Anguss und Erstarrung: der Schlüssel zur Beseitigung von Porosität

Bei der Nutzung des Feingussverfahrens ist es wichtig, alle Faktoren zu verstehen, die für ein erfolgreiches Bauteil maßgeblich sind. Einer der ersten Schritte zur Vermeidung von Bauteilversagen besteht darin, die erforderliche innere Qualität eines Bauteils vor dem Gießen sicherzustellen. Feinguss ist eines der wenigen Fertigungsverfahren, mit denen sich der Erfolg eines Bauteils bereits im Vorfeld nachweisen lässt. 

Angussysteme

Bei der Konstruktion eines Feingussbauteils müssen Position und Größe des Anschnitts berücksichtigt werden. Der Anschnitt ist eine kleine Öffnung, durch die geschmolzenes Metall ungehindert in den Formhohlraum fließen kann, und stellt die Verbindung zwischen der Speisequelle bzw. dem Angusskanal und dem Bauteil dar. Idealerweise befindet sich der Anschnitt im dicksten und schwersten Bereich des Gussteils, sodass das Metall kontinuierlich fließen und das Bauteil vollständig füllen kann, bevor es erstarrt.

Wie Metall beim Gießen erstarrt

Die Metallerstarrung ist ein entscheidender Faktor für das Verständnis der Angussgestaltung. Wenn geschmolzener Stahl von seiner anfänglichen Gießtemperatur von ca. 3000°F auf seine Erstarrungstemperatur von etwa 2500°F abkühlt, tritt Volumenschwindung auf. Diese Schwindung setzt sich fort, wenn das Metall erstarrt, und tritt erneut auf, wenn es sich aufgrund der Wärmeausdehnung auf Raumtemperatur abkühlt.

Zur Veranschaulichung: Ein Würfel mit den Maßen 1" x 1" x 1" schrumpft, wenn er mit geschmolzenem Stahl gefüllt wird, bei Raumtemperatur auf etwa 0,96" x 0,96" x 0,96". Diese Volumenänderung erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Bauteilgeometrie sowie der Position und Größe des Anschnitts. Eine sachgerechte Konstruktion stellt sicher, dass das Gussteil kontinuierlich mit flüssigem Metall gespeist wird, um die Schwindung während der fortschreitenden Erstarrung auszugleichen.

Was zeichnet ein erfolgreiches Gussteil aus?

Position und Größe des Anschnitts

Nachdem wir die Grundlagen der Metallerstarrung verstanden haben, können wir Größe und Position des Anschnitts bestimmen. Werden die Details des Anschnitts nicht berücksichtigt, kann dieser erstarren, bevor das Metall das Gussteil füllen und den Volumenverlust ausgleichen kann. Dadurch können große, nicht vollständig gefüllte Bereiche im Bauteil entstehen, die auch als innere Porosität bezeichnet werden. Porosität bezeichnet den Grad der erreichten Materialdichte, also ob sich im Bauteil Hohlräume oder Löcher befinden. Wird ein Bauteil nicht unter Berücksichtigung seiner Funktion sorgfältig mit Anschnitten ausgelegt, kann dies zu Bauteilversagen führen.

Bauteilkonstruktion

Der Anschnitt ist nicht der einzige entscheidende Faktor bei der Beseitigung von Porosität. Die Bauteilgeometrie kann die gerichtete Erstarrung des Metalls beeinflussen. Die Konstruktion muss Temperaturgradienten berücksichtigen, die steil genug sind, um die Speisewege vom Angusskanal zum Bauteil offen zu halten. Da Bauteile nicht gleichzeitig erstarren und von außen nach innen abkühlen, ermöglicht eine hochwertige Konstruktion, dass das Metall zuerst vom Anschnitt weg abkühlt. Die Form eines Eiszapfens ist das beste Beispiel für ein perfektes Gussteil: Seine Spitze gefriert zuerst, und der verbleibende Eiszapfen erstarrt von den kleinsten Bereichen bis zum dicksten Bereich, der Wasserquelle.

Bei Konstruktionen, die zunächst Porosität aufweisen, können Merkmale wie Speiserippen unerwünschte Hohlräume beseitigen. Die Bauteilkonstruktion kann zudem durch strukturelle Änderungen wie die Verjüngung von Bodenflächen verbessert werden, um Porosität zu reduzieren. In manchen Fällen lassen sich Bauteilgeometrien jedoch nicht verändern. Dann können wir Strahlungswärme nutzen und den Anschnitt mit funktional unkritischen Armen gestalten, die dünne Wände ausreichend heiß halten, um das Bauteil einschließlich Endplatten während der Erstarrung zu speisen.

Durch die enge Zusammenarbeit mit Kunden können Signicast Konstrukteure die Bauteilfunktion besser verstehen und die Bauteilgeometrie optimieren, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.

Auswahl des Gusswerkstoffs

Neben Konstruktionsaspekten beeinflusst die Werkstoffauswahl unmittelbar die Porosität innerhalb eines Bauteils und die Erstarrung eines Gussteils. Jedes Element einer Legierung besitzt eine andere Erstarrungstemperatur, sodass eine Legierung wie 17-4 stainless steel aufgrund der Anzahl der enthaltenen Elemente beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand einen größeren Temperaturbereich aufweist. Der große Temperaturbereich beeinträchtigt das Fließverhalten und macht sie weniger fehlertolerant als einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Wenn die Werkstoffanforderungen bereits zu Beginn des Projekts bekannt sind, können Konstrukteure den Bauteilerfolg besser vorhersagen und die Porosität begrenzen, bevor die Werkzeugbauphase beginnt.

Vor dem Übergang eines Bauteildesigns in die Serienproduktion ist es wichtig, potenzielle Porositätsprobleme zu identifizieren. Bei Signicast nutzen wir Erstarrungs- und Fließsoftware, um die Wirksamkeit von Anschnittpositionen zu bestimmen und die Porosität von Gussteilen vorherzusagen, um die Konstruktion zu validieren. Unsere Konstrukteure können vorteilhafte Konstruktionsvorschläge unterbreiten, die zu erfolgreichen Bauteilen führen, ohne die Markteinführung zu verzögern.