Metallgussdesign – Leben eines Gussstücks

Engineering Metal Castings für Qualität und Wert

Gutes Metallgussdesign bedeutet, die einfachste Form zu erstellen, die eine gewünschte Form erzeugt. Dieser Prozess erfordert Expertenwissen über Metalle und Gießverfahren, um den besten Wert in einem Qualitätsguss zu finden.

Endnutzer müssen oft wissen, wie sich ein gegossenes Metallobjekt verhält, wenn es unter verschiedenen Hitzebedingungen geschlagen wird – und vor allem unter Last. Wird es sich mit der Zeit verziehen, reißen oder verformen? Diese mechanischen Anforderungen bestimmen, welche Art von Metall für ein Produkt am besten geeignet ist. Metallkonstruktionen können auch aus ästhetischen oder mechanischen Gründen einen bestimmten Grad an Veredelung erfordern. Ein Ingenieur oder Designer wählt Metalle und Gießverfahren aus, um diese Anforderungen zu erfüllen, und erstellt ein Design, das auf seiner Erfahrung basiert, wie sich Material und Verfahren in der Gießerei gegenseitig beeinflussen. Die Kenntnis des Verhaltens von Metall in flüssigen, kühlenden und festen Zuständen ist wichtig, wenn Sie ein Design erstellen, das Probleme in der Produktion minimiert.

Variablen in der Metallgusskonstruktion

Metallgießbarkeit

Es gibt vier Hauptmetalleigenschaften, die das Ergebnis eines Gussdesigns beeinflussen:

• Fließfähigkeit ist die Leichtigkeit, mit der verschiedene Metalle in geschmolzenem Zustand fließen. Je flüssiger ein Metall im flüssigen Zustand ist, desto besser kann es kleine Details in einer Form erfassen.
• Schwund ist die Kontraktionsrate von geschmolzenem Metall, wenn es aus einem flüssigen Zustand abkühlt. Die Flüssigkeitsschwindung beschreibt die Kontraktionsgeschwindigkeit, wenn das Metall beginnt abzukühlen, die Erstarrungsschwindung beschreibt den Zeitpunkt, an dem das Metall beginnt, von flüssig zu fest zu gefrieren, und die Feststoffschwindung, wenn das Metall abgebunden hat. Diese Raten können Dehnungen und Defekte vorhersagen, die während des Abkühlens auftreten können. Wenn Teile des Designs viel schneller einfrieren als andere, kann dies die Integrität des Gusses in Frage stellen.
• Schlacken- oder Krätzebildung beschreibt das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen in einem Gussteil und wo sie akzeptabel (Oberfläche) oder schädlich (unter der Oberfläche) sind.
• Gießtemperatur ist die Temperatur, bei der eine bestimmte Legierung gegossen werden kann; Je heißer das Metall, desto mehr Herausforderungen ergeben sich für die Produktion.

Wärmeübertragung

Zwei unterschiedliche Wärmeübertragungsraten beeinflussen, wie schnell ein Metall in einer Form erstarrt. Einer ist die Wärmeverteilung des Metalls durch sich selbst und der andere die Wärmeübertragungsrate von dort, wo das Gussteil die Form berührt. Diese Raten helfen dabei, die Gesamttemperaturdifferenz durch das Gussteil sowie die unterschiedliche Abkühlung zu bestimmen, die auftreten kann, wenn Abschnitte des Gussteils zuerst den Zustand ändern.

Erstarrungsmuster

Normalerweise kühlt ein Guss dort, wo es die Form berührt, schneller ab und kristallisiert vom Rand nach innen. Die Kenntnis der Kristallisations-, Wärmeübertragungs- und Schwindungsraten eines bestimmten Metalls ermöglicht es einem Ingenieur oder Metallurgen, das Kristallisationsmuster durch das Gussteil hindurch vorherzusagen. Um Schwindungsprobleme zu minimieren, werden Formen unter Berücksichtigung dieser Erstarrungsmuster konstruiert. Teile der Form können mit Kühlelementen gekühlt werden, um eine schnellere Schrumpfung in einem Abschnitt zu erzeugen. Andere Teile des Gussstücks können mit Vorratsbehältern, sogenannten Risern, verbunden sein, die flüssiges Metall langsam in ein abkühlendes Gussstück leiten, um die Bildung von Hohlräumen zu verhindern, wenn das erstarrende Metall schrumpft.

Änderungen von Form und Querschnittsgröße

Hot Spots in abkühlenden Gussteilen können dort entstehen, wo eine erhöhte Materialdicke vorhanden ist. Wenn möglich, ist es hilfreich, Gussteile mit einheitlicher Dicke zu konstruieren, aber wenn dies nicht möglich ist, können Konstruktionen die Belastung minimieren, indem sie die Neigung der Wände allmählich ändern und sicherstellen, dass an allen Stellen die minimale Metalldicke erhalten bleibt.

Übergänge zwischen Abschnitten

Scharfe Winkel in Übergängen zwischen Abschnitten sind ein Bereich, auf den Ingenieure achten müssen, wenn sie die Gussdicke berücksichtigen. Wenn ein Konstrukteur nicht vorsichtig ist, können zwei oder mehr Abschnitte eines Gussstücks, die zusammenkommen, ein größeres Metallvolumen an dem Punkt erzeugen, an dem sich die Abschnitte treffen. Wenn der Designer diese Ecken glättet und sie von scharfen Winkeln weg abrundet, kann dieses Volumen konsistenter mit den Metallvolumen auf beiden Seiten gemacht werden.

Formstabilität

Die Gießform muss dem Abkühlverhalten von Metall gewachsen sein. Expansion, Kontraktion und Ausgasung (Gase, die sich während des Gießens aus der Form entwickeln und im erstarrenden Gussstück eingeschlossen werden) sind alles Möglichkeiten, abhängig vom verwendeten Metall. Die in der Form verwendeten Materialien müssen dem Metall in allen Zuständen standhalten, ohne zu brechen oder zu kollabieren.

Oberflächengüte

Unterschiedliche Formverfahren erzeugen unterschiedliche Oberflächen. Wenn ein Produkt ein feines Finish benötigt, sind die Formgebungsverfahren tendenziell teurer. In einigen Fällen sind nur für einen Teil des Produkts Präzisionsoberflächen erforderlich, und ein Teil des Gussstücks kann nach dem Entformen bearbeitet werden:In diesen Fällen muss das Metall leicht zu bearbeiten sein. Sehr glatte Oberflächen werden in der Regel durch intensivere und daher teurere Formprozesse erzielt, aber für große Objekte ist dies kostengünstiger als die Bearbeitung der gesamten Oberfläche.

Andere Überlegungen zum Formdesign

Um ein hervorragendes Gussteil zu einem guten Preis herzustellen, sollte der Konstrukteur teure Kerne, tiefe Formschrägen und unregelmäßige Trennungen minimieren oder eliminieren.

Entwürfe

Formschrägen beziehen sich auf die Verjüngung an den vertikalen Wänden eines Gussstücks. Diese sind notwendig, damit ein Muster, das das „positive“ Bild des zu entwerfenden Objekts darstellt, entfernt werden kann, ohne die Wände der Form zu beschädigen.

Kerne

Kerne werden verwendet, um absichtlich Löcher oder Hohlräume in einem Gussteil zu erzeugen. Sie sind so konzipiert, dass sie während des Formens verbrennen oder danach ausgeschüttelt werden. Sie sind oft teuer in der Herstellung und können bei einigen Konstruktionen vermieden werden, indem die „Trennlinie“ der Form oder die Ausrichtung des Gussstücks geändert wird.

Trennlinien

Trennlinien entstehen dort, wo die beiden Hälften einer Form zusammentreffen. Riser und Gates werden oft entlang der Trennlinie platziert, und aus diesem Grund können zusätzliche Metallarbeiten erforderlich sein, nachdem das Gussteil entfernt wurde, um zusätzliches Material abzunehmen. Es kann auch Metalllecks in die Trennlinie geben, normalerweise dünn und flach:Dies wird als Grat bezeichnet, und das Entfernen des Grats ist ein üblicher Schritt nach dem Gießen.

Exzellentes Gussdesign

Beim Entwerfen eines Metallgusses ist das Verständnis der Beziehung zwischen Materialien und Methoden der Schlüssel zur Herstellung eines Produkts von Qualität und Wert. Die Abhängigkeiten zwischen Metall und Form sind komplex. Die Kenntnis der für das Endprodukt erforderlichen mechanischen Eigenschaften beeinflusst, welches Metall benötigt wird; Das Verhalten des Metalls in flüssigem, abkühlendem und festem Zustand bestimmt einige der Anforderungen an die Form. Zum Beispiel können Metalle mit weniger Fließfähigkeit in Formen mit weniger kleinen Details besser abschneiden:Metalle, die beim Abkühlen sehr spröde sind, sind möglicherweise weniger geeignet für Designs mit scharfen Kanten, die anfällig für Abplatzungen sind. Die erforderliche Schmelztemperatur bestimmt auch die Herausforderungen des Prozesses in der Gießerei – zum Beispiel erfordert der hohe Schmelzpunkt von Stahl ein höheres Maß an Überwachung und Präzision während des gesamten Gießprozesses. Erfahrung und Kommunikation zwischen Designern, Ingenieuren und Metallarbeitern können dazu beitragen, ein überlegenes Produkt zum niedrigsten Preis zu entwickeln.

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