#,* (Primary Shaping) 2.1 Gießverfahren (Casting Processes) Verfahrensablauf beim Gießen (Casting Process Sequence)

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1 2 Urformen (Primary Shaping) Urformen ist Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammen halts. H ierzu zählen zwei wichtige Verfah rensgru ppen : o das Urformen aus dem flüssigen Zustandurch Gießverfahren und. das Urformen aus dem pulverförmigen Zustand mittels Pulvermetallurgie 2.1 Gießverfahren (Casting Processes) Die Gießverfahren stellen unter allen Fertigungsverfahren den kürzest möglichen Weg vom formlosen Stoff zum fertigen Werkstück dar. Die Formgebung erfolgt durch Gießen des flüssigen Werkstoffs in einen Formhohlraum. Hierbei spielen sich komplexe Vorgänge ab, die die spätere Qualität des Gussstückes entscheidend beeinflussen. Der wesentliche Teilschritt ist die Erstarrung, bei der aus der zunächst gestaltlosen Schmelzein fester Körper entsteht Verfahrensablauf beim Gießen (Casting Process Sequence) t #,* Formstoff imoulding r"t*i"u- -'l I Modelle und Form kästen (models and moulding box) Bereitstellung der Gußform (casting mould) Erstarrung (solidification) Nachbehandlung (aftertreatment) ltlelglaufnratglal (@rn sg.ru) Abbildung 2.1 : V erfahrensablauf beim Gießen Technologie der Fertigungsverfahren I 21

2 Die wesentlichen Schritte des Herstellungsprozesses eines Gussteils sind in Abbildung 2.1 dargestellt. Für den eigentlichen Gießvorgang, das Abgießen, werden Formen und ggf. Kerne sowie die Schmelze benötigt. Das Verflüssigen des zu gießenden Materials erfolgt in Schmelzöfen. Durch Form und Kerne ist der von dem flüssigen Material zu füllende Hohlraum bestimmt. Kerne übernehmen die Aufgabe, Hohlräume im Gussstück zu bilden. Formen und Kerne werden in einem Modell gefertigt. Das Modell entspricht bis auf das Schwindmaß des zu gießenden Metalls und den für nachfolgende spanende Arbeitsgänge notwendigen Bearbeitungszugaben der Form und den Abmessungen des Werkstückes. Nach dem Abgießen folgt die Erstarrung, bei der aus der zunächst gestaltlosen Schmelz ein fester Körper entsteht. Das erstarrte Gussteil wird von der Form getrennt und anschließend nachbehandelt. Wesentlicher Schritt der Nachbehandlung ist das Putzen. Dazu gehört das Abtrennen der für den Gießvorgang notwendigen, aber am Gussteil nicht benötigten Werkstoffzugaben wie Eingüsse, Grate oder Speiserläufe. lm Folgenden werden einige Stationen im Verfahrensablauf näher beschrieben. Modell- und Formenbau (Model and Mould Making) Ein Gussstückann in seiner Maßgenauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Konturenschärfe nicht besser als das Modell sein. Die zu erwartende Maßgenauigkeit ist daher außer von Gusswerkstoff, Schwindung, Kernen, Formteilung, Formstoff, Formverfahren, Wärmebehandlung auch erheblich von der Güte der Modelleinrichtung abhängig. Zu den Fertigungseinrichtungen beim Gießen zählen neben dem Modell, das das Gussstück in seiner Form zuzüglich des Schwundmaßes abbildet, Einrichtungen, die den Zufluss der Schmelze gewährleisten (Eingusstrichter, Verteilerstangen) sowie Einrichtungen, die die gleichmäßige Befüllung der Gussform in einem guten Stofffluss gewährleisten (Steiger und Speiser). Zusammengefasst versteht man unter den in die Form eingebrachten Hilfseinrichtungen das Anschnittsysfem bestehend aus: - Speiser oder Steiger - Verteilerstangen Eingusstrichter. Nach dem Erstarren wird das gesamteanschnittsystem an Sollbruchstellen durch einfaches Abschlagen entfernt. Technologie der Fertigungsverfahren I 22

3 Anhand der Rohteilzeichnung wird in der Gießerei über das wirtschaftlichste Gießverfahren entschieden. Je nachdem unterscheidet man dann zwischen verlorenen Gießformen, die mittels Dauermodellen oder verlorenen Modellen entstanden sind oder man verwendet Dauergießformen. Schmelzen (Melting) Die wichtigsten Schmelzaggregate sind für: Parallel zur Form- und Kernherstellung werden im Schmelzbetrieb der Gießerei die Gusswerkstoffe erschmolzen. Zur ÜberfUhrung des Gießmetalls sowie der Zuschlagstoffe in den schmelzflüssigen Zustand stehen verschiedenartige Schmelzaggregate zur Verfügung. Gusseisen und Temperquss: Kupol- (Schacht-) Ofen, lnduktionsofen, Drehtrommelofen (ölbefeuert). Stahlquss: Lichtbogenofen, Induktionsofen Nichteisenmetalle: lnduktionsofen, elektrisch-, gas- oder ölbeheizter Tiegelofen. Putzen (Fettling) Nach dem Entformen folgt als nächster Fertigungsschritt im Gießereibetrieb das Putzen. Der Umfang der Putzarbeiten sollte möglichst gering sein. Putzarbeiten werden durch Formteilung - Zahl und Lage der Anschnitte Kerne Formstoffe und andere Faktoren beeinflusst. Zum Entleeren der Formen dienen Ausleerrüttler und zum Entfernen des Sandanhanges im allgemeinen Strahlputzmaschinen, die durchweg mit Stahlschrot oder Stahld rahtkorn arbeiten. Wärmebehandlunq (Heat Treatment) Zum normalen Fertigungsablauf gehört bei einigen Gusswerkstoffen noch eine Wärmebehandlung. Zahlreiche Werkstofferhalten erst dadurch die für ihren Gebrauch erforderlichen physikalischen und technologischen Eigenschaften. Die Art der Wärmebehandlung ist vom Gusswerkstoff abhängig. Technologie der Fertigungsverfahren I 23

4 Zum Beispiel werden o Temperguss und Gusseisen mit Kugelgraphit graphitisierend geglüht,. Stahlguss normalgeglüht und (oder) vergütet, aber auch einsatzgehärtet, o NE-Gusswerkstoffe homogenisiert und (oder) ausgehärtet. Hingegen wird Gußeisen mit Lamellengraphit, der mengenmäßig bedeutendste Eisengusswerkstoff, nur in Ausnahmefällen geglüht. Qualitätssicherunq (Quality Assurance) Die Endkontrolle ist der letzte Teil einer Reihe von Maßnahmen, die den Fertigungsablauf und die Qualität der Gußstücke garantieren. fm Hartguss- und (oder) Rohgussbereich lassen sich durch Stichprobenprüfungen zulässige Abweichungen in einem so frühen Stadium erkennen, dass Gegenmaßnahmen rechtzeitig möglich sind. Der Modellverschleiß lässt sich z.b. durch regelmäßige Messungen an Rohgussstücken nach einem Stichprobenplan exakt feststellen Erstarru ng (Solid ification ) Erstarru nssmorpholoqie (Solid ification Morphology) Die Erstarrung erfolgt über einen Kristallisationsprozess, bei dem das Gussgefüge entsteht. Unter Gussgefüge versteht man die Gestalt sowie Größe und Anordnung der Kristalle. Bei der Erstarrung ändern sich wichtige physikalische Eigenschaften des Gusswerkstoffs, insbesondere Wärmeinhalt und Dichte. Das Gussgefüge bestimmt die Werkstoffeigenschaften. So haben feinkörnige Legierungen im allgemeinen bessere Festigkeitseigenschaften als grobkörnige Werkstoffe. Währender Kristallisation kann durch Eingriffe die entstehende Gussstruktur beeinflusst werden. Diese besteht in lmpf- oder Kornfeinungsbehandlung sowie in einer Regelung der Wärmeabfuhr aus dem erstarrenden Metall. Schließlich können nach abgeschlossener Erstarrung die Eigenschaften durch Wärmebehandlung verändert werden. lm Folgenden wird der Erstarrungsvorgang makroskopisch und mikroskopisch betrachtet Makroskopische Betrachtung (Macroscopic Consideration) Beim Abkühlen einer Schmelze kommt es zu einer Zustandsänderung, die mit einer Volumenverkleinerung verbunden ist. Technologie der Fertigungsverfahren I 24

5 Zustand: flüssig (amorph) -+ fest (kristallin) Das spezifische Volumenimmt ab, die Dichte nimmt zu. Volumenänderunq: Die Volumenänderung vollzieht sich in 3 Perioden 1. Periode: flüssige Schrumpfung (Liquid Shrinkage) Bereich zwischen Gießtemperatur und Liquidustemperatur. Dieser Bereich ist ohne Belang. Die Schwindung wird durch den kommunizierenden Ausgleich des flüssigen Metalls in der Gießform von selbst kompensiert. 2. Periode: Erstarrungsschrumpfung (Solidification Shrinkage) Bereich des Übergangs vom flüssigen in den festen Zustand. Dieser Bereich ist gekennzeichnet durch das Temperaturintervall zwischen Liquidustemperatur und Solidustemperatur. Man unterscheidet zwei Erstarrungstypen: 1. reine Metalle und eutektische Leqierunoen (s. Erläuterunq..Eutektikum): Hier ist die Solidustemperatur gleich der Liquidustemperatur. Somit ergibt sich ein Erstarrungspunkt. 2. nichteutektische Leqierunqen: Hier sind Solidus- und Liquidustemperatur unterschiedlich, womit sich ein Erstarrungsbereich ergibt. Dieser Übergang führt zu einem großen Volumendefizit, was die Ursacheiner Reihe von Gussfehlern sein kann, die als "Volumenfehler" bezeichnet werden. Richtwerte fü r d ie Erstarru ngsschru mpfung : o Stahlguss GS: 6 Vol.%. Grauguss (L) GG: 3 Vol.% o Grauguss (G) GGG: 5 Vol.% Technologie der Fertigungsverfahren I 25

6 lnperotu? punkl tenpwlur fenpemlur reine Metotle und eutekt. Legierungen En,aulu? öerctch [enperolur nichtcutaht. Legierungcn Abbildung 2.2: Erstarrungsschrumpfung bei reinen Metallen und eutektischen Legierungen bzw. nichteutektischen Legierungen 3. Periode: feste Schwindung (Solid Shrinkage) Die 3. Periode ist der Temperaturbereich zwischen Solidustemperatur und Raumtemperatur (20"C). Anhaltswerte für die feste schwindung (lineares Schwindmaß %) sind:. Stahlguss GS: 1,5...2,5o/o o Temperguss GTS: 0...1,0o/o o Grauguss GG: 0,7...1,3o/o. Grauguss GGG: 0,8...1,6%. Aluminium Al: 1,5...2,0o/o Die drei Stufen der Schwindung sollen anhan des Beispiels nach Abbildung 2.3 dargestellt werden. Um die Volumenänderung während der Abkühlung und Erstarrung der Schmelze auszugleichen bedient man sich der sog. Speisertechnik. Dementsprechend befinden sich an den Rohgussteilen neben den für die Formfüllung notwendigen Eingießsystemen in der Regel auch ein oder mehrere Speiser. Während für die Speisertechnik nur die flüssige Schrumpfung und Erstarrungsschrumpfung von Bedeutung sind, werden die Konstruktionsmaße im Modell- und Formenbau von der festen Schwindung bestimmt. Das Modell bzw. die Form muss um diesen prozentualen Betrag größer ausfallen, damit die Maße des Gussteils bei Raumtemperatur, also nach erfolgter Schwindung, den geforderten Konstruktionsmaßen entsprechen. Technologie der Fertigungsverfahren I 26

7 Abbildung 2.3: Beispiel für die drei Stufen der Schwindung am Gussstück Erläuterunq zum Beqriff..Eutektikum" (Eutectic) 32r 271 ICJ :- g = o L CU o E O) Vrl, Cd Bi 'r *- GGGGGewichl ['h - Abbildu ng 2.4 : Phasendiagramm einer Zweistofflegieru ng a a Es handelt sich um eine Zwei- oder Mehrstofflegierung. Die Komponenten der Legierung sind im flüssigen Zustand oberhalb der Liquiduslinie vollkommen löslich. lm festen Zustand, unterhalb der Soliduslinie, sind die Komponenten vollkommen unlöslich. Bei einer bestimmten (charakteristischen Konzentration) bilden die Komponenten ein sog. Eutektikum (= niedrigster Schmelzpunkt des Systems). In dieser Zusammensetzung erstarrt die Legierung wie ein reines Metall. Technologie der Fertigungsverfahren I 27

8 Mikroskopische Betrachtung (M icroscopic Consideration) Aus mikroskopischer Sicht verläuft der Kristallisationsprozess in zwei Stufen: - Keimbildung - Kristallwachstum Keimbildung (Nucleation) Man unterscheidet zwischen zwei Möglichkeiten Keime (Erstarrungszentren) in Schmelzen zu etzeugen oder Keime in diese einzubringen. Homoqene Keimbildunq: Die Keimbildung bezeichnet man als homogen, wenn die Schmelze selbst eigene Keime, sog. arteigene Keime, bilden kann. lhre Zahl wächst mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit. Mit der Wahl des Gießverfahrens wird die Abkühlgeschwindigkeit festgelegt und damit auch die Anzahl der Keime. Artfremde Keime: Das Gefüge von Gussstücken kann auch durch lmpfen, d. h. durch Zugabe von artfremden Keimen, beeinflusst werden. Artfremde Keime entsprechen nicht der Zusammensetzung des Gusswerkstoffs. Man nennt sie deshalb auch Fremdkeime. Durch lmpfen kann die Keimzahl der Schmelze gesteuert werden, ohne die chemische Zusammensetzung merklich zu ändern lmpfmittel bestehen aus empirisch gefundenen Legierungen mit Graphit (FeSi, Ruß, Pech) oder aber aus Metallen, deren Schmelzpunkt erheblich niedriger als die der damit behandelten Gusswerkstoffe liegt (2.B. Na-Schmelzpunkt = 98"C; Al-Schmelzpunkt = 660'C). Kristallwachstum (Crystal Growth) Die Beobachtung des Vorgangs, wie aus Keimen --+> durch Wachstum Gussgefüge entsteht, ist für das Gießen und für die Möglichkeit der Erstarrungsbeeinflussung von besonderem Interesse. Beim Unterschreiten der Liquiduslinie beginnt die Erstarrung an Keimen (Erstarrungszentrum). Ausgehend von diesen Keimen wachsen die Kristalle. Das Kristallwachstum vollzieht sich solange, bis eine gegenseitige Behinderung eintritt. Technologie der Fertigungsverfahren I 28

9 Kristallgröße (Crystal Size) Die Kristalle unterscheiden sich durch Größe und Form. lhre Größe wird beeinflusst durch Keimzahl und Abkühlgeschwindigkeit. Abbildung 2.5 zeigt schematisch das Erstarrungsgefüge (Primärgefüge) bei unterschiedlichen Randbedingungen.. Geringe Keimzahlen und kleine bis mittlere Kristallisationsgeschwindigkeiten führen zu einem groben Gussgefüge, einem sog. Grobkorngefüge. Beispiel : Dickwand iger Guss i n gebrannten, vorgeheizten Formstoffen. Große Keimzahlen und hohe Kristallisationsgeschwindigkeiten ergeben ein Primärgefüge, ein sog. Feinkorngefüge. Beispiel: Kokillenguss und Nassguss (Gießen in wasserhaltigen Formstoffen) Zwischen diesen Extremzuständen sind viele Zwischenstufen möglich. Sie entstehen durch unterschiedliche Wanddicken und Versteifungen bei Gusskonstruktionen. Da die Abkühlgeschwindigkeit durch das Gießverfahren vorgegeben ist, entstehen im gleichen Gussstück bei unterschiedlichen Wanddicken unterschiedliche Primärgefüge. K] IH Grobkorn \ lw t<-t_4--1 Primärge füge J^-l WFeinkorn Abbildung 2.5: Erstarrungsgefüge bei unterschiedlichen Randbedingungen Daraus leitet sich die Regel ab: Konstruiere Gussstücke mit annähernd gleichen Wanddicken Kristallform (Crystal Form) Die Erstarrung und das Wachsen der Kristalle verläuft im Normalfall von außen nach innen, also entgegen der Richtung des Wärmeflusses (Abbildung 2.6). Technologie der Fertigungsverfahren I 29

10 Erstarrung ( Kristallwachstum ) Formwand Wärmefluß Abbildung 2.6: Richtung des Kristallwachstums Treibende Kraft des Kristallwachstums die Abkühlgeschwindigkeit der Metallschmelze in der Gießform. Sie führt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung zu verschiedenen Kristallformen. Dabei unterscheidet man zwischen drei Kristallformen und den charakteristischen Randbedingungen, unter denen sie entstehen (siehe auch Abbildung 2.7). Globulare Kristalle Dendritische Kristalle Stengelförmige Kristalle Beschaffenhelt der Erstarru ngsfront eben uneben Abbildung 2.7: Beschaffenheit der Erstarrungsfront Globulare Kristalle / Globulite: - viele Keime - gleiche Erstarrungsgeschwindigkeit den drei Raumrichtungen - entstehen bei großer Abkühlgeschwindigkeit isotrope Festig keitseigenschaften Technologie der Fertigungsverfahren I 30

11 1. Stengelförmige Kristalle: nach anfänglicher Keimbildung übenruiegt Kristallwachstum bevorzugtes Kristallwachstum entgegen dem Wärmefluss - entstehen bei mittlerer Abkühlgeschwindigkeit - anisotrope Festigkeitseigenschaften (quer zu den Stengelformen schlechtere Festigkeitswerte) 2. Dendritische Kristallform: Kristallform ähnelt der Gestalt einer Tanne (Tannenbaumkristall) - entstehen bevorzugt bei Metallen mit großem Erstarrungsintervall - diese Kristallform führt leicht zur Hohlstellenbildung im Gussgefüge - schlechte Festigkeitseigenschaften. Untersuchungen an Gussstücken zeigen, dass die beschriebenen Kristallformen teilweise gleichzeitig auftreten aber auch unterschiedlich verteilt sind. Abbildung 2.8 zeigt eine typische Gussstruktur. Abbildung 2.8: Typische Gussstruktur Bei der Erstarrung eines Gussteils entsteht infolge unterschiedlicher Abkühlbedingungen eine dreizonige Gussstruktur: Durch Unterkühlung an der Kokillenwand bilden sich zahlreiche Kristallkeime, die eine Feinkörnigkeit bewirken. lm weiteren Ablauf der Kristallisation wachsen die Kristalle in Stengelform in die Schmelzzone hinein. Die Entstehung der grobkristallinen Kernzone ist durch die langsame Erstarrungsgeschwindigkeit und der hierdurch bewirkten geringeren Keimzahl zu erklären. Technologie der Fertigungsverfahren I 31

12 Erstarrungstypen (Solidification Modes) t C- +ry 2.2 I M,tW I Abbildung 2.9: Typische Arten des Erstarrungsablaufs: 1) Exogene Erstarrung: 1.1) glattwandige Erstarrung; 1.2) rauwandige Erstarrung; 1.3) schwammartige Erstarrung; 2) Endogene Erstarrung: 2.1) breiartige Erstarrung; 2.2) schalenbildende Erstarrung Neben der Erstarrung zu unterschiedlichen Kristallgrößen und Kristallformen unterscheidet man noch zwischen den Erstarrungstypen exogen und endogen. Die Kristalle können sich an der Formwand (exogen) oder im Inneren der Schmelze bilden bzw. dorthin transportiert werden (endogen). Beim weiteren Wachstum bleiben sie entweder kompakt oder verzweigen sich zu Dendriten. Je nach Ausbildung der Grenzflächen zwischen den wachsenden Kristallen unterscheidet man zwischen einer glattwandigen, rauwandigen und einer schwamm- oder breiartigen Erstarrung. Technologie der Fertigungsverfahren I 32

13 1. Exogene Erstarrung (Exogenous Solidification) Glattwandiqe Erstarruno: Bei der glattwandigen Erstarrung wachsen exogen-kompakte Kristalle (Globulite und Stengel) zur Mitte des Gusskörpers. Die Grenzfläche der nebeneinander wachsenden Kristalle ist glatt ausgebildet. Die Erstarrung ist beendet, wenn die Kristallfronten in der Mitte des Körpers zusammenstoßen. Rauwandiqe Erstarrunq: Exogen-dendritische Kristalle wachse nebeneinander vom Rand zur Mitte des Gusskörpers. Die Grenzfläche zwischen Kristallen und Schmelze ist zerklüftet und aufgeraut. Auch hier ist der Zusammenstoß der Kristalle in der Mitte das Ende der Erstarrung. 2. Endogene Erstarrung (Endogenous Solidification) Schwammartioe Erstarrung: Exogene Dendriten, die vielfältigegliedert sind und viele Seitenäste haben, durchziehen die Schmelze wie ein Netzwerk, dessen Zwischenräume von Schmelze ausgefüllt sind (Schwamm). lm Verlauf der Erstarrung werden die Dendritenäste zunehmendicker; die Erstarrung ist beendet, wenn die Schmelze zwischen ihnen aufgezehrt ist. Breiartige Erstarrung: Endogene, kompakt oder dendritisch ausgebildete Kristalle wachsen an verschiedenen Punkten radial in der Schmelze. Das Gemenge aus Schmelze und fester Phase ähnelt einem Brei, der mit fortschreitender Erstarrung immer steifer wird. Die Erstarrung ist beendet, wenn die einzelnen Kristalle zusammenstoßen und die Schmelze zwischen ihnen aufgezehrt ist. Schalenbildende Erstarrunq: Endogene Kristalle, kompakt oder dendritisch ausgebildet, wachsen in der Schmelze, wobei die Korngrößen in Richtung auf das Innere des Gußkörpers abfallen. Die geringe Beweglichkeit der Kristalle in den Randbereichen des erstarrenden Körpers im Gegensatzur Mitte führt zur Bildung einer Schale mit ei ner gewissen Widerstandskraft. 3. Einflüsse auf die Erstarrungstypen (lnfluence on the Solidification Modess) Die Entstehung der Erstarrungstypen wird im Wesentlichen beeinflusst durch - die Metallzusammensetzung, d. h. ob reine oder legierte Metalle vorliegen - die Abkühlgeschwindigkeit. Die Auswirkungen der Metallzusam mensetzu ng verdeutlicht Abbildu ng Technologie der Fertigungsverfahren I 33

14 ) glattwandige Erstarrung Metall- zusammen- setzung ) rautrwandige Erstarrung ge ) lcnyvammanige/breiarti Ersrarrung Abbildung 2.10: Einfluss der Metallzusammensetzung auf den Erstarrungstyp Die Erhöhung des Legierungsanteiles verschiebt die Erstarrung vom glattwandigen zum schwamm- oder breiartigen Erstarrungstyp. Der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit ist Abbildung 2.11 zu entnehmen. Abkühlungsgeschwindigkeit kleine Abkühlungsgeschwindigkeit große Abkühlungsgeschwindigkeit 1 / 1 / Euhwandige Erstarrung II + glattwandige Erstarrung schwammartige Erstarrung + I rauhwandige Erstarrung Abbildung 2.11: Einfluss der Abkühlungsgeschwindigkeit auf den Erstarrungstyp Mit Zunahme der Abkühlgeschwindigkeit wird die Erstarrungsphase von der Zerklüftung zur rauwandigen bzw. glattwandigen Front geführt. Technologie der Fertigungsverfahren I 34

15 4. Folgerungen aus den Erstarrungstypen (Conclusions from the Solidification Modes) l'1,a o\. I Abbildung 2.12: Speisung bei unterschiedlicher Erstarrung an zweiaufeinanderfolgenden Zeitpunkten: A) glattwandig; B) rauwandig; C) breiartig Je nach Erstarrungstyp (exogen/endogen) und je nach Form der Erstarrungsfront kann der Erstarru ngsvorgang problemlos oder problembehaftet verlaufen. Bei glattwandiger Erstarrung ist ein leichtes Nachfließen der Schmelze gewährleistet. Die Gefahr der Lunkerbildung (Hohlstellen) ist gering. Der Vorgang erfolgt problemlos. Bei rauer, breiartiger Erstarrungsphase tritt eine Behinderung des Nachfließens der Schmelzein und es besteht die Gefahr der Lunkerbildung. Technologie der Fertigungsverfahren I 35

16 2.1.3 Konstruktive Gestaltung von Gussteilen (Design of Castings) Die Konstruktion eines Bauteils wird vom Konstrukteur nicht von Beginn an auf ein bestimmtes Fertigungsverfahren festgelegt, sondern wird zunächst nach anwendungstechnischen Erfordernissen entworfen. Sobald jedoch nach Werkstoffauswahl und Vorkalkulation die Entscheidung für ein Verfahren gefallen ist, müssen die verfahrenstechnischen Erfordernisse bei der endgültigen Konstruktion berücksichtigt werden. Das Gießen als kürzester Weg vom Rohstoff Metall zum Fertigprodukt erlaubt eine große Gestaltungsfreiheit, die jedoch aus wirtschaftlichen und fertigungstechnischen Gründe nicht unbegrenzt ist. Eine möglichst frühzeitige Zusammenarbeit des Konstrukteurs mit dem Gießer ist notwendig, um hier das mögliche Optimum zu erreichen. Optimierungspotential liegt in der Funktionsverbesserung, der Integration vieler Funktionen in ein Bauteil, vermindertem Bearbeitungsaufwand, dem einbaufertigen Gießen, dem Leichtbaund in geringeren Herstell- und Bearbeitungskosten. Klassische Gestaltungsrichtlinien für die Gusskonstruktion berücksichtigen die verfahrensgegebenen physikalischen Gesetzmäßigkeiten bei der Erstarrung der Schmelze und Abkühlen des Gussteils. Bei ungünstiger geometrischer Werkstückgestalt können Schwindungshohlräume, Risse oder unzulässige Spannungen auftreten. Eine gießtechnisch günstige Konstruktion wird vor allem dadurch erreicht, dass Materialanhäufungen möglichst vermieden werden und Querschnittsübergänge allmählich erfolgen FertigungsorientierteGestaltung (Manufactu ring-oriented Design) Die richtige Gestaltung von Wanddickenübergängen berücksichtigt die Vorgänge währender Erstarrungs- und der Festschwindung: Wa n d d i cke n ab stufu ngen solte n ei ne ge richtete E rsta rru n g ermög I ichen. Knotenpunkfe durch Zusammentreffen mehrerer Wände bilden Materialanhäufungen, d. h. heiße Zonen, und sind daher möglichst aufzulösen oder durch Querschnittverjüngung gießtechnisch günstig zu gestalten. Werkstoffansammlungen, insbesondere an Stellen, die für eine Speisung unzugänglich sind, führen zu Lunkerstellen. Schroffe Wanddickenübergänge sind zu vermeiden, da sie hohe thermische Spannungen infolge unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten ezeugen. Hinzu kommt oft noch eine erhöhte Schwindungsbehinderung durch die Form. Die Gefahr der Bildung von Warmrissen (,,Lunkerrissen" zwischen Liquidus- und Solidustempe- Technologie der Fertigungsverfahren I 36

17 ratur) und Spannungsrissen (bei weiterer Abkühlung im festen Zustand) ist daher groß. Rissgefährdete Stellen können durch Rippen geschützt werden. Vermeiden von Materialanhäufunqen N-N\-N N k NNNJNN N- NNS_N N N ungünstig günrtig ungün5tig N wn Gestalten von günst rgen Querschninsübergängen N N.* NV N Abbildung 2.13: Veranschaulichung wichtiger Gestaltungsrichtlinien an zwei Beispielen Scharfe Ecken verursachen zusätzlich einen Wärmestau (Sandkanteneffekt) und demzufolge häufig neben Warmrissen auch Schwindungsporosität sowie Blaslunker (Mischform von Gasblase und Lunker) Beanspruchungsorientierte Gestaltung (Load-Oriented Desig n ) Beim Entwerfen von Gussstücken müssen die wesentlichen im Betrieb auftretenden Beanspruchungen zugrunde gelegt werden. Hier bietet die Freizügigkeit der Gestaltung eine hervorragende Anpassung an die technischen Erfordernisse. Die Formgebung durch Gießen ermöglicht auch die wirtschaftliche Herstellung von komplex gestalteten Teilen mit hoher Gestaltfestigkeit. Oft lässt sich durch geeignete Verrippung oder mit nur geringer Geometrieänderung die Konstruktion in einen günstigeren Belastungsfall bringen (Abbildung 2.14). N w 77hz-- ruzp Technologie der Fertigungsverfahren I 37

18 Biegung T A 0ruck TTl-v A. r) )/"t, m l m a ' l 2 Zrg +F+ -\. 0ruck NNN N_IIN N N +,_N I N N I Ni_ I N b 1?,/ F -r I Zug lv'--=-ä^& Ä-_=--1 t 6ziVh t + ), t, ufucx I r i L U O ty------;itw Wkfl ly^7 z Druck Abbildung 2.14: Beispiele für beanspruchungsgerechte Gussstückgestaltung bei einem Werkstoff mit höherer Druck- als Zugfestigkeit; a Lagerbock, 1 auf Biegung beansprucht - ungünstige Auflage, 2 auf Druck beansprucht - Auflage verbreitert; b Zylinderdeckel, 1 auf Zug beansprucht - ungünstige Gestaltung, 2 auf Druck beansprucht - günstige Gestaltung; c Wandlagerarm, 1 ungünstige Querschnittanordnung, 2 beanspruchungsgerechte Querschnittanord nun g Gußwerkstoffe (Casting Materials) Eisenwerkstoffe (Ferrous Materials) Als Eisenwerkstoffe werden die Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil Eisen höher als der jedes anderen Legierungselementes ist. Sie werden nach ihrem Gehalt an Kohlenstoff grob in drei Klassen unterteilt: Technologie der Fertigungsverfahren I 38

19 1) Reineisen mit so wenig Kohlenstoff (< 0,1 Gew. %), dass durch ihn noch keine bemerkenswerte Beeinflussung der Eigenschaften eintritt. 2) Stähle mit einem Gehalt an Kohlenstoff zwischen 0,1 und 2 Gew. %. 3) Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 2-4,5 Gew. oä. Entsprechend dem Kohlenstoffgehalt weisen sie zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Stähle eignen sich vor allem für die Umformung; lassen sich aber auch gießtechnisch verarbeiten. Bei Gusswerkstoffen erfolgt die Formgebung durch Urformen. Die Vorgänge bei der Erstarrung der Eisen-Kohlenstofflösung kommen im Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff zum Ausdruck (Abbildung 2.15). Bei Temperaturen oberhalb der Liquiduslinie ACD liegt eine Fe-C-Lösung in schmelzflüssigem Zustand vor. Diese Lösung erstarrt nicht wie reine Metalle bei einer bestimmten Temperatur, sondern in einem Temperaturbereich, der zwischen der Liquidus- und der Soliduslinie AECF liegt. Mit abnehmender Temperatur nimmt in diesem Bereich der Anteil der ausgeschiedenen Kristalle zu, bis bei Erreichen der Soliduslinie die Schmelze erstarrt ist. Feste Erstarrungspunkte treten nur in den Berührungspunkten der Liquidus- und der Soliduslinie auf. Punkt A ist der Schmelzpunkt des reinen Eisens (0% C, 1536 "C), Punkt C ist der niedrigste Schmelzpunkt des Fe-C-Systems (4,3% C, 1147 'C), Das am Punkt C entstehende Gefüge ist ein Eutektikum und wird als Ledeburit bezeichnet. lm übereutektischen Bereich (C > 4,3 %) scheiden sich aus der Schmelze reine Eisencarbidkristalle (Fe3C) aus. lm untereutektischen Bereich (C < 4,3 %) scheiden sich y-mischkristalle (Austenit: Kfz-Eisenkristalle mit hohem Lösungsvermögen für Kohlenstoff) als feste Lösung aus. Ledeburit besteht aus einem geordneten Gemenge beider Phasen. Technologie der Fertigungsverfahren I 39

20 H00 rh H rmo: - o f-bli*rhhrisafl* {Au#e$itl Stahlouss : ' i Y- + 8-Misrhkli*Etts s0ci u.ur*er*rirtoney {Farrttj IS0 sü0 l r i ü 1 0 -* i o.m,or'r,iutolle + Fe'c l(ferfit +'Zemeritit) i!-.: :-.i., : i;t.r,: :... r I : I :.i..:.: :ii ": r H otr*en *lo{{gehalt in Sewichtspro rsr}t I, :,. :, i I :- :--l?0 I0 40 3ü 6ü tü tü fernentitgeh alt in {iewichtsprcrrnt I I tt_..".1 90 l 1üfr Abbildung 2.15: zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff (Quelle: saarstahl AG) lm Folgenden werden die Eisenwerkstoffe näher erläutert: Reineisen (Technical Pure lron) Reineisen mit etwa 99,99 Gew. % Eisen kann beispielsweise durch Elektrolyse von Eisensalzen (Elektrolyteisen) oder durch Glühen von kohlenstoffarmem Eisen im Wasserstoffstrom bei hohen Temperaturen (> 1000 'C) gewonnen werden. Reineisen ist sehr weich (Brinellhärte: N/mm2). Seine mechanischen Eigenschaften sind im Gegensatzu den Stählen durch Wärmebehandlung nur wenig zu beeinflussen. Technologie der Fertigungsverfahren I 40

21 Stähle (Steel) Um die Eigenschaften gezielt zu beeinflussen, werden Stähle mit verschiedenen E- lementen legiert. Je nach Legierungsgehalt unterscheidet man niedriglegierte (Legierungsgehalt < 5 Gew. %) und hochlegierte (Legierungsgehalt > 5 Gew. %) Stähle. Die Legierungselemente Cr, Cu, Mn, Mo, Ni und W erhöhen die Festigkeit von Stählen, Co, Mo, V verbessern die Warmfestigkeit. Bei Cr-Gehalten von über 12 oä werden Stähle rostbeständig. Aluminium wird in Nitrierstählen venryendet, da es mit Stickstoff Nitride hoher Härte bildet. Schwefel macht den Stahl spröde und brüchig. In Automatenstählen bewirkt ein geringer Schwefelzusalz (0,3%) die Bildung kurzer Späne. Kohlenstoff, das wichtigste Legierungselement, erhöht mit steigendem Gehalt die Festigkeit und die Härtbarkeit. Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und spanende Bearbeitbarkeit werden mit zu nehmendem Kohlenstoffgehalt verringert. Stähle werden entweder in Kokillen oder Stranggussanlagen vergossen und anschließend weiterverarbeitet oder auch als Stahlguss direkt zu Formteilen vergossen Gusseisen (Cast lron) Gusseisen hat einen Kohlenstoffgehalt zwischen 2 o/o und 4,5 oä. Bei den meisten Gusseisenarten wird durch entsprechende Zugaben von Silizium und anderen Elementen der Kohlenstoff frei als Graphit ausgeschieden und nicht wie beim Stahl als Zementit (Fe3C). Gemäß der Ausscheidungsart des Kohlenstoffes und entsprechend dem daraus resultierenden Bruchgefüge unterscheidet man zwischen weißem Gusseisen (Fe3C), meliertem Gusseisen (Fe3C) und grauem Gusseisen (Graphit). Technologie der Fertigungsverfahren I 41

22 cvo2,4-4,s 2 F4,5 Sio/o0,3-1 5 o '0 0 &3,0 weißes Gußeisen {white cast iron) Grauguß (grey cast iron) Hadguß (chilled iron) Temperguß (malleable cast iron) Grauguß mit Lamellengrafit (grey cast iron) Grauguß mit Kugelgrafit (nodular graphite Schwarzer Temperguß (blackhead) Weißer Temperguß (whiteheart) Abbi ldu ng : Werkstoffgruppen des Gusseisens Weißes Gusseisen (White Cast lron): Bei der weißen Erstarrung des Gussgefüges, bei der kein elementarer Kohlenstoff vorliegt, wird der Werkstoff sehr spröde und damit schlecht bearbeitbar. Durch eine spezielle Glühbehandlung kann man jedoch eine Umbildung des Kohlenstoffs herbeiführen und damit die Eigenschaften des Werkstoffes gezielt verbessern; es entsteht der Temperguss (GT) Teile mit komplizierter Form, die eine hohe Zähigkeit, Schlagfestigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit aufirueisen müssen, werden aus Temperquss hergestellt. Venvendet man bei der Glühung eine oxidierende Atmosphäre, so wird der Werkstoff am Rande entkohlt, während sich der verbleibende Kohlenstoff im Inneren des Werkstückes zu,,kohlenestern" zusammenballt. Man spricht dann von weißem Temperquss (GTW). Liegt hingegen eine neutrale Glühathmosphäre vor, so findet keine Randentkohlung statt, der Kohlenstoff ballt sich über dem gesamten Werkstückquerschnitt zu,,kohlenestern" zusammen. In diesem Falle spricht man von schwarzem Temperquss (GTS). Temperguss weist eine deutliche Duktilität auf; seine Zugfestigkeitswerte liegen zwischen 300 und 800 N/mm2, die Bruchdehnungen zwischen 1 und 10 oä. Ebenso zu der Gruppe des weiß erstarrenden Gusseisens zählt der Hartquss. Er besitzt außer sehr hoher Härte und hoher Druckfestigkeit meist nur geringe Zugfestigkeit und ist sehr spröde. Aus diesen Gründen eignet er sich vonruiegend für auf hohen Technologie der Fertigungsverfahren I 42

23 Druck und Verschleiß beanspruchte Teile, wtez.b. Kugeln für Kugelmühlen, Brechbacken für Zerkleinerungsmaschinen. Meliertes Gusseisen/ Schalenhartquß (Mottled Cast lron): Durch Legierungsmaßnahmen und insbesondere durch Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit ist es möglich, die Randschicht weiß (Fe3C) und das Werkstückinnere grau (Graphit) erstarren zu lassen. Dies liegt an der schlechteren Wärmeabfuhr im Werkstückinneren, die eine geringere Abkühlungsgeschwindigkeit zur Folge hat. Dem Kohlenstoff bleibt auf diese Weise mehr Zeit, sich als Graphit auszuscheiden. Man bezeichnet diese Werkstoffgruppe dann als meliertes Gusseisen oder Schalenhartguss. Es werden dabei Teile mit einer harten Schale und einem duktilen Kern mit hohen Dämpfungseigenschaften erzeugt. Der Schalenhartguss bewährt sich insbesondere bei stoßbeanspruchten Teilen, wie z.b. Walzen. Graues Gusseisen (Grey Cast lron): Gusseisen mit Lamellengraphit (GG)(Grey Cast lron) -,.-r,' 1)l'i':1' a'... 't.t : -.; ;i.:if ;',ii*; -i \l-'i''\ ' l!,.'..::.i, Globulitisch Abbild u ng 2.17 : Graphitablageru ngen im Grauguss Bei diesem Gusseisen ist der als Graphit ausgeschiedene Kohlenstoffanteil lamellar angeordnet. Werkstoffmechanisch wirken die Graphitlamellen als Kerben, an deren spitzen Enden bei mechanischer Belastung Spannungserhöhungen auftreten, die schon frühzeitig zu plastischen Formänderungen des Werkstoffs führen. Die Grenzen des elastischen Verhaltens liegen bei GGL sehr niedrig, und somit ist auch der E- Modul wesentlich geringer als der des Stahls. Je gröber und zusammenhängender die Graphitlamellen, desto niedriger ist die Festigkeit. Neben diesen Nachteilen besitzt GGL aber eine gute Bearbeitbarkeit und gute Dämpfungseigenschaften. Technologie der Fertigungsverfahren I 43

24 Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG)(Nodular Graphite Cast lron) Durch das Legieren (lmpfen) einer Graugussschmelze mit Magnesium oder Cer kann man auch eine kugelige Ausscheidungsform des Kohlenstoffs herbeiführen. Der entstehende Werkstoff wird als Gusseisen mit Kuqelqraphit (GGG) oder Sphäroquss bezeichnet. In den mechanischen Eigenschaften kommt GGG dem Stahl am nächsten und stellt eine wichtige Ergänzung den übrigen Gusseisenarten dar. GGG verfügt über eine ausgeprägte Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit (os: N/mm2). Es weist gutes Dämpfungsvermögen und gute Bearbeitbarkeit auf. Durch eine Wärmebehandlung ist es möglich, die Werte für die Bruchdehnung auf 25 oä zu steigern. Unter Sonderguss werden alle Gussarten zusammengefasst, bei denen besondere Eigenschaften mit Rücksicht auf die jeweilige Konstruktion bzw. Betriebsaufgabe verlangt werden. Solche Eigenschaften können sein: hohe mechanische Festigkeit gegenüber häufig wechselnden Beanspruchungen, hohe Warmfestigkeit und/oder Kaltzähigkeit, hoher Korrosions- und Abriebwiderstand Nichteisenwerkstoffe (Nonferrous Materials) Nichteisenmetalle werden nach ihrer Dichte in Leicht- und Schwermetalle eingeteilt. Von technischer Bedeutung sind folgende NE-Metalle und ihre Legierungen: Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel, Zink und Zinn. lm Folgenden wird kurz auf Aluminium, Magnesium und Kupfer eingegangen. Aluminium und seine Legierunqen (Aluminum and its Alloys) Zur Herstellung von 1 t Aluminium benötigt man 2 t Tonerde bzw. 5 t Bauxit und kwh Strom. Trotz dieser energieintensiven Herstellungsweise ist Aluminium nach Stahl der meist angewendete Werkstoff. Die Eigenschaften hängen stark von der Legierung ab. So ist reines Aluminium sehr weich, es lässt sich sehr gut umformen, besitzt aber eine sehr geringe Zugfestigkeit (< 50 N/mm' ). Je nach Einsatzbereich können jeweils geeignete Aluminiumlegierungen gewählt werden. Mit Knetlegierungen lassen sich bspw. Zugfestigkeiten zwischen 60 und 530 N/mm2 erreichen. Damit können bei einer Dichte von 2,7-2,8 g/cm3 Zugfestigkeiten erzielt werden, die üblich für Stahl sind (Dichte von Stahl: 7,9 g/cm3). Aluminium besi2t eine sehr gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer natürlichen Oxidhaut. Auch die Verformbarkeit ist in starkem Maße von der Legierung abhängig, im Allgemeinen aber geringer als bei Stahl. Die wichtigsten Legierungselemente bei Aluminium-Knetlegierungen sind Cu, Mg, Mn, Zn und Ni. Technologie der Fertigungsverfahren I 44

25 Eine Reihe von Aluminium-Knetlegierungen lässt sich durch warmes oder kaltes Aushärten in ihren Festigkeitseigenschaften gezielt beeinflussen. Nichtaushärtbare Legierungen lassen sich Schmelzschweißen, aushärtbare Legierungen werden vor dem Aushärten geschweißt. Lichtbogenschweißung erfolgt mit dem WIG- oder MIG- Verfahren. Bei Aluminium-Gusslegierungen ist das wichtigste Legierungselement Si, das bei 12 o/o mit Al ein Eutektikumit sehr guten Gießeigenschaften (AlSi 12) bildet. Gusswerkstücke aus Aluminiumlegierungen haben ein breites Anwendungsspektrum in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Fahrzeugbau, in der Elektrotechnik, im allgemeinen Maschinenbau, der optischen Industrie und in der Medizintechnik gefunden. Maqnesium und seine Legierungen (Magnesium and its Alloys) Magnesium wird aus Magnesiumchlorid oder wasserfreiem Kalium-Magnesiumchlorid durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Aufgrunder Dichte von 1,8 g/cm3, der Zugfestigkeit von bis zu 280 N/mm2 und einer Bruchdehnung von teilweise über 10% sind Magnesium-Gusslegierungen gefragte Werkstoffe für Leichtbauerzeugnisse. Magnesiumbrand wird vermieden, wenn der Schmelzeine tausendstel Prozent Beryllium zugesetzt werden und die Schmelz- und Gießvorgänge in einer Schutzgasatmosphäre stattfinden. Legierungen für stoß- und schwingbeanspruchte Bauteilerhalten als Hauptlegierungsbestandteil 8-9% Aluminium. Kupfer und seine Leqierunsen (Copper and its Alloys) Kupfer weist eine sehr gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit und eine gute plastische Verformbarkeit auf. Es ist beständigegen Luftfeuchtigkeit, Heißwasser und manche Säuren. Kupfer lässt sich gut löten und ist mit allen Verfahren schweißbar. Besonders geeignet sind die Schutzgasschweißverfahren. Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) zeichnen sich durch gute Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und stellen die am häufigsten angewendete Kupferlegierung dar. Der Massengehalt des Kupfers in Messing beträgt mindestens 50%. Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze) verbinden hohe Härte und Duktilität mit sehr guter Korrosionsbeständigkeit. Wegen der hervorragenden Gleit- und Verschleißeigenschaften werden aus Kupfer-Zinn- Legierungen Gleitlager hergestellt. Technologie der Fertigungsverfahren I 45

26 2.1,5 Einteilung der Gießverfahren (Classification of Casting Processes) Formguss (Finished Casting) Grundsätzlich lassen sich die Gießverfahren in die Bereiche Formguss und Halbzeugguss einteilen (Abbildung 2.18). Formguss ist die,,fertigung metallischer Erzeugnisse mit bestimmten unterschiedlichen Konturen und Wanddicken, die direkt aus dem schmelzflüssigen Zustand in einoder mehrteiligen Formen hergestellt werden. Nach dem Formguss hergestellte Bauteile entsprechen weitgehend bzw. vollständig ihrer endgültigen Geometrie. Die Form enthält das zukünftige Gussteil als Hohlraum, sie ist deshalb auch das Negativ des Gussteils. Gießvefahren {casting processes) Verlorene Formen aus Dauer. modellen (break-moulds made from permanent Dattern ) Verlorene Formen aus veilorenen Modellen (break-moulds made from lost Daftern) Maschinenformen (mechanical moulding) Niederdruckguß low pressure die casting) (shell mould cast KeramiKormen (investment casting with ceramic mould) Abbildung 2.18: Einteilung der Gießverfahren Formguss lässt sich weiter unterteilen ingießen in verlorenen Formen bzw. Gießen in Dauerformen. Verlorene Formen sindin der Regel Sand- oder keramische For- Technologie der Fertigungsverfahren I 46

27 men. Bei verlorenen Formen wird mit Hilfe eines Modells der Hohlraum in den Formstoff geformt, wobei das Modell wie das Gussteil ein Positiv ist. Der Formstoff wird auf das Modell aufgebracht und entweder durch Verdichten oder durch Aushärten verfestigt. Durch Entfernen des Modells aus der Form durch Ziehen oder Abheben entsteht der Hohlraum für das abzugießende Gussstück. Hohlräume im Gussteil selbst werden durch Kerne gebildet, die wiederum in Formen, den sog. Kernkästen, hergestellt werden. Der Formstoff bei den verschiedenen Sandgießverfahren besteht im wesentlichen aus dem Formgrundstoff, z.b. Quarzsand, und dem Formstoffbindemittel, z.b. Ton oder Kunstharz. Die Form wird zur Entnahme des Gussstücks zerstört, wodurch sich die Bezeichnung,,verlorene Form" erklärt. Dauerformen, wie z.b. Kokillen oder Druckgießwerkzeuge, bestehen übenruiegend aus metallischen, temperaturbeständigen und verschleißfesten Werkstoffen, meistenspezielle Stahl- und Gusseisenlegierungen, die einem angepassten Wärmebehandlungsverfahren unterzogen werden. In Dauerformen wird der Hohlraum für das spätere Gussstück zerspanend, durch Erodierverfahren oder durch Gießen und mechanisches Nachbearbeiten, hergestellt. Dauerformen zeichnen sich durch ihre Wiederveruryendbarkeit bis hin zu hunderttausend Abgüssen und mehr aus. Um auch bei geometrisch komplexen Bauteilen eine Entnahme des Gussstücks zu gewährleisten, sind Dauerformen meist mehrfach geteilt und weisen sog. Kernzüge auf Gießen in verlorenen Formen aus Dauermodellen (Casting Break-Moulds made from Permanent Pattern) Bezeichnend für alle Gießverfahren in diesem Bereich ist die nur einmalige Verwendbarkeit der erstellten Gießform. Die Form besteht aus einem verfestigten Formstoff und hat einen entscheidenden Einfluss auf die Gussstückqualität, wie z.b. Maßhaltigkeit, Oberflächengüte oder Gefügeausbildung. Die Hauptanforderungen an den Formstoff sind: o guteverarbeitbarkeit. ausreichende Festigkeit nach der Formherstellung sowie beim Abgießen und Erstarren o gute Zerfallseigenschaften nach dem Abguss. möglichst hohe Abbildegenauigkeit o gut Feuerbeständigkeit. ausreichendegasdurchlässigkeit. vernachlässigbare nachteilige Wechselwirkung zwischen Formstoff und Schmelze. möglichst problemlose Wiedervenruendbarkeit. Technologie der Fertigungsverfahren I 47

28 Zum Abformen der Außenkonturen von Gußstücken haben sich Sande bestens bewährt. Man unterscheidet zwischen Tabelle 2.1 zeigtverschiedene Formsande und ihre Zusammensetzung Tonerde Kohl+ (Bindemittel) staub Bentonit Wasser (Bindemittel) magerer Formsand 90% 5...8% 4o/o mittelfetter Formsand 82o/o % 7olo fetter Formsand 75o/o a/o 10o/o vollsynthetischer Formsand 92o/o 14o/o 3...4% <5% Tabelle 3: Formsande und ihre Zusammensetzung. Natursanden, die aus der feinkörnigen Grundmasse Quarzsand und dem Bindemittel Ton bestehen und o synthetischen Sanden, die durch Mischen von gewaschenem und gesiebtem Sand und hochbindefähigem Ton (Bentonit) entstehen. Quarzsand Je nach der weiteren Verarbeitung der Sandform unterscheidet man zwischen Naßguss und Trockenguss. o Nassguss (Green Sand Casting) Nassguss ist das Gießen in Formen, die aus ungetrockneten Formteilen tongebundener Formstoffe zusammengesetzt werden. Auch das Gießen in oberflächenbehandelte oder oberflächengetrocknete Formen zählt zum Nassguss. Zur Verbesserung der Gussoberfläche können die Formteile durch Auftragen von Suspensionen, Emulsionen oder Lösungen vorbehandelt werden. Der Nassguss ist das vorherrschende verfahren bei der Herstellung von Gussstücken mit verlorenen Formen.. Trockenguss (Dry Sand Casting) Trockenguss ist das Gießen in Formen aus tongebundenen Formstoffen, denen durch einen Trockenvorgang das Wasser entzogen wird. Durch die Trocknung bei 300 'C bis 500 "C erhält der Formstoff beachtliche Festigkeit. Die Trocknungszeiten (Haltezeitenach Erreichen der Trocknungstemperatur) betragen je nach Trocknungseinrichtung und Größe der Form 2 bis 20 Stunden. Dabei sollte der Tempera- Technologie der Fertigu ngsverfahren I 48

29 turanstieg nicht höher als 100 "C/h sein. Nach dem Trocknen sollte die Form bald abgegossen werden, da sie nach längerer Zeit wieder Feuchtigkeit anzieht. Die Formen für Trockenguss werden in der gleichen Weise hergestellt, wie die für den Nassguss. Die Entscheidung, ob eine Form im getrockneten oder nassen Zustand abgegossen wird, hängt von der Masse des Gussstückes ab. Große und schwere Teile werden vonruiegend im Trockenguss hergestellt. Tabelle 4 zeigt die Einsatzbereiche von Nass- und Trockenguss. 1 Gewicht 100 tkgl <1 Wanddicke 100 lmml > 3oo <10 Stückzahl 100 t-l > Tabelle 4: Einsatzbereich von Nassguss und Trockenguss In der Kernfertigung werden die natürlichen tongebundenen Sande fast vollständig durch kunstharzgebundene, synthetische Sande ersetzt. Kerne müssen folgenden Anforderungen gerecht werden :. Sie müssen dem Gießdruck standhalten. o Sie müssen der hohen Wärmebelastung standhalten.. Sie müssen nachgiebig sein, damit das Gussstück bei der Schrumpfung nicht gesprengt wird.. Sie müssen leicht entfernbar sein. Technologie der Fertigungsverfahren I 49

30 Formart Modellart Verfahren zu verarbeitende Werkstoffe Gewichtsbereich (Masse) (ca.-werte) Mengenbereich (ca.-werte) Toleranzbereich für 500 mm Nennmaß (ca.-werte) Typisches Bauteil Tabelle 5: Verlorene Formen Dauermodelle Handformen Maschinenformen Maskenformen Shaw-Verfahren alle Metalle alle Metalle alle Metalle alle Metalle keine Beschränkung, Vorhandene bis zu mehreren t, begrenzt Transporteinrichtungen durch Größe und der Maschinenanlage Schmelzkapazität bestimmen obere Grenze Einzelteile, kleine Serien kleine bis große Serien bis 150 kg bis 1000 kg mittlere und große Serien Einzelteile, kleine bis mittlere Serien 2,5 bis 5% 1.5 bis 3% 1 bis 2% 0,3 bis 0,8o/o Kolbenringe der Form- und Gi ßverfahren Handformen (Hand Moulding) Pumpengehäuse Rippenzylinderkopf Hüftgelenkprothesen Handformen ist ein Formverfahren für kleinere bis größte Gussstücke in kleineren Serien. Die Formfüllung erfolgt bei allen Gusswerkstoffen durch die Schwerkraft steigend oder fallend. Für den offenen oder den gedeckten Herdguss ist ein ungeteiltes Modell erforderlich, das in mit dem Formstoff gefüllten Gießgruben, den Herden, abgeformt wird. Technologie der Fertigungsverfahren I 50

31 Offener Herdguss (Open Sand Casting) Beim offenen Herdguss, z.b.von dekorativen Kamin- oder Ofenplatten, kann die O- berseite der Form in Abbildung 2.19 offen bleiben und das Gießen über eine schmale Rinne vom Einguss aus erfolgen. Das ungefertfe Modell wird zunächst im Modellsandbett ausgerichtet. Das Verdichten des Formstoffs erfolgt je nach Modellgröße durch einfaches Eindrücken, Einpressen oder Stampfen von Hand mit Pressluft oder Handstampfern. Zum Ziehen des Modells lassen sich auf der Rückseite Zieheisen einschrauben, die bei Großmodellen ein Abheben mit dem Hallenkran ermöglichen. Gedeckter Herdquss / Formquss (Hearth Casting) Der gedeckte Herdguss ist mit ungeteilten oder geteilten Modellen möglich. Die Modelloberseite in Abbildung 2.19 wird an einem aufgesetzten, mit Formstoff gefüllten, stabilen Formkasten abgebildet, der meist auch den Einlauf und den Eingusstrichter enthält. Abbildung 2.19:Prinzip des offenen (a) und gedeckten (b)herdgusses Handformen mit Formkästen (Handmoulding with Moulding Boxes) Als Handformen wird die Herstellung einer Gießform aus Sand unter Venruendung von Formkästen ohne Benutzung einer Formmaschine bezeichnet. Die Form besteht aus den Formaußenteilen für die Außenkontur des Gussstückes und den Forminnenteilen für die Forminnenkontur. Hohlräume im Gussstück entstehen durch in die Form eingelegte Kerne. Die Herstellung der Gießform aus Sand geschieht unter Verwendung von zwei oder drei Formkästen (Abbildung 2.20). Den Prinzipablauf des Einformens zeigt Abbildung Zunächst wird die untere Hälfte des zweiteiligen Modells geformt. Nach Wenden des Formkastens werden die Technologie der Fertigungsverfahren I 5't

32 0) b) Abbildung 2.20:Zweiteilige (a) und dreiteilige (b) Kastenform obere Modellhälfte sowie die Eingießteile aufgelegt und die Oberform hergestellt. Der Oberkasten wird abgehoben, die Modellhälften werden aus der Form genommen und der Kern eingelegt. Die Formhälften werden zusammengefügt, und der Abguss erfolgt. Als Gusswerkstoffe kommen alle gießbaren Metalle und Legierungen in Frage. Transportgrenze und Schmelzkapazität bestimmen die obere Gewichtsgrenze. Dieses Handformverfahren wird bei Einzelfertigung oder kleinen Serien angewendet. Moe),lr DWlb6.iry.ld Eintffi^L.Aetu hlffituo&tu Fo,m.um Gi.p.n ldtis Iaohgu ßtetl, otu 9qctttu g. n Abbildung 2.21: Einformen eines Modells Technologie der Fertigungsverfahren I 52

33 E rlä uteru n ge n versch iedener formtech n ischer G ru n d beg riffe (Explanation of Different Moulding Terms) Speiser (offen) Eingußtümpel Kühlelemente Eingußkanal Schl ackenl auf Form h oh lrau m H orn au sl auf Abbildung 2.22: Formtechnische Grundbegriffe am Beispiel einer dreiteiligen Kastenform o Eingusstrichter (Pouring Cup) Funktion: - sorgt für gleichmäßigen Zustrom der Schmelze zum Einlaufkanal - evtl. Schlacke abhalten Gestaltung: - konische Form - evtl. erueitert durch eine birnenförmige Mulde (= Eingusstümpel) Bei großen oder komplizierten Formen können mehrere Einlauftrichter venvendet werden.. Eingusskanal (Sprue) Funktion: -FließgeschwindigkeitderSchmelzereduzieren Gestaltung: - senkrecht angeordnet - in Schräg- oder Wellenform ausgebildet r Schlackenfang oder Schlackenlauf (Dirt Trap) Funktion: - schwimmende Schlacke durch Reibung an der Wand festhalten Gestaltung: - horizontal angeordnet - Beispiel: Sägezahnverlauf Technologie der Fertigungsverfahren I 53

34 . Lauf (Gate) Funktion: - Verbindung zwischen Zulauf und Formhohlraum Gestaltung: - in der Regel niedriger gelegt als der Zulauf - horizontal oder in hornförmigem Bogen o Formhohlraum (Mould Cavity) Raum, der nachher das gegossene Werkstück darstellt Gestaltung: - festgelegt nach der Gusszeichnung - Berücksichtigung der form- und gießtechnischen Bedingungen o Speiser (Riser) Unterscheidung: - offener Speiser - geschlossener Speiser (Blindspeiser) Funktion: o Luftpfeifen (Vents/ Whistlers) - Materialreservoir zum Ausgleich der Schwindung Funktion: - Entlüftungskanäle für sich bildende Gase Gestaltung: - lange, schmale Kanäle o Kühlelemente (Chills) Einsatz: - dort angewendet, wo Gefahr der Lunkerbildung besteht - außerdem an Stellen eingesetzt, wo Anbringung von Steiger nicht möglich Schablonenformgießen (Template Moulding) Kanäle, in denen überschüssiges Metall von den höchstgelegenen Stellen des Formhohlraums aus hochsteigt Funktion: - leitet Wärme ab und führt damit zur Erstarrung der gefährdeten Gusspartien, ehe sich Lunker bilden Ein spezielles Verfahren zum Herstellen rotationssymmetrischer Gussstücke ist das Schablonenformgießen (Abbildung 2.23). Man arbeitet hierbei mit einfachen Drehoder Ziehschablonen. Die Modellkosten sind daher gering. Die Außenkontur der Schlackenpfanne formt man im Herd mit einer Holzschablone. Der Formstoff wird segmentweise zugegeben und durch Drehen oder Ziehen der Schablone verdichtet. Man baut die Innenkontur der Pfanne mit einer zweiten, kleineren Schablone auf dem Technologie der Fertigungsverfahren I 54