Geometrie der Gussform

Es gibt verschiedenste Gieß- und Formverfahren für Aluminiumlegierungen. Die erste Unterscheidung betrifft die Stabilität der Formen, da es sowohl Formen für einen einmaligen Einsatz als auch für mehrfache Anwendungen gibt. Bei der Aus-wahl der geeigneten Gussform müssen unterschiedliche Aspekte wie Festigkeitsan-forderung, Bauteilgestalt, Größe, Gewicht oder Stückzahl in Betracht gezogen wer-den. Beim Sandgießen unterscheiden sich die Verfahren im verwendeten Binder.

Dieser ist entweder Ton zusammen mit Wasser oder ein organisches Harz (Polyu-rethan, Furanharz). Daneben gibt es auch Systeme, bei denen anorganische Binder-systeme verwendet werden. Als Grundstoff wird meist Quarzsand verwendet [97].

In einem Formkasten wird auf eine Modellplatte Formsand aufgebracht und an-schließend verdichtet, was sowohl manuell oder automatisiert geschehen kann. Auf diese Art wird eine Hälfte der Gussform erzeugt und mit Hilfe einer zweiten sol-chen Form wird ein Hohlraum erzeugt, der als Form für den Metallguss fungiert.

Daneben gibt es noch weitere Methoden Sandformen herzustellen, wie das Erstellen eines Paketes mit mehreren kunstharzgebundenen Sandkernen. Die Kerne werden in die Form eingelegt und es werden Hohlräume, Kanäle, Durchbrüche und Hin-terschneidungen gießtechnisch erzeugt. Im Vergleich zum Kokillenguss wird mit Sandformen eine geringere Maßgenauigkeit erreicht. Ebenso wird mit Sandformen in der Regel eine geringere Oberflächengüte erreicht. Beim Kokillenguss werden die Formen aus Stählen oder Gusseisen geformt und sind mehrmals verwendbar [97]. Zur Lösung der Aufgabenstellung wurden Sandformen für den einmaligen Einsatz, auch „Verlorene Formen“ genannt, verwendet. Dies ist bedingt durch die geringe Anzahl der Probenkörper und durch die Möglichkeit Sandformen schnell abzuändern. Neben der Hauptaufgabe, einen Hohlkörper für die flüssige Schmelze zu bilden, gibt es weitere bedeutende Anforderungen an das Gießsystem. Die Form soll sich nicht beliebig schnell mit der Schmelze füllen, sondern mit einer Fließge-schwindigkeitv(t)< 0,5 m/s, die einen kontinuierlichen ansteigenden Metallspiegel ermöglicht [98]. Oberflächenturbulenzen müssen hierbei im Gießstrahl vermieden

werden, um eine kompakte Gießstrahlausbildung beim Eintritt der Schmelze in den Formhohlraum sicherzustellen. Der Materialtransport muss sich zudem lediglich auf das flüssige Metall beschränken, da weder Luft noch Schlacke noch Formele-mente mitgerissen werden dürfen. Als letzter Aspekt soll hier die gute Trenn- und Formbarkeit des Gießsystems genannt werden.

Abbildung 2.11 zeigt die verwendete Geometrie, die aus zwei identischen Körpern links und rechts besteht und dem Einguss in der Mitte [99].

80 mm

Ø 18,4 mm

Speiser

Zugstabrohling

Lauf Filter

Einguss

Abbildung 2.11: Geometrie der verwendeten Gussform. Die äußeren Probenkörper besitzen identische Abmessungen.

Der Querschnitt des Eingusskanals ist meist kreisförmig, da somit die Reibungs-und Strömungsverluste möglichst gering gehalten werden. Jedoch kann in beson-deren Fällen der Querschnitt zur Unterdrückung der kreisenden Turbulenzen auch drei- bzw. vieleckig gestaltet sein [100]. Um die Ansaugung von Luft während des Gießens zu verhindern, ist der Eingusskanal konisch ausgeführt. Der Eingusskanal ist verjüngt und an die Einschnürung des Schmelzstrahls angepasst, so dass kei-ne Luft angesaugt wird. Da Verunreinigungen wie Schlacke oder Oxide spezifisch leichter sind als das Metall, schwimmen sie auf. Der größte Teil der Schlacke wird durch Abschlacken oder Abkrammen entfernt. Jedoch reinigt sich eine Aluminium-schmelze durch ihre geringe Dichte vonρ =2, 7g/cm³nur sehr langsam, weswe-gen einen aktive Reinigung nötig ist. Um den Einschluss von Luft zu verhindern,

muss zudem möglichst turbulenzfrei eingegossen werden.

Über dem Zugstabrohling, dem gewünschten Werkstück, befindet sich der Speiser.

Dieser gleicht während des Erstarrens des Gussstücks das entstehende Volumende-fizit aus [101]. Um diese Aufgabe zu erfüllen muss das Material im Speiser später erstarren. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Erstarrungsmodul des Speisers größer als der des dichtzuspeisenden Gussstückabschnittes ist. Der Erstarrungsmo-dul kann mittels Formel 2.43 berechnet werden [102].

Modul(M) = ^Volumen(V)

Ober f lache¨ (A) ^(2.43) Das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Speisers muss um 20 % größer sein als das des Gussstücks. Ist diese Bedingung erfüllt, dann ist gewährleistet, dass der Speiser später erstarrt. Obwohl der Modul eines kugelförmigen Speisers am größten ist, kann diese Geometrie aus formtechnischen Gründen oft nicht verwirklicht wer-den. Deswegen werden oft zylindrische Speiser verwendet, bei denen ein Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser von 2:1 anzustreben ist [102]. Durch einen der-maßen gewählten Speiser kann eine Bildung von Lunkern verringert werden. Lun-ker sind Gussfehler, die durch die Reduktion des Metallvolumens entstehen. Da-bei kann zwischen drei Phasen der Volumenreduzierung differenziert werden, der Flüssigkeits-, der Festkörper und der Erstarrungsschwindung [103]. Zunächst kann die Reduzierung bereits in der flüssigen und darauf in der plastischen Phase auftre-ten. Auch in bereits festem Zustand kann diese letztlich noch auftreauftre-ten. Dabei treten diese Lunker, auch Schwindungshohlräume genannt, vor allem bei dem Übergang von flüssig nach fest auf. Abbildung 2.12 zeigt den Schliff eines Abgusses, wo-bei hier der Abschnitt mit dem Speiser zusätzlich vergrößert ist. Es sind hierwo-bei deutlich die Schwindungshohlräume zu erkennen, die bei der Erstarrung entstehen.

Speiser können allgemein in zwei Gruppen unterteilt werden. Zum einen gibt es offene Speiser, die bis zur Oberseite der Gießform hochgezogen und der freien At-mosphäre frei zugänglich sind. Zum anderen geschlossene Systeme, die allseitig vom Formstoff umhüllt sind und auch Blindspeiser genannt werden [104].

In der Abbildung 2.11 ist im Eingusskanal noch weiteres Element, der Filter, einge-fügt. Filter setzen sich im Gießereiwesen immer mehr durch, da die Gussstückqua-lität dadurch verbessert wird. Zum einen werden durch den Filter Verunreinigungen wie Sand oder Schlacke abgefangen, zum anderen beruhigt der Filter die Schmelze.

Es gibt verschiedenste Arten von Filtertypen. Es gibt Siebkerne, Gewebefilter und

keramische Filter [105]. Am wirksamsten werden Keramikfilter angesehen und ihr Einsatzgebiet sind kleinere Formen und Gießmengen. Ein weiterer Vorteil von Fil-tern ist, dass sie Einschlüsse wirksam zurück halten.

Jeder Abguss enthält, wie bereits erwähnt, je zwei symmetrische Zugstabrohlinge.

Aus diesen sollen nach Erstarrung Zugstäbe gefertigt werden, die in einem genorm-ten Zugversuch durch eine Zugbeanspruchung in der Regel bis zum Bruch gedehnt werden. Mittels dieses Versuchs können die Festigkeits- und Verformungseigen-schaften eines Werkstoffs unter einachsiger, momentfreier, monoton ansteigender Zugbeanspruchung bestimmt werden.

Abbildung 2.12: Makroschliff eines Zugstabrohlings angefertigt am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen. Die Einschlüsse im Speiser sind klar zu erken-nen.