Formguß

Unter Formguss versteht man die Gesamtheit technisch gegebener Möglichkeiten, geschmolzene Metalle - entweder in reiner Form oder als Legierung - in eine von der Verwendung bestimmte Form zu bringen.

Geschichtliches

Die Herstellung metallischer Schmuck- und Gebrauchsgegenstände durch Vergießen einer Schmelze in eine Form war schon in der frühen Bronzezeit bekannt. Funde, die bereits auf Kleinserien schließen lassen, zeigen dies und geben zugleich Aufschluss über Kenntnisse der Formherstellung aus verschiedenen Materialien. Die einfachste Form diente dem einmaligem Abguss von Büsten und Statuen und wurde nach Erkalten des Gussteils durch Zerschlagen von diesem abgetrennt, eine Technik, die im Glockenguss als „verlorene Form“ bis heute überdauert hat. Eine andere Entwicklung nahm der „Herdguss“ ^[1], bei dem in eine nach oben offene Form gegossen wurde, die durch einfaches Eindrücken einer Gussvorlage in das Formbett entstand. Die Unterseite des Abgusses zeigte dann die gewünschte Konturierung. Auch diese Formtechnik eignete sich nur für einen Abguss, der jedoch nach Auffrischung des Formbetts wiederholt werden konnte. Ein großer Schritt war die Erfindung des bis heute bekannten Wachsausschmelzverfahrens. Dazu wurde ein Modell aus Wachs benutzt, einem Material, das erlaubte, jede gewünschte Feinheit der Modellvorlage herauszuarbeiten. Das Wachsmodell wurde danach vollständig in eine sich anpassende und dennoch standfeste Tonmasse eingebettet, das Wachs durch Erhitzen ausgeschmolzen und an seiner Stelle das verflüssigte Metall oder die Legierung in den entstandenen Hohlraum eingegossen. Nach dem Erkalten wurde die tönerne Form abgeschlagen. Für eine Serienfertigung war diese Technik wenig geeignet. Schon im 12. Jahrhundert a.c.n. finden sich daher zweiteilige Gießformen aus Bronze, mittels derer man Beile in Serie zu gießen vermochte. ^[2]

Zu technischer Bedeutung gelangte der Formguss erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts, als die Gusseisenzeit den Eintritt in das Industriezeitalter markierte. Einzelteile aus Eisenguss wurden serienmäßig in Sandformen hergestellt und zu Konstruktionen verbunden. Einige sind als Industriedenkmale bis heute erhalten geblieben.^[3]

Heute hat Eisenformguss vielfältigeren Ansprüchen zu genügen. Neue Entwicklungen erlauben es sogar, den bisherigen Gewichtsnachteil gegenüber Aluminiumguss auszugleichen und bei extremer Dünnwandigkeit die Ansprüche moderner Motorentechnik zu erfüllen (ADI, austempered duktile iron).

Modellbau als Voraussetzung der Formherstellung

Einfach ausgedrückt ist jede Gussform (gleichbedeutend auch Gießform) ein Hohlraum, der mit geschmolzenen Metall gefüllt wird und ihn bei der Erstarrung unter Berücksichtigung ihm von seiner Ausformung vorgegebener Einzelheiten wiedergibt. Dies geschieht mit Hilfe eines Modells, das dem späteren Gussstück unter Berücksichtigung der Erstarrungsschwindung bei der Abkühlung der Schmelze genauest möglich und Nachbearbeitung einsparend entspricht.

Es ist dabei auch zu unterscheiden zwischen verlorenen^[4] und beliebig oft einsetzbaren Modellen, vorwiegend solchen aus Holz oder Metall.

Der Modellbau ist ein technisches Spezialgebiet. Früher fertigte man die Modelle zumeist nur aus Holz (daher die alte Berufsbezeichnung „Modellschreiner oder -tischler“), dann auch aus Metall. Heute setzt man die Digitalisierung ein, um aus einer Zeichnung mittels Computer im CAD/CAM - Verfahren ein dreidimensionales Modell entweder aus Schichten von Kunstharz oder aus gespritztem Metallpulver aufzubauen. Auch das Ausfräsen aus dem Vollen ist möglich. Das für die Modellherstellung verwendete Material bestimmt die Zahl, der mit ihm herzustellenden Formen. Gussstückgetreue, gespritzte Metallmodelle können als Prototypen ein Gussstück ersetzen, sogar Kleinserien sind damit möglich. Verwickelte Gussstücke, wie etwa der Motorblock oder der Zylinderkopf eines Automobilmotors, verlangen in Ergänzung des Modells bei der Formherstellung noch innere Kerne aus Sand, Metall oder mineralischen Stoffen, die nach Entfernung die technisch erforderlichen Hohlräume des Gussstücks wiedergeben.

Formstoff und Formherstellung

Ein Unterscheidungsmerkmal beim Formguss bezieht sich auf den verwendeten Formstoff, das Material aus dem die Form gebildet wird, wobei dies unabhängig von der Modelltechnik zu sehen ist.

Sandguss

Unabhängig von Neuerungen ist das Gießen in einmalig zu nutzende Sandformen auch im 21. Jahrhundert noch „Stand der Technik“.

Der Formsand kann tongebunden oder chemisch gebunden sein. Natursand, der in Formsandgruben abgebaut wird, ist stets tonhaltig, eine Voraussetzung für Bindefähigkeit und Bildsamkeit. Da Natursand Schwankungen in seiner Zusammensetzung ausgesetzt sein kann, bevorzugt man für hochwertigen Sandguss reinen Quarzsand, der mit präzise dosierten, quellfähigen und bindenden Zusätzen auf Basis des Minerals Bentonit aufbereitet wird, um den Hauptforderungen optimaler Druck-, wie Scherfestigkeit (wichtig für Stabilität von Kanten) zu genügen.^[5]

Die Alternative zu tongebundenem Sand ist der chemisch gebundene. Körner reinen Quarzsandes werden mit einer dünnen Kunstharzschicht umhüllt, die entweder zufolge Polymerisation selbstaushärtend ist, oder beim Erwärmen einem thermischen Prozess unterliegt, der bindend wirkt und die Festigkeit der Form sichert.

Bentonit und kalt- oder warmabbindende Kunstharze werden als Formstoffzusätze bezeichnet. Der Zusatz beträgt je nach Stoff zwischen 0,3 und 3 bis 5%. Bei Eisen- und auch Schwermetallguss wird zur Erlangung einwandfreier Gussoberflächen vorwiegend Steinkohlenstaub als Glanzkohlenstoffbildner zugesetzt, aber auch andere Kohlenstoffträger werden angewendet. Beim Vergießen von Magnesium oder magnesiumreichen Aluminiumlegierungen dient ein Zusatz von Borsäure zur Begrenzung der Formstoffreaktion.

Bentonit und Kunstharze werden unter mehreren Techniken - dazu zählt der Einsatz silikatischer Bindemittel (Wasserglas) - auch für die Herstellung der zur Vervollständigung der Form nötigen Sandkerne herangezogen.^[6]

Die Sandformen werden meist im zwei- oder auch mehrteiligen Formkasten, oder - bei weiter entwickelter Technik - „kastenlos“ erstellt. Für große Teile gibt es noch das Bodenformverfahren und die Formgrube. Beim Kastenformverfahren wird das Modell im so genannten Unterkasten, der unteren Formkastenhälfte, in weniger groben, die Konturen des Gussstücks ausprägenden Modellsand eingebettet, danach erfolgt Verdichtung des Formstoffs unter gleichzeitigem Auffüllen mit „Füllsand“. Mit der zweiten Hälfte wird gleichermaßen Verfahren, Anschnitte und Gießläufe ausgeformt, schließlich das Modell „ausgehoben“ und die beiden Hälften zusammengelegt.

Das Herstellen der Formen und Kerne von Hand ist wegen des damit verbundenen Aufwands an Arbeitszeit heute nur in Ausnahmefällen und für Einzelstücke im Gebrauch. Die Massenherstellung von Sandformen übernehmen heute Formmaschinen, deren Technik von der Handsteuerung bis zum Vollautomaten reicht.

Die fertigen Formen werden entweder, wie bei Aluminium der Fall, „nass“ („Nassguss“), also unter Beibehaltung eines natürlichen, oder zuvor eingestellten Wassergehaltes abgegossen, oder zuvor getrocknet („Trockenguss“) - ein Verfahren, das für Teile aus Kupferlegierungen bevorzugt wird, weil die gasbildende Reaktion zwischen flüssigem Metall und Formstoff entfällt. Auch in der Eisen- und Stahlgießerei und den dort üblichen größeren Gussteilen wird in getrocknete Formen abgegossen, weil sie standfester als Nassformen sind.

Eingeführte Praxis ist es beim Gießen größerer und starkwandiger Stücke die Erstarrungszeit und damit das Gefüge der Gussteile dadurch günstig zu beeinflussen, dass an entsprechenden Stellen Kühleisen^[7] in die Sandform eingebaut werden. Zur Ergänzung und um langsam erstarrende Partien möglichst lange mit flüssigem Metall zu versorgen, werden „Speiser“ gesetzt. Häufig erfahren diese - auch der Eingusstrichter - noch eine exotherme, aluminothermisch Hitze erzeugende Auskleidung. Sie soll ein vorzeitiges Einfrieren der zur Dichtspeisung, das heißt Lunkerfreiheit, unabdingbaren Nachspeisung des beim Erstarren einer Volumenverringerung unterliegenden Gussstücks verhindern. Je nach den Gegebenheiten werden zusätzlich noch exotherm reagierende, pulvrige Gemische auf Eingusstrichter und Speiserköpfe gegeben.

Da alle Sandformen nur einem einzigen Abguss dienen, kommt der nach dem Leeren der Formkästen anfallende Sand früher oder später als „Altsand“ auf eine Halde. Mehrfache Verwendung (recycling) ermöglicht ein einfaches Aufbereitungsverfahren: Der abgekühlte Altsand wird gesiebt, dabei von Knollen, Metallspritzern und Resten des Kernmaterials („Kernstützen“) befreit; mittels einfacher Prüfverfahren ^[8] wird der Feuchtigkeitsgehalt ermittelt, fehlende Feuchtigkeit und Bindemittel werden ergänzt und das Ganze neu gemischt. Kunstharzgebundene Formsande werden in einem thermischen Verfahren aufbereitet, das als Endprodukt wieder zu reinem Quarzsand führt, der erneut mit Kunstharz versetzt wird.

Die mechanisierte Herstellung von Sandformen für Großserien, etwa im Motorenguss, gilt unverändert als „Stand der Technik“. Eine Alternative zu Sandguss gab es indessen bereits in der Bronzezeit, als für einfache Aufgaben die ersten Dauerformen erfunden wurden, deren Voraussetzung es allerdings war, aus einem gegenüber der Hitze des geschmolzenen Metalls beständigem Material zu bestehen. Die Schmelztemperatur der Dauerform musste deutlich über der des zu vergießenden Metalls liegen. Immerhin war es damals bereits möglich, Kupferbeile „serienmäßig“ in einer vermutlich mit schützender Tonmasse ausgestrichenen Bronzeform herzustellen.

Andere Formstoffe und Formverfahren

Der für Sandguss geltende Oberbegriff der verlorenen Form als Gegensatz zur Dauerform umfasst historisch auch offene Formen aus Lehm und Kuhmist, aus Sandstein, aus gebranntem Ton, aus Gips, aus Kunstharz (Croning-Masse) und weiteren Materialien, die nur für einen Abguss beständig sind. Zinnfiguren und -geräte lassen sich sogar in Kautschukformen abgießen.

Abgesehen vom bereits genannten Glockenguss ist der Feinguss kleiner und kleinster Teile technisch bedeutend. Die Fertigung erfolgt unter Zuhilfenahme des Wachsausschmelzverfahrens oder auch ausbrennbarer Kunststoffe für die Modellierung (siehe unter Modelltechnik). Als Formstoff dienen keramische Massen, die als Schale oder Block um das Modell gelegt und nach dem Guss abgeschlagen werden.

Als ein verwandtes Verfahren kann der „Vollformguss“ angesehen werden, weil er ebenfalls mit verlorenen Modellen arbeitet. Die Modelle werden aus Polystyrol hergestellt und eingeformt, wozu es verschiedene Techniken gibt^[9] . Beim Füllen der Form wird das Modell rückstandslos in eine Gasphase übergeführt.

Den neueren Gießverfahren für Leichtmetalle ist der Gradientenguss zuzuordnen. Hier wird eine Sandform mit zwei Schmelzen gefüllt, die weniger beanspruchten Teile des Gußstücks mit Magnesiumlegierung, die übrigen mit Aluminiumlegierung.

Metallische Dauerformen

Ungeachtet dieser frühen Erkenntnisse blieb die Sandform bis in die neuere Zeit vorherrschend. Mit einem Anteil von nur noch knapp 20 % bei Leichtmetallguss ist sie dies nicht mehr, aber - inzwischen hoch mechanisiert - ist sie für verwickelte und kernreiche Gussteile unverzichtbar. Ein erster Bedeutungsverlust ist bereits um 400 a.c.n. zu verzeichnen. Man verwendete metallische Dauerformen aus Gusseisen, das sich als der gegenüber Bronze hitzebeständigere Werkstoff gezeigt hatte. Im 20. Jahrhundert sind an die Stelle des Gusseisens mehrheitlich Spezialstähle getreten, deren ausgefräster und an entscheidenden Stellen mit ebenfalls metallischen Kernen bestückter Hohlraum dem gewünschten Gussstück entspricht und bei Großserien fertigungswirtschaftliche Vorteile bietet.

Als frühes Dauerformverfahren gilt der industriell unbedeutend gewordene Sturzguss, der bei der Herstellung von Hohlkörpern aus Zinklegierung angewendet wurde: Man füllte eine gusseiserne Form mit Schmelze, wartete die von der Formwand her einsetzende erste Erstarrungsphase ab, kippte (stürzte) die Form und ließ das noch nicht erstarrte Restmetall in die Schmelze zurückfließen. Nach dem Öffnen der Form erhielt man eine offene Kanne, eine Vase, oder eine Urne.

Eine weiterentwickelte metallische Dauerform, die auch Gussstücke ermöglicht, die einen oder mehrere, hierzu aus Stahl gefertigte Kerne benötigen, ist der Schwerkraftkokillenguss (auch „gravity die-cast“ genannt). Die Füllung der Kokille, die mit einer die Form schonenden und die Erstarrung lenkenden „Schlichte“ ausgekleidet ist, ^[10] erfolgt mit einem von Hand geführten, oder automatisierten Giesslöffel. Nach vollständiger Erstarrung in der Form werden die Stahlkerne mit dem sogenannten „Knippeisen“ gezogen, das Gussteil entnommen und die Kokille für den nächsten Abguss vorbereitet.

Nicht nur metallische, auch mit anorganischen Zusätzen oder Kunstharzen gebundene Sandkerne werden im Kokillenguss eingesetzt und dies dort, wo ein Metallkern technisch nicht möglich ist. Ein bekanntes in dieser Technik hergestelltes Teil ist der in jedem Haushalt anzutreffende Wasser(verbrauchs)zähler.

Zwischen Sandguss und Kokillenguss steht eine Technik der Formherstellung, bei der die Erstarrung der Außenwände des Gussstücks von einer angepassten Kokille bestimmt wird, die des Forminneren, mit seinen zweckbestimmten Hohlräumen, dagegen von einem durch Bindemittel verfestigtem Sandkern. Dieser kann ein Einzelkern sein, in der Praxis sind indessen aus Einzelkernen zusammengesetzte Kernpakete die Regel. ^[11] Im Interesse leichterer Entfernung der Kerne nach dem Abgießen der Form werden auch wasserlösliche Salzkerne verwendet.

Salzkerne werden heute zu meist bei der Herstellung von Dieselkolben eingesetzt. Der Salzkern dient hierbei als verlorene Form und wird nach dem Abkühlen des Kolbenrohlings rückstandsfrei aus dem Gussteil herausgewaschen. Generell kann man zwischen gebundenen und gesinterten Salzkernen unterscheiden. Gebunde Salzkerne bestehen aus NaCl und organischen Harzen. Gesinterte Salzkerne bestehen aus NaCl und Zuschlagsstoffen. Die sehr guten Festigkeitseigenschaften von gesinterten Salzkernen ermöglichen darüber hinaus einen Einsatz im Druckguss.

Zu den erst im Kokillengießverfahren für eine wirtschaftliche Massenfertigung geeigneten Teilen zählen zahlreiche zuvor aus Blechen zusammengelötete Gerätschaften, wie der Vergaser von Ottomotoren.

Obwohl in vieler Hinsicht modernisiert und auch heute noch für die Erstellung hochfester Teile im Fahrzeugbau üblich, zeigte sich das Verfahren für die Herstellung sehr großer Serien als zeitaufwendig. Dieser zugleich kosten trächtige Umstand gab bereits nach dem ersten Weltkrieg Technikern Anlass, eine produktivere Gießtechnik in Dauerformen zu entwickeln. Nach zögerlichem Beginn um 1920, beginnend mit Zinkspritzguss, hat sich die Technik der Dauerformfüllung mit unter hohem Druck eingespritztem Metall binnen eines knappen Jahrhunderts bei Aluminium- und Magnesiumguss soweit durchgesetzt, dass mehr Legierungen im „Druckgießverfahren“ als auf andere Weise verarbeitet werden. Der einschlägige Maschinenbau hat diesen „Quantensprung“ mitgetragen. Druckgießen ist zu Beginn unseres Jahrhunderts die am weitesten automatisierte Variante des Formgusses. Eine Gießtechnik, bei der die Form vor der Befüllung evakuiert wird, erbringt poren- und einschlussfreien Guss und macht damit auch druckgegossene Teile einer die mechanischen Werte stark verbessernden Wärmebehandlung zugänglich. In vielen Fällen können sie ohne jede Nachbearbeitung eingebaut werden. Der Anteil am gesamten Formguss von Leichtmetallen (nach Zahlen aus dem Jahr 2005 ca. 700.000 t) steigerte sich als Folge der neuen Techniken auf über 65 %.

Formateguss

Dem hier besprochenen Formguss, also der für Klein- bis Großserien definierten Formgebung bei gleichzeitig entweder „verlorener“ oder in vorbestimmten Grenzen „dauerhafter“ Form, ist der mengenmäßig bedeutendere Formatguss, auch Formateguss/Halbzeugguss genannt, nur insoweit verwandt, dass Flüssigmetall in eine zur Weiterverarbeitung günstige Form gebracht wird.

Die Formgebung erfolgt dabei im Stranggießverfahren mittels runder, recht- oder viereckiger (Kragen-)Kokillen, die ungeachtet der speziellen Gießtechnik dennoch den metallischen Dauerformen zuzuordnen sind und die Herstellung von runden Pressbarren oder rechtwinkligen Walzbarren ermöglichen. Formateguss kommt sowohl aus den Hütten-Gießereien (cast-houses), die an die Primäraluminium aus Tonerde erzeugenden Primärhütten angeschlossen sind, aber auch aus mit der Verwertung von Altaluminium und Aluminiumabfällen befassten Recycling- oder Sekundärhütten.

Die gegossenen und je nach Legierung entweder bei Raumtemperatur ausgelagerten, oder in besonders ausgelegten Öfen „angelassenen“ Barren sind als „unfertiges Halbzeug“ nur Vormaterial für die endgültige Verarbeitung durch Ziehen, Walzen Pressen, Schmieden und die Endprodukte dieser Verfahrensgänge in Form von Blechen, Profilen, Drähten, Folien, Dosen und anderem.

Von den Anforderungen an die Weiterverarbeitung – weniger Walzgänge für die Dünnblechfertigung – ist das Bandgießen bestimmt. Die Kragenkokille des Stranggusses wird dabei durch zwei wassergekühlte, in ihrer Umdrehungsgeschwindigkeit gesteuerte Rollen ersetzt. Zwischen sich lassen sie einen Spalt, in den die Schmelze einfließt und im Zuge der Drehung zum Band erstarrt wieder freigegeben wird.

Wirtschaftliche Bedeutung (Produktionsmengen)

Hinsichtlich der Menge an gegossenen Produkten führt Eisenguss mit deutlichem Abstand vor NE-Metallguss, der wiederum vom Leichtmetallguss beherrscht wird. Leichtmetallguss liegt mengenmäßig an zweiter Stelle, wobei jedoch die von der physikalischen Dichte bestimmten Gewichtsunterschiede zu beachten sind. Ein Kilogramm Aluminiumguss ist insofern für eine Statistik des gegossenen Volumens drei Kilogramm Eisenguss gleichzusetzen. Die a. a. O. für das Jahr 2005 genannten 700.000 t Leichtmetallformguss entsprächen im Volumen 2,1 Millionen t Eisenguss. Die Statistik der Weltgußproduktion im Jahr 2007 nennt - bei einigen kleineren Ungenauigkeiten in der zeitlichen Erfassung - für alle teilnehmenden Länder eine Produktionsmenge von rund 95 Mio t. Der Anteil Deutschlands beträgt 5.840 Mio t. Die NE - Metalle sind darin enthalten mit 853,756  Aluminium und Legierungen, 96,575 t Kupfer und Legierungen, 31,659 t Magnesium, 72,320  t Zink und Legierungen. Sie summieren sich zusammen mit der Position "sonstige NE-Metalle" zu 1,056,558  Mio t. Dies entspricht einem Anteil von ca. 18% an der deutschen Gesamterzeugung von Formguss^[12]

Herangezogene Literatur

• Heinz Wübbenhorst: „5000 Jahre Giessen von Metallen“. Düsseldorf: Gießerei-Verlag GmbH, 1984, ISBN 3-87260-060-5.
• GIESSEREILEXIKON, 17. Auflage 1997, Schiele und Schön, Berlin, ISBN 3-7949-0606-3.
• Josef Bersch: Lexikon der Metall-Technik. Handbuch für alle Gewerbetreibenden und Künstler auf metallurgischem Gebiete. Wien, Pest, Leipzig: A. Hartleben's Verlag. ca. 1899. Ohne ISBN.
• Roland Irmann: „Aluminiumguss in Sand und Kokille“ (Kapitel Sandguss, sowie Kokillenguss), 1. Auflage 1935 und 5. Auflage 1952. Düsseldorf: Verlag Aluminiumzentrale e.V. Ohne ISBN.

Einzelnachweise und Fußnoten

1. ↑ bekanntestes Beispiel sind die eisernen, reich verzierten Ofenplatten aus dem 15. und 16. Jahrhundert
2. ↑ H. Wübbenhorst „5000 Jahre Gießen von Metallen“, S.11 f.,Gießerei- Verlag GmbH, Düsseldorf, 1984
3. ↑ Eines davon ist die Gießhalle der Sayner Hütte, ein anderes die 1799 eingeweihte und heute noch begehbare Brücke über den britischen Fluss Sewern.
4. ↑ Wachsausschmelzverfahren, Vollformverfahren
5. ↑ beide werden in g/cm² ermittelt und das Ergebnis in eine Bewertungsreihe von „sehr gering“ bis „sehr gut“ eingestellt. Eisenguss und solcher aus Kupferlegierungen verlangt höhere Werte als der Guss von Leichtmetall
6. ↑ Beim Einsatz von Kunstharz als Bindemittel wird zwischen Hotbox- und Coldboxverfahren unterschieden, wobei die „Box“ (auch als Kernkasten (Kernform) bezeichnet) zu einer Kernfestigung mit Wärmezufuhr(Hotbox) oder ohne solche (coldbox) dient
7. ↑ Kühleisen, auch Kühlkörper, Kühlkokille oder Schreckplatte genannt
8. ↑ dazu zählt Kneten eines Sandballens mit der Hand und Prüfung, ob Handlinien wiedergegeben werden, sowie Widerstand bei Zerbrechen oder Fallenlassen aus unterschiedlicher Höhe
9. ↑ siehe „Vollformgießverfahren“ in GIESSEREI LEXIKON, a.a.O.
10. ↑ Schwarze Schlichtung führt Wärme ab und beschleunigt die Erstarrung, weiße Schlichte wirkt wärmeisolierend und verzögert die Erstarrung
11. ↑ Hierfür typisch ist Guss von Zylinderblöcken für wassergekühlte Motoren
12. ↑ Zahlen entstammen der „42. Erhebung zur Weltgussproduktion“, veröffentlicht in Giesserei- Rundschau 56(2009, Verlag Lorenz, Wien

Weblinks

• Verein deutscher Gießereifachleute VDG
• Verein deutscher Eisenhüttenleute VdEH
• Deutscher Formermeisterbund e.V.
• Gesamtverband deutscher Metallgießereien GDM
• Industrieverband Gießereichemie e.V. IVG
• [1]