Schrumpfung in Gussmetallen verstehen

Das Metallgussverfahren ist auch in der modernen Fertigung mit dem Aufkommen des 3D-Metalldrucks von Bedeutung. Metallgussteile können mittels CNC-Bearbeitung nahezu perfekt gefertigt werden, und das Gießen ist nach wie vor ein beliebtes Verfahren zur schnellen Herstellung komplexer Geometrien. 

Ob Druckguss, offener Guss, Sandguss oder jede andere Gussart, bei der hauptsächlich geschmolzene Metalle oder Kunststoffe abgekühlt werden, Schrumpfung bleibt eine kritische Herausforderung. Schrumpfung in Gussmetallen beeinträchtigt die Qualität, Größe, Maßgenauigkeit und Integrität des Gussteils erheblich. 

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Schrumpfung beim Gießprozess, lernen wichtige technische Herausforderungen kennen und erfahren, wie Sie die Schrumpfung beim Gießen minimieren können. 

Was ist Schrumpfung?

Gussfehler

Unter Schwindung versteht man in der Technik die Volumenreduzierung, die beim Erstarren eines Metalls aus dem geschmolzenen Zustand in einer Gussform auftritt. Schwindung ist ein häufiger Defekt, und aufgrund der Materialeigenschaften von Metallen und Legierungen beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand ist eine gewisse Schwindung sogar Teil des Gussprozesses. 

Wenn flüssiges Metall in eine Form gegossen wird, beginnt es fast augenblicklich zu erstarren, was zu Volumenänderungen führt. Es ist wichtig, dass die Gussparameter wie Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit und Formdesign die Schrumpfung berücksichtigen, um Metallgussfehler. 

Beim Gießen gibt es drei Arten von Schrumpfung:

1. Flüssigkeitsschrumpfung: Diese Art der Schrumpfung tritt auf, wenn das geschmolzene Metall von seiner Gießtemperatur bis zum Erstarren abkühlt. Durch den Wärmeverlust verfestigt sich das flüssige Metall, zieht sich zusammen und verringert sein Volumen.
2. Erstarrungsschrumpfung: Dies ist eine Schrumpfungsphase, in der das Volumen beim Übergang des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand abnimmt (3–7 %). Legierungen wie Aluminium und Kupfer weisen eine hohe Schrumpfung vom flüssigen in den festen Zustand auf, da die Schrumpfungsrate bei verschiedenen Legierungen unterschiedlich ist. 
3. Feststoffschrumpfung: Nachdem das gesamte Material verfestigt ist, wird der Feststoff Metallguss Abkühlung auf normale Raumtemperatur, wodurch eine noch stärkere Schrumpfung auftreten kann. Obwohl nicht so ausgeprägt wie die vorherigen, kann diese Schrumpfung dennoch enge Toleranzen durcheinanderbringen und wird oft als Modellbauerschrumpfung bezeichnet, da sie bereits bei der Formkonstruktion berücksichtigt wird.

Ursachen für Schrumpffehler

Schrumpfungsfehler in Gussmetallen sind nicht auf eine einzelne Eigenschaft zurückzuführen. Zwar spielen die physikalischen Eigenschaften von Metallen eine große Rolle, doch können auch viele andere Faktoren, vom Gussdesign bis hin zu Prozessparametern, zu Schrumpfungen führen. 

Fütterungssystem

Das Zuführsystem ist der Ort, an dem das Metall oder Material in die Formhöhle gelangt. Ein gut konzipiertes Zuführsystem, einschließlich Steigrohren und Anschnitten, sollte eine konstante und fließende Versorgung aller Teile mit geschmolzenem Metall gewährleisten, um die Schrumpfung beim Guss auszugleichen. Ziel ist es, das Material zu zwingen, die Schrumpfung auszugleichen. 

Schlechte Speiser und Anschnitte führen oft zu einem unzureichenden Flüssigmetallfluss, der verhindert, dass das Metall während der Erstarrung bestimmte Bereiche der Gussform erreicht. Dies kann sowohl zu innerer Schwindung als auch zu Schwindungsporosität führen. Beim Sandguss ist dies ein häufiges Problem, da der Speiser das Gussstück möglicherweise nicht ausreichend speist. 

Falsche Gießtemperatur

Ein weiterer entscheidender Faktor für die Schrumpfung ist die Temperatur, bei der das geschmolzene Metall gegossen wird. Wird das Metall bei zu hoher Temperatur gegossen, kann dies zu übermäßiger Flüssigkeitsschrumpfung und ungleichmäßiger Abkühlung führen. Dies führt zu mehr Defekten und oft sichtbaren Poren oder unvollständigen Gussteilen. 

Ebenso führt das Gießen bei zu niedriger Temperatur zu einer vorzeitigen Erstarrung. Da die in das Gussteil eintretende Flüssigkeit zuerst erstarrt, kann sie den Fluss des flüssigen Metalls, insbesondere durch Mikrokanäle, blockieren oder einschränken, was zu Schwindungsporosität führt. 

Das Eingießen von geschmolzenem Metall in eine Gussform erfordert Geschick und Erfahrung, um Fließen und Erstarren auszugleichen. 

Kühlraten

Formgestaltung, Form und Geometrie des Gussteils beeinflussen dessen Abkühlgeschwindigkeit. Auch die Querschnittsdicke beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit. Ungleichmäßige Abkühlgeschwindigkeiten sind hauptsächlich auf ungleichmäßige Wandstärken oder unterschiedliche Querschnittsdicken zurückzuführen, was zu weniger vorhersehbaren Schrumpfungen und Defekten führt. 

Insbesondere beim Spritzgießen ist es üblich, Teile durch Rippen oder Kerne in der Gussform zu verstärken, was zu weiteren Schwierigkeiten führen kann. Die gerichtete Erstarrung ist ein wichtiger Parameter, um die Schrumpfung zu minimieren und sicherzustellen, dass die Teile Spritzgusstoleranzen. 

Legierungszusammensetzung

Aluminiumgussteil

Die Zusammensetzung der beim Gießen verwendeten Legierung ist entscheidend für die Schrumpfrate. Obwohl Aluminium die gleiche Schrumpfrate erwartet, weisen verschiedene Legierungen unterschiedliche Erstarrungsschrumpfungen auf. Aluminium- und Kupferlegierungen weisen vergleichbare Schrumpfraten auf, sind aber typischerweise höher als bei Edelstahl und Nickellegierungen.

Arten von Schrumpfungsfehlern

Schrumpfungsfehler beim Spritzgießen von Schmelzen können in offene und geschlossene Schrumpfungsfehler eingeteilt werden. 

Offene Schrumpfungsfehler

Offene Schrumpfungsfehler können durch Beobachtung der Gussoberfläche identifiziert werden, da sie sichtbar sind und auftreten, wenn die Metallschmelze nicht ausreicht, um die Erstarrungsschrumpfung zu verhindern. 

Bei Röhren handelt es sich um tiefe, konische Löcher oder Vertiefungen, die sich an der Oberseite des Gussstücks bilden. Es handelt sich um eine Vertiefung, die dadurch entsteht, dass sich während der Erstarrung Material unter der Oberfläche löst. 

Hohlräume sind flache Hohlräume auf der Gussoberfläche, die durch Kontraktion während des Abkühlprozesses des Gussteils entstehen. Abgesehen von ästhetischen Aspekten stellen Hohlräume kein großes Problem dar. 

Geschlossene Schrumpfungsfehler

Geschlossene Schrumpfungsfehler treten im Gussteil auf. Diese Fehler sind an der Oberfläche nicht sichtbar und beeinträchtigen die physikalischen Eigenschaften und die strukturelle Integrität des hergestellten Gussteils. 

Innere Schwindung kann zu Hohlräumen im Gussstück führen. Makroschwindung ist groß, sichtbar und entsteht durch Erstarrungsschwindung. Makroschwindung tritt häufig bei der Formgestaltung mit unterschiedlichen Querschnittsdicken auf. 

Mikroschrumpfungen sind mikroskopisch kleine Defekte und Hohlräume, die über das gesamte Gussteil verteilt sind. Mikroschrumpfungen sind das Ergebnis komplexer Konstruktionen und ungleichmäßiger Erstarrung. 

Welche Schrumpfung bewirkt das Gießen?

Gießmaschine

Beeinträchtigt die strukturelle Integrität

Schrumpfungsfehler beeinträchtigen nicht nur die Abmessungen und Größe von Teilen, sondern führen auch zu inneren Hohlräumen und Löchern, die als Porosität bezeichnet werden. Dies kann das Gussteil schwächen, da sich die Spannung an Schwachstellen konzentriert, was letztendlich zum Versagen des Teils führt. 

Dimensionale Genauigkeit

Schwindung führt beim Abkühlen eines Gussteils zu Maßänderungen. Dies führt zu Abweichungen von den beabsichtigten geometrischen Abmessungen. In den meisten Fällen werden diese Maßänderungen bei der Formkonstruktion berücksichtigt, Gusstoleranzen können jedoch zusätzliche Bearbeitungs- und Schleifvorgänge erfordern. 

Um sicherzustellen, dass das fertige Gussteil Ihren Maßanforderungen entspricht, ist es wichtig, die Schwindung des Modellbauers zu berücksichtigen. Sie können die Schwindungszugabe basierend auf der Legierung und Geometrie des Gussteils verwenden. 

Oberflächenfinish

Offene Schrumpfungsfehler wie Hohlräume können zu unebenen Oberflächen führen, die sowohl die Ästhetik als auch die Funktionalität des Teils beeinträchtigen. Zum Beispiel in Hochdruckguss oder Wachsguss, durch Schrumpfung verursachte Oberflächenfehler erfordern zusätzliche Nachbearbeitungsprozesse. 

Wie lässt sich die Schrumpfung beim Gießen minimieren?

Optimieren Sie Ihr Formendesign

Achten Sie beim Entwurf einer Form auf geeignete Steigrohre, Anschnitte und ausreichend flüssige Metallkanäle, um die Schwindung des Gussteils zu kontrollieren. Offene Schwindungsfehler wie hohle Oberflächen können durch Steigrohre ausgeglichen werden, die im Falle einer Schwindung als Reservoir dienen. 

Die Angusskonstruktion muss einen gleichmäßigen Durchfluss gewährleisten und die Wandbewegung während des Gießens und Erstarrens minimieren. 

Kontrollieren Sie die Kühlraten

Metallzahnräder nach dem Gießen

Der beste Weg, die Schrumpfung zu minimieren, ist eine gleichmäßige Abkühlung des Materials im Gussteil. Zur Steuerung des Abkühlungsprozesses kann die gerichtete Erstarrung eingesetzt werden. Sie sorgt dafür, dass das Gussteil von einem Ende zum anderen kontinuierlich abkühlt. 

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit besteht in der Verwendung von Kühlkörpern. Dabei handelt es sich um Einsätze in der Form, die die Abkühlung in bestimmten Abschnitten beschleunigen können. 

Verwenden Sie Isolatoren

Isolatoren können auch zur Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit eingesetzt werden. Sie sorgen für eine langsame Abkühlgeschwindigkeit, um die Versorgung mit flüssigem Metall aufrechtzuerhalten. 

Druckguss-Service

Prolean-Tech bietet hochwertige Teileproduktion aus Kunststoff und Metall. Unser Lager verfügt über eine große Auswahl an Legierungen für Druckguss. 

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Fazit

Schwindung in Gussmetallen ist eine Herausforderung, die in jeder Fertigungsphase berücksichtigt wird. Von der 3D-Teilekonstruktion bis zum Formenbau und von den Gussparametern bis zur Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen viele Faktoren die Schwindung. 

Das Verständnis der Ursachen von Schwindung und die Berücksichtigung der Schwindung des Modellbauers können Defekte wie Porosität und rissige Oberflächen vermeiden und Teile mit hoher Maßgenauigkeit herstellen. Während die meisten Gießereien für eine Gruppe von Legierungen im Allgemeinen eine ähnliche Schwindungstoleranz verwenden, kann die Geometrie des Gussstücks zu Abweichungen führen, denen durch Geschick und Erfahrung entgegengewirkt werden kann. 

Deshalb ist es wichtig, eine hochwertige Fertigungsdienstleistung mit dem Hochleistungsgussteile hergestellt werden können.