Sandguss aus duktilem Gusseisen – Prozessmöglichkeiten und Einschränkungen

Kohlenstoffstahl lässt sich aufgrund seines hohen Schmelzpunkts nicht leicht sandgießen. Eine Alternative ist duktiles Gusseisen. Sein niedrigerer Schmelzpunkt bietet eine Möglichkeit, ähnliche metallurgische Eigenschaften wie Stahl in einem Sandgussteil zu erreichen. Der Wechsel von Stahl- zu Sphäroguss ist eine Möglichkeit, die Bearbeitungsanforderungen und möglicherweise auch die Stückkosten zu senken.

Hier ist eine Einführung in duktiles Gusseisen und eine Erklärung dessen, was es mit dem Sandguss zu tun hat.

Zwei Arten von Gusseisen

Grauguss wird seit Jahrhunderten von Gießern hergestellt und bearbeitet. Es schmilzt und gießt leicht und hat eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit, aber sein Nachteil ist eine geringe Zugfestigkeit und Duktilität.

Die geringe Festigkeit wird durch Graphitflocken verursacht, die in der gesamten Metallmatrix verteilt sind. Diese bieten Rissinitiierungspunkte, die zu Schwäche führen.

Mit duktilem Gusseisen, das Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, wird dieses Problem überwunden. Durch das Hinzufügen kleiner Mengen sorgfältig ausgewählter Elemente zu kohlenstoffreichem, hochwertigem Roheisen entstehen winzige Graphitkügelchen in einer Matrix aus Ferrit und Perlit (Fe3C) anstelle von Flocken. Aus diesem Grund wird es manchmal auch als Sphäro- oder Sphäroguss bezeichnet.

Sphäroguss ist etwas weniger dicht als Stahl (0,256 lb/in3 / 7,1 g/cm3 gegenüber 0,284 lb/in3 / 7,8 g/cm3) und daher leichter, aber die Zugfestigkeit ist sehr ähnlich. Es hat eine mäßig gute Duktilität, eine gute Verschleißfestigkeit und kann Stoßbelastungen absorbieren.

Das Sandgussverfahren

Der Sandguss beginnt mit einem Muster, das das zu gießende Teil nachbildet. Dieser wird in eine Kiste gelegt, die mit Sand gefüllt ist. Das Muster wird dann herausgenommen, um einen Hohlraum zu hinterlassen, der mit Metall gefüllt wird.

Die Box, technisch gesehen ein „Kolben“, besteht aus zwei Hälften, einem oberen „Cope“ und einem unteren „Drag“. Im Hohlkasten werden Durchgänge gebildet, in die Metall einfließt, und überschüssiges Metall steigt nach oben, sobald der Hohlraum gefüllt ist. Dies sind die Runner und Riser.

Sobald sich das Metall verfestigt hat, wird der Sand ausgeschüttelt und das Gussteil vor der maschinellen Bearbeitung zum Entfernen von Anguss und Riser geschickt.

Sphäroguss und Sand

Sand spielt eine entscheidende Rolle im Gießprozess. Da es leicht durchlässig ist, lässt es Gas entweichen, während es gleichzeitig das flüssige Metall kühlt, das sich von außen nach innen verfestigt. Packungsdichte und Sandzusammensetzung müssen sorgfältig gesteuert werden, um eine konsistente Metallschrumpfung und Teilequalität zu gewährleisten.

Sphäroguss wird üblicherweise in Grünsand gegossen, der etwa 5 % Kohlenstaub enthält. „Grün“ bezieht sich in diesem Zusammenhang nicht auf die Farbe, sondern auf den Feuchtigkeitsgehalt. „Grüner“ Sand ist Sand, der keinen Trocknungsprozess durchlaufen hat.

Grünsand zum Gießen enthält neben dem Sand selbst einen Anteil an Bentonit-Ton. Dieser wirkt als Bindemittel und hält den gepackten Sand in der Flasche zusammen.

Kohlenstaub, manchmal auch „Meereskohle“ genannt, ist ein wichtiger Bestandteil von Sand zum Gießen von Gusseisen mit Kugelgraphit. Seine Aufgabe besteht darin, eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, die Sauerstoff aufnimmt, der freigesetzt wird, wenn heißes Eisen mit dem Sand in Kontakt kommt. Es verlangsamt die Ausdehnung und führt zu glatteren, saubereren Gussoberflächen mit weniger eingebranntem Sand. Kohlenstaubhaltiger Gießsand ist leicht an seinem grauen bis fast schwarzen Aussehen zu erkennen.

Gusseisenimpfung

Zwei Verarbeitungsschritte sind der Schlüssel zur Herstellung von Gusseisenteilen, die mit Stahl konkurrieren können. Dies sind Impfung und Magnesiumbehandlung. Für die beste Qualität von duktilem Gusseisen werden sie kurz vor dem Gießen durchgeführt.

Die Impfung wirkt der Tendenz von Kohlenstoff entgegen, als Graphitflocken auszufallen. Es beinhaltet die Zugabe kleiner Mengen speziell ausgewählter Legierungen, die Punkte für die Keimbildung oder Kristallisation des Kohlenstoffs bieten. Dies verhindert die Bildung von Flocken, die der Festigkeit und Duktilität abträglich sind.

Auf ähnliche Weise wird Magnesium hinzugefügt, um jeglichen Schwefel im Eisen „aufzuwischen“. Wie beim Impfen verbessert dies die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Metalls.

Fähigkeiten und Einschränkungen

Der duktile Sandguss ist ideal für die Herstellung von Gusseisenteilen, die mit Stahl konkurrieren können. Schwindungszugaben und Entformungswinkel sind erforderlich, um Qualitätsteile herzustellen, und fast immer ist eine sekundäre Bearbeitung erforderlich, um Präzisionsmerkmale wie Löcher und Montageflächen hinzuzufügen. Außerdem sind dünne Schnitte unpraktisch. Mit Kohlenstaub lassen sich jedoch gute Oberflächengüten erzielen.

Das Sandgießen bietet nur geringe Beschränkungen hinsichtlich der Größe der Teile, die gegossen werden können. Kleine Teile mit einem Gewicht von weniger als einem Pfund (0,5 kg) gegossen sowie solche, die Hunderte von Pfund wiegen und in Fuß gemessen werden.