In der Stahlgussproduktion bestimmen die Leistungseigenschaften und die Anwendungstechnik der Formmaterialien unmittelbar die Formqualität, die Produktionseffizienz und die Produktionskosten der Stahlgussteile und bilden somit den Kern der Gussqualitätskontrolle. Eine ungeeignete Auswahl, zu hohe Parameter, eine ungeeignete Dosierung oder eine nicht standardisierte Verarbeitung der Formmaterialien führen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Gussfehlern wie Poren, Sandanhaftungen, Schlackeneinschlüssen, Verformungen und Sandlöchern, was sich direkt auf die Ausschussquote und die Lieferqualität der Gussteile auswirkt. Daher sind die genaue Kenntnis der Leistungseigenschaften verschiedener Formmaterialien, die strikte Kontrolle der Materialparameter und Verarbeitungstechnologien sowie die gezielte Optimierung der Produktionsabläufe entscheidende Maßnahmen zur Sicherung der Stahlgussqualität, zur Steigerung der Produktionseffizienz und zur Senkung der Produktionskosten. In Verbindung mit praktischen Erfahrungen aus der Produktion analysiert diese Arbeit systematisch den Einfluss der wichtigsten Formmaterialien, einschließlich Formsand, Bindemittel und Beschichtungen, auf die Qualität von Stahlgussteilen und schlägt entsprechende Management- und Optimierungsmaßnahmen vor, um eine Grundlage für die Qualitätsverbesserung in der Gießereiproduktion zu schaffen.

1. Einfluss von Formsand auf die Qualität von Stahlgussteilen und Gegenmaßnahmen zur Kontrolle

Als meistverwendetes und wichtigstes Formmaterial in der Stahlgussproduktion ist Formsand, dessen Eigenschaften die Formstabilität von Formen und Kernen maßgeblich bestimmen, ein Schlüsselfaktor für die innere und äußere Qualität der Gussteile. Um Produktionskosten zu senken, Abfallmengen zu minimieren und eine umweltfreundliche und CO₂-arme Produktion zu realisieren, setzen die meisten Gießereien derzeit auf die Mischverwendung von neuem und recyceltem Sand. Der verwendete Formsand wird gemäß den technologischen Vorgaben mit Rohsand, recyceltem Sand, Bindemitteln und Zusatzstoffen gemischt und muss bestimmte Eigenschaften wie Festigkeit, Luftdurchlässigkeit und Feuerfestigkeit aufweisen. Dieser Abschnitt analysiert den Einfluss von Rohsand und recyceltem Sand auf die Stahlgussqualität und die wichtigsten Aspekte der Qualitätskontrolle.

1.1 Einflussfaktoren und Auswahlkriterien für Rohsand

Unterteilt in gewöhnlichen Quarzsand und Spezialsand, bildet Rohsand den Grundträger für Formsand. Seine Eigenschaften beeinflussen direkt die Hochtemperaturstabilität und die Formqualität der Formen und sind somit die Grundlage der Qualitätskontrolle beim Stahlguss. Der Siliziumdioxidgehalt des Quarzsandes bestimmt seine Feuerfestigkeit, die ein entscheidender Faktor zur Vermeidung von Gussfehlern wie Sandanhaftung und Sinterung ist. Im Produktionsprozess stellt der Rückseitensand vergleichsweise geringere Anforderungen an die Feuerfestigkeit, während der Vorderseitensand in direktem Kontakt mit dem hochtemperierten, flüssigen Stahl steht. Daher muss hochreiner Quarzsand ausgewählt werden, um die Strukturstabilität unter den hohen Temperaturen zu gewährleisten. Gleichzeitig beeinflussen Parameter des Rohsandes wie Schlammgehalt, Korngröße, Feinkornanteil und Kantigkeitskoeffizient direkt die Festigkeit und Luftdurchlässigkeit des Formsandes. Interne Kontrollstandards sind entsprechend der Produktstruktur und den Qualitätsanforderungen der Unternehmen zu formulieren, um die gleichbleibende Grundleistung des Formsandes sicherzustellen.

Die Korngröße ist ein entscheidender technologischer Kennwert für Rohsand. Rohsand mit einer guten Korngrößenverteilung ermöglicht ein optimales Gleichgewicht zwischen Formfestigkeit, Luftdurchlässigkeit und Maßgenauigkeit beim Guss und eignet sich daher für die Herstellung konventioneller Stahlgussteile. Durch die strikte Kontrolle verschiedener Verunreinigungen im Rohsand lassen sich sekundäre Gussfehler wie Poren und Schlackeneinschlüsse wirksam vermeiden.

Im Vergleich zu herkömmlichem Quarzsand zeichnen sich Spezialsande wie Chromitsand, Zirkonsand und Blähtonsand durch hohe Feuerfestigkeit, gute Hochtemperaturstabilität und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Sie werden vorwiegend in kritischen Bereichen von Gussteilen eingesetzt, die anfällig für Defekte sind, wie z. B. Hotspots, abgerundete Ecken und kleine Führungsrahmen. Dadurch lassen sich lokale Defekte wie Sandanhaftungen, raue Oberflächen und Schwindungsporosität effektiv beheben und die Formqualität von hochpräzisen und komplexen Stahlgussteilen deutlich verbessern.

1.2 Einfluss und Optimierung der Steuerung von Recyclingsand

Die Stahlgussproduktion verbraucht enorme Mengen an Formsand. Das Recycling von wiederverwertetem Sand und die Mischverwendung von neuem und wiederverwertetem Sand haben sich in der Gießereiindustrie als gängige Praxis etabliert, um Kosten zu senken, die Effizienz zu steigern und eine umweltfreundlichere Produktion zu ermöglichen. Die Eigenschaften von wiederverwertetem Sand unterliegen Schwankungen, die durch Umweltfaktoren wie Jahreszeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden. Im Produktionsprozess muss das Verhältnis von neuem zu wiederverwertetem Sand dynamisch angepasst werden, um die Gesamteigenschaften des Formsandes zu stabilisieren und die Formqualität der Gussformen zu gewährleisten.

Der Feinkornanteil und der Glühverlust sind zwei zentrale Kontrollkennzahlen für recycelten Sand, die einen großen Einfluss auf die Gussqualität haben. Ein zu hoher Feinkornanteil verringert die Luftdurchlässigkeit und die Gesamtfestigkeit des Formsandes, verlangsamt die Aushärtungsgeschwindigkeit und kann leicht zu Gussfehlern wie Gaseinschlüssen, Poren, Sandanhaftungen, Sandauswaschungen und Schlackeneinschlüssen führen.

Der Glühverlust charakterisiert den Gehalt an organischen Reststoffen und Bindemittelfilm in recyceltem Sand und korreliert positiv mit der Hochtemperatur-Gasbildung im Formsand. Ein zu hoher Glühverlust des recycelten Sandes führt zu einer stark erhöhten Gasbildung beim Gießen. Das Gas kann nicht rechtzeitig entweichen, was zu Gussfehlern wie Poren und Porosität führt und die Produktqualitätsrate erheblich reduziert. Daher muss der Glühverlust in der Produktion streng kontrolliert werden.

Um den durch recycelten Sand verursachten Qualitätsrisiken zu begegnen, müssen Unternehmen einen regelmäßigen Prüfmechanismus in der Produktion einrichten, der den Feinkornanteil und den Glühverlust überwacht und Restverunreinigungen durch Optimierung des Recyclingprozesses von Altsand reduziert. Gleichzeitig ist das Verhältnis von neuem zu recyceltem Sand dynamisch an die Gegebenheiten vor Ort und die Produktionsbedingungen anzupassen. Der Formhärtungsprozess ist zu optimieren, um Gussfehler, die durch recycelten Sand verursacht werden, grundlegend zu reduzieren und so ein Gleichgewicht zwischen Produktqualität und Produktionskosten zu erreichen.

2. Einfluss des Formsandbindemittels auf die Stahlgussqualität und Dosierungskontrolle

Reiner Rohsand besitzt keine Formfestigkeit und ist daher nicht für die direkte Formgebung geeignet. Bindemittel müssen hinzugefügt werden, um Formen und Kerne während des gesamten Form-, Kern- und Gießprozesses ausreichend fest und formstabil zu machen. Gängige Bindemittel in der Industrie sind Ton-, Öl- und Furanharzbindemittel. Diese Bindemittel unterscheiden sich stark in ihrem Aushärtungsmechanismus, ihren Leistungseigenschaften und Anwendungsbereichen und müssen entsprechend den Produktionstechnologien und den Anforderungen an die Gussqualität ausgewählt werden. Die Auswahl, das Dosierungsverhältnis und der Mischprozess der Bindemittel bestimmen direkt die Formfestigkeit, den Formeffekt und die Entformbarkeit, was wiederum einen erheblichen Einfluss auf die Gussqualität und die spätere Reinigung hat.

Die Dosierung des Bindemittels ist der Schlüsselfaktor für die Prozesskontrolle vor Ort. Eine falsche Dosierung führt direkt zu verschiedenen Gussfehlern. Unzureichende Bindemittelzugabe bedingt eine mangelhafte Aushärtung, geringe Festigkeit und langsame Erhärtungsgeschwindigkeit des Formsandes. Dies kann leicht zum Zusammenbruch der Form und zur Verformung des Sandes führen, was wiederum ungleichmäßige Wandstärken, Hohlräume im Sand und Verformungen des Gussteils zur Folge hat und in schweren Fällen sogar Ausschuss verursacht. Eine übermäßige Bindemittelzugabe kann die Formfestigkeit zwar vorübergehend verbessern, erhöht aber den Anteil organischer Rückstände im Formsand, steigert den Glühverlust und die Bildung von Hochtemperaturgasen und erhöht das Risiko von Poren und Schlackeneinschlüssen erheblich. Darüber hinaus verringert sie die Stabilität des Kerns, erschwert die Reinigung der Gusshohlräume, erhöht die Arbeits- und Materialkosten und führt zu Ressourcenverschwendung.

Daher muss die Bindemittelkontrolle dem Prinzip der angemessenen Anpassung folgen. Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an die Form- und Kernfestigkeit, die Lagerstabilität und die Gießbedingungen erfüllt werden, sollte die Bindemitteldosierung minimiert werden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Gussqualität, Produktionseffizienz und Produktionskosten zu erreichen und bindemittelbedingte Gussfehler von vornherein zu vermeiden.

3. Einfluss der Gussbeschichtung auf die Qualität und Parameterkontrolle von Stahlgussteilen

Stahlgussteile werden bei hohen Temperaturen gegossen, und herkömmlicher Quarzsand ist aufgrund seiner unzureichenden Feuerfestigkeit für diese hohen Temperaturen ungeeignet. Der direkte Kontakt zwischen flüssigem Stahl und Form führt zum Sintern und Verglasen des Formsandes und damit zu starker chemischer Sandhaftung. Das Auftragen spezieller Gießfarben auf die Oberflächen von Hohlräumen und Kernen ist ein entscheidender Prozess, um den flüssigen Stahl vom Formsand zu trennen, die Oberflächenqualität des Gussteils zu verbessern und Sandhaftungsfehler zu beseitigen.

Die Gießbeschichtung besteht hauptsächlich aus feuerfestem Zuschlagstoff, Trägermaterial, Suspendiermittel, Bindemittel und funktionellen Additiven. Als zentrale funktionelle Komponente verbessert der feuerfeste Zuschlagstoff die Feuerfestigkeit und Hochtemperaturstabilität der Beschichtung, verhindert die chemische Reaktion zwischen flüssigem Stahl und Formsand und beugt Gussfehlern wie Sandanhaftung und Einschlüssen vor. Die Eigenschaften der Gießbeschichtung lassen sich in physikalische, technologische und Verarbeitungseigenschaften unterteilen. Zu den wichtigsten Kontrollparametern vor Ort zählen Dichte, Baumé-Zahl, Beschichtungsdicke, Viskosität und Beständigkeit gegen Trocknungsrisse.

Die Dichte der Beschichtung spiegelt direkt den Feststoffgehalt wider, der einen großen Einfluss auf die Konstruktionswirkung und die Schutzqualität hat. Ist die Dichte zu gering, sind die feuerfesten Komponenten in der Beschichtung unzureichend, was zu einer schlechten Fließfestigkeit, der Bildung einer ungleichmäßigen und ineffektiven Schutzschicht sowie zu Schrumpfrissen und Abplatzungen nach dem Trocknen führt und die Schutzwirkung stark reduziert. Ist die Dichte zu hoch, ist die Beschichtung viskos und dringt nur geringfügig ein. Die dicke Beschichtung nach dem Streichen weist ein schlechtes Verlaufsverhalten auf und neigt zur Klumpenbildung. Ungleichmäßige Erwärmung von innen und außen während des Trocknens verursacht Risse in der Beschichtung und führt zu weiteren Gussoberflächenfehlern.

Die Produktionspraxis zeigt, dass durch die Auswahl einer Beschichtung mit geeigneter Dichte und Viskosität sowie durch die Standardisierung des Bürstprozesses und der Beschichtungsdicke Gussteile mit glatten und ebenen Oberflächen ohne Ablaufen, Sandanhaftungen und Einschlüsse hergestellt werden können. Im täglichen Produktionsablauf ist es notwendig, die wichtigsten Leistungsparameter der Beschichtungen regelmäßig zu überwachen und die Konstruktionsstandards zu vereinheitlichen, um eine stabile und zuverlässige Schutzwirkung der Beschichtung zu gewährleisten.

4. Schlussfolgerungen

Der Stahlguss ist ein komplexer Prozess mit zahlreichen qualitätsbeeinflussenden Faktoren. Parameterschwankungen, ungeeignete Mischungsverhältnisse und nicht standardisierte Verarbeitung der Formmaterialien, einschließlich Formsand, Bindemittel und Beschichtungen, beeinträchtigen die Endqualität der Gussteile, und die meisten Gussfehler entstehen durch das Zusammenwirken mehrerer Faktoren. Durch die Analyse der Einflussfaktoren der drei Arten von Kernformmaterialien kommt diese Arbeit zu folgenden Schlussfolgerungen:

• Der Feinkornanteil und der Glühverlust von Recyclingsand sind die wichtigsten Kennzahlen für die Formsandkontrolle. Ein zu hoher Glühverlust führt zu einer stark erhöhten Gasbildung im Formsand und verursacht Poren im Guss. Die regelmäßige Optimierung der Recyclingsandaufbereitung und die dynamische Anpassung des Mischungsverhältnisses von neuem und Recyclingsand an die jeweiligen Betriebsbedingungen sind entscheidend, um die Formsandeigenschaften zu stabilisieren und Porenfehler zu reduzieren.

• Die Dosierung von Bindemitteln erfordert präzise Kontrolle und adaptive Anpassung. Eine zu geringe Bindemittelmenge führt zu unzureichender Formfestigkeit und mangelhafter Aushärtung, was Defekte wie Sandeinschlüsse, Verformungen des Gussteils und ungleichmäßige Wandstärken zur Folge hat. Eine zu hohe Zugabe verschwendet nicht nur Material und erhöht die Produktionskosten, sondern steigert auch den Glühverlust und die Gasbildung des Formsandes und verschärft somit das Risiko von Poren und Schlackeneinschlüssen. Daher muss das optimale Zugabeverhältnis unter der Voraussetzung der erforderlichen Formfestigkeit streng kontrolliert werden.

• Die Leistungsparameter der Beschichtung bestimmen unmittelbar die Oberflächenqualität von Gussteilen. Eine präzise Kontrolle von Beschichtungsdichte, Baumé-Grad, Viskosität und Beschichtungsdicke sowie ein standardisiertes Bürstverfahren können Defekte wie Sandanhaftungen, Einschlüsse und Oberflächenrisse wirksam beseitigen und sind somit entscheidend für die Sicherstellung der optischen Qualität von Gussteilen.

• Die Qualitätskontrolle von Stahlgussteilen ist systematisch und umfassend, da ein und derselbe Fehler durch verschiedene Material- oder Prozessprobleme verursacht werden kann. In der Produktion muss ein durchgängiges Materialprüfungs- und Prozesskontrollsystem etabliert werden, um verschiedene Faktoren wie Materialeigenschaften, Umgebungsbedingungen und Betriebsprozesse umfassend zu bewerten, Fehlerursachen präzise zu lokalisieren und Verbesserungsmaßnahmen kontinuierlich zu optimieren. Dies trägt dazu bei, die Qualität von Stahlgussteilen stetig zu verbessern und die Produktionsziele der Unternehmen hinsichtlich Qualitätsverbesserung, Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung zu erreichen.