GUSSVERFAHREN MIT VERGASUNGSMODELLEN (SHELL CASTING) 

Der Schalenguss eignet sich für die Großserienproduktion von kleinen und mittelgroßen hochpräzisen Sphäroguss-, Stahl- und Aluminiumlegierungsteilen, einschließlich der Großserienproduktion von Präzisionsventilkörpern und Getriebegehäusen aus Sphäroguss QT400-18 und QT600-3. Die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität der mit diesem Verfahren hergestellten Gussteile ist denen aus Tonsand und herkömmlichem kaltgehärtetem Harzsand deutlich überlegen.

Prinzip der Schalenbildung

Beschichteter Sand wird aus einem festen Phenolharz hergestellt, mit dem Sandkörner vorbeschichtet werden. Wenn trockener beschichteter Sand mit heißen Metallwerkzeugen bei Temperaturen von 180–250 °C in Kontakt kommt, schmilzt das Oberflächenharz und unterliegt unter der Wirkung des Härters einer Vernetzungsreaktion, wodurch eine harte, unschmelzbare und unlösliche dünne Sandhülle entsteht. Unbeheizter loser Sand kann regeneriert und wiederverwendet werden. Beim Gießen erwärmt sich die dünne Schale, das Harz verbrennt und zersetzt sich und die Form fällt spontan in sich zusammen, was ein einfaches Ausschlagen und Reinigen der Gussteile gewährleistet.

Rohstoffformulierung für beschichteten Sand, speziell für den Schalenguss entwickelt

Basissand: gerundeter gewaschener Quarzsand mit Tongehalt ≤ 0,3 %; Bei Stahlgussteilen wird zur Vermeidung von Dehnungsfehlern Zirkonsand oder Chromitsand verwendet.

Bindemittel: thermoplastisches Phenolharz, zugesetzt in einer Menge von 1,0–3,0 % des Sandgewichts (insbesondere für den Schalenguss).

Härter: Hexamethylentetramin (HMTA), zugesetzt in einer Menge von 10–15 Gew.-% des Harzes.

Schmierung: Calciumstearat, um die Fließfähigkeit des Sandes zu verbessern und ein Anhaften an der Ausrüstung zu verhindern.

Funktionelle Zusatzstoffe: Bei Bedarf werden geringe Ausgasungs- und Aufkohlungsschutzadditive in Spurenmengen zugesetzt.

Hauptunterschied: Kalthärtender Harzsand wird direkt vor Ort gemischt (Basissand + Flüssigharz + Härter werden unmittelbar vor der Verwendung gemischt). Beschichteter Sand für den Schalenguss ist ein kommerziell hergestellter Trockensand; Vor Ort ist nur Wärme zum Formen erforderlich, kein Harzmischen vor Ort.

1 Vorbereiten von Metallgeräten

Präzisionsgefertigte Springformen aus Stahl oder Aluminiumlegierung verfügen über integrierte Heizkanäle, um eine konstante Temperatur von 180–250 °C aufrechtzuerhalten. Die Genauigkeit der Ausrüstung bestimmt direkt die Maßtoleranzen der Gussteile, wobei Schwindung und Bearbeitungszugaben im Voraus berücksichtigt werden.

2 Schleifen und Schalenformen

Drehen Sie den Trichter um, um die Oberfläche des heißen Metallwerkzeugs vollständig mit beschichtetem Sand zu bedecken.

Lassen Sie die Oberflächensandschicht auf dem Werkzeug 60–120 Sekunden lang aushärten und eine gleichmäßige dünne Schale bilden.

Drehen Sie das Werkzeug um und schütten Sie den nicht erhitzten, losen, beschichteten Sand zur vollständigen Rezirkulation aus, wobei nur die gehärtete Sandschale an der Oberfläche des Werkzeugs zurückbleibt.

3 Sekundäre Vollheilung

Dünne Sandschalen werden zum zusätzlichen Erhitzen in den Ofen geschickt, um die Vernetzung des Harzes zu vervollständigen, innere Spannungen zu beseitigen, Abblättern und Rissbildung beim Gießen zu verhindern und die Gesamttrockenfestigkeit zu erhöhen.

4 Entfernen der Schale, Zusammenbau der Form und Verstärkung

Entfernen der gehärteten Sandschalen aus dem Werkzeug, um die obere und untere Schalenhälfte zu erhalten. Ausrichten, Kleben und Fixieren der beiden Hälften. Bei Gussstücken mit relativ dicken Wänden wird die Schalenform in einen Kolben gegeben und mit Stützfüllstoff gefüllt, um zu verhindern, dass sich die Schale beim Gießen ausdehnt und verformt.

5 Schmelzen und gießen

Geschmolzenes Gusseisen, Stahl und Aluminiumlegierungen werden bei festgelegten Prozesstemperaturen gleichmäßig gegossen. Der dichte und glatte schalenförmige Hohlraum zeichnet sich durch eine kontrollierte Gasfreisetzung aus, wodurch Defekte wie Lunker, Brandflecken und das Eindringen von Metall deutlich reduziert werden.

6 Abkühlen, Ausklopfen und Reinigen

Nachdem die Gussteile vollständig abgekühlt sind, verliert der Harzfilm durch Karbonisierung bei hohen Temperaturen seine Haftfestigkeit und die Sandhülle kollabiert spontan. Gussteile können durch Vibration getrennt werden. Nach dem Kugelstrahlen verbleibt nur eine geringe Menge Restsand auf den Oberflächen, was eine minimale Bearbeitungszugabe erfordert.

7 Regenerierung von Altsand

Der Abfallsand ist mit karbonisierten Harzrückständen bedeckt, die zur Regeneration durch Hochtemperaturbrand bei Temperaturen über 700 °C entfernt werden müssen. Aufbereiteter Sand bietet eine konstante Leistung, der Energieverbrauch und die Kapitalkosten für die Aufbereitung sind jedoch höher als für Tonsand.

Hauptunterschiede: Schalenguss vs. herkömmlicher kalthärtender Harzsand

Aushärtungsmechanismus:

Schalenguss: thermische Aushärtung; Schnelles Formen innerhalb von Sekunden bis Minuten mit heißen Metallformen.

Kalthärtender Harzsand: chemische Selbsthärtung in der Umgebung; Bei der Aushärtung bei Raumtemperatur mit Katalysatoren dauert der Formzyklus mehrere zehn Minuten.

Form:

Schalenguss: dünne hohle Sandschale mit einer Dicke von 6 bis 20 mm, extrem geringer Sandverbrauch.

Kalthärtender Kunstharzsand: einteilige schwere Form mit hohem Sandverbrauch.

Ausrüstung:

Schalenguss: hochpräzise beheizte Metallformen mit hohen Kapitalkosten.

Kalthärtender Harzsand: Holz- oder Metallformen sind akzeptabel, kein Erhitzen erforderlich.

Anwendbarkeit in der Fertigung:

Schalenguss: automatisierte Linien für die Serienproduktion von Teilen kleiner und mittlerer Präzision.

Kalthärtender Harzsand: Einzel- und Kleinserienfertigung großer dickwandiger Gussteile.

Oberflächengenauigkeit:

Schalenguss: Toleranzklasse CT7–CT9, Oberflächenrauheit Ra6,3–12,5 Mikrometer, deutliche Bildung dünnwandiger komplexer innerer Hohlräume.

Kalthärtender Kunstharzsand: Toleranzklasse CT9–CT11, Oberflächenqualität schlechter als beim Schalenguss.

Vorteile des Schalengusses

1 Hohe Maßhaltigkeit und hervorragende Oberflächenqualität reduzieren die Bearbeitungszugaben erheblich und senken die Bearbeitungskosten.

2 Trockener Sand enthält keine Feuchtigkeit, wodurch Gaslochdefekte im Formhohlraum minimiert werden, ideal für Präzisionsteile wie hydraulische Ventilkörper und Flüssigkeitskanäle.

3 Die hervorragenden Knockout-Eigenschaften der Sandschalen verhindern das Anhaften und Verstopfen von Sand in schwierigen tiefen Löchern und flachen Innenhohlräumen und verbessern so die Reinigungseffizienz erheblich.

4 Hohe Formgeschwindigkeit: Jeder Zyklus dauert nur wenige Minuten, was mit einer automatisierten Chargenproduktion kompatibel ist.

5 Gehärtete Sandschalen können lange gelagert werden, ohne Feuchtigkeit aufzunehmen oder sich zu verformen, was für Flexibilität bei der Produktionsplanung sorgt.

Prozessbeschränkungen

1 Die Gesamtkosten für beschichteten Sand und beheizte Metallformen sind deutlich höher als die für Tonsand und kaltgehärteten Harzsand.

2Die begrenzte strukturelle Festigkeit von Sandschalen macht das Verfahren für schwere Gussteile mit Wandstärken über 50 mm ungeeignet.

3 Bei der Hochtemperaturzersetzung des Harzes werden reizende Rauchgase freigesetzt, was den Einbau von Hilfsgeräten zum Sammeln und Reinigen der Abgase erfordert.

4 Zur Regenerierung von Altsand ist eine Hochtemperaturröstung erforderlich, was zu einem hohen Energieverbrauch und hohen Betriebskosten führt.

Typische Anwendungen

Teile aus duktilem Gusseisen (QT400-18, QT600-3): Hydraulikventilblöcke, Getriebegehäuse, Fahrgestellhalterungen.

Automobilkomponenten: Motorzylinderköpfe, Einlass- und Auslasskrümmer, Öldichtungssitze.

Kleine und mittlere Stahlgussteile: Ventilkörper, Präzisionsstifte für Baumaschinen.

Dünnwandige Präzisionskomponenten aus Aluminiumlegierung: Wasserpumpengehäuse, Elektromotorgehäuse.