Sandguss – Verfahren, Sandeigenschaften, Vor- und Nachteile

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In diesem Artikel tauchen wir in das moderne Sandgussverfahren ein und untersuchen, wie es funktioniert und warum es auch Tausende von Jahren nach seiner Einführung noch immer eine der am häufigsten verwendeten Metallgusstechniken ist.

Was ist Sandgießen?

Sandguss oder Sandformguss ist ein Metallherstellungsverfahren, das Formen aus Sand verwendet um Metallprodukte herzustellen. Sand lässt sich leicht mit gewöhnlichen Gegenständen formen. Nachdem Sie ihn wie gewünscht geformt haben, wird heißes, geschmolzenes Metall in die Form gegossen. Wenn das Metall abkühlt, nimmt es die Form der Form an, während es erstarrt. Das fertige Metallprodukt wird dann aus der Sandform entnommen und nachbearbeitet, bevor es in Gebrauch genommen wird.

Mit der Sandgusstechnik können Produkte aller Größen und Schwierigkeitsgrade hergestellt werden. Es kann zum Gießen von Gegenständen verwendet werden so klein wie Stecknadeln oder so groß wie Eisenbahnlokomotiven. Außerdem ist es kompatibel mit einem breiten Palette von Metallen, einschließlich Gusseisen, Temperguss, Stahl, Nickellegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen.

Aufgrund seiner Vielseitigkeit ist Sandguss das weltweit am häufigsten eingesetzte Gießverfahren. Mehr als 60 % aller gegossenen Metallprodukte werden mit diesem Verfahren hergestellt.

Eigenschaften von Formsand

Es gibt zwar viele verschiedene Arten von Sanden, aber nicht alle sind für das Gießverfahren geeignet. Jeder von ihnen weist bestimmte Eigenschaften auf, die mit den Anforderungen des Projekts übereinstimmen können oder auch nicht.

Je nach Gießverfahren und Metall wird die richtige Kombination von Eigenschaften im Formsand benötigt. Zur Verbesserung der Kohäsion, können spezielle Additive und Bindemittel hinzugefügt werden zu der Grundmischung aus Sand, Lehm und Wasser hinzugefügt werden.

Zu diesen Bindemitteln, die organisch oder anorganisch sein können, gehören unter anderem Getreide, gemahlenes Pech, Seekohle, Gilsonit, Heizöl, Holzmehl, Quarzmehl, Eisenoxid und Perlit. Einige dieser Bindemittel haben widersprüchliche Wirkungen, aber Kompromisse sind oft notwendig um die Eigenschaften für bestimmte Gussanwendungen auszugleichen.

Die vier häufigsten Arten von Sand für das Gießen verwendet werden, sind Grünsand, Trockensand, Natriumsilikat und Harzsand:

1. Grüner Sand wird so genannt, weil er im Wesentlichen aus mit Wasser vermischtem Rohsand besteht. Er weist eine lehmartige Konsistenz auf. Grüner Sand bietet eine kostengünstige Option für Gusssand mit guter Wiederverwendbarkeit und ist mit hohen Produktionsraten vereinbar. Seine geringe Formbarkeit kann jedoch dazu führen, dass die Form in bestimmten Situationen zusammenbricht. Außerdem neigt er dazu, Oberflächenfehler zu erzeugen.
2. Trockener Sandist dagegen ein Formsand, der aus Ton besteht und nur sehr wenig Wasser als Bindemittel enthält. Er hält seine Form recht gut, wenn er einmal eingerammt ist. Ein Vorteil des trockenen Sandes ist, dass er während der Füllphase nur sehr wenig Wasserdampf erzeugt, der bei feuchteren Sanden unkontrolliert zum Bruch der Form führen kann.
3. Natriumsilikat, auch bekannt als Wasserglas, ist ein spezieller Sand, der ein Natriumsilikat als Bindemittel verwendet, um den Sand zu integrieren. Mit Natriumsilikat lassen sich kompliziertere oder komplexere Formen herstellen als mit grünem und trockenem Sand.
4. Harzsand, auch bekannt als Furan-Sandist ein weiterer beliebter Sand für den Sandguss. Er verwendet ein Furfurylalkoholharz, um aus dem Sand eine kohärente Masse zu machen. Die robuste und hochstabile Verbindung neigt kaum zur Zersetzung und bietet eine hervorragende Maßhaltigkeit und Oberflächengüte. Allerdings ist es der teuerste aller Sande. Außerdem hat er eine längere Vorlaufzeit.

Gießereiingenieure wählen den Sandtyp auf der Grundlage des Metalls, der Produktgeometrie und der Toleranzgrenzen aus. Unabhängig von den Spezifikationen prüfen sie eine Sandsorte immer auf die folgenden Eigenschaften:

Refraktärität

Feuerfestigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, die es ihm ermöglicht, thermischen Schocks und Verbrennungen zu widerstehen, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Der Sand dient als feuerfestes Material für geschmolzenes Metall und muss daher einen hohen Schmelzpunkt haben. Die Auswahl des Sandes für das Gießen wird weitgehend von der Prozesstemperatur beeinflusst. Wenn die Feuerfestigkeit nicht ausreicht, schmilzt der Sand und verschmilzt mit dem Gussteil.

Für viele Metalle, wie z.B. Aluminium, muss der Sand nur einer Temperatur von 700 Grad Celsius standhalten. Sande für Stahlguss müssen jedoch mindestens 1500 Grad Celsius standhalten, da der Schmelzpunkt höher liegt.

Durchlässigkeit

Der Sand muss Dampf und andere Gase, die während des Gießens entstehen, ableiten. Jede Einheit Wasser in der Form erzeugt 1600 Einheiten Dampf.

Wenn die Gase und der Dampf eingeschlossen werden, kann dies zu Fehlern wie Lunkern und Gaslöchern im Endprodukt führen. Deren Beseitigung ist entscheidend für eine gute Qualität des Endprodukts. Daher ist die Durchlässigkeit eine entscheidende Eigenschaft von Sand, um ein hochwertiges Endprodukt zu erhalten.

Die Eigenschaften von Formsand werden durch die Korngröße und -verteilung beeinflusst: Kleine Körner erhöhen die Formfestigkeit, verringern aber die Durchlässigkeit, während größere Körner die Durchlässigkeit erhöhen. Feine Körner ergeben eine glatte Oberfläche der Gussstücke, haben aber eine geringe Durchlässigkeit, während grobe Körner eine höhere Durchlässigkeit, aber eine rauere Oberfläche ergeben.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, die es ermöglicht, dass Wärme durch das Material fließt. Ein effizienter Wärmefluss führt zu einer schnelleren Abkühlung des geschmolzenen Metalls. Sande mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden benötigt, um die Wärme aus dem geschmolzenen Metall an die Atmosphäre zu übertragen.

Geringe thermische Ausdehnung

Unter Wärmeausdehnung versteht man die Vergrößerung oder Verkleinerung des Volumens eines Materials, wenn Wärme zu- oder abgeführt wird. Für das Sandgussverfahren wird Sand mit einer sehr geringen Wärmeausdehnung benötigt. Diese Art von Sand behält seine Form während der verschiedenen Phasen des Gießens, einschließlich des Gießens von flüssigem Metall und der anschließenden Abkühlung.

Fließfähigkeit

Die Fähigkeit des Sandes, in kleinere Bereiche wie Hohlräume, Vertiefungen und tiefe Kanäle des Modells zu fließen, bestimmt, ob wir ihn zum Gießen komplexer Formen verwenden können. Sand mit einer höheren Fließfähigkeit füllt alle Bereiche eines Modells, ohne dass Druck von außen erforderlich ist.

Für einfache Formen, wie z.B. einen Gullydeckel, wird kein sehr fließfähiger Sand benötigt, aber für etwas Komplexeres, wie z.B. eine Skulptur, kann er erforderlich sein. Der Grad der benötigten Fließfähigkeit kann daher von Fall zu Fall bestimmt werden.

Kosten

Auch die Kosten können sich von Sand zu Sand erheblich unterscheiden. Quarzsand zum Beispiel hat eine hohe Verfügbarkeit, aber auch Probleme wie die Instabilität der Abmessungen und die Tendenz zu verbrennen oder sogar zu explodieren, so dass bei einem Temperaturschock Partikel im Submikronbereich entstehen. Silikose ist ebenfalls ein äußerst besorgniserregendes Problem, da die Arbeiter über einen langen Zeitraum Siliziumdioxid ausgesetzt sind. Olivin und Chromitsand hingegen sind teurer und weniger verfügbar, haben aber die oben genannten Probleme nicht.

Das Gießverfahren ist für einfache Produkte unkompliziert. Es wird ein Hohlraum mit der gewünschten Form geschaffen, in den das geschmolzene Metall durch einen vertikalen Kanal gegossen wird. Sobald das Metall erstarrt ist, wird es entnommen, indem der Formsand um es herum entfernt wird.

Bei komplexen Formen müssen jedoch Aspekte wie das Füllen der Form, das Entfernen des überschüssigen Metalls, die Erzielung einer hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit und die Gewährleistung der optimalen Temperatur und Geschwindigkeit des geschmolzenen Metalls für eine gleichmäßige Füllung sorgfältig bedacht werden.

Lassen Sie uns ein typisches Sandgussverfahren näher betrachten:

1. Erstellung der Form

Die Form wird anhand eines Modells erstellt, das eine Nachbildung des gewünschten Produkts ist. Das Modell kann aus einem anderen Material oder mit einem anderen Verfahren hergestellt werden, z. B. durch maschinelle Bearbeitung oder additive Fertigung, hat aber die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie das Endprodukt. Mit einem einzigen Modell können mehrere Formen erstellt werden.

Das Modell wird entlang der Mittellinie der Form in zwei Teile geteilt. Jede Hälfte wird dann in einen separaten Sandkasten gelegt und die Sandmischung wird um sie herum gepackt, um Abdrücke der Muster im Sand zu erzeugen.

Sobald die Muster aus dem Sand entfernt sind, werden die beiden Sandkästen übereinander gelegt, um sie zu einer vollständigen Form zu verbinden. Die obere Hälfte und die untere Hälfte werden als „cope“ bzw. „drag“ bezeichnet. Der so entstandene Formhohlraum hat die negative Form des Produkts. Ein Vorsprung auf dem Endprodukt erscheint zum Beispiel als Vertiefung in der Form.

2. Erstellung des Gating Systems

Das Anschnittsystem sorgt dafür, dass das geschmolzene Metall in die Kavität fließt. Ein gut durchdachtes System kann entscheidend für die Qualität des Produkts sein. Ein effektives Anschnittsystem ist einfach, effizient und minimiert die Turbulenzen. Außerdem hält es in der Metallschmelze vorhandene Gase oder Schlacken zurück.

Zu den Schlüsselkomponenten des Anschnittsystems, die eine sorgfältige Konstruktion erfordern, gehören:

• Gießbecken und Anguss – Das Gießbecken dient als trichterförmiger Eingang für das geschmolzene Metall. Das Metall fließt aus dem Gießbecken in den Anguss und bewegt sich durch die Schwerkraft in Richtung der Kavität.
• Läufer – Rinnen sind horizontale Kanäle, durch die das geschmolzene Metall vom Anguss in die Matrizenhöhle gelangt.
• Angüsse – Anschnitte sind die Eintrittspunkte in den Formhohlraum. Sie sorgen für einen reibungslosen Fluss des geschmolzenen Metalls in den Formhohlraum, halten den Druck aufrecht und verhindern ein Überlaufen. Außerdem verhindern sie das Eindringen von Schlacke in den Formhohlraum.
• Steigrohre – Um der Schrumpfung beim Abkühlen des Metalls entgegenzuwirken, dienen Steigrohre als Reservoir im Anschnittsystem und speichern zusätzliches geschmolzenes Metall. Wenn das Metall zu schrumpfen beginnt, liefern die Steigrohre zusätzliches Material in den Hohlraum und verhindern so einen Mangel an Metall.
• Kerne – Wenn ein Produkt einen Hohlraum benötigt, wird ein fester Sandeinsatz, ein sogenannter Kern, in die Form eingesetzt, um den gewünschten Hohlraum zu bilden. Das geschmolzene Metall füllt sich um den Kern herum und bildet den Hohlraum im endgültigen Gussteil. Klammern halten den Kern während des Gießens in Position.

3. Gießen des geschmolzenen Metalls

Das geschmolzene Metall wird von oben in den Hohlraum gegossen. Das verwendete Metallvolumen ist etwas größer als das des Produkts, um sicherzustellen, dass etwas überschüssiges Material in den Speisern gespeichert wird.

4. Erstarrung zum Guss

Sobald der Formhohlraum gefüllt ist, lässt man das Gussteil abkühlen. Je nach Metall und Verfahren kann eine natürliche oder erzwungene Abkühlung erfolgen. Die richtige Abkühlung ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften und die Beibehaltung der Maßhaltigkeit des Endprodukts.

5. Abrütteln und Sandrückgewinnung

Beim Ausschütteln werden die Sandgussstücke aus der Form genommen. Der Sand wird geschüttelt und verschoben, um den erstarrten Guss abzutrennen, der dann zur Endbearbeitung geschickt wird, während die Sandrückgewinnung beginnt.

Da nicht der gesamte Sand zurückgewonnen werden kann, wird ein Teil des alten Sandes durch frischen Sand für zukünftige Sandgussverfahren ersetzt. Um die Eigenschaften des Sandes für die Wiederverwendung wiederherzustellen, können mechanische, chemische und thermische Behandlungen sowie Anpassungen der Zusammensetzung zum Ausgleich von Feuchtigkeitsverlusten und Zusatzstoffen vorgenommen werden.

Vorteile des Sandgießens

Trotz der Entwicklung vieler fortschrittlicher Technologien in den letzten Jahrzehnten ist Sandguss nach wie vor eines der beliebtesten Metallherstellungsverfahren. Seine einzigartigen Vorteile machen es in der modernen Fertigungslandschaft unverzichtbar. Heute, wird der Sandguss häufig automatisiertund erhöht damit seine Anpassungsfähigkeit und Effizienz, um den Anforderungen moderner Produktionsumgebungen gerecht zu werden. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile, die Sandguss zu einem so wertvollen Verfahren machen.

Geeignet für alle Arten von Produktion

Sandguss ist mit verschiedenen Produktionseinrichtungen kompatibel und ermöglicht die Einzel-, Serien- oder Massenproduktion. Diese Methode wird häufig in Branchen wie der Automobilindustrie, der Rüstungsindustrie, der Landwirtschaft, dem Bergbau, dem Baugewerbe, dem Gesundheitswesen und der erneuerbaren Energie eingesetzt.

In der Automobilindustrie wird der Sandguss für die Entwicklung von Prototypen, Motorblöcken, Zylinderköpfen und verschiedenen Verbrennungsmotorteilen verwendet. Seine Anwendung hat sich auch auf die Herstellung von Elektrofahrzeugen ausgeweitet, wo Sandguss zur Herstellung von Strukturkomponenten, Motorgehäusen, Batteriegehäusen und mehr verwendet wird.

Es gibt fast keine Begrenzung der Größe und auch bei der Größe. Produkte mit einer Masse von wenigen Gramm bis zu einigen Tonnen können mit mathematischer Präzision gegossen werden.

Kosteneffizient

Einer der wichtigsten Faktoren, die verschiedene Sektoren dazu bewegen, die Sandgusstechnologie zu übernehmen, sind die Kosten. Sandguss ist im Vergleich zu anderen Gießverfahren wesentlich kostengünstiger. Der Sand kann für zukünftige Gussstücke mit minimaler Bearbeitung wiederverwendet werden.

Die Automatisierung in der Großserienproduktion senkt ebenfalls die Kosten pro Stück und gewährleistet gleichzeitig eine gleichbleibende und zuverlässige Qualität. Auch beim Sandguss fallen Kosten an geringe Werkzeugkosten im Vergleich zu anderen Gussverfahren.

Geeignet für alle Metalle

Sandguss kann mit fast jeder Eisen- oder Nichteisenmetalllegierung durchgeführt werden. Beispiele sind Gold, Eisen, Blei und Titan. Die einzige Voraussetzung ist, dass das Metall schmelzen und als flüssiges Metall in die Form fließen muss. Diese Flexibilität ermöglicht es den Gießereien, mit einer Vielzahl von Metallen zu arbeiten, ohne dass wesentliche Änderungen am Verfahren oder der Ausrüstung erforderlich sind.

Schneller Prozess

Obwohl Verfahren wie das Schleudergießen für bestimmte Formen effizienter sein können, bietet das Sandgießen schnelle Durchlaufzeiten sowohl für Prototypen als auch für groß angelegte Anwendungen.

Grenzen des Sandgusses

Alle Herstellungsverfahren sind mit Kompromissen verbunden. Im Falle des Sandgusses sind diese Kompromisse jedoch minimal im Vergleich zu den Vorteilen. Lassen Sie uns einige dieser Einschränkungen untersuchen:

Schlechte Oberflächengüte

Schlechte Sandqualität und Prozessabweichungen können manchmal zu einer schlechten Oberflächenbeschaffenheit bei Sandgussstücken führen. Jede Panne in der Sandform kann zu einer rauen Oberfläche führen. Für Produkte, die ein hochwertiges Oberflächenfinish ohne umfangreiche Nachbearbeitung benötigen, werden oft Druckguss und Feinguss bevorzugt, aber auch Sandguss kann mit dem richtigen Sand und den richtigen Verfahren raffinierte Oberflächen erzeugen.

Die Verwendung von hochwertigem, feinerem Sand sorgt für eine wesentlich bessere Oberflächengüte, erhöht jedoch die Kosten des Prozesses. Die richtige Verdichtung der Sandpartikel trägt ebenfalls zur Verbesserung der Oberflächengüte bei. Zur Beseitigung von Oberflächenfehlern, wie z.B. einer zu rauen Oberfläche, werden Sandgussstücke in der Regel nachbearbeitet, z.B. durch Drehen, Schleifen und Kugelstrahlen.

Lose Kontrolle der Abkühlungsraten

Während die Abkühlungsraten bei vielen Metallverarbeitungsprozessen besser kontrolliert werden können, ist dies beim Sandguss nicht der Fall. Da Sand ein Isolator ist, verschärfen sich die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Abkühlphase. Die Abkühlungsphase wird beim Sandguss erheblich verlängert, was sich auf die Durchlaufzeiten und Produktionsraten auswirkt.

Aufgrund unterschiedlicher Abkühlungsraten kann es zu einer gewissen Variation der Mikrostrukturanisotropie kommen. Anisotropie bezieht sich auf die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, die sich aus den Veränderungen der Kornorientierung des Materials ergeben.

Die Bildung von inneren Hohlräumen kann schwierig sein

Das Sandgussverfahren erfordert das Einbringen von Kernen in den Formhohlraum, um innere Hohlräume zu bilden. Bei der Herstellung eines Motorblocks zum Beispiel müssen während des Gießens leere Hohlräume für die Motorzylinder geschaffen werden.

Die Schaffung von inneren Kammern, Löchern oder Räumen innerhalb des Formhohlraums ist eine Herausforderung, da sie korrekt positioniert und ausreichend abgestützt werden müssen, um dem Gießprozess standzuhalten. Je komplexer diese Hohlräume werden, desto mehr Herausforderungen müssen gemeistert werden.

Wenn der Prozess nicht automatisiert ist, sind qualifizierte Arbeitskräfte erforderlich

Automatisierte Prozesse können kostspielig sein. Ohne Automatisierung ist der Prozess jedoch auf qualifizierte Sandguss-Experten angewiesen, die Modelle und Formen herstellen und den Prozess überwachen, um ein hochwertiges Produkt zu gewährleisten. Ohne qualifizierte Arbeitskräfte können die Ergebnisse deutlich unter den akzeptablen Standards liegen, was zu Reputations- und Materialverlusten führen kann.

Sandentsorgung kann eine Herausforderung sein

Gießereien recyceln den Formsand so weit wie möglich, aber nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen ist er nicht mehr für die Wiederverwendung geeignet. Der Abfallsand aus Gießereien ist jedoch eine schädliche Verunreinigung, die zu Umweltproblemen führen kann.

Das Baugewerbe ist einer der Sektoren, in denen Gießereiabfallsand jetzt zur Entsorgung abgezweigt wird. Er wird als Ersatz für feine Zuschlagstoffe (Sand) in Beton verwendet. Diese Praxis löst nicht nur das Problem der Sandentsorgung, sondern senkt auch die mit der Betonherstellung verbundenen Kosten und Kohlenstoffemissionen.

Aber abgesehen davon landet der meiste Gießereisand auf einer Deponie, was sicherlich nicht ideal ist. Die Möglichkeiten für das Recycling von Gießereisand sind begrenzt.

Schlussfolgerung

Obwohl es sich beim traditionellen Sandguss um ein uraltes Verfahren handelt, hat es bemerkenswerte Verfeinerungen erfahren, die es in der heutigen Fertigungslandschaft äußerst relevant und nützlich machen. Seine Beliebtheit ist zum einen auf seine Vielseitigkeit bei verschiedenen Metallarten und Produktgrößen zurückzuführen, zum anderen auf die Kosteneffizienz im Vergleich zu anderen Gießverfahren.

Laufende Innovationen in der Materialwissenschaft und Prozessautomatisierung erweitern die Bedeutung des Sandgusses in Branchen von der Automobilindustrie bis zum Bauwesen. In dem Maße, in dem sich die Industrien weiterentwickeln, wird der Sandguss auch weiterhin die Industrielandschaft prägen und Tradition und Innovation in der Metallverarbeitung vereinen.

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