Metallguss – Definition, Verfahren und Arten

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Metallguss ist ein Herstellungsverfahren bei dem Metalle zu schmelzen und in Formen zu gießen um bestimmte Formen zu formen. Er wird vor allem in der verarbeitenden Industrie zur Herstellung verschiedener Teile verwendet, aber auch in der bildenden Kunst wie der Bildhauerei und der Schmuckherstellung. Im Jahr 2020 wurde der Markt für Metallguss aus Eisen und Stahl auf 145,97 Milliarden USD geschätzt. Der Markt wird voraussichtlich mit einer Wachstumsrate von CAGR von 5,4% von 2021 bis 2027.

Das Verfahren zum Gießen von Metallen reicht über 7000 Jahre zurück. Im Laufe der Jahrhunderte wurde das Gießverfahren ständig weiterentwickelt und verfeinert. Heute ermöglicht es die die wiederholbare Herstellung hochkomplexer Formen, von denen einige mit anderen Methoden unmöglich zu erreichen wären.

Die Verwendung von Gussprodukten ist inzwischen so weit verbreitet, dass Sie in keiner Umgebung mehr darauf verzichten können. Einige Beispiele für gegossene Metallprodukte sind Motorblöcke, Hydranten, Motoren, Werkzeuge, Ampeln, Schächte, Rohrleitungen, Ventile und verschiedene Armaturen.

In diesem Artikel befassen wir uns mit dem Metallgussverfahren, um zu verstehen, was es ist, welche Arten es gibt und wie sie funktionieren.

Was ist Casting?

Das Gießverfahren ermöglicht die Herstellung von Metallteilen mit der gewünschten Form, indem die Metalle über ihre Schmelztemperatur erhitzt und das flüssige Metall in Formen gegossen wird. Das geschmolzene Metall fließt in die leeren Hohlräume und passt sich der Form der Gussform an. Sobald das Metall abgekühlt und erstarrt ist, wird es aus der Form genommen und zur Nachbearbeitung geschickt. Bei der Nachbearbeitung werden die Oberflächenbeschaffenheit und das Aussehen verbessert und die erforderlichen Schutzschichten aufgetragen.

Dem Metallguss sind nur durch die Phantasie des Herstellers Grenzen gesetzt. Es lassen sich äußerst komplizierte Formen herstellen.

Der Guss wird für komplexe Geometrien bevorzugt, weil er kostengünstiger ist und das Verfahren einfacher ist als z.B. die CNC-Bearbeitung in solchen Fällen. Aber auch für die einfachsten Formen wird es wegen der schnellen Durchlaufzeit und der großen Produktionskapazität häufig eingesetzt.

Mit modernen Gussverfahren können endkonturnahe Formen hergestellt werden, wodurch die Notwendigkeit des Entgratens und anderer Nachbearbeitungsschritte erheblich reduziert wird.

Metallgießverfahren

Der Grund, warum das Metallgussverfahren so beliebt wurde, war seine inhärente Einfachheit. Es bestand keine Notwendigkeit für moderne Maschinen oder komplexe Prozesse, um fertige Produkte zu erhalten.

Daher konnten sogar antike Armeen das Verfahren zur Herstellung von Waffen und Werkzeugen nutzen. Aber im Laufe der Jahre wurden durch die Fortschritte beim Gießen einige Schritte hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die Endprodukte die bestmögliche Qualität haben. Werfen wir einen Blick auf das typische Metallgussverfahren, das heute in der Industrie verwendet wird.

Schritt 1: Herstellung der Gussform

Die Herstellung der Form ist wohl der wichtigste Schritt im Metallgussverfahren. Die Qualität der Form wirkt sich direkt auf die Qualität des Endprodukts aus. Die Methode zur Herstellung der Gussform hängt von der Art des Metalls, der Teilegeometrie, der Produktionskapazität und dem gewünschten Finish ab. Sobald diese Spezifikationen festgelegt sind, können die geeigneten Materialien und die Methode bestimmt werden.

Die Form wird als Negativabdruck des gewünschten Teils erstellt. Sie wird aus einem Material hergestellt, das nicht nur den hohen Temperaturen des geschmolzenen Materials standhält, sondern sich auch nach dem Abkühlen leicht vom massiven Metallteil trennen lässt. Einige Materialien, die für Formen verwendet werden, sind Sand, Gips, feuerfester Schlamm und Keramikflüssigkeit. Einige Formen können nur einmal verwendet werden, während andere wiederholt eingesetzt werden können.

Schritt 2: Schmelzen und Gießen von Metall

Das Gießmetall wird über seinen Schmelzpunkt erhitzt, um eine frei fließende Flüssigkeit zu erzeugen. Die Flüssigkeit muss so weit wie möglich frei von Verunreinigungen und Krätze sein. Die Form kann mit Vorrichtungen versehen werden, die das Eindringen von Krätze in das Gussteil verhindern. Das geschmolzene Metall wird in ein Gießbecken am oberen Ende der Form gegossen. Das verflüssigte Metall gelangt dann in den Anguss (vertikaler Kanal) und wird über Angüsse (horizontale Kanäle) und Anschnitte (Eingänge für die Hohlräume) in den Formhohlraum verteilt.

Weniger viskose Metalle können leicht in das Gussteil fließen und feinere Modelle bilden. Metalle mit hoher Viskosität weisen ein nicht-turbulentes Fließen auf, was dazu beiträgt, Defekte wie Porosität zu vermeiden. Die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Antriebskraft werden auch durch die Viskosität des geschmolzenen Metalls beeinflusst.

Schritt 3: Entnahme des Metallgusses aus der Form

Bei einer Einwegform wird die Form gebrochen, um das Metallteil zu entnehmen.

Beim Gießen in eine Dauerform gibt es verschiedene Öffnungen an der Form, um das Gussteil herauszuholen. Die Form kann dann für die nächsten Chargen wiederverwendet werden.

Schritt 4: Endbearbeitung und Nachbearbeitung

Das aus der Form entnommene Gussteil kann in seinem jetzigen Zustand nicht verwendet werden. Wenn das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird, erstarrt auch das flüssige Metall in den Eingüssen, Angüssen, Speisern und Entlüftungen. Alle diese Anhängsel werden abgeschnitten. Auch eine Oberflächenbearbeitung kann erforderlich sein.

Das Teil wird dann zur Reinigung und Beschichtung geschickt, falls die Anwendung dies erfordert.

Arten von Gießverfahren

Gussstücke können aus verschiedenen Metallen wie Aluminium, Zink, Stahl und Eisen hergestellt werden. Jedes Metall besitzt einzigartige Eigenschaften, die eine Anpassung der Gießtechnik erfordern, um das bestmögliche Produkt zu erhalten.

Die Gießtechnik hängt auch von Parametern wie der Legierungszusammensetzung, der Teilegeometrie, den Kosten, der gewünschten Endqualität, der Größe der Produktionsserie und den Leistungskriterien ab.

Die Gießverfahren werden auf zwei Arten unterteilt: Die erste ist basierend auf der Lebensdauer der Form (verbrauchbare und nicht verbrauchbare Gussformen) und die zweite ist die Methode des Legierungsspritzgusses (Schwerkraft-, Druck- oder Vakuumguss). In diesem Artikel werden wir die Gießverfahren in Verbrauchsformguss und Nichtverbrauchsformguss einteilen.

Verbrauchsfähiges Formgießverfahren

Gießverfahren mit Einwegformen verwenden Formen, die nur einmal verwendet werden können. Diese Formen werden in verschiedenen Gießverfahren wie Sandguss, Muschelformguss und Feinguss verwendet. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Formen nicht immer nach der Verwendung entsorgt werden können. Die Hersteller können versuchen, die Formen zu retten, wenn eine Reform der Form möglich ist.

Schauen wir uns einige der Verfahren, bei denen nicht wiederverwendbare Gussformen verwendet werden, genauer an:

Sandgießen

Beim Sandgussverfahren wird Sand als Formmaterial verwendet. Sand ist billig, leicht verfügbar, biegsam und widersteht großer Hitze besser als die meisten anderen Materialien. Grüner Sand (feucht) und trockener Sand sind die am besten geeigneten Materialien für das Gießverfahren.

Es wird eine Sandform in der Negativform des gewünschten Teils hergestellt, in die dann das geschmolzene Metall gegossen wird. Sobald das Metall erstarrt ist, wird der Sand entfernt, um das Gussteil zu bergen.

Sandguss ist eines der ältesten Gießverfahren. Es ist auch heute noch sehr beliebt, weil es Einfachheit, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit.

Im Sandgussverfahren können Produkte mit einer Größe von einigen Zentimetern bis zu mehreren Dutzend Metern hergestellt werden. Das Gewicht der Produkte kann von 75 g bis zu mehreren Tonnen reichen.

Das Sandgussverfahren bietet jedoch nicht die beste Oberflächenqualität und ist daher eher für größere Produkte geeignet, die später für eine glattere Oberfläche veredelt werden können.

Der Gipsformguss ist eine Art Sandgussverfahren, bei dem anstelle von Sand Gips zum Bau der Form verwendet wird.

Muschelgießen

Das Muschelgießen ist eine Art Sandgussverfahren. Anstelle von losem Sand wird das Metall jedoch innerhalb einer dünnwandigen, harten Sandschale gegossen.

Um diese Schale herzustellen, muss zunächst ein Modell erstellt werden. Ein Modell ist ein Objekt, das die Form des gewünschten Teils hat. Das Modell wird erhitzt und in den mit einem wärmehärtenden Harzbindemittel vermischten Sand gelegt. Der Sand um das Modell herum nimmt die Form des Teils an, und das Harz härtet es aus. Die Schale wird im Ofen weiter gehärtet. Sobald die Schale fertig ist, wird sie in das Backmaterial gelegt und geschmolzenes Metall hineingegossen. Das Gussteil wird nach dem Erstarren entnommen.

Das Schalengießen bietet Vorteile wie einen geringeren Bedarf an Arbeitskräften (wenn es automatisiert ist), eine höhere Produktionskapazität und eine verbesserte Maßgenauigkeit.

Allerdings ist Shell Moulding etwas teurer als Sandguss aufgrund des verwendeten Harzes. Es kann auch eine geringere Materialstärke und hohe Porosität aufweisen. Auch die Arbeitskosten können recht hoch sein, wenn der Prozess nicht automatisiert ist.

Feinguss

Beim Feinguss, auch bekannt als Wachsausschmelzverfahren oder Präzisionsguss, wird Wachs verwendet, um gleichbleibend präzise Gussteile herzustellen.

Das Verfahren beginnt mit einem Wachsmodell, das mit Hilfe von Metallformen hergestellt wird. Mehrere Wachsmodelle werden mit Anschnitten, Gießkanälen und einem Anguss zusammengesetzt. So können mehrere Teile gleichzeitig gegossen werden.

Die zusammengesetzten Wachsmodelle werden in einen feuerfesten Schlamm getaucht oder „investiert“, der die Form des Modells annimmt.

Das Wachsmodell wird dann zusammen mit der Schlammhülle erhitzt. Das Wachs fließt aus der Schale und kann zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden.

Die Schlammschale bildet dann die Form für den Gießprozess. Das geschmolzene Metall wird in die Form gegossen, wo es zu dem gewünschten Teil erstarrt.

Feinguss ist hochpräzise. Es wird für komplexe Teile verwendet, die präzise Teile erfordern, wie z.B. Turbolader-Rotoren. Außerdem bietet es eine sehr gute Oberflächengüte.

Andererseits ist das Verfahren teurer als Sandguss und Maskenformung. Bei einigen Merkmalen, wie der Größe und Tiefe der Löcher, gibt es Einschränkungen. Feinguss kann eine Herausforderung sein, wenn es um Kerne geht.

Nicht-verzehrbares Formgießverfahren

Diese Gießtechniken verwenden permanente Gussformen, die mehrfach wiederverwendet werden können. Es ist nicht notwendig, für jedes Gussteil eine neue Form herzustellen, wie es beim Gießen mit Einwegformen der Fall ist. Dies kann bei Gussstücken, die eine feine Oberflächenbeschaffenheit, hohe Maßgenauigkeit und komplexe Formen erfordern, von Vorteil sein.

Die folgenden Gießverfahren können als nicht-verwendbar eingestuft werden:

Druckgießen

Beim Druckgussverfahren wird eine Metallform verwendet, um andere Metalle zu gießen. Die Gussform besteht in der Regel aus Nichteisenlegierungen aus Aluminium, Kupfer und Zink, aber es werden auch Gussformen aus Eisenmetallen verwendet.

Die Metallstempel sind teuer in der Herstellung aber sie halten eine sehr lange Zeit. Das macht den Druckguss attraktiver für die Großserienproduktion geeignet.

Druckguss eignet sich im Vergleich zu anderen Metallgusstechniken eher für kleine bis mittelgroße Teile, die eine hochwertige Oberflächenbearbeitung erfordern.

Es gibt zwei Haupttypen von Druckgussverfahren: Kokillenguss und Druckguss. Das Schwerkraftgießen nutzt die Schwerkraft, um die Form mit geschmolzenem Metall zu füllen. Die Kanäle und Formhohlräume sind so gestaltet, dass das Metall auf natürliche Weise in die Taschen fließen kann.

Beim Druckguss wird geschmolzenes Metall unter hohem Druck in die Form eingespritzt. Dieses Verfahren bietet mehr Flexibilität bei der Formgestaltung, ist aber teurer und erfordert mehr Erfahrung.

Das Druckgussverfahren eignet sich besser für komplexe Geometrien, während das Kokillengussverfahren für einfachere Designs günstiger ist.

Zentrifugalguss

Schleuderguss nutzt die Zentrifugalkraft, um runde Teile zu gießen. Das Verfahren wird im Allgemeinen für die Herstellung von Gussteilen in Standardgröße, wie z.B. Rohren, und nicht für Fertigprodukte verwendet.

Da das Verfahren die Schwerkraft und den Druck ausnutzt, entstehen sehr feine Formen mit bemerkenswerter Genauigkeit.

Das geschmolzene Metall wird in der Mitte zugeführt und die Drehbewegung der Form drückt das Metall zum Rand hin, wodurch eine ringförmige Form entsteht. Durch die sukzessive Zugabe verschiedener Materialien ist es möglich, Rohre mit mehreren Schichten herzustellen. Mit dem Schleuderguss können beispielsweise Gusseisenrohre mit einer Zementauskleidung auf der Innenseite hergestellt werden, um Korrosion und spätere Tuberkulose zu verhindern.

Die Zentrifugalkraft kann auch zähflüssiges geschmolzenes Metall in extrem feine Hohlräume pressen. Das Metall kann in komplizierte Formen gegossen werden und komplexe Designs bilden. Daher wird dieses Konzept häufig auch für die Herstellung von Schmuck verwendet.

Die Gießmaschinen können horizontal oder vertikal sein. Horizontale Maschinen sind für lange Produkte wie Rohre geeignet, während Maschinen mit vertikaler Achse eher für kürzere Produkte wie Lager geeignet sind.

Schleuderguss hat den Vorteil, dass keine Kerne benötigt werden, dass ein ausgezeichnetes Korngefüge erzeugt wird und dass es keine Einschränkungen bei den Abmessungen wie Länge, Wandstärke und Durchmesser gibt.

Schleuderguss ist die beste Alternative für bestimmte Anwendungen, z.B. für dünnwandige Zylinder. Es hat jedoch auch Nachteile, wie z.B. Formzwänge, die Unfähigkeit, mit kleineren Durchmessern zu arbeiten und die Kompatibilität mit begrenzten Legierungen. Beim Schleuderguss sammeln sich Verunreinigungen in der Mitte, die schwer zu entfernen sein können.

Strangguss

Beim Stranggießen, auch bekannt als Stranggießen oder Brammengießen, wird ein Strangguss mit konstantem Querschnitt.

Geschmolzenes Metall aus einem Ofen wird vorsichtig in einen Verteiler gegossen, aus dem das Metall in eine wassergekühlte Form mit dem gewünschten Querschnitt überführt wird. Die Kühlung beschleunigt die Erstarrung des geschmolzenen Metalls.

Während das Metall erstarrt, wird es auch durch Walzen aus der Form gezogen, wo das Gussteil weiter abgekühlt und auf die endgültigen Abmessungen geformt werden kann. Sobald die Erstarrung abgeschlossen ist, wird das Gussteil auf Standardmaße zugeschnitten.

Das Stranggießen bietet eine hohe Produktionsrate, erhöhte Genauigkeit, weniger Abfall und eine verbesserte Kornstruktur.

Das Verfahren erfordert jedoch eine hohe Anfangsinvestition, und das Endprodukt kann innere Fehler und eine schlechte Oberflächenqualität aufweisen.

Zusammenfassung

Metallguss ist eine kompetente und kostengünstige Methode zur Herstellung zuverlässiger Metallprodukte. Es bietet eine breite Palette von Verfahren. Jedes Verfahren hat Vor- und Nachteile, die es für bestimmte Anwendungen geeignet machen.

Das Sandgussverfahren eignet sich beispielsweise perfekt für komplexe Einzelstücke, während das Druckgussverfahren besser geeignet ist, wenn komplizierte Produkte mit einer hohen Produktionsrate benötigt werden.

Formen, die beim Gießen verwendet werden, werden in Verbrauchsformen und Nicht-Verbrauchsformen unterteilt. Verbrauchsformen werden nach jedem Gebrauch zerstört, wie z.B. beim Sandguss, während nicht verbrauchbare Formen dauerhafter sind und von einigen Tagen bis zu einigen Jahren halten können.

Die Vielseitigkeit des Metallgusses macht ihn zu einer unverzichtbaren Metallbearbeitungstechnik für verschiedene Branchen, von der Automobil- bis zur Luft- und Raumfahrtindustrie, die eine hochpräzise und wiederholbare Herstellung komplexer Teile gewährleistet.

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