4 Speiser GTP Schäfer Giesstechnische Produkte GmbH Benzstraße 15 41515 Grevenbroich.

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1 4 Speiser GTP Schäfer Giesstechnische Produkte GmbH Benzstraße Grevenbroich

2 4 Speiser Speiser bilden einen offenen oder geschlossenen Raum in der Gießform, der die Aufgabe hat, so viel flüssiges Material zu speichern, dass die währen der Erstarrung stattfindende Volumenveränderung ausgeglichen und somit eine Lunkerbildung verhindert werden kann. Volumenveränderung in Abhängigkeit von der Temperatur

3 4 Speiser Für die Speisetechnik ist nur die Erstarrungsschrumpfung von Bedeutung, da diese Volumenänderung mit Hilfe von Speisern ausgeglichen werden muss. Lunker MAGMA Gießereitechnologie GmbH Kackertstraße Aachen Achsgehäusen aus GJS Fehler in Simulation und Gussteil

4 4 Speiser Die ersten Berechnungen zeigten zunächst den Fehler und seine Ursachen auf: Die Speisungswege in die kritischen Zonen schnürten zu schnell ab. Durch ein geändertes Speiser-Layout konnte der Fehler behoben werden. Modifizierte Speisertechnik eliminiert die Porositäten, erhöht das Ausbringen und vermindert die Gießzeiten Reduzierung des Gießgewichtes um 13 kg und die Formfüllzeit um 2,5 s. Verkleinerung des Speiserhalses um 25 % und Reduzierung der Putzkosten. Um 11 Minuten verminderten Erstarrungszeit und dadurch erhöhter Produktivität. Deutlich verminderte Herstellungskosten

5 4 Speiser Für den Speiser gelten folgende Bedingungen:
der Speiser muß oberhalb des zu speisenden Bereichs angebracht werden, mit dem lunkergefährdeten Bereich des Gussstückes verbunden sein, ist so zu bemessen, dass er zuletzt oder bzw. später als der gefährdete Bereich erstarrt. Das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Speisers muß um rund 20 % größer sein als der des dicht zu speisenden Gussteilabschnitts . Heute wird das "Flüssigmetallreservoir" des Speisers mittels geeigneter Rechenalgorithmen bzw. mit Hilfe von Programmen der Erstarrungssimulation ermittelt.

6 4 Speiser - Speiserarten
Grundsätzlich werden geschlossene und offene Speiser unterschieden. Geschlossene Speiser (Blindspeiser) sind an das Gussstück angeschnitten, ganz vom Formstoff umgeben, befinden sich also direkt in der Form. Offene Speiser sind bis zur Oberseite der Gießform durchgezogen und sind somit der Atmosphäre direkt zugänglich.

7 4 Speiser Es ist wichtig, dass auch geschlossene Speiser Zutritt zur Luftatmosphäre haben, damit sie flüssiges Metall an das erstarrende Gussstück abgeben können. Würde hier eine allseits geschlossene Gusshaut gebildet werden, wird durch fehlenden Luftzutritt das Abfließen der Schmelze zum Gussstück blockiert. So wird durch Ausformen einer spitzen Kerbe oder einstecken eines entsprechenden Kernes  am höchsten Punkt des Speisers einen Sandkanteneffekt („heiße Stelle“) erzeugt. Dadurch wird die vorstehende Kerbkante stark aufgeheizt und sichert damit den Luftzutritt während der Speisung. Diese Blindspeiser werden auch als atmosphärische Speiser oder so genannte  „Williamsspeiser“ bezeichnet. Auf der linken Seite sind gut die vier Kernmarken zu erkennen, über die das Kernpaket in der Form positioniert wird. Es gibt also Kerne mit verschiedenen Aufgaben, auf die nun kurz eingegangen werden soll. (*)

8 4 Speiser - Speisertypen
Grundsätzlich werden neben den in der Handformerei noch üblichen Naturspeisern drei unterschiedliche Speiser in der Gießerei verwendet. Sie bestehen im Wesentlichen aus isolierenden, exotherm-isolierenden und hochexothermen Speiserhilfsstoffen, welche dem Gießer heute in allen möglichen, auf das Gusssortiment abgestimmten Geometrien zur Verfügung stehen.

9 4 Speiser – Exotherme Speiser
Diese Speiser aus exotherm-isolierenden oder exothermen bzw. hochexothermen Material werden in Form zylindrischer und ovaler Hülsen oder geschlossener Speiserkappen mit oder ohne Brechkern angeboten. Sie werden mit unterschiedlichen Methoden je nach Formverfahren in der Gießform eingesetzt Veränderung der Speiserwirkung durch exotherme Umhüllung (Quelle: ASK Chemicals GmbH, Hilden)

10 4 Speiser - Minispeiser Ein aus hochexothermen Material gefertigter Speisereinsatz, dessen Volumen nahe dem der Schwindung des Werkstoffes während der Erstarrung entspricht und somit minimaler Kreislaufmaterial entsteht. Der Minispeiser wurde 1977 in der Giesserei Rexroth in Lohr/Main gemeinsam mit der damaligen Firma Lüngen (heute ASK Chemical Feeding Systems) entwickelt und stellte einen Quantensprung in der Speisungstechnik dar. Das Speisungsvolumen konnte sehr deutlich reduziert werden. Die Firma ASK Chemicals Feeding Systems hat die alleinige Nutzung des Patentes DPB , dessen Inhalt ein Verfahren zur Verminderung des Speiservolumens eines aus exothermer Heizmasse hergestellten Speiser für  Gussstücke beschreibt.  Damit Kerne mit reproduzierbarer Geometrie erzeugt werden können, werden wiederum Werkzeuge benötigt. Diese heißen in der Fachsprache Kernkästen, auf englisch core box. Das Cold-Box Verfahren ist also ein Verfahren, bei dem der Kern in einem kalten Kernkasten hergestellt wird. (*) Vergleich von Natur-, exothermen und Mini-Speisern (ASK Chemicals Feeding Systems)

11 4 Speiser – Mini-Speiser
Die Vorteile der Minispeiser: weniger Flüssigeisenbedarf Reduzierung des Kreislaufmaterials Optimierung der Ausbringung  geringere Aufsatzflächen Reduzierung der Putzkosten  Kompensation des Expansionsdruckes bei der Grafitisierung verbesserte Maßhaltigkeit der Gussstücke Darstellung eines Mini-Speisers im Vergleich zu anderen Speiserformen

12 4 Speiser – Exotherme Gemische
Exotherme Reaktion Bei allen chemischen Reaktionen wird Energie umgesetzt. Eine Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird, bezeichnet man als exotherme Reaktion, d.h. die sogenannte Reaktionsenthalpie ist negativ. In der Regel handelt es sich bei den exothermen Gemischen um Thermitgemische, welche zum Abdecken offener Speiser verwendet werden. Bestandteile: Mg und Al als brennbare Substanzen, Fe2O3, NaNO3, KNO3, SiO2 sauerstoffhaltige und -abgebende Stoffe Schamotte und Perlit als reaktionsverzögernde Füllstoffe. Als Bindemittel dient in der Regel  Wasserglas. Exotherme Speiserabdeckungen werden nach dem Gießen auf die Schmelze im offenen Speiser aufgegeben. Sie erzeugen bei Berührung mit der Schmelze Wärme und verhindern damit ein vorzeitiges Einfrieren des Speisers. Die Wärmeabgabe erfolgt  auf Grund einer aluminothermischen oder ähnlichen Umsetzungsreaktion der Heizmasse beispielsweise nach folgender Gleichung 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe , ΔH= -855 kJ/mol Die erzeugte Wärme dient dabei nicht zur Aufheizung des flüssigen Metalls im Speiser, sondern lediglich zur Kompensation der Wärmeverluste. Der Sand, der hier im Bunker liegt, ist bereits außerhalb der Maschine mit einem Härter und einem Harzbinder vermischt worden. Diese Mischung ist nicht mehr rieselfähig, sondern bereits leicht gebunden wie feuchter Sand. Um jetzt mit diesem Sand einen Kern zu fertigen, wird zunächst der Kernkasten geschlossen. (*)

13 Der Verlauf solcher Reaktionen sagt folgendes aus: Die Ausgangsstoffe haben eine gewissen
Energielevel, dem weitere Energie zugeführt wird und der Level somit ansteigt. Ist der sog. "Energieberg" erreicht, beginnt die Reaktion zu laufen, die dafür benötigte Energie ist die so genannte Aktivierungsenergie. Anschließend wird Energie frei, welche an die Umgebung abgegeben wird. Die Endstoffe haben weniger Energie als die Ausgangsstoffe, da die freiwerdende Energie an die Umgebung abgegeben wurde (Bild 1). Energiediagramm einer exothermen Reaktion

14 Dabei wird in der Regel sehr viel mehr Reaktionsenthalpie freigesetzt, als vorher in Form von
Aktivierungsenergie hineingesteckt wurde. Viele exotherme Reaktionen laufen spontan ab: je niedriger die Aktivierungsenergie, desto eher läuft eine solche Reaktion spontan ab. Die Grundlage der exothermen Reaktion ist das Goldschmidt-Verfahren. Dabei laufen folgende exothermer Reaktion ab, bei denen Temperaturen bis 2400 °C erreicht werden 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O ΔH = kJ/ mol Gefahren Die Ausgangsprodukte sind bei Raumtemperatur stabil, können sich aber entzünden, wenn sie einer genügend großen Aktivierungsenergie ausgesetzt werden. Da brennendes Thermit keinen externen Sauerstoff benötigt, kann die Reaktion nicht gelöscht oder erstickt werden. Sie kann in jeder Umgebung – auch unter Sand oder Wasser – gezündet werden und weiterbrennen. Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zur Dissoziation von Wasser und erzeugen Knallgas: H2O → H2 + ½ O2 Die Anwesenheit von Wasser stellt eine große Gefahr bei der Thermitreaktion dar und führt zum explosionsartigen Ausschleudern glutflüssiger Stoffe sowie zu explodierenden Gaswolken.

15 Einguss- trichter Speiser Bauteil
Grundlagen der Gusskörperbildung Die drei Phasen der Volumenkontraktion Einguss- trichter Speiser Bauteil Der Formhohlraum wird mit Schmelze gefüllt. (vereinfachte Darstellung für das Gießen durch den Speiser) Diese Folie zeigt eine Sandform im Schnitt. Oben ist der Eingusstrichter zu erkennen, durch den die Schmelze in den Formhohlraum gelangt ist. Das große Rechteck im unteren Teil der Form stellt das eigentliche Bauteil dar. Die Sandform wird zunächst z. B. aus der Gießpfanne gefüllt. Nach dem Füllvorgang beginnt die Schmelze zu erkalten. (*)

16 Einguss- trichter Speiser Bauteil
13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Phase 1: Flüssigkeitsschwindung Einguss- trichter Speiser Bauteil Die Schmelze beginnt zu erstarren. Hier ist die Schmelze bereits etwas abgekühlt, aber noch flüssig. Wie bei den meisten Stoffen hat sich damit das mit Schmelze gefüllte Volumen verringert. Hier wird bereits der Sinn des Speisers ersichtlich: Die Volumenverringerung durch Abkühlung soll keine Fehlstelle im Bauteil verursachen. Der Speiser ist ein zusätzlich angebrachtes Schmelzereservoir, aus dem während der Abkühlung Schmelze in das Gussteil nachfließen kann, man sagt das Gussteil wird gespeist. (*)

17 Einguss- trichter Speiser Bauteil
13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Phase 2: Erstarrungsschwindung Einguss- trichter Speiser Bauteil Durch die Wärmeabfuhr durch die Formwand erstarrt die Schmelze von außen nach innen. Die innere Bereich ist der heißeste Bereich und damit derjenige, der als letzter erstarrt. Nachdem sich eine so genannte Randschale gebildet hat, kann die Schmelze allerdings nicht mehr so einfach nachfließen wie zu Beginn. (*) In der nächsten Phase ist bereits ein Teil des Bauteils erstarrt. Dieses Erstarren ist kein amorphes Erstarren wie bei einer Glasschmelze. Vielmehr bilden sich, von vielen Kristallisationspunkten ausgehend, kleine Kristalle. Beim Übergang von der ungeordneten Schmelze zum geordneten Kristall verringert sich das Volumen der Schmelze je nach Werkstoff erheblich. Stähle z. B. haben eine Flüssigkeitsschwindung im Bereich von 7 %. Es ist gut zu erkennen, dass das Bauteil von außen nach innen erstarrt. Dies ist einleuchtend, da die Schmelze ihre Wärme nach außen an die Umgebung abgibt.

18 Einguss- trichter Speiser Bauteil
13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Phase 2: Erstarrungsschwindung Einguss- trichter Speiser Bauteil Wenn sich die Lunker oben im Gussteil befinden, spricht man von einem Kopflunker. Immer wenn ein Bauteil von außen nach innen erstarrt, entstehen derartige innere Hohlräume. Bei der Gestaltung des Gussteiles ist also zu beachten, dass mögliche Lunker noch oberhalb des eigentlichen Bauteils im Speiser liegen. (*) Durch die weitere Erstarrung bildet sich im obersten Teil der Restschmelze ein Hohlraum. Hohlräume in Gussteilen werden als Lunker bezeichnet. Große Lunker werden als Makrolunker und kleine als Mikrolunker bezeichnet.

19 Einguss- trichter Speiser Bauteil
13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Phase 3: Festkörperschwindung Einguss- trichter Speiser Bauteil Die Schmelze ist zum Gussteil erstarrt und schwindet nun (zu erkennen am Luftspalt zwischen Formwand und Gussteil). Im Speiser hat sich ein Lunker gebildet, der nicht durch die darüber befindliche Schmelze dicht gespeist werden konnte. Das Gussteil ist lunkerfrei. Nach der vollständigen Erstarrung kühlt das Gussteil weiter ab bis auf Raumtemperatur. Entsprechend dem aus der Physik bekannten Längenausdehnungskoeffizienten verringert sich das Volumen in dieser Phase der Festkörperschwindung noch einmal. Das auf Raumtemperatur abgekühlte Bauteil ist also kleiner als die Form. Dieses so genannte Schwindmaß ist daher beim Erstellen einer Form bereits zu beachten. Die Form wird also um den Betrag der Festkörperschwindung größer gebaut als die Soll-Geometrie. Physikalisch berechnet sich das Schwindmaß ΔL aus: Längenausdehnungskoeffizient α Temperaturdifferenz ΔT zwischen Erstarrungstemperatur und Raumtemperatur und der Bauteillänge L. ΔL= α* ΔT*L Eisenwerkstoffe eignen sich aufgrund der Phasenumwandlungen schlecht als Beispiel, daher hier ein Beispiel für reines Aluminium mit der Erstarrungstemperatur 660°C, α = 23,8* /K ΔT = 640 K L = 1000 mm ΔL = 23,8*10-6 1/K * 640 K*1000 mm = 15,2 mm oder 1,52% Die Maßabweichung durch das Schwindmaß ist also erheblich und muss bei der Formherstellung berücksichtigt werden. Bei Aluminium-Gusslegierungen liegt der Richtwert für das Schwindmaß bei 1,1%. (*)

20 13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Trennen von Bauteil und Kreislaufmaterial
Speiser Bauteil Nach dem Entformen des Gesamtabgusses und einem weiteren Abkühlen auf Raumtemperatur kann das Kreislaufmaterial, d.h., Einguss, Lauf, Anschnitt und Speiser und sonstige Überläufe vom Gussteil getrennt werden. ü In diesem letzten Schritt wird noch einmal verdeutlicht, dass der Speiser vom Bauteil abgetrennt wird. Er hat während der Flüssigkeits- und Erstarrungsschwindung das Volumendefizit ausgeglichen und damit seine Funktion erfüllt. Der Speiser geht als Kreislaufmaterial zurück in den Schmelzbetrieb. Das Gussstück verlässt nun die Gießerei und wird weiter bearbeitet. (*)

21 Phase 1: Flüssigkeitsschwindung
13 Die drei Phasen der Volumenkontraktion Zusammenfassung der Schwindungsphasen Phase 1: Flüssigkeitsschwindung Diese Phase beschreibt das Abkühlen des flüssigen Metalls von der eingestellten Schmelzetemperatur bis zur Liquidustemperatur. Phase 2: Erstarrungsschwindung Diese Phase beschreibt den Beginn der Erstarrung von den Primärbestandteilen der Schmelze ab der Liquidustemperatur und endet bei der Solidustemperatur. Bei AlSi- Legierungen erstarrt zuerst. Phase 3: Festkörperschwindung Unterhalb der Solidustemperatur ist die gesamte Schmelze zu einem Gussteil erstarrt und zieht sich bis zur Raumtemperatur zusammen. Diese Festkörperschwindung muss bei der Herstellung des Modells berücksichtigt werden. ü

22 Dies ist mit den Forderungen einer wirtschaftlichen Produktion nicht vereinbar.
Durch eine Begasung mit Amin kann die Aushärtezeit auf wenige Sekunden verringert werden. Der Kernkasten wird zunächst wieder nach unten gefahren. (*)

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