Expertenleitfaden zur Konstruktion von Angussystemen für den Metallguss

Grundlagen der Angussystem-Konstruktion

Die Gestaltung eines Angussystems ist entscheidend für die Qualität von Gussstücken. Sie hängt maßgeblich von der Legierungsart und dem Formmaterial ab. Ein gut dimensioniertes Angussystem gewährleistet einen turbulenzarmen Formfüllvorgang, verhindert Lufteinschlüsse und Oxidbildung (Schlacke) und ermöglicht eine gezielte gerichtete Erstarrung.

Klassifizierung der Angussysteme

Man unterscheidet drei grundlegende Bauarten:

• Vertikales Angießen: Das flüssige Metall wird von oben in die Form gegossen. Einfache Konstruktion, aber Gefahr von Spritzern und Oxidation.
• Bodenanguss (Bottom Gating): Das Metall strömt von unten nach oben in die Form. Verhindert Spritzer und Oxidation, erfordert jedoch längere Füllzeiten.
• Horizontales Angussystem: Zusätzliche horizontale Verteilkanäle sorgen für eine gleichmäßige, turbulenzarme Verteilung des Metallstroms in komplexe Formhöhlen.

Strömungsmechanische Berechnung der Füllzeit

Anhand des Bernoulli-Gleichung lässt sich die Füllzeit für einfache Geometrien abschätzen. Für den vertikalen Anguss (Abb. 2.6a) gilt unter Vernachlässigung von Reibungsverlusten und konstanter Anlaufhöhe:

v = √[2g(hₜ – h)]

wobei v die Austrittsgeschwindigkeit am Ingate, hₜ die gesamte metallstatische Höhe und h der momentane Metallspiegel in der Form ist. Aus der Kontinuitätsgleichung Aₘ dh = A_g v dt ergibt sich die Füllzeit durch Integration.

Aspirationseffekt und Vena Contracta

Bei gasdurchlässigen Formen (z. B. Sandformen) darf der Druck im Metallstrom nicht unter Atmosphärendruck fallen, da sonst Formgase in die Schmelze eingesogen werden und Gasporositäten verursachen (Aspirationseffekt). Kritisch sind:

• Der Angusskanal: Ein konischer, nach unten sich verjüngender Anguss (statt zylindrisch) verhindert Unterdruck an der engsten Stelle.
• Plötzliche Richtungsänderungen: Durch die Trägheit des Metallstroms bildet sich eine Vena Contracta (Strömungsquerschnittsverengung). Die Formkontur muss dieser angepasst sein (Verhältnis Eintrittsdurchmesser zu Auslassdurchmesser ≈ 1,3), um Vakuumbildung zu vermeiden.

Bauteile zur Schmelzereinhaltung

Ein sauberes Gussstück erfordert zusätzliche Elemente im Angussystem:

• Angussbecken (Pouring Basin): Dämpft die Erosionskraft des Metallstroms aus dem Ofen und hält den Angussdruck konstant.
• Keramisches Sieb (Strainer): Im Angusskanon platziert, hält es Schlacke und Oxide (Dross) zurück.
• Splash Core: Keramischer Prallkörper am Ende des Angusskanals, der die Strahlkraft weiter reduziert.
• Skim Bob: Ein Fangtopf im horizontalen Verteilerkanal, der sowohl schwerere (Schlacke) als auch leichtere Verunreinigungen (Oxide) abtrennt.

Einfluss von Reibung und Geschwindigkeitsverteilung

In der Realität herrschen keine ideale Plug-Flow-Verhältnisse. Die Geschwindigkeitsverteilung ist parabolisch (Null an der Wand, Maximum in der Achse) und hängt von der Strömungsart (laminar/turbulent) und Kanalgeometrie ab. Reibungsverluste – besonders bei plötzlichen Querschnittsänderungen – verlängern die Füllzeit und reduzieren die effektive Anlaufhöhe. Korrekturfaktoren (z. B. Strömungskoeffizienten) müssen in die Berechnungen einfließen.