Die 4 wesentlichen Phasen des Gussprozesses: Vom Modell bis zur Prüfung

Überblick über den Gussprozess

Der Gussprozess gliedert sich in vier Hauptphasen: Modell- und Formherstellung, Schmelzen und Gießen, Abkühlung und Erstarrung sowie Fehlererkennung und Prüfung. Jede Phase beeinflusst maßgeblich die Qualität des fertigen Gussstücks.

1. Modell- und Formherstellung

Ein Modell ist der Nachbau des gewünschten Gussstücks und dient zur Erzeugung der Formhöhle. Modelle bestehen aus Holz, Metall oder Kunststoff. Die Form (meist zweiteilig) besteht aus formfestem Sand (Grünsand, Trockensand) oder keramischen Massen. Sie enthält die Hauptformhöhle (Negativabbild des Teils) sowie sekundäre Hohlräume für Anguss, Speiser und Entgasung.

Formaufbau und Terminologie

• Flasken: Rahmen, in denen der Formsand verdichtet wird.
• Oberkasten (Kope) / Unterkasten (Drag): Bei zweiteiligen Formen.
• Kerne: Für innere Hohlräume; positioniert über Kernmarken am Modell.
• Trennmittel: Erleichtert das Modellentnehmen.
• Entlüftung: Entgasungsbohrungen im Oberkasten.

Modellzugaben (Allowances)

Das Modell muss größer als das Endmaß gefertigt werden, um Schwindung und Nachbearbeitung zu kompensieren:

• Schwindzugabe: Kompensiert die Volumenkontraktion beim Erstarren und Abkühlen (nur der feste Zustand: αₗ · l · (θ_f – θ₀)). Werte: Grauguss 7–10,5 mm/m, Stahl 20 mm/m, Al-Legierungen 13–16 mm/m.
• Bearbeitungszugabe: Für spanende Nachbearbeitung (ca. 3 mm für Stahl, 1,5 mm für NE-Metalle).
• Entformschräge (Draft): Konizität an senkrechten Flächen (0,5°–2°) für beschädigungsfreies Entformen.
• Verzugszugabe: Bei asymmetrischen Formen (U-Profile) wird das Modell gegensätzlich vorverformt.
• Klopfzugabe: Beim Herausklopfen des Modells erweitert sich die Form leicht; bei Präzisionsteilen wird das Modell etwas kleiner gefertigt.

Formherstellungsverfahren

• Handformung: Für Kleinserien und komplexe Formen.
• Maschinenformung: Jolten (Hebewerk), Pressen (Squeezing), Sandschleudern (Slinging) – für Großserien, hohe Gleichmäßigkeit.

2. Schmelzen und Gießen

Schmelzprozess und Gasproblematik

Qualität der Schmelze ist entscheidend. Gase (H₂, N₂) führen zu Porositäten. Metalle werden nach Wasserstofflöslichkeit eingeteilt:

• Endotherm (Al, Mg, Cu, Fe, Ni): Löslichkeit steigt mit Temperatur.
• Exotherm (Ti, Zr): Löslichkeit sinkt mit Temperatur.

Sievertsches Gesetz: Wasserstoffgehalt ∝ √p_H₂. Entgasung durch Spülen mit inertem Gas (Ar, N₂, Cl₂ für NE-Metalle; CO für Stahl). Vakuumschmelzen vermeidet Gasaufnahme gänzlich.

Ofenwahl und Fließfähigkeit

Ofenauswahl nach Legierung, Maximaltemperatur, Durchsatz und Rohmaterialform. Die Fließfähigkeit (Spiraltest) bestimmt den nötigen Überhitzungsgrad: Je höher die Fließfähigkeit, desto geringer die erforderliche Temperaturdifferenz zum Schmelzpunkt – das minimiert Gasaufnahme und Kosten.

Angussgestaltung (Gating Design)

Ziel: Turbulenzarme, vollständige Formfüllung ohne übermäßigen Temperaturverlust, Lufteinschlüsse und Schlackeeintrag. Optimaler Kompromiss zwischen zu langsamer Füllung (Früherstarrung) und zu hoher Geschwindigkeit (Formerosion).

3. Abkühlung und Erstarrung

Speiserdesign und -positionierung

Speiser (Riser) kompensieren die Erstarrungsschwindung (2,5–7,5 %). Sie müssen nach dem Gussstück erstarren. Maßgebend ist das Verhältnis Volumen/Oberfläche (V/A). Chvorinov-Regel: Erstarrzeit t ∝ (V/A)². Caine-Methode: Verhältnis der Erstarrzeiten (Speiser/Gussstück) bestimmt nötiges Speiservolumen.

Speiserpositionierung:

• Niedriges V/A (Würfel, Kugel): Ein zentraler Speiser genügt.
• Hohes V/A (Platten, Stäben): Mehrere Speiser nötig. Max. Speiserdistanz: Stahlplatte ≤ 4,5·t (t = Dicke); Quadratstab ≤ 30√s (s = Seitenlänge).
• Kälteinsätze (Chills): Erhöhen lokal die Abkühlrate, verlängern Speiserreichweite. Bei Einzelspeiser an den Enden, bei Mehrfachspeisung mittig zwischen den Speisern.
• Exotherme Speiserauflagen: Erzeugen Wärme, halten Speiser länger flüssig.

4. Gussfehler und Prüfung

Häufige Fehler im Sandguss

Fehler	Ursache	Gegenmaßnahme
Blasloch (Blow)	Gase verdrängen Schmelze an Kopenoberfläche	Ausreichende Entlüftung, permeabler Sand, Feuchtigkeitskontrolle
Narbe (Scar) / Blase (Blister)	Flache Blase / mit Metall überdeckte Narbe	Wie bei Blasloch
Gasloch / Porosität	Gelöste Gase / Löslichkeitsabfall bei Erstarrung	Entgasung, Vakuumschmelzen, sauberes Schmelzgut
Nadelöhr (Pinhole)	Kleine Blaslöcher, oft flächig verteilt	Feuchtigkeitsarme Formmassen, Entgasung
Einschluss (Inclusion / Dross)	Nichtmetallische Partikel / Oxide	Sieb, Skim Bob, sauberes Schmelzen, Bodenanguss
Sandanhaftung (Dirt) / Abbruch (Drop)	Sandkörner aus Kope / lose Sandeinschlüsse	Festiger Sand, Gaggers, kritische Flächen in Drag legen
Auswaschung (Wash)	Erosion durch schnellen Metallstrahl beim Bodenanguss	Geschwindigkeitsreduzierung, härtere Form
Aufwölbung (Buckle) / Ratten-schwanz (Rat tail)	Sandausdehnung bei Hochtemperaturguss	Flüchtige Zusätze im Sand (Ausdehnungspuffer)
Schuppe (Scab)	Aufgewölbter Sand, Metall fließt dazwischen	Sandfestigkeit, Zusätze
Eindringen (Penetration)	Metall dringt in Sandzwischenräume	Feinerer Sand, härteres Rammen, niedrigere Gießtemperatur
Aufblähen (Swell)	Hydrostatischer Druck bei hohem Feuchtegehalt	Optimale Feuchte, ausreichende Formfestigkeit
Fehlguss (Misrun) / Kaltnaht (Cold shut)	Zu niedrige Temperatur / Fließfähigkeit, dünne Wände	Erhöhte Überhitzung, größere Ingates, optimiertes Angussystem
Heißriss (Hot tear)	Zugspannungen bei behinderter Kontraktion	Rundungen (Radien), Vermeidung abrupter Querschnittswechsel, Chills
Schwindhöhle (Shrinkage cavity)	Unzureichende Speisung	Richtiges Speiserdesign (Caine, Chvorinov)
Versatz (Shift)	Fehlausrichtung von Formhälften oder Kernen	Präzise Passbolzen, sorgfältiges Schließen

Zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT)

• Sichtprüfung: Oberflächenrisse, Fehlstellen, Versatz.
• Druckprüfung: Für Druckbehälter (Wasser, Öl, Druckluft + Seifenlauge).
• Magnetpulverprüfung: Feinste Risse an/unter Oberfläche ferromagnetischer Werkstoffe.
• Farbindringprüfung: Oberflächenfehler an nichtmagnetischen Gussstücken (Fluoreszenz).
• Röntgen-/Gammastrahlenprüfung: Innere Fehler (Lunker, Einschlüsse, Porosität, Risse). Teuer, für Sicherheitsbauteile.
• Ultraschallprüfung: Laufzeitmessung reflektierter Schallwellen. Weniger geeignet für hochdämpfende Werkstoffe (Grauguss).