Sandguss: Prozess, Eigenschaften und industrielle Anwendungen

Prozessablauf des Sandgusses

Sandguss gewinnt durch Forschung stetig an Bedeutung. Es ist der einfachste, vielseitigste Weg, Metalle in Form zu bringen. Sand lässt sich in jede Form verdichten, ist hochpermeabel und hitzebeständig – komplexe Geometrien werden möglich, die sonst nicht gießbar wären. Für optimale Kosten/Qualität sind folgende Designregeln essenziell:

Automatisierte Gießsysteme

Trend zur vollautomatischen Gießerei (niedrigere Material-/Arbeitskosten, höhere Produktivität, Qualität, Arbeitsbedingungen). Induktionsgießöfen mit gesteuertem Schieber:

• Halten Temperatur und Legierungszusammensetzung konstant während Halten und Gießen
• Eliminieren Schlackeeintrag (Siphon-Düsen am Ofenboden → praktisch schlackenfreies Gießen)
• Dosieren Inokulanten/Legierungszusätze zeit- und mengengenau
• Passen Gießrate an Formaufnahmekapazität an
• Messen Gießgewicht exakt

Aufbau: Zylindrischer Ofen (feuerfest ausgekleidet), druckdichter Deckel, Flansch-Induktor, Schieber, Drucksteuerung. Füllen/Gießen über Siphon-Düsen. Druckgas drückt Schmelze durch Schieber in Düse; hält Düsenfüllstand konstant. Pneumatischer Servozylinder steuert Schieber nach Gießprogramm. Ofen verfährt in zwei Achsen (Längs/Quer) zur Formanlage. Hydraulische Kippvorrichtung für Restentleerung. Winkelinduktor wassergekühlt, leicht zugänglich. Niedrige Bauhöhe → keine Grube nötig. Mechanisch reinigbare Siphone. Magnesiumbehandlung → Oxidablagerungen an feuerfester Auskleidung; obere Siphonteile geflanscht für Reinigung.

Elektronische Gießüberwachung: Open-Loop (Teach-in) oder Closed-Loop (Formfüllstandsregelung). Zwischenpfannen (Kipp- oder Schiebersteuerung) steigern Produktivität bei Sonderanforderungen. Kontinuierlicher Betrieb durch ständige Schmelzbereithaltung.

Angussanlage (Gating System)

Anguss (Gate) = Eintrittsöffnung der Schmelze in die Form. Konventionell: Trennlinie oder tiefster Gussstückpunkt.

Aufgaben des Angussystems (Angussbecken, Angusskanal, Verteiler, Ingates):

1. Turbulenzarmes Einleiten der Schmelze (Vermeidung von Lufteinsaugung/Aspiration und Drossbildung)
2. Vollständiges Füllen mit minimaler Störung (Sauberkeit, geringe Oxidation)
3. Verteilung mit minimaler Erosion der Form (Sand-Einschlüsse vermeiden)
4. Abtrennung von Dross/Fremdstoffen (Skimming): Keine hindernisbildenden Anbauteile, keine dünnen Kerne/Trennwände, die absplittern könnten

Dicke Bereiche müssen über Speiser mit heißem Metall gegen Schwindung gespeist werden.

Anforderungen an ideales Angussystem

• Fördert Temperaturgradienten für gerichtete Erstarrung
• Minimale Eintrittsgeschwindigkeit, turbulenzfrei (Vermeidung Form-/Kernerosion)
• Angussystem mindestens so hart rammen wie Formhöhle
• Alle Teile gerundet, glatt, strömungsgünstig (Vermeidung Turbulenz, Erosion)
• Oxid-/Drossbildung vermeiden, lose Sandpartikel zurückhalten
• Verteiler über letztes Ingate hinaus verlängern (Drossfang der Erstschmelze)
• Schlacke/Dross aus Pfanne nicht in Formhöhle
• Luft/Gas-Einsaugung vermeiden: Ingate-Querschnitt so, dass Druck nirgends < Atmosphärendruck (hyperboloide Querschnittsform; praktikabel: konisch, oben weiter, unten enger)
• Angussbecken oben: dämpft Strahl, hält konstanten Angusskopf. Keramisches Sieb im Angusskanal (Drossabscheidung). Keramischer Splash Core am Kanalende (Erosionsschutz). Skim Bob im horizontalen Verteiler (schwere/leichte Verunreinigungen).

Gießsystem-Design

Ingate-Design: Größe/Lage → schnelles Füllen, richtige Rate, geringer Temp.-Verlust, keine Turbulenz, minimale Erosion, keine Gas-/Schlackeeinschlüsse, keine Abkühlrisse, leichte Entgratung ohne Gussstückschaden.

Großes Angussbecken oder Siebkern im Becken → ruhiger Eintritt, Dross/Sand zurückhalten.

Optimale Gießgeschwindigkeit: Zu langsam → Erstarrung vor Formfüllung (Übertemperatur nötig → Gasproblem). Zu schnell → Erosion. Kompromiss nötig.

Ingate-Typen:

• Obenanguss (Top Gating): Schmelze über Speiser/Kopf. Erosion durch fallende Schmelze → harte Form nötig. Heißes Metall oben → günstige Temperaturgradienten für gerichtete Erstarrung zum Speiser. Ingate kann als Speiser dienen. Für kleine/einfache Formen oder erosionsbeständige Formmaterialien. Nicht für leichte, oxidationsanfällige Metalle (Al, Mg) – Turbulenzgefahr.
• Trennlinien-Anguss (Parting Line Gating): Eintritt auf Trennlinien-Niveau. Horizontaler Anschluss. Skim Bob / Skim Gate zur Schlacke/Sand-Abscheidung möglich. Drossel (Choke) steuert Flussrate.
• Bodenanguss (Bottom Gating): Schmelze fließt in Drag, steigt sanft auf. Beste für große Stahlgussstücke. Minimale Turbulenz/Erosion. Längere Füllzeit. Gerichtete Erstarrung schwierig (Metall kühlt auf dem Weg zum Speiser stark ab).

Aspirationseffekt

Fehlerhaftes Design → hohe Geschwindigkeit → Druck < Atmosphäre → Formgase (organische Zersetzung) werden eingesogen → Porosität. Zwei kritische Stellen:

1. Angusskanal: Zylindrisch → Unterdruck an Engstelle. Lösung: Konischer, gekrümmter Verlauf (Bernoulli).
2. Richtungsänderung: Vena Contracta (Trägheit). Formkontur an Vena Contracta anpassen (Profil nach Strömungsquerschnitt).

Angussverhältnis (Gating Ratio)

Verhältnis Angussquerschnitt : Gesamt-Verteilerquerschnitt : Gesamt-Ingate-Querschnitt.

• Drucksystem (z. B. 4:3:2): Rückstaudruck durch Drossel an Ingates. System bleibt metallgefüllt. Minimiert Luftaspiration. Geringeres Systemvolumen → höhere Ausbeute. Gefahr: Turbulenzen an Ecken → Eintrag, Dross, Erosion (sorgfältiges Streamlining nötig). Für Stahl, Eisen, Messing.
• Druckloses System (z. B. 1:3:3, 1:2:2): Hauptrestriktion am/nahe Anguss. Für leichte, oxidierbare Metalle (Al, Mg) – Turbulenzminimierung durch Verlangsamung. Sorgfältiges Design nötig: Drag-Verteiler, Cope-Ingates halten System voll; Streamlining gegen Ablösung/Aspiration essenziell.

Gerichtete Erstarrung (Directional Solidification)

Erstarrung schreitet von dünnsten Abschnitten (erst erstarrt) zu Speisern (zuletzt erstarrt) fort → Lunker werden mit flüssigem Metall gefüllt. Sicherstellung durch:

• Richtiges Anguss-/Speiser-Design und -Position
• Materialauftrag (Padding) an kritischen Stellen
• Exotherme Mittel in Speisern / Anstrichsand
• Chills in Form

Verunreinigungsverhinderung

1. Ausreichend dimensioniertes Angussbecken: bricht Strahlkraft, regelt Eintrittsrate, verhindert Turbulenz
2. Keramisches Sieb im Angusskanal: hält Dross zurück
3. Keramischer Splash Core am Angusskanalende: verhindert Sanderosion
4. Strömungsgünstige Ecken (keine scharfen Kanten, keine Totzonen)
5. Skim Bob: fängt schwere und leichte Verunreinigungen

Wanddicken-Minima

Begrenzt durch Erstarrungstemperatur und Fließfähigkeit. Richtwerte (einfaches Design): Gusseisen 3 mm, Temperguss 2,25 mm, Stahl 6 mm, Messing/Bronze 2,25 mm, Al 3 mm. Längere Fließwege → größere Dicken. Komplexe Kavitäten → höhere Mindestdicken. Gleichmäßige Wandstärken zwischen Hauptkörper und Ansätzen (Bosses/Lugs) für sichere Speisung.

Speiser (Risering)

Öffnung im Oberkasten über höchstem Gussstückpunkt. Visuelle Füllkontrolle. Funktion: Speiser (Schwindungsausgleich), Temperaturgradienten-Regler (gerichtete Erstarrung), Gas-/Dampfentweichung.

• Mehrere Speiser bei dünnwandigen Gussstücken für höhere Sicherheit
• Speiser muss letztes erstarren
• Volumen 25–55 % des Gussstücks (legierungsabhängig)
• Position: oberster Punkt des zu speisenden Abschnitts
• Anbindung über Hals (Gate) → leichte Entfernung nach Erstarren

Speiserdesign

Ohne Speiser: Erstarrung von Wänden nach innen → zentrale Schwindlunker + unerwünschte Spannungen. Speiser liefert flüssiges Metall. Bedingungen: groß genug (nach Gussstück erstarrt), ausreichend Metall (Schwindungsausgleich), Positionierung für durchgehende Speisung.

Speiserform und -dimensionierung

• Effizienteste Form: Zylinder (minimale Oberfläche → minimale Wärmeabfuhr). Höhe:Durchmesser = 1:1 bis 3:2. Höhe so, dass eventueller Lunker (Pipe) nicht in Gussstück reicht.
• Chvorinov-Regel: tₛ ∝ (V/A)² → Speiser (V/A) > Gussstück (V/A).
• Caine-Methode: Relative Erstarrzeit (Gussstück/Speiser) vs. relatives Volumen (hyperbolische Kurve, Abb. 3.49). Parameter: a (Erstarrkonstante), b (Schwindung Flüssig→Fest), c (Medienkonstante, =1 bei gleichem Formmaterial). Stahl: a=0,1, b=0,03.
• Formfaktor-Methode (Abb. 3.32): (l+w)/h statt A/V für komplexe Formen. Parasitärvolumen bei Anbauteilen.

Speiserpositionierung und Speiserdistanz

• Niedriges A/V (Würfel, Kugel): Ein zentraler Speiser genügt.
• Hohes A/V (Stäbe, Platten): Mehrere Speiser nötig.
• Stahlplatte ≤100 mm: Zentraler Speiser OK bei Speiserdistanz < 4,5·t (vom Speiserrand). Abstand benachbarter Speiserränder < 4·t (nicht 9·t!). Gradient: Speisergradient bis 2·t, Endwandgradient 2,5·t.
• Quadratstab (50–200 mm): Zentraler Speiser bis 30√s (s in mm). Speiserrandabstand < 1,2·s.
• Chills: Erhöhen Speiserdistanz (scharfer Gradient → geringerer Speisewiderstand). Einzelspeiser: Chills an Enden. Mehrfach: Chills mittig zwischen Speisern.
• Exotherme Speiserauflagen (Fe-, Cr-, Ni-, Cu-Oxide + Al-Pulver): Reaktion mit Schmelze → Wärme → Speiser länger flüssig. Als Zugabe auf Schmelze oder in Speiserwand-Sand.
• Isolierpads/-hülsen an Speisern konservieren Wärme.

Erstarrungseinfluss auf Gussstückdesign

Querschnitt muss zum Speiser hin verjüngen (oben dicker, unten dünner), damit progressive Erstarrung (von Wänden nach innen) nicht schneller verläuft als gerichtete Erstarrung (zum Speiser) → sonst Mittellunker/Großlunker.

Querschnittsproportionierung

Weniger kritisch als Nahtdesign, wenn Speisung gesichert. Nahe Speiser: Wanddicken 80–120 % des Nachbarquerschnitts. Fern vom Speiser: größere Abweichungen möglich.

Knotenpunkte und Schwindung

L-, T-, Y-, X-Knoten und abrupte Dickenänderungen → Heißstellen (größere Masse). Gerichtete Erstarrung läuft auf Heißstelle zu → diese speist Schenkel → Schwindlunker im Knoten.

Lösung: Querschnittsangleichung oder Chills an massereichen Zonen. Wenn unvermeidbar: Foundry steuert über Speiserposition, Gießgeschwindigkeit, heißes Speisermetall, Formmaterial-Wärmeleitfähigkeit.

Radien (Fillets)

Ausreichende Radien an allen Knoten erhöhen Festigkeit und Dichtigkeit erheblich. Radius ≤ Wanddicke. Abhängig von Legierung, Wanddicke, Bauteilgröße.

Heißrissvermeidung

Temperaturgradienten → unterschiedliche Kontraktion → Spannungen > Sandwiderstand → Bruch. Vermeidung: Gutes Design (keine abrupten Querschnittswechsel, scharfen Winkel, ungleichmäßige Stege an Flanschen).

Gasvermeidung im Gussstück

Gaslöcher (groß, wenige), Nadelöcher (klein, viele, oben), Mikroporosität (verteilt). Richtiges Speiserdesign + ausreichende Entlüftung permeabler Formen essenziell. Gelöste Gase in Schmelze: Vakuumschmelzen, Vakuumentgasung (Niederdruckkammer).

Eigenschaften von Sandgussstücken

1. Nicht-Gleichgewichts-Erstarrung → Kaltriß-Gefahr bei unsorgfältigem Design. Schwindung durch gerichtete Erstarrung (Verjüngungen, Chills, Heißstellenreduktion) beherrschbar.
2. Schlechte Oberflächenqualität. Beeinflusst durch Modelloberfläche, Sandstruktur, Formanstriche, Entlüftung, Reinigungszugang vor Formschluss.
3. Porös → nicht für Druckbehälter geeignet (allgemein bis 10 kg/cm²).
4. Gefüge locker → geringere Festigkeit als Schmiedeprodukte.
5. Geringere Dichte (Körner nicht dicht) → geringere Festigkeit.
6. Gute Härte. Innenspannungen vermeidbar durch Vermeidung scharfer Ecken/physischer Zwänge.
7. Schlechte Duktilität.
8. Geeignet für mittlere/große Gussstücke, ungeeignet für dünne Wandungen.
9. Vorteilhaft bei hohen Schmelztemperaturen.
10. Geringe Kosten (billige Sandformen).
11. Innere Gesundheit durch Minimierung Gasentwicklung bei Erstarrung und Vermeidung Turbulenz beim Gießen. Physischer Zwang → Heißrisse.