Formstoff verstehen: Typen, Eigenschaften und Rolle im Sandguss

Was ist Formstoff?

Formstoff, auch Gießereisand genannt, ist Sand, der bei Befeuchtung und Verdichtung oder Ölung oder Erhitzung gut packt und seine Form behält. Er wird im Sandgussprozess zur Vorbereitung der Formhöhle verwendet.

Der Hauptrohstoff im Formenbau ist Formstoff, da er mehrere wesentliche Eigenschaften bietet, die von anderen Materialien nicht erreicht werden. Formstoff wird als granulare Partikel definiert, die durch den Zerfall von Gesteinen durch natürliche Kräfte wie Frost, Wind, Regen, Hitze und Wasserströmungen entstehen. Gesteine haben eine komplexe Zusammensetzung, und Sand enthält die meisten Elemente der Gesteine.

Aus diesem Grund unterscheidet sich Formstoff in verschiedenen Teilen der Welt erheblich. In der Natur findet man ihn an Böden und Ufern von Flüssen und Seen. Formstoff wird in verschiedene Kategorien nach der Art seiner Entstehung eingeteilt.

Die Hauptbestandteile von Formstoffen sind:

• Siliziumdioxid (SiO₂) — 86 bis 90 %,
• Aluminiumoxid (Al₂O₃) — 4 bis 8 %,
• Eisenoxid (Fe₂O₃) — 2 bis 5 % mit geringeren Mengen an Oxiden von Ti, Mn, Ca und einigen alkalischen Verbindungen.

Natursand / Grünsand

Er wird auch Grünsand genannt und aus natürlichen Ressourcen gewonnen. Er enthält Wasser als einziges Bindemittel. Er hat den Vorteil, den Feuchtigkeitsgehalt lange zu halten, einen breiten Arbeitsbereich des Feuchtigkeitsgehalts zu haben und einfaches Ausbessern und Fertigformen von Formen zu erlauben.

Grünsand ist ein Gemisch aus Sand, Bentonit, pulverisierter Kohle und Wasser. Seine Hauptverwendung liegt in der Formenherstellung für Metallguss. Der größte Anteil des Gemischs ist immer Sand, oft eine gleichmäßige Mischung einer Form von Siliziumdioxid.

Es gibt viele Rezepte für den Tonanteil, die alle unterschiedliche Kompromisse zwischen Formbarkeit, Oberflächenbeschaffenheit und der Fähigkeit des heißen flüssigen Metalls zum Entgasen eingehen. Die Kohle, oft als Seekohle bezeichnet, die zu weniger als 5 % vorhanden ist, verbrennt teilweise an der Oberfläche des flüssigen Metalls, was zur Abgabe organischer Dämpfe führt.

Sandguss ist eine der frühesten Gussformen aufgrund der Einfachheit der beteiligten Materialien. Er bleibt eine der günstigsten Methoden zum Gießen von Metallen aufgrund dieser Einfachheit. Andere Gussmethoden wie Kokillenguss bieten höhere Oberflächenqualität, aber höhere Kosten.

Grünsand (wie andere Gießereisande) wird meist in sogenannten „Kästen“ (Flasks) aufbewahrt, die nichts anderes als kästen ohne Boden oder Deckel sind. Der Kasten wird in zwei Hälften geteilt, die im Gebrauch übereinander gestapelt werden. Die Hälften werden als Oberkasten (Kopf) und Unterkasten (Drag) bezeichnet.

Nicht aller Grünsand ist grün gefärbt. Aber er gilt als „grün“, da er im nassen Zustand verwendet wird (ähnlich wie Grünholz). Laut der Cast Metals Federation ist eine alternative Gussmethode das Wärmetrocknen des geformten Sandes vor dem Gießen des flüssigen Metalls. Dieser Trockensandguss ergibt ein festeres Formwerkzeug, besser geeignet für schwere Gussteile.

Kunstsand (Synthetischer Sand)

Es ist künstlicher Sand, der durch Mischen von relativ tonfreiem Sand, Bindemittel (Wasser und Bentonit) und anderen Materialien nach Bedarf gewonnen wird. Er ist besser als Formstoff, da seine Eigenschaften durch Variation des Mischungsinhalts leicht kontrolliert werden können.

Die Zusammensetzung von grünem Kunstsand für Stahlguss ist wie folgt:

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

Die Zusammensetzung von trockenem Kunstsand für Stahlguss ist wie folgt:

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

Zusätzlich gibt es spezielle Sande wie Zirkonit, Olivin etc. Diese Spezialsande sind teurer als Quarzsand und werden daher nur dort eingesetzt, wo ihr Einsatz gerechtfertigt ist.

Typen von Formstoff

Formstoffe können auch nach ihrem Verwendungszweck in verschiedene Typen eingeteilt werden: Hinterfüllsand, Kernsand, Trockensand, Anlaufsand, Grünsand, Lehmsand, Trennstoff, Systemsand.

1. Hinterfüllsand oder Bodensand

Hinterfüllsand oder Bodensand wird verwendet, um den Anlaufsand zu unterstützen und den gesamten Volumeninhalt des Formkastens zu füllen. Hinterfüllsand wird manchmal Schwarzsand genannt, weil alter, wiederholt verwendeter Formstoff durch Zugabe von Kohlenstaub und Abbrennen beim Kontakt mit flüssigem Metall schwarz wird.

2. Kernsand

Kernsand wird zur Herstellung von Kernen verwendet und manchmal auch Ölsand genannt. Kernsand ist hochreiner Quarzsand, gemischt mit Ölbinde mit Kernöl, bestehend aus Leinöl, Harz, leichtem Mineralöl und anderen Bindemitteln. Pech oder Mehle und Wasser können auch in großen Kernen aus wirtschaftlichen Gründen verwendet werden.

3. Trockensand

Grünsand, der nach dem Formen und Kernen in einem geeigneten Ofen getrocknet oder gebacken wurde, heißt Trockensand. Er besitzt höhere Festigkeit, Steifigkeit und thermische Stabilität. Trockensand wird hauptsächlich für größere Gussteile verwendet. Formen aus diesem Sand werden als Trockensandformen bezeichnet.

4. Anlaufsand (Facing Sand)

Anlaufsand bildet die Formoberfläche. Er liegt direkt an der Modelloberfläche und kommt beim Gießen mit dem flüssigen Metall in Kontakt. Die erste Beschichtung um das Modell und damit für die Formoberfläche wird durch Anlaufsand gegeben. Anlaufsand hat hohe Festigkeit und Feuerfestigkeit. Er besteht aus Quarzsand und Ton, ohne Verwendung von bereits benutztem Sand.

Verschiedene Formen von Kohlenstoff werden im Anlaufsand verwendet, um zu verhindern, dass das Metall in den Sand einbrennt. Eine Anlaufsandmischung für Grünsand von Gusseisen kann aus 25 % frischem, speziell vorbereitetem Sand und 5 % Seekohle bestehen.

Sie werden manchmal mit der 6- bis 15-fachen Menge feinem Formstoff gemischt, um Anläufe zu erzeugen. Die Schichtdicke des Anlaufsands in einer Form beträgt meist 20–30 mm. 10 bis 15 % der gesamten Formstoffmenge ist Anlaufsand.

5. Grünsand

Grünsand wird auch als temperierter oder Natursand bezeichnet, eine frisch hergestellte Mischung aus Quarzsand mit 18 bis 30 % Ton und einem Feuchtigkeitsgehalt von 6 bis 8 %. Ton und Wasser liefern die Bindung für Grünsand. Er ist fein, weich, leicht und porös.

Grünsand ist feucht, wenn man ihn in der Hand zusammendrückt, und behält die Form und den Eindruck, den man ihm unter Druck gibt. Formen aus diesem Sand benötigen keine Hinterfüllung und werden als Grünsandformen bezeichnet.

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

6. Lehmsand (Loam Sand)

Lehmsand ist ein Gemisch aus Sand und Ton mit Wasser zu einer dünnen plastischen Paste. Lehmsand besitzt hohen Tonanteil von 30–50 % und 18 % Wasser. Modelle werden beim Lehmformen nicht verwendet; die Form wird durch Stricheln (Schablonen) geformt. Lehmsand wird besonders für Lehmformen bei großen Graugussteilen eingesetzt.

7. Trennstoff (Parting Sand)

Trennstoff ohne Bindemittel und Feuchtigkeit wird verwendet, um zu verhindern, dass Grünsand am Modell klebt, und um den Sand an der Trennfläche von Ober- und Unterkasten trennen zu lassen, ohne anzukleben. Trennstoff ist sauberer, tonfreier Quarzsand, der denselben Zweck wie Trennstaub erfüllt.

8. Systemsand

In mechanisierten Gießereien, wo Maschinenformen eingesetzt werden, wird Systemsand verwendet, um den gesamten Formkasten zu füllen. In mechanischen Sandaufbereitungs- und -handhabungseinheiten wird kein Anlaufsand verwendet. Der benutzte Sand wird gereinigt und durch Zugabe von Wasser und speziellen Additiven reaktiviert.

Dies wird als Systemsand bezeichnet. Da die gesamte Form aus diesem Systemsand besteht, müssen Eigenschaften wie Festigkeit, Durchlässigkeit und Feuerfestigkeit höher sein als bei Hinterfüllsand.

Eigenschaften von Formstoff

Die grundlegenden Eigenschaften, die an Formstoff und Kernsand gefordert werden, sind Haftfähigkeit, Zusammenhalt, Kollabierbarkeit, Fließfähigkeit, Trockenfestigkeit, Grünfestigkeit, Durchlässigkeit, Feuerfestigkeit, wie folgt beschrieben.

1. Haftfähigkeit (Adhäsion)

Haftfähigkeit ist die Eigenschaft des Formstoffs, an fremdem Material zu haften, z. B. Formstoff an der Innenwand des Formkastens.

2. Zusammenhalt (Kohäsion)

Zusammenhalt ist die Eigenschaft, durch die die Sandkörner innerhalb des Formstoffs miteinander interagieren und sich anziehen. Damit wird die Bindungsfähigkeit des Formstoffs erhöht, um die Grün-, Trocken- und Heißfestigkeit von Form- und Kernsand zu steigern.

3. Kollabierbarkeit

Nachdem das flüssige Metall in der Form erstarrt ist, muss die Sandform kollabierbar sein, damit die freie Kontraktion des Metalls erfolgt und dies natürlich Risse oder Brüche im kontrahierenden Metall vermeidet. Fehlt die Kollabierbarkeit, wird die Kontraktion des Metalls durch die Form behindert, was zu Rissen und Sprüngen im Gussstück führt. Diese Eigenschaft ist in Kernen besonders wichtig.

4. Trockenfestigkeit

Sobald das flüssige Metall in die Form gegossen wird, verdunstet die Feuchtigkeit in der der heißen Metalloberfläche angrenzenden Sandschicht, und diese trockene Sandschicht muss ausreichend Festigkeit haben, um ihre Form zu behalten und Erosion der Formwand während des Metallflusses zu vermeiden. Die Trockenfestigkeit verhindert auch die Erweiterung der Formhöhle durch den metallostatischen Druck des flüssigen Metalls.

5. Fließfähigkeit oder Plastizität

Fließfähigkeit oder Plastizität ist die Fähigkeit des Sandes, sich zu verdichten und sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten. Er fließt gleichmäßig in alle Bereiche des Modells beim Verdichten und verteilt den Verdichtungsdruck gleichmäßig in alle Richtungen.

Generell widerstehen Sandpartikel dem Bewegen um Ecken oder Vorsprünge. Im Allgemeinen nimmt die Fließfähigkeit mit abnehmender Grünfestigkeit zu und umgekehrt. Die Fließfähigkeit nimmt mit abnehmender Korngröße zu. Sie variiert auch mit Feuchtigkeits- und Tongehalt im Sand.

6. Grünfestigkeit

Der Grünsand nach Wassermischung muss ausreichende Festigkeit und Zähigkeit haben, um das Formen und Handhaben der Form zu erlauben. Dafür müssen die Sandkörner haftfähig sein, d. h., sie müssen sich an einen anderen Körper anheften können. Sandkörner mit hoher Haftfähigkeit kleben an den Seiten des Formkastens.

Außerdem müssen die Sandkörner die Eigenschaft der Kohäsion haben, d. h., die Fähigkeit, aneinander zu haften. Durch diese Eigenschaft kann das Modell aus der Form entnommen werden, ohne die Form zu brechen, und die Erosion der Formwandoberflächen während des Metallflusses wird verhindert.

Die Grünfestigkeit hängt auch von Kornform und -größe, Menge und Art des Tons sowie Feuchtigkeitsgehalt ab.

7. Durchlässigkeit (Permeabilität)

Durchlässigkeit wird auch als Porosität des Formstoffs bezeichnet, um das Entweichen von Luft, Gasen oder Feuchtigkeit zu ermöglichen, die in der Form vorhanden sind oder beim Gießen des flüssigen Metalls entstehen. Alle diese Gase, die während des Gießens und Erstarren entstehen, müssen entweichen, sonst wird das Gussstück fehlerhaft.

Durchlässigkeit ist eine Funktion von Korngröße, Kornform, Feuchtigkeits- und Tongehalt im Formstoff. Der Grad der Verdichtung beeinflusst direkt die Durchlässigkeit der Form. Die Durchlässigkeit kann durch Entlüftung mit Entlüftungsstäben weiter erhöht werden.

8. Feuerfestigkeit (Refraktorität)

Feuerfestigkeit ist die Fähigkeit des Formstoffs, hohen Temperaturen standzuhalten, ohne zu zersetzen oder zu verschmelzen, um gesunde Gussstücke zu ermöglichen. Es ist eine hochwichtige Eigenschaft von Formstoffen. Feuerfestigkeit kann nur begrenzt erhöht werden.

Formstoff mit schlechter Feuerfestigkeit kann auf der Gussoberfläche anbrennen, und keine glatte Gussoberfläche kann erzielt werden. Der Grad der Feuerfestigkeit hängt vom SiO₂-Gehalt (Quarz) und der Form und Korngröße des Partikels ab.

Je höher der SiO₂-Gehalt und je rauer die körnige volumetrische Zusammensetzung, desto höher die Feuerfestigkeit von Form- und Kernsand. Feuerfestigkeit wird am Sinternpunkt des Sandes gemessen, nicht am Schmelzpunkt.

9. Sonstige Eigenschaften von Formstoff

Zusätzlich zu den obigen Anforderungen sollte der Formstoff nicht am Gussstück haften und nicht chemisch mit dem Metall reagieren. Formstoff muss wirtschaftlich günstig und in der Natur leicht verfügbar sein. Er muss aus wirtschaftlichen Gründen wiederverwendbar sein. Seine thermischen Ausdehnungskoeffizienten müssen ausreichend niedrig sein.