Präzisionsguss: Wichtige Einblicke in Schmelzen, Entgasen & Formschalen-Luftdurchlässigkeit

Luftdurchlässigkeit ist ein wichtiger Leistungsindex von Präzisionsguss-Formschalen. Sie hat großen Einfluss auf Präzisionsgussstücke. So lässt sich unvollständiges Ausfüllen der Gussstücke (einschließlich unvollständiger Form und abgerundeter Ecken) oft auf mangelnde Luftdurchlässigkeit der Formschale zurückführen. Zudem ist die Luftdurchlässigkeit ein wichtiger Faktor für die Entwachsqualität.

Gasquellen

In Metallen lösliche Gase: hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff. Während des Schmelzprozesses sind die Hauptgasquellen:

• Ofengas: Beim Nicht-Vakuum-Schmelzen Hauptgasquelle im Metall. Neben Sauerstoff und Stickstoff enthält Ofengas Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Kohlenwasserstoffe. Die Zusammensetzung variiert mit Brennstoff und Verbrennungsbedingungen; z. B. enthalten Wannen- oder Tiegelöfen mit Schweröl oder Gas oft 5–10 % Wasserdampf und mehr Wasserstoff, Kohlenmonoxid etc.
• Ofenbeschickung: Die meisten elektrolytischen Metalloberflächen weisen Restelektrolyte auf; Rücklaufmaterialien aus der Verarbeitung enthalten Öl, Wasser, Emulsion etc. Fremdschrotte bringen Wasserkorrosion, Rost etc. mit. Besonders bei Freilagerung und Feuchtesaison adsorbiert Feuchtigkeit auf der Beschickungsoberfläche – erhöht Wasserstoffaufnahme beim Schmelzen.
• Feuerfestmaterial: Enthaltene Feuchtigkeit fördert Metallgaseinlagerung, besonders bei Neuanlauf eines Ofens.
• Flussmittel: Viele enthalten Feuchtigkeit, manche (Holzkohle, Reiskleie) adsorbierte Feuchtigkeit, andere (Borax) Kristallwasser. Zur Reduktion der Gasquellen sollten Flussmittel getrocknet oder entwässert werden.
• Bedienwerkzeuge: Unvollständiges Vorheizen erhöht den Gasgehalt des Metalls.

Lösungsprozess & Gaslöslichkeit

Gaslöslichkeit im Metall: Im festen Zustand sehr gering. Mit Temperaturanstieg steigt sie langsam, am Schmelzpunkt sprunghaft. Weitere Erhitzung der Schmelze erhöht die Löslichkeit bis zum Maximum, dann fällt sie ab. Am Siedepunkt des Metalls ist die Gaslöslichkeit nahezu null.

Einfluss von Legierungselementen auf Wasserstofflöslichkeit in Kupferlegierungen: Cu+Ni > Cu+Pb > Cu+Ag > Cu+Au > Cu+Sn > Cu+Al. Einige Elemente (Nickel) binden Gas stärker und erhöhen die Löslichkeit in der Legierung; andere (Aluminium, Zinn) verringern sie.

Entgasungsmethoden

Gas-Entgasung: Inertes Gas (N₂) oder aktives Gas (Cl₂). Je kleiner die Blasen, je mehr und je gleichmäßiger die Verteilung, desto besser die Entgasung. Durch hohe Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen ist die Verweilzeit in der Schmelze kurz, Blasen verteilen sich nicht gleichmäßig – vollständige Entgasung damit schwierig. Mit sinkendem Wasserstoffgehalt nimmt Entgaskapazität stark ab.

Flussmittel-Entgasung: Thermische Zersetzung von Schmelzsalzen oder Austauschreaktion mit dem Metall erzeugt flüchtige, in der Schmelze unlösliche Blasen, die Wasserstoff entfernen. Beispiel: Kryolith-Flussmittel für Aluminiumbronze; Flussspat, Borax, Calciumcarbonat für Kupfer-Nickel- und Nickellegierungen. Zur Verbesserung kann trockener Stickstoff pulverisiertes Flussmittel in den Schmelztopf blasen – Flussmittel entfernt Schlacke während der Entgasung.

Weitere Entgasungsmethoden: Kondensationsentgasung, Oszillationsentgasung, DC-elektrolytische Entgasung.