Formsand im Metallguss: Arten, Bestandteile und entscheidende Eigenschaften
Definition und Hauptbestandteile
Formsand ist das primäre Formmaterial im Sandguss. Er entsteht durch natürliche Verwitterung von Gestein (Frost, Wind, Wasser) und enthält dessen Elementzusammensetzung. Hauptbestandteile (Gew.-%):
- Siliciumdioxid (SiO₂) – 86 bis 90 %
- Aluminiumoxid (Al₂O₃) – 4 bis 8 % (Tonminerale)
- Eisenoxid (Fe₂O₃) – 2 bis 5 %
- Titan-, Mangan-, Calciumoxide sowie alkalische Verbindungen in Spuren
Vorkommen: Fluss- und Seeböden. Weltweit unterschiedliche Zusammensetzung.
Natursand vs. Synthetischer Sand
- Natursand (Grünsand): Direkt gewonnen, Wasser als einziges Bindemittel. Vorteile: Lange Feuchtebeständigkeit, breites Feuchte-Arbeitsfenster, leichtes Ausbessern.
- Synthetischer Sand: Gemisch aus tonfreiem Quarzsand, Bindemittel (Wasser + Bentonit) und Zusätzen. Eigenschaften gezielt einstellbar. Beispielrezeptur für Stahlguss (Grünsand): 25 % Neusand, 70 % Altsand, 1,5 % Bentonit, 0,25 % Dextrin, 3–3,5 % Feuchte. Trockensand: 15 % Neusand, 84 % Altsand, 0,5 % Bentonit, 0,5 % Feuchte.
Spezialsande (Zirkonit, Oliven) – teurer, nur bei hoher thermischer/chemischer Beanspruchung.
Arten von Formsand nach Verwendungszweck
| Typ | Zusammensetzung / Eigenschaften | Anwendung |
|---|---|---|
| Grünsand | Natürlicher Feuchtezustand: 18–30 % Ton, 6–8 % Wasser. Fein, weich, porös. Behält Form unter Druck. | Kleine/mittlere Gussstücke, hohe Stückzahlen (kein Trocknen nötig). Kohlenstaubzugabe gegen Fehler. |
| Trockensand | Grünsand getrocknet/gebacken (Feuchte ~0). Stärker, kompakter. Weniger Entlüftung nötig. Grobkörniger Sand + Mist für Schwereinsätze. | Großgussstücke, Stahlguss. |
| Lehmsand (Loam) | Ton-Sand-Brei (bis 50 % Ton), feuerfest, klebrig. Langsame Trocknung. Hackstreu/Mist als Bindung. | Große, regelmäßig geformte Hohlkörper (Chemiepfannen, Trommeln). |
| Anstrichsand (Facing Sand) | Direkt am Modell, kontaktiert Schmelze. Hohe Festigkeit, Feuerfestigkeit. Quarzsand + Ton, ohne Altsand. Kohlenstoffhaltige Anstrichmittel (Graphit, Plumbago) gegen Anbrennen. | Schichtdicke 20–30 mm, 10–15 % der Sandmenge. |
| Rückstandsand (Backing Sand) | Wiederverwendeter, schwärzlicher Sand (Kohlenstaub, angebrannter Ton). Geringere Bindung (gerundete Körner, Tonverlust). | Hinterfüllung hinter Anstrichschicht. |
| System Sand | Für Maschinenformung: höhere Festigkeit, Permeabilität, Feuerfestigkeit als Rückstandsand. | Vollautomatische Formanlagen. |
| TrennSand (Parting Sand) | Feiner, trockener, tonfreier Quarzsand (oder angebrannter Kernsand). Verhindert Anbacken von Kope/Drag und Sand am Modell. | Trennschicht zwischen Formhälften. |
| Kernsand | Quarzsand + Kernöl (Leinöl, Kolophonium, Mineralöl) oder Pech/Mehl+Wasser (Großkerne). | Kernherstellung. |
| CO₂-Sand | Quarzsand mit Natriumsilikat-Beschichtung. Aushärtung durch CO₂-Durchströmung (~1 Min). Hohe Festigkeit. | Schnelle Formherstellung, Kernfertigung. |
| Shell-Sand (Croning) | Kunstharzbeschichteter Sand (Phenol-/Harnstoff-Formaldehyd). Aushärtung an beheiztem Modell → dünne, feste Schale. Kein Hinterfüllsand nötig. | Präzisionsguss, dünnwandige Teile. |
| Formanstriche (Mould Washes) | Keramische Schlämme (feine Körner). Minimieren Anbrennen, glätten Oberfläche (Porenschluss). | Oberflächenveredelung der Formhöhle. |
Die drei Hauptkonstanten und ihre Wirkung
Quarzsand (SiO₂)
80–90 % SiO₂, hoher Erweichungspunkt, thermisch stabil. Verleiht Feuerfestigkeit, Chemische Beständigkeit, Permeabilität. Korngröße (fein/mittel/grob) und -form (rund, subkantig, kantig, zusammengesetzt) steuern Festigkeit vs. Gasdurchlässigkeit: Fein → gute Oberfläche, geringe Permeabilität; Grob → hohe Permeabilität; Kantig → hohe Festigkeit; Rund → hohe Permeabilität, geringe Festigkeit.
Ton (Bindemittel)
Entsteht aus Feldspatverwitterung. Im feuchten Zustand plastisch → Bindungskraft; getrocknet → Festigkeit. Anteil im Rochsand 6–10 %. Besteht aus Feinschlamm (keine Bindung) und eigentlichem Ton. Zu viel Ton → Rissbildung beim Trocknen.
Feuchte
Grünsand: 3–5 % Feuchte. Trockensand: mehr Wasser beim Formen (förderte Trockenfestigkeit nach Lagerung). Kohlenstaubzugabe: öffnet Sandgefüge, kühlt Form, bildet CO₂-Schutzfilm gegen Metall-Sand-Reaktion.
Kenngrößen der Formsandqualität
Druckfestigkeit, Permeabilität (Gasdurchlass), Verformung, Fließfähigkeit (Rammverhalten), Feuerfestigkeit. Abhängigkeit von Feuchtegehalt (bei festem Sand-Ton-Verhältnis) ist charakteristisch (Optimumsfeuchte für maximale Festigkeit).
Industrietechnik
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