Auftragen einer Hochtemperatur-Sandbeschichtung auf kleine und mittelgroße Stahlgussteile

Zusammenfassung: In diesem Dokument werden anhand der Eigenschaften von Filmsand die Qualitätsprobleme dargestellt, die bei dem vom Unternehmen des Autors hergestellten Stahlgusssand auftreten, die Ursachen analysiert und verschiedene Formeln und Verfahren für unterschiedliche praktische Situationen angewendet, sodass Stahlgussteile hergestellt werden können, die den Anforderungen des Filmsandverfahrens entsprechen, das sich insbesondere für den Feinguss von Stahlgussteilen eignet.

Schlüsselwörter: Filmsand; Stahlguss; Feinguss; Feinguss

Stahlgussteile zeichnen sich durch viele hervorragende Eigenschaften aus, wie z. B. Kohlenstoffstahl, niedriglegierter Stahl, hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit sowie gute Gieß- und Schweißeigenschaften. Spezialstahl erfüllt zudem Anforderungen an Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kältebeständigkeit und andere besondere Arbeitsbedingungen. Daher finden Stahlgussteile breite Anwendung in der Schwerindustrie, im Bergbau, im Transportwesen, in Kraftwerken, im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt und vielen weiteren Branchen. Angesichts der aktuellen Nachfrage nach Stahlgussteilen, insbesondere mittelgroßen und großen Gussteilen, und der Anforderungen der Massenproduktion sind kleine und mittelgroße Gussteile relativ klein, die Stückzahlen jedoch größer und gehören zu den dünnwandigen, präzisen und komplexen Gussteilen. Daher spielen sie in verschiedenen Industriebereichen eine sehr wichtige Rolle.

Für die Herstellung kleiner und mittelgroßer Stahlgussteile gibt es derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher technologischer Verfahren, die jeweils ihre eigenen Merkmale mit Vor- und Nachteilen aufweisen. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Stahlguss, der Oxidation von flüssigem Stahl, der geringen Fließfähigkeit und der Schrumpfung neigen Stahlgussteile zu Unterguss, Kaltseigerung, Schrumpfung und Schwächung sowie zu Rissen und Sandbildung sowie anderen Gussfehlern. Die Suche nach den besten kleinen und mittelgroßen Stahlgussteilen sollte für Gießereien weltweit eine dringende technische Herausforderung darstellen. In der chinesischen Gussproduktion werden derzeit drei Verfahren angewendet: Ton-Nass-Sand, Harz-Selbsthärtungs-Sand und Schmelzguss.

(1) Lehm Nasser Sand

Die größte Einschränkung bei nassem Tonsand besteht in der geringen Festigkeit des Sandes, wodurch beim Formverfahren leicht Gussfehler auftreten können. Sandfallen, Sandlöcher, Luftlöcher, Schrumpfungslöcher, oberflächliche Sandablagerungen, Risse, Kastenquellungen usw. verursachen viele Fehler, die durch Schweißen behoben werden müssen und mit relativ hohen Reinigungskosten verbunden sind. Ausgehend von der weltweiten Situation scheint die Produktion von Stahlteilen aus nassem Tonsand daher gering zu sein, und die Produktion mit automatischen Formlinien ist sogar noch geringer, sodass derzeit hauptsächlich nasser Tonsand zur Herstellung von Gusseisenteilen verwendet wird.

(2) Selbsthärtender Harzsand

Seit 1973 erforscht China die Anwendung von selbsthärtendem Furanharzsand. Er bietet aufgrund des Modellierungsprozesses Gussteile mit hoher Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität (Maßgenauigkeit CT10 – 12, Oberflächenrauheit Ra25 – 50 µm), guter Kernführung, einfacher Reinigung des Gießereisandes, einfacher Wiederverwendung von altem, trockenem Sand und einer hohen Wiederverwendungsrate (über 90 %) sowie weiteren Vorteilen. Derzeit werden in China große und mittelgroße Stahlgussteile immer weiter entwickelt und breit angewendet. Aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Sandharz ist die Nachgiebigkeit bei hohen Temperaturen jedoch schlecht, und Stahlgussteile neigen zur Rissbildung. Das Bindemittelsystem enthält S, N und andere schädliche Elemente, die leicht zu Oberflächenaufkohlung, Schwefeldurchdringung und Mikrorissen im Stahlguss führen. Der Sand gast stark aus und der Guss neigt zu Porositätsdefekten oder N, die durch subkutane Porosität verursacht werden. Beim Sandmischen, Modellieren, Gießen, Sanden und Reinigen entstehen SO2, CO2 und andere schädliche Gase, die die Arbeitsumgebung verschmutzen. Daher ist das Sandverfahren unter Verwendung von Furanharz zur Herstellung von Stahlgussteilen keine ideale Wahl, insbesondere für die Herstellung dünnwandiger, strukturell komplexer Pumpen, Ventile, Lokomotiven sowie kleiner und mittelgroßer Stahlgussteile, was noch unerwünschter ist.

(3) Feingussverfahren

Je nach Produktanforderungen und Produktionsprozess kann Feinguss in zwei Kategorien unterteilt werden: Die erste besteht aus der Verwendung von hochwertigem Formmaterial, Hochdruckformen, Kieselsol und Silikatethylacetatschalen, Dampfentwachsen, schnellem Schmelz- und Gießverfahren bei Atmosphärendruck oder im Vakuum, also dem international üblichen Schmelzgussverfahren. Damit können Gussteile mit einer Genauigkeit von CT4–6 und einer Oberflächenrauheit von Ra 0,8–6,3 µm hergestellt werden, die hauptsächlich zur Herstellung von Flugzeug- und Gasturbinenschaufeln und anderen hochwertigen Feingussteilen verwendet werden: oder allgemeiner Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Kohlenstoffstahl und andere Feingussteile. Diese Art von Gussteilen erfordert ein höheres Maß an Technologie und Produktionskosten und ist in China insgesamt nur gering. Die zweite Kategorie besteht aus der Verwendung von Paraffinstearat-Formmaterial minderer Qualität, Niederdruckformenbau, Wasserglasschalen, Heißwasserentwachsen, langsamem Schmelz- und Gießverfahren bei Atmosphärendruck. Damit können Gussteile mit einer Genauigkeit von CT7–9 und einer Oberflächenrauheit von Ra 2,5–25 µm hergestellt werden Aufgrund kürzerer Produktionszyklen, niedriger Preise für Roh- und Hilfsstoffe sowie geringerer Investitionen in die Ausrüstung wird es häufig in der heimischen Industrie eingesetzt, beispielsweise bei Schwerlastfahrzeugen, Traktoren, Maschinen, metallurgischen Geräten, Werkzeugmaschinen, Pumpen und Ventilen usw. Derzeit wird es in China als Ersatz für den Sandformguss verwendet. Es ist das wichtigste Modellierungsverfahren zur Ersetzung des Sandformgusses bei der Herstellung von kleinen Präzisions- und komplexen Stahlgussteilen in China. Es gibt jedoch Probleme mit Toleranzen bei der Gussverarbeitung, Energieverbrauch und Rohstoffverbrauch, langen Produktionszyklen, starker Umweltverschmutzung, geringer Produktionseffizienz und anderen.

In Anbetracht der aktuellen Gussproduktion bei der Herstellung der drei oben genannten Verfahren zur Herstellung von kleinen Präzisionsgussteilen gibt es bestimmte Mängel. Die Autoren dieses Artikels meinen, dass die Beweglichkeit des Kerns aus Furanharz im Hot-Box-Sandkasten schlecht und die Beweglichkeit des Kerns aus Cold-Box-Sandkasten gut sei, die Festigkeit aus dem Kasten jedoch gering sei. Daher schlagen sie die Verwendung eines harzbeschichteten Sandschalengussverfahrens zur Herstellung von kleinen Präzisionsgussteilen vor.

Der Schalenguss wurde in den 1940er Jahren in Deutschland entwickelt, die heimische Forschung hat ihn jedoch verspätet erreicht. Im Vergleich zum herkömmlichen Sandguss erfordert der Schalenguss weniger Investitionen in die Ausrüstung, ist klein und bequem zu produzieren, hat eine hohe Produktionseffizienz, gießt mit weniger Sand, erzeugt weniger Staub am Produktionsstandort, ist leiser und somit weniger umweltbelastend und erzeugt Gussteile mit hoher Oberflächengüte und hoher Maßgenauigkeit. In der Automobilindustrie unseres Landes werden Gusseisenteile häufig im Gussverfahren hergestellt. Um die Hitzebeständigkeit des Filmsandes zu verbessern, verwendet China spezielle Rohsande (wie Zirkonsand, Chromitsand usw.), die zu speziellem Filmsand verarbeitet werden, um den Produktionsbedarf zu decken. Zirkonsand, Chromitsand und andere spezielle Rohsande sind jedoch knapp und teuer und müssen importiert werden. Darüber hinaus treten an der Oberfläche von Stahlgussteilen, insbesondere an den Gusslöchern (Kernköpfen) an der Oberfläche und an den Ecken, Schlieren oder Gussfehler auf, die die Oberflächenqualität des Gussteils stark beeinträchtigen und seine Verwendung in der Produktion einschränken. Aufgrund der hohen Gießtemperatur, der schlechten Fließfähigkeit des Metalls und der großen Schrumpfung beim Gießen von kleinen Stahlgussteilen aus beschichtetem Sand haben wir das Phenolharz modifiziert, um seine Hitzebeständigkeit zu verbessern und gleichzeitig seine thermischen Eigenschaften zu verbessern. Außerdem haben wir einige spezielle Hilfsstoffe hinzugefügt, um die Zersetzung des Harzes zu verlangsamen, die durch die vom Sand erzeugte Wärme verursachte Zersetzung zu hemmen, die Fließfähigkeit des beschichteten Sandes weiter zu verbessern, die Hochtemperaturfestigkeit und -stabilität zu erhöhen und die Gasentwicklung niedrig zu halten. Auf diese Weise wurde ein spezieller, hochtemperaturbeständiger beschichteter Sand auf Quarzsandbasis entwickelt, der über eine hervorragende Hochtemperaturleistung und andere umfassende Gusseigenschaften verfügt und den teuren, mit Zirkoniumsand beschichteten Sand bei der Herstellung einer Vielzahl komplexer kleiner Präzisionsstahlgussteile ersetzen kann. Dadurch werden die Kosten für die Verbesserung der Ausbeute und Qualität der Gussteile erheblich gesenkt. Die Hochtemperatur-Druckfestigkeit des hochtemperaturbeständigen beschichteten Sandes wird von 0,1–0,2 MPa auf über 0,8 MPa erhöht, die Hitzebeständigkeitszeit wird von 60–110 s auf über 150 s erhöht und die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur beträgt mehr als 3,5 MPa, die Hitzebeständigkeitsfestigkeit beträgt mehr als 2,0 MPa und die Gasungsmenge beträgt weniger als 18 m1/g (siehe Tabelle 1).