FormSand erklärt: Arten, Eigenschaften und Einsatz im Gießereiwesen

Was ist FormSand?

FormSand, auch Gießereisand genannt, ist Sand, der bei Befeuchtung und Verdichtung, Ölung oder Erhitzen gut zusammenhält und seine Form behält. Er wird im Sandgussverfahren zur Herstellung der Formhöhle verwendet.

Das wichtigste Rohmaterial im Formenbau ist FormSand, da er mehrere wesentliche Eigenschaften bietet, die sich mit anderen Materialien nicht erzielen lassen. FormSand wird als körnige Partikel definiert, die durch die Einwirkung natürlicher Kräfte wie Frost, Wind, Regen, Hitze und Wasserströmungen aus Gestein entstehen. Da Gestein eine komplexe Zusammensetzung hat, enthält Sand die meisten Elemente des Ausgangsgesteins.

Aus diesem Grund unterscheidet sich FormSand in verschiedenen Teilen der Welt erheblich. In der Natur findet man ihn an Fluss- und Seeböden sowie -ufern. FormSand wird je nach Herkunft in verschiedene Kategorien eingeteilt.

Die Hauptbestandteile von FormSanden sind:

• Kieselsäure (SiO₂) — 86 bis 90 %
• Aluminiumoxid (Al₂O₃) — 4 bis 8 %
• Eisenoxid (Fe₂O₃) — 2 bis 5 % sowie geringere Mengen an Ti-, Mn-, Ca-Oxiden und einigen alkalischen Verbindungen

Natursand / Grünsand

Er wird auch Grünsand genannt und aus natürlichen Vorkommen gewonnen. Er enthält Wasser als einziges Bindemittel. Vorteile sind die langfristige Erhaltung des Feuchtigkeitsgehalts, ein breiter Arbeitsbereich bezüglich der Feuchtigkeit sowie einfaches Ausbessern und Nachbearbeiten von Formen.

Grünsand ist ein Gemisch aus Sand, Bentonit, Steinkohlenstaub und Wasser. Hauptanwendungsgebiet ist der Formenbau für den Metallguss. Der größte Anteil ist stets Sand, oft ein gleichmäßiges Gemisch einer Quarzform.

Es gibt viele Rezepturen für den Tonanteil, die unterschiedliche Kompromisse zwischen Formbarkeit, Oberflächengüte und Entgasungsfähigkeit der heißen Schmelze eingehen. Der Kohlenstoff (oft als Seekohle bezeichnet), der zu unter 5 % vorhanden ist, verbrennt teilweise an der Oberfläche des flüssigen Metalls und führt zur Abgabe organischer Dämpfe.

Sandguss ist aufgrund der einfachen Materialien eines der ältesten Gussverfahren und bleibt eine der kostengünstigsten Methoden. Andere Verfahren wie der Kokillenguss bieten zwar höhere Oberflächenqualität, sind aber teurer.

Grünsand (wie andere Gießereisande) wird in sogenannten „Kästen“ aufbewahrt – Kisten ohne Boden und Deckel. Der Kasten wird in zwei Hälften geteilt, die beim Gebrauch übereinander gestapelt werden. Die Hälften heißen Oberkasten (Kope) und Unterkasten (Drag).

Nicht jeder Grünsand ist grün gefärbt. „Grün“ bedeutet hier, dass er im feuchten Zustand verwendet wird (vergleichbar mit „grünem“ Holz). Laut Cast Metals Federation ist eine alternative Methode das Trocknen des formierten Sands vor dem Gießen. Dieses Trockensandgussverfahren ergibt eine festere Form, die sich besser für schwere Gussteile eignet.

Kunstsand

Künstlicher Sand, hergestellt durch Mischen von relativ tonfreiem Sand, Bindemittel (Wasser und Bentonit) und weiteren Zusätzen nach Bedarf. Er eignet sich besser als FormSand, da seine Eigenschaften durch Variation der Mischungsanteile leicht kontrollierbar sind.

Zusammensetzung von grünem Kunstsand für Stahlguss:

Neuquarzsand — 25 %, Altsand — 70 %, Bentonit — 1,5 %, Dextrin — 0,25 %, Feuchtigkeit — 3 bis 3,5 %.

Zusammensetzung von trockenem Kunstsand für Stahlguss:

Neuquarzsand — 15 %, Altsand — 84 %, Bentonit — 0,5 %, Feuchtigkeit — 0,5 %.

Zusätzlich gibt es Spezialsande wie Zirkonit, Olivin etc. Diese sind teurer als Quarzsand und werden nur dort eingesetzt, wo ihre Verwendung gerechtfertigt ist.

Arten von FormSand

FormSande lassen sich nach Verwendungszweck in verschiedene Typen einteilen: Hinterfüllsand, Kernsand, Trockensand, Anschnittsand, Grünsand, Lehmsand, TrennSand, Systemsand.

1. Hinterfüllsand / Bodensand

Hinterfüllsand stützt den Anschnittsand und füllt das gesamte Volumen des Formkastens. Er wird manchmal SchwarzSand genannt, da alter, mehrfach verwendeter FormSand durch Kohlenstaubzugabe und Verbrennen beim Kontakt mit der Schmelze schwarz wird.

2. Kernsand

Kernsand dient der Kernherstellung und wird auch Ölsand genannt. Er besteht aus hochreinem Quarzsand mit Ölbindern wie Kernöl (Leinöl, Harz, leichtes Mineralöl und weitere Bindemittel). Pech, Mehl und Wasser können bei großen Kernen aus wirtschaftlichen Gründen ebenfalls verwendet werden.

3. Trockensand

Grünsand, der nach dem Formen und Kernen in einem geeigneten Ofen getrocknet oder gebrannt wurde. Er besitzt höhere Festigkeit, Steifigkeit und thermische Stabilität. Trockensand wird 주로 für größere Gussteile verwendet. Damit hergestellte Formen heißen Trockensandformen.

4. Anschnittsand

Anschnittsand bildet die Formoberfläche direkt am Modell und kommt beim Gießen mit der Schmelze in Kontakt. Er gibt die erste Beschichtung um das Modell und damit die Formoberfläche. Anschnittsand besitzt hohe Festigkeit und Feuerfestigkeit. Er besteht aus Quarzsand und Ton, ohne Verwendung von Regeneratsand.

Verschiedene Kohlenstoffformen werden dem Anschnittsand beigemischt, um das Einbrennen des Metalls in den Sand zu verhindern. Eine Anschnittsandmischung für Grünsand bei Grauguss kann aus 25 % frischem, speziell vorbereitetem Sand und 5 % Seekohle bestehen.

Er wird oft mit dem 6- bis 15-fachen an feinem FormSand gemischt. Die Anschnittsandschicht in einer Form beträgt meist 20–30 mm. 10 bis 15 % der gesamten FormSandmenge sind Anschnittsand.

5. Grünsand

Grünsand (auch temperierter oder Natursand) ist ein frisch angemischtes Gemisch aus Quarzsand mit 18 bis 30 % Ton und 6 bis 8 % Feuchtigkeit. Ton und Wasser sorgen für die Bindung. Er ist fein, weich, leicht und porös.

Grünsand ist feucht, behält beim Zusammendrücken Form und Eindruck. Damit hergestellte Formen benötigen keine Hinterfüllung und heißen Grünsandformen.

Grünsand ist leicht verfügbar und kostengünstig. Er wird häufig für die Herstellung von Eisen- und Nichteisenguss eingesetzt.

6. Lehmsand

Lehmsand ist ein Gemisch aus Sand und Ton mit Wasser zu einer dünnplastischen Paste. Er enthält 30–50 % Ton und 18 % Wasser. Für Lehmsandformen werden keine Modelle verwendet; die Formgestaltung erfolgt über Schablonen (Sweeps). Lehmsand wird besonders für große Graugussteile eingesetzt.

7. TrennSand

TrennSand ohne Bindemittel und Feuchtigkeit verhindert, dass Grünsand am Modell klebt, und ermöglicht das Trennen von Ober- und Unterkasten ohne Anhaften. Er ist reiner, tonfreier Quarzsand und erfüllt denselben Zweck wie TrennPuder.

8. Systemsand

In mechanisierten Gießereien mit Maschinenformbau wird Systemsand verwendet, um den gesamten Formkasten zu füllen. Bei maschineller Sandaufbereitung und -handhabung wird kein Anschnittsand verwendet. Der gebrauchte Sand wird gereinigt und durch Zugabe von Wasser und speziellen Zusätzen reaktiviert.

Dies nennt man Systemsand. Da die gesamte Form daraus besteht, müssen Eigenschaften wie Festigkeit, Gasdurchlässigkeit und Feuerfestigkeit höher sein als bei Hinterfüllsand.

Eigenschaften von FormSand

Die grundlegenden Eigenschaften von FormSand und Kernsand sind: Haftfähigkeit, Zusammenhalt, Kollabierbarkeit, Fließfähigkeit, Trockenfestigkeit, Grünfestigkeit, Gasdurchlässigkeit, Feuerfestigkeit – im Detail:

1. Haftfähigkeit

Eigenschaft des FormSands, an fremde Materialien zu haften, z. B. an der Innenwand des Formkastens.

2. Zusammenhalt

Eigenschaft, durch die Sandkörner miteinander wechselwirken und sich anziehen. Dadurch steigt die Bindekapazität, was Grünfestigkeit, Trockenfestigkeit und Heißfestigkeit von Form- und Kernsand verbessert.

3. Kollabierbarkeit

Nach Erstarren der Schmelze muss der Sandform kollabieren können, damit die freie Kontraktion des Metalls erfolgt und Risse im Gussstück vermieden werden. Fehlt diese Eigenschaft, behindert die Form die Kontraktion und verursacht Risse. Besonders wichtig bei Kernen.

4. Trockenfestigkeit

Beim Eingießen verdampft die Feuchtigkeit in der dem heißen Metall zugewandten Sandschicht. Diese trockene Schicht muss ausreichend Festigkeit besitzen, um ihre Form zu halten und Erosion der Formwand durch die fließende Schmelze zu verhindern. Trockenfestigkeit verhindert auch die Ausweitung der Formhöhle durch metallostatischen Druck der flüssigen Schmelze.

5. Fließfähigkeit / Plastizität

Fähigkeit des Sands, sich zu verdichten und flüssig zu verhalten. Er fließt beim Verdichten gleichmäßig in alle Bereiche des Modells und verteilt den Verdichtungsdruck rundum gleichmäßig.

Sandkörner widerstehen grundsätzlich der Bewegung um Ecken und Vorsprünge. Fließfähigkeit steigt mit abnehmender Grünfestigkeit und umgekehrt. Sie nimmt mit abnehmender Korngröße zu und variiert mit Feuchtigkeits- und Tongehalt.

6. Grünfestigkeit

Der Grünsand nach Wasserzugabe muss ausreichend Festigkeit und Zähigkeit für Formbau und -handhabung besitzen. Sandkörner müssen haftfähig sein (an Kastenwände haften) und Zusammenhalt besitzen (aneinander haften). Dadurch lässt sich das Modell ohne Formbruch entnehmen, und Erosion der Formwände beim Schmelzefluss wird verhindert.

Grünfestigkeit hängt auch von Kornform und -größe, Tonart und -menge sowie Feuchtigkeitsgehalt ab.

7. Gasdurchlässigkeit

Auch Porosität genannt: Fähigkeit des FormSands, Luft, Gase oder Feuchtigkeit entweichen zu lassen, die beim Eingießen in der Form vorhanden oder entstehen. Alle bei Gießen und Erstarren entstehenden Gase müssen entweichen, sonst wird das Gussstück fehlerhaft.

Gasdurchlässigkeit hängt von Korngröße, Kornform, Feuchtigkeits- und Tongehalt ab. Der Verdichtungsgrad beeinflusst sie direkt. Sie kann durch Entlüftung mit Entlüftungsstiften weiter erhöht werden.

8. Feuerfestigkeit

Fähigkeit des FormSands, hohen Temperaturen standzuhalten, ohne abzubauen oder zu verschmelzen – Voraussetzung für fehlerfreie Gussstücke. Sehr wichtige Eigenschaft. Feuerfestigkeit lässt sich nur begrenzt steigern.

FormSand mit schlechter Feuerfestigkeit brennt auf der Gussstückoberfläche an; glatte Oberflächen sind nicht erreichbar. Der Grad hängt vom SiO₂-Gehalt (Quarz), Kornform und -größe ab. Je höher der SiO₂-Gehalt und je rauer die Kornvolumenzusammensetzung, desto höher die Feuerfestigkeit. Gemessen wird am Sinternpunkt, nicht am Schmelzpunkt.

9. Weitere Eigenschaften

Zusätzlich sollte FormSand nicht am Gussstück haften, nicht chemisch mit dem Metall reagieren, wirtschaftlich günstig und natürlich verfügbar sein. Wiederverwendbarkeit aus wirtschaftlichen Gründen ist erforderlich. Der Wärmeausdehnungskoeffizient sollte ausreichend niedrig sein.