Sandguss erklärt: Grundlagen der Metallformenfertigung

Wie man komplexe Gussstücke mit Sandformen herstellt

Sandguss ist ein Prozess, der nicht wiederverwendbare Sandformen verwendet, um Metallgussstücke zu formen. Einerseits ist Gießen ein trügerisch einfacher Fertigungsprozess: Jeder, der am Strand Sandburgen gebaut hat, weiß, dass Sand verwendet werden kann, um detaillierte Formen herzustellen. In einer Gießerei jedoch muss man mit der Hitze von flüssigem Metall viele Faktoren für den Erfolg berücksichtigen. Gießen wird verwendet, um Metallkomponenten aller Größen herzustellen, von wenigen Unzen bis zu mehreren Tonnen. Sandformen können so geformt werden, dass sie Gussstücke mit feinen äußeren Details, inneren Kernen und anderen Formen erzeugen. Fast jede Metalllegierung kann im Sandguss verarbeitet werden. Hohlräume werden in befeuchtetem Sand hergestellt, mit flüssigem Metall gefüllt und zum Abkühlen gelassen.

Was ist Form砂?

Form砂 hat drei wichtige Vorteile gegenüber anderen Formmaterialien:

1. er ist kostengünstig,
2. er ist leicht recycelbar, und
3. er kann extrem hohen Temperaturen standhalten.

Sandguss ist einer der wenigen verfügbaren Prozesse für Metalle mit hohen Schmelztemperaturen wie Stähle, Nickel und Titan. Aufgrund seiner Flexibilität, Hitzebeständigkeit und relativ niedrigen Kosten ist Sandguss der am weitesten verbreitete Gussprozess.

Gussstücke werden hergestellt, indem flüssiges Metall in eine Formhöhle gegossen wird. Damit ein Guss erfolgreich ist, muss die Formhöhle ihre Form behalten, bis das Metall abgekühlt und vollständig erstarrt ist. Reiner Sand bricht leicht auseinander, aber Form砂 enthält Bindematerial, das seine Fähigkeit erhöht, Hitze zu widerstehen und Form zu halten.

Grünsand (ein Aggregat aus Sand, pulverisiertem Kohle, Bentonit-Ton und Wasser) wurde traditionell im Sandguss verwendet, jedoch werden moderne chemisch gebundene Formsyste immer beliebter. Der am weitesten verbreitete Guss砂 ist Silica (SiO₂).

Eigenschaften von Form砂

Festigkeit

Die Fähigkeit der Sandform, ihre geometrische Form unter Bedingungen mechanischer Beanspruchung zu halten.

Permeabilität (Gasdurchlässigkeit)

Die Fähigkeit einer Sandform, das Entweichen von Gasen und Dampf während des Gussprozesses zuzulassen.

Feuchtegehalt

Der Feuchtegehalt beeinflusst die Festigkeit und Permeabilität einer Form: Eine Form mit zu wenig Feuchtigkeit kann auseinanderbrechen, während eine Form mit zu viel Feuchtigkeit Dampfblasen im Gussstück einschließen kann.

Fließfähigkeit

Die Kapazität des Sandes, kleine Hohlräume im Modell zu füllen. Hohe Fließfähigkeit erzeugt eine präzisere Form und ist daher für detaillierte Gussstücke nützlich.

Korngröße

Die Größe der einzelnen Sandpartikel.

Kornform

Diese Eigenschaft bewertet die Form der einzelnen Sandkörner basierend auf ihrer Rundheit. Allgemein werden drei Kornkategorien in Gießereisand verwendet:

1. Rundkorn Sande bieten relativ schlechte Bindungsfestigkeit, aber gute Fließfähigkeit und Oberflächengüte.
2. Eckige Körner haben größere Bindungsfestigkeit durch Verhakung, aber schlechtere Fließfähigkeit und Permeabilität als Rundkorn-Sande.
3. Subeckige Körner sind der Mittelweg. Sie besitzen bessere Festigkeit und geringere Permeabilität relativ zu Rundkörnern, aber geringere Festigkeit und bessere Permeabilität als eckige Körner.

Kollabierbarkeit

Die Fähigkeit der Sandmischung, unter Kraft zusammenzufallen. Größere Formkollabierbarkeit ermöglicht dem Metallgussstück, sich frei zu schwinden, während es erstarrt, ohne das Risiko von Heißrissen oder -rissen.

Feuerfestigkeit

Die Form darf nicht schmelzen, brennen oder reißen, wenn flüssiges Metall hineingegossen wird. Feuerfestigkeit misst die Fähigkeit von Form砂, extremer Hitze standzuhalten.

Wiederverwendbarkeit

Die Fähigkeit von Form砂, wiederverwendet zu werden (nach Sandkonditionierung), um in nachfolgenden Fertigungsvorgängen andere Sandgussstücke herzustellen.

Viele Eigenschaften von Form砂 hängen von der Korngröße und -verteilung der Sandpartikel ab: kleine Korngröße erhöht die Formfestigkeit, aber große Korngröße ist permeabler. Feinkörniger Sand liefert Gussstücke mit guter Oberflächengüte, besitzt aber geringe Permeabilität, während grobkörniger Sand das Gegenteil bietet.

Spezielle Zusätze oder Bindemittel können dem Grundaggregat aus Sand, Ton und Wasser zugesetzt werden, um die Kohäsion zu erhöhen. Diese Bindemittel können organisch oder anorganisch sein. Gängige Bindemittel umfassen Getreide, Pech, Steinkohle, Gilsonit, Heizöl, Holzmehl, Silicamehl, Eisenoxid, Perlit, Melasse, Dextrin und proprietäre Materialien.

Die perfekte Kombination zu finden, ist nicht einfach. Einige Eigenschaften eines Sandaggregats widersprechen sich gegenseitig: Ein Form砂 mit größerer Kollabierbarkeit hat weniger Festigkeit, und einer mit größerer Festigkeit hat weniger Kollabierbarkeit. Kompromisse sind oft nötig, um einen Ausgleich zu erreichen, der geeignete Eigenschaften für das spezifische Teil und die Gussanwendung bietet. Die präzise Kontrolle der Form砂-Eigenschaften ist so essenziell, dass Sandlabore zu einer gängigen Ergänzung moderner Gießereien geworden sind.

Teile einer Sandgussform

Ein Metallgussstück wird von der Form geformt, die zur Herstellung verwendet wird – eine gute Form ist eine Voraussetzung für einen guten Guss. Formen haben mehrere Teile, die zusammenwirken, um das Endprodukt zu beeinflussen.

Die Formhöhle wird vom Modell geformt, einem Originalgrößen-Modell des Teils, das einen Abdruck in der Sandform macht. Einige innere Oberflächen sind nicht im Modell enthalten und werden stattdessen durch separate Kerne erstellt.

Ein Kern ist eine Sandform, die in die Form eingesetzt wird, um das Gussinnere zu formen, einschließlich Merkmalen wie Löchern oder Durchgängen. Kerne werden meist aus Form砂 hergestellt, damit sie aus dem Gussstück ausgeschüttelt werden können. Ein Kernansatz ist ein Bereich, der dem Modell, Kern oder der Form hinzugefügt wird, um den Kern in der Form zu positionieren und zu stützen.

Weitere Kernstütze wird durch Chaplets bereitgestellt – kleine Metallstücke, die zwischen Kern und Hohlraumfläche befestigt sind. Um diese Stütze zu erhalten, müssen die Chaplets aus einem Metall mit gleicher oder höherer Schmelztemperatur als das zu gießende Metall bestehen. Nach der Erstarrung sind die Chaplets im Gussstück eingeschlossen.

Sandkerne können mit vielen der gleichen Methoden wie Sandformen hergestellt werden: Wie Formen durch ein Modell geformt werden, werden Sandkerne durch eine Kernbüchse geformt; sie sind einem Werkzeug ähnlich und können aus Holz, Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Die Kernbüchsen können auch mehrere Hohlräume enthalten, um mehrere identische Kerne herzustellen.

Ein Speiser ist ein zusätzlicher Hohlraum in der Form, der überschüssiges Metall aufnehmen soll. Er verhindert, dass Schwindlöcher im Hauptgussstück entstehen, indem er flüssiges Metall in die Formhöhle speist, während diese erstarrt und schwindet.

Die gesamte Sandform wird in einem Kasten namens Formkasten (Flask) enthalten. In einer zweiteiligen Form, die für Sandguss typisch ist, wird die obere Hälfte (die die obere Hälfte des Modells, Formkasten und Kern enthält) Koppe (Cope) genannt. Die untere Hälfte heißt Drag. Die Trennlinie (Parting line) ist die Linie oder Fläche, die Koppe und Drag trennt.

Wie man einen Sandguss herstellt

Sandguss umfasst vier grundlegende Schritte: Sandform zusammenbauen, flüssiges Metall in die Form gießen, das Metall abkühlen lassen, dann den Sand abbrechen und den Guss entfernen. Natürlich ist der Prozess komplexer, als er klingt.

Der erste Schritt der Formmontage ist das teilweise Füllen des Drag mit Sand. Das Modell, Kernansatz, Kerne und Angusssystem werden in der Nähe der Trennlinie platziert. Die Koppe wird dann zum Drag montiert. Zusätzlicher Sand wird auf die Koppe-Hälfte gegossen, bis Modell, Kern und Angusssystem bedeckt sind, und dann wird der Sand durch Vibration oder mechanische Mittel verdichtet. Überschüssiger Sand wird mit einem Abziehbalken entfernt.

Da die Form nun geformt ist, wird die Koppe vom Drag entfernt, damit das Modell aus der Form entnommen werden kann.

Die Modellentnahme wird sorgfältig durchgeführt, um das neu gebildete Formhöhlen nicht zu brechen oder zu verzerren. Dies wird durch das Design eines Abzugs (Draft) erleichtert: eine senkrechte Verjüngung zur Trennlinie. Der Abzugswinkel beträgt meist mindestens 1°. Je rauer die Oberfläche des Modells, desto mehr Abzug wird benötigt.

Bevor es mit flüssigem Metall gefüllt werden kann, muss die vollständige Form vorbereitet werden; die Formhöhle wird oft mit Formwaschmitteln geschmiert, um die Gussentnahme zu erleichtern. Dann werden die Kerne positioniert, zusätzliche Formmaterialien wie Cope-Seil hinzugefügt, um Auslaufen zu verhindern, und die Formhälften werden geschlossen und sicher gespannt; Koppe- und Drag-Abschnitte behalten die korrekte Ausrichtung mit Hilfe von Stiften und Führungen bei.

Die Formhälften müssen sicher bleiben, damit flüssiges Metall nicht durch die Trennlinie austreten kann. Vor dem Gießen von formlosen Formen werden oft Holz- oder MetallgießMäntel (Jackets) um die Form gelegt und Gewichte oben aufgelegt, um zu verhindern, dass die Koppe abhebt.

Flüssiges Metall tritt durch ein Angusssystem in die Formhöhle ein: Flüssiges Metall wird über den Gießtiegel (Pouring cup) in eine Form gegossen, fließt den Anschnitt (Sprue) (der vertikale Teil des Angusssystems) hinab und dann durch die Angusskanäle (horizontale Abschnitte). Aufgebaute Gase und verdrängte Luft entweichen durch Entlüftungen. Die mehreren Punkte, an denen Metall aus den Angusskanälen in die Formhöhle eingeführt wird, heißen Anschnittstellen (Gates).

Nachdem der Guss abgekühlt ist, wird er aus der Sandform gebrochen. Der Prozess der Sandentfernung von den Gussstücken heißt Ausformen (Shakeout). Der Guss kann manuell oder durch automatisierte Maschinen entfernt werden. Rütteltische und Drehtrommeln werden häufig verwendet.

Es gibt Variationen dieses Grundprozesses je nach Modell, Formkastentyp und Grad der Mechanisierung:

• Tischformen (Bench Molding) wird für kleine Aufträge bevorzugt. Der gesamte Vorgang wird auf einem Tisch in bequemer Höhe durchgeführt.
• Bodenformen (Floor Molding) wird für mittelgroße und große Aufträge verwendet. Wie der Name andeutet, wird die Form auf dem Boden vor dem Gießen aufgestellt.
• Maschinenformen (Machine Molding) wird für Massenproduktion eingesetzt. Maschinenformen sparen Arbeit und bieten überlegene Genauigkeit und Gleichmäßigkeit, was es ermöglicht, Toleranzen innerhalb enger Grenzen bei hoher Geschwindigkeit einzuhalten. Die primären Operationen, die von Formmaschinen durchgeführt werden, sind Verdichten des Form砂, Umdrehen der Form, Anguss bilden, Modell abklopfen und Entnahme.

Recycling von Form砂

Nachdem Sand von einem fertigen Gussstück abgeschüttelt wurde, werden die Klumpen gekühlt und zerkleinert. Alle Partikel und Metallgranulate werden entfernt, oft mit Hilfe eines Magnetfeldes. Alle Sandbestandteile werden mit Schüttelsieben, Rotations- oder Vibrationssieben gesiebt. Gereinigter Sand kann dann wieder am Anfang des Form砂-Produktionszyklus eingeführt werden.

Form砂 wird in Mischern (Mullern) vorbereitet, die Sand, Bindemittel und Wasser mischen. Belüfter werden in Verbindung verwendet, um den Sand zu lockern und ihn formbarer zu machen.

Vorbereiteter Sand wird zum Formboden geliefert, meist per Muldenkipper oder Bandförderer, wo er in Formen geformt wird; die Formen können auf dem Boden platziert oder per Förderer zu einer Gießstation geliefert werden. Nach dem Gießen werden die Gussstücke an einer Ausformstation vom anhaftenden Sand entfernt. Der benutzte Sand wird wiederum per Bandförderer oder anderen Mitteln in die Lagerbehälter zurückgeführt.

Gusssand wird typischerweise durch viele Produktionszyklen recycelt und wiederverwendet. Laut Branchen-Schätzungen werden jährlich ca. 100 Millionen Tonnen Sand in der Produktion verwendet. Davon werden nur vier bis sieben Millionen Tonnen entsorgt, und selbst dieser Sand wird oft von anderen Industrien recycelt.

Sandformprozesse und -methoden

Grünsandformen

Eine typische Grünsandmischung enthält 89 % Sand, 4 % Wasser und 7 % Ton. Grünsand ist ein Branchenfavorit wegen seiner niedrigen Kosten und soliden Gesamtleistung. Das „Grün“ in Grünsand bezieht sich auf den Feuchtegehalt, der während des Gießens in der Mischung vorhanden ist.

Grünsandformen haben ausreichende Festigkeit für die meisten Sandgussanwendungen. Sie bieten auch gute Kollabierbarkeit, Permeabilität und Wiederverwendbarkeit. Die Hauptschwierigkeiten entstehen durch den Feuchtegehalt. Zu viel Feuchtigkeit kann Fehler im Guss verursachen, wobei die Feuchtetoleranz vom zu gießenden Metall abhängt.

Kaltverfestigende Prozesse (Cold Setting)

Manchmal werden nicht-traditionelle Bindemittel im industriellen Sandguss verwendet. Konventionelle Gussbindemittel benötigen Wärme zum Aushärten, während diese alternativen Bindemittel chemisch bei Raumtemperatur binden, wenn sie mit Sand gemischt werden – daher der Begriff Kaltverfestigende Prozesse. Technisch fortgeschritten, gewinnen diese relativ neuen Sandgussprozesse an Beliebtheit. Kaltverfestigende Prozesse sind teurer als Grünsandformen, produzieren aber Gussstücke mit außergewöhnlicher dimensionsgenauer Genauigkeit.

Schalenformen (Shell Molding)

Schalenguss ist eine relativ neue Erfindung in Formtechniken für Massenproduktion und glatte Oberfläche; er wurde erstmals von Deutschland im Zweiten Weltkrieg eingesetzt. Das Formmaterial ist eine Mischung aus trockenem, feinem Silicasand mit minimalem Tongehalt und 3–8 % thermohärtendem Harz (Phenolformaldehyd oder Silikonfett). Wenn die Formmischung auf die beheizte Modellplatte fällt, bildet sich eine harte Schale von ca. 6 mm Dicke. Um die Schale vollständig auszuhärten, muss sie auf 440 bis 650 °F (230 bis 350 °C) für mehrere Minuten erhitzt werden.

Individuelle Gussdienstleistungen

Reliance Foundry arbeitet kollaborativ mit Kunden zusammen, um das Modell und die Formmethode für jeden individuellen Guss zu entwerfen. Fordern Sie ein Angebot an, um mehr darüber zu erfahren, wie unser Gussdienst Ihre Projektanforderungen erfüllen kann.

Verwandte Artikel

• Tiefergehender Guss-Leitfaden: Die Lebensgeschichte eines Gussstücks Serie
• American Foundry Society. „Sand Molding Processes“.

Bildnachweise

• Formkasten füllen: OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• Koppe aus Formkasten gezogen: OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• Offene Sandform: OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• Geschlossene Form: OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr