsfront über den gesamten Abkühlvorgang in Höhe der adiabatischen Zone. Das Verfahren ermöglicht eine zuverlässige und wirtschaftliche Herstellung von dünnwandigen, teils hohlgegossenen Bauteilen sowie die Reduzierung von festigkeitsmindernden Korngrenzen im Fall von Stängel-(DS) beziehungsweise Einkristallen (SX). Nachteilig wirken die limitierte Wärmeabfuhr in der Kühlkammer (Strahlungsaustausch) und die statische Anordnung des Baffles.

Grundsätzlich wird das Baffle an den größten Querschnitt von Gussteil beziehungsweise Formschale angepasst, um eine ungehinderte Bewegung von der Heizzone in die Kühlkammer sicherzustellen. Durch dieses Vorgehen kommt es im Bereich kleinerer Gussteilquerschnitte zu einer Spaltbildung zwischen Baffle und Formschale. Daraus resultiert eine unzureichende Abschirmung, so dass ein Strahlungsaustausch zwischen Heizzone und Kühlkammer stattfindet und der Temperaturgradient absinkt.

Für die Herstellung einkristalliner Bauteile wird, anders als bei der Herstellung von stängelkristallinen Gussteilen, ein so genannter Kornselektor in den Startbereich integriert (im Bild rechts). In den meisten Fällen wird der Kornselektor als spiralförmige Helix ausgeführt. Nach der Bildung zufällig orientierter Keime an der Kühlplatte wachsen die Körner entgegengesetzt zum aufgeprägten Temperaturgradienten in <001> Richtung. Beim Durchlaufen des Kornselektors findet eine Auslese günstig orientierter Körner statt, so dass aus dem anfangs stängelkristallinen Gefüge ein Einkristall entsteht.

Schematische Darstellung des Bridgman-Verfahrens zur Fertigung gerichtet erstarrter Gussteile. Das Formschalensystem ohne Kornselektor dient zur Herstellung stängelkristalliner Gusskörper (links). Für die Herstellung einkristalliner Gussteile wird das Formschalensystem um einen Kornselektor erweitert (rechts).© Neue Materialien Fürth GmbH

Taschenbuch der Gießerei-Praxis

Jährlich aktualisierte Ausgabe des Nachschlagewerks für das Gießereiwesen.