Metall-Erstarrung erklärt: Vom Schmelzen zum Guss

Metall-Erstarrung ist der umfassende Transformationsprozess von flüssig zu fest und die Basis der Gießtechnik, einschließlich Schmelzen, Gießen und Wiedereerstarrung eines Metalls oder einer Metalllegierung in einer Form zur Herstellung eines endgültigen Produkts.

1. Schmelzen

Der Gussprozess beginnt damit, eine Metalllegierung in einem Tiegel zu erhitzen, bis sie schmilzt. Erhitztes Metall wird flüssig, wenn es seinen Schmelzpunkt erreicht. Der Schmelzpunkt hängt vom Metall oder der Legierung ab. Zinklegierungen schmelzen bei ca. 480 °C (900 °F), während einige Bronzelegierungen über 1100 °C (2000 °F) schmelzen. Reine Metalle schmelzen bei konstanter Temperatur. Umgekehrt schmelzen Legierungen in einem Temperaturbereich, abhängig von der Materialzusammensetzung. Im flüssigen Zustand enthält das Metall viel Energie. Die Legierung, über ihren Schmelzpunkt erhitzt, erlaubt genug Zeit für den Guss in die Form, bevor sie abkühlt.

2. Entgasen & Modifizieren

Vor dem Gießen müssen Zink- und Aluminiumlegierungen entgast werden. Entgasen erfolgt durch Einführen einer Graphitlanze in die Schmelze. Die Lanze rotiert schnell, und Argon oder Stickstoff wird durch sie injiziert, dispergiert durch die geschmolzene Legierung. Das Argon oder Stickstoff bewegt gelösten Wasserstoff und andere Verunreinigungen an die Schmelzoberfläche. Wir entfernen diese Verunreinigung von der Oberfläche, bevor wir die Legierung in die Form gießen.

Viele Legierungen erfordern vor dem Gießen eine Modifikation. Diese erhöhen die Fließfähigkeit, verbessern das Gefüge, entfernen Verunreinigungen etc. Verwendete Materialien sind u. a. Titan-Bor, Kupfer-Phosphor, Strontium, Mangan etc.

3. Gießen

Nach Entgasen und Modifikation prüfen wir die Metalltemperatur, um sicherzustellen, dass sie ca. 30–65 °C (50–150 °F) über der gewünschten Gusstemperatur liegt. Die zusätzlichen 30–65 °C geben dem Metall genug Zeit, vor dem Erstarren während des Gießens durch das gesamte Teil zu fließen. Wir transportieren den Tiegel oder die Gießpfanne zu den Gießlinien und gießen das flüssige Metall in die vorbereiteten Formen. Der Hohlraum der Form entspricht der Form des gewünschten Endprodukts. Manchmal ist dieser Hohlraum ein Teil, manchmal mehrere einzelne Teile. Es ist zwingend, die Tiegellippe so nah wie möglich am Sandform zu halten, um die Geschwindigkeit des Metalls beim Eintritt in die Formkavität zu reduzieren.

4. Erstarren (Freezing)

Sobald die flüssige Schmelze in die Form gegossen ist, kühlt sie rasch ab. Wenn die Temperatur der flüssigen Schmelze unter den Schmelzpunkt des jeweiligen Metalls oder der Legierung fällt, beginnt der Erstarrungsprozess. Der Erstarrungsvorgang dauert meist nur wenige Minuten.

5. Erstarrung (Solidification) & Gefügeausbildung

Mit weiter fallender Temperatur verliert das flüssige Metall Energie, und Kristalle beginnen sich zu bilden. Dieser Prozess startet an den Formwänden, wo es zuerst abkühlt. Diese Kristalle werden schließlich zu Körnern in der endgültigen Struktur. Erstarrt das Metall langsam, sind die Körner länger. Kühlt es schnell ab, sind die Körner sichtbar kürzer. Die Kristalle (oder Dendrite) bilden und härten weiter aus, bis die gesamte Schmelze erstarrt ist.

Während der Erstarrung schwindet das Metall. Schwindung tritt auf, weil die meisten Metalle als Flüssigkeit weniger dicht sind als als Feststoff. Schwindung kann an der zuletzt erstarrenden Stelle einen Hohlraum erzeugen. Schwindungsfehler können durch Speiser und andere Techniken vermieden werden. Speiser, auch Nachspeiser genannt, sind in einen Gussform eingebaute Reservoirs, die Hohlräume im Gussstück verhindern helfen.

6. Entformen (Casting)

Sobald das Metall ausgehärtet ist, wird das abgekühlte Metallprodukt aus der Sandform entfernt oder ausgeschüttelt, um den Erstarrungsprozess abzuschließen. Das fertige Stück heißt Gussstück.

Obwohl verschiedene Gussverfahren unterschiedliche Geräte und Techniken einsetzen, durchlaufen alle den Metall-Erstarrungsprozess. Es braucht eine erfahrene und qualifizierte Gießerei, um diesen Prozess zu kontrollieren und Gussfehler zu vermeiden, die durch unsachgemäße Handhabung der Erstarrung entstehen.

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