Sechs wichtige Casting-Methoden: Umfassender Vergleich & Einblicke

Einführung

Casting, als eines der frühesten vom Menschen beherrschten Metall-Warmbearbeitungsverfahren, verfügt über eine Geschichte von ca 6,000 Jahre.

Zwischendurch erlebte China die Blütezeit des Bronzegusses 1700 BC und 1000 Chr, wobei die Gusskunst ein ziemlich fortgeschrittenes Niveau erreicht.

Als Kernprozess in der modernen Fertigung, Das Gießen ermöglicht die Bildung komplex geformter Metallkomponenten, die durch Schmieden oder maschinelle Bearbeitung nur schwer herzustellen sind, und es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, Automobil, Maschinen, und Präzisionsinstrumentenindustrie.

Die Auswahl der Gussverfahren bestimmt direkt die Gussqualität, Produktionseffizienz, und Herstellungskosten.

1. Grüner Sandguss (Konventioneller Sandguss)

Kerndefinition & Prozessprinzip

Grün Sandguss ist die traditionellste und am weitesten verbreitete Gussmethode weltweit.

Sein Hauptrohstoff ist Gießereisand (überwiegend Quarzsand; Spezialsande wie Zirkonsand und Korundsand werden eingesetzt, wenn Quarzsand den Hochtemperaturanforderungen nicht genügt) und Sandbindemittel (Ton ist am häufigsten; trockenes Öl, wasserlösliches Silikat, Phosphat, und Kunstharze sind Alternativen).

Die äußeren Sandformen werden anhand der Bindemittel und festigkeitsbildenden Mechanismen in drei Typen eingeteilt: Sandform aus grünem Ton, Trockene Tonsandform, und chemisch gebundene Sandform.

In die Sandform wird geschmolzenes Metall gegossen, das zu Gussstücken erstarrt, und die Form ist nach einmaligem Ausgießen beschädigt und kann nicht wiederverwendet werden.

Vorteile

• Kostengünstige Rohstoffe: Ton ist ressourcenreich und preisgünstig; über 90% des gebrauchten grünen Tonsandes können nach der Sandaufbereitung recycelt und wiederverwendet werden, Reduzierung der Materialverschwendung.
• Hohe Prozessflexibilität: Kurzer Formenbauzyklus und hohe Effizienz; mixed molding sand has a long service life; it is adaptable to small, groß, einfach, and complex castings, as well as single-piece, Kleinserie, and mass production scenarios.
• Low equipment threshold: Does not require high-end specialized equipment, suitable for small and medium-sized foundries.

Nachteile & Einschränkungen

• Low production efficiency: Each sand mold can only be used once and must be remolded for subsequent castings, leading to low continuous production efficiency.
• Poor dimensional accuracy: The rigidity of sand molds is low, resulting in casting dimensional tolerance grades of CT10–CT13, which cannot meet high-precision requirements.
• High defect risk: Castings are prone to typical defects such as sand washing, sand inclusion, Gasporosität, and shrinkage porosity due to the loose structure of sand molds.
• Inferior surface quality: The casting surface is relatively rough, erfordert eine zusätzliche Bearbeitung, um das Finish zu verbessern.

2. Feinguss (Wachsausschmelzverfahren)

Kerndefinition & Prozessprinzip

Feinguss, allgemein bekannt als Wachsausschmelzguss, zeichnet sich durch einen ausgefeilten Prozessablauf aus:

Wachsmodelle aus schmelzbaren Materialien herstellen, Tragen Sie mehrere Schichten feuerfester Materialien auf die Modelloberfläche auf, um eine Keramikschale zu bilden, Das Wachsmodell schmelzen und entfernen, um eine Form ohne Trennflächen zu erhalten, und führen Sie vor dem Eingießen des geschmolzenen Metalls eine Hochtemperaturröstung durch.

Es ist auf eine Vielzahl von Legierungen anwendbar, einschließlich Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, hitzebeständige Legierung, Edelstahl, Kupferlegierung, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, und duktiles Eisen, insbesondere für Materialien, die durch Schmieden oder Schneiden schwer zu bearbeiten sind.

Vorteile

• Ausgezeichnete dimensionale Genauigkeit: Gusstoleranz Die Noten erreichen CT4–CT6, viel höher als bei Grünsandguss (CT10 - CT13) und vergleichbar mit Druckguss (CT5–CT7), Minimierung der Bearbeitung nach dem Guss.
• Hohe Materialausnutzung: Reduziert das Bearbeitungsvolumen von Form- und Passflächen erheblich, Einsparung von Bearbeitungszeit und Schneidwerkzeugverbrauch, mit übersteigender Materialausnutzungsrate 90%.
• Starke Formanpassungsfähigkeit: Kann äußerst komplexe Bauteile gießen, dünnwandige Teile (Mindestwandstärke 0,5 mm), und Mikrogussteile (Mindestgewicht 1g);
  Es unterstützt auch das integrierte Gießen zusammengebauter Teile, Vereinfachung nachfolgender Montageprozesse.
• Breite Legierungskompatibilität: Für nahezu alle Metallwerkstoffe geeignet, einschließlich Hochtemperaturlegierungen, Magnesiumlegierungen, Titanlegierungen, und Edelmetalle, die mit anderen Methoden schwer zu verarbeiten sind.
• Flexibler Produktionsmaßstab: Passt sich der Massenproduktion an, Kleinserienfertigung, und sogar Einzelstückanpassung, mit starker Skalierbarkeit.

Nachteile & Einschränkungen

• Komplexer Prozessablauf: Es verfügt über den aufwendigsten Prozess unter allen Gussverfahren, einschließlich der Herstellung von Wachsmodellen, Schalenbeschichtung, Entwachung, Braten, und gießen, erfordern eine strenge Prozesskontrolle.
• Begrenzte Gussgröße: Nicht für große Gussteile geeignet; Das maximale Gewicht herkömmlicher Feingussteile liegt im Allgemeinen bei 50 kg, da große Schalen beim Braten und Gießen leicht platzen.
• Langsame Abkühlgeschwindigkeit: Die Keramikschale hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, Dies führt zu einer langsamen Erstarrung des geschmolzenen Metalls, Dies kann bei einigen Legierungen zu groben Kornstrukturen führen.
• Hohe Herstellungskosten: Die Kosten für Wachsmodelle, feuerfeste Materialien, und die Prozesskontrolle ist relativ hoch; Es ist nur dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn es mit einer geringeren Bearbeitungs- und Materialeinsparung kombiniert wird.

3. Druckguss

Kerndefinition & Prozessprinzip

Druckguss ist ein Hochdruckgussverfahren, bei dem geschmolzenes Metall mit hoher Geschwindigkeit in einen Präzisionsformhohlraum aus Metall eingespritzt wird (10–50m/s) unter hohem Druck (20–150 MPa), und Verfestigen des Metalls unter Druck, um Gussteile zu bilden.

Es gibt zwei grundlegende Prozesse: Warmkammer-Druckguss (geschmolzenes Metall fließt automatisch in die Druckkammer) und Kaltkammer-Druckguss (geschmolzenes Metall wird manuell oder automatisch in die Druckkammer gegossen).

Die Form besteht aus hochfestem Gesenkstahl, Gewährleistung einer wiederholten Verwendung.

Vorteile

• Überlegene Produktqualität: Die Maßhaltigkeit des Gussstücks erreicht die Note 6–7 (sogar Note 4 für Präzisionsprodukte) mit Oberflächenrauheit Ra 5–8μm;
  Durch die Druckverfestigung sind Festigkeit und Härte um 25–30 % höher als bei Grünsandguss, obwohl die Dehnung um etwa abnimmt 70%.
• Ultrahohe Produktionseffizienz: Eine horizontale Kaltkammer-Druckgussmaschine kann 600–700 Zyklen pro Stück absolvieren 8 Std.,
  während eine kleine Warmkammer-Druckgussmaschine 3.000–7.000 Zyklen erreichen kann, übertrifft andere Gussmethoden bei weitem.
• Lange Lebensdauer der Form: Formen für den Druckguss von Zinklegierungen können Hunderttausende oder sogar Millionen Male halten, Reduzierung der langfristigen Produktionskosten.
• Einfache Automatisierung: Der Prozess ist gut kompatibel mit Mechanisierung und Automatisierung, Reduzierung der Arbeitskosten und Verbesserung der Produktionsstabilität.
• Hervorragende wirtschaftliche Vorteile: Gussteile erfordern nur minimale oder keine Bearbeitung, Verbesserung der Metallausnutzung und Reduzierung der Investitionen in Verarbeitungsausrüstung;
  Der kombinierte Druckguss von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen spart Montagezeit und Rohstoffe.

Nachteile & Einschränkungen

• Hohes Fehlerrisiko durch Gasporosität: Das Befüllen mit hoher Geschwindigkeit führt zu einem instabilen Fluss der Metallschmelze,
  Es fängt leicht Gas ein und bildet eine innere Porosität, Dadurch können Gussteile keiner Wärmebehandlung unterzogen werden (Durch die Wärmebehandlung kommt es zur Gasausdehnung und Rissbildung).
• Schlechte Anpassungsfähigkeit an komplexe innere konkave Teile: Es ist schwierig, innere konkave komplexe Strukturen zu entformen, Einschränkung der Gestaltung von Gussformen.
• Kurze Formlebensdauer für Legierungen mit hohem Schmelzpunkt: Für hochschmelzende Legierungen wie Kupferlegierungen und Eisenmetalle, Die Form ist anfällig für thermische Ermüdung und Verschleiß, die Lebensdauer erheblich verkürzen.
• Nicht für die Kleinserienfertigung geeignet: Die Herstellungskosten der Form sind hoch, und die hohe Effizienz von Druckgussmaschinen macht eine Kleinserienfertigung wirtschaftlich unrentabel.

4. Kokillenguss (Hartformguss)

Kerndefinition & Prozessprinzip

Kokillenguss, auch Hartformguss genannt, Dabei wird geschmolzenes Metall in eine Metallform gegossen, um Gussteile zu formen.

Die Form besteht aus Gusseisen oder Stahlguss und kann hunderte bis tausende Male wiederverwendet werden, daher der Name „Dauerform“.

Für den inneren Hohlraum von Gussteilen können Metallkerne oder Sandkerne verwendet werden, und die Formstrukturen sind in horizontale Teilungen unterteilt, vertikaler Scheitel, und Verbundtrennung zur Anpassung an verschiedene Gussformen:

Die vertikale Teilung erleichtert das Angießen und Entformen, Die horizontale Trennung ist für dünnwandige radförmige Teile vorgesehen, und Verbundtrennung ist für komplexe Komponenten gedacht.

Vorteile

• Hervorragende Wiederverwendbarkeit der Form: „Eine Form für mehrere Gussteile“ macht den wiederholten Formenbau überflüssig, Formmaterial und Zeit sparen, und Verbesserung der Produktionseffizienz.
• Hohe Wurfleistung: Die Metallform hat eine starke Kühlkapazität, Dies führt zu einer dichten Gussstruktur und besseren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Sandgussteilen.
• Gute Maßhaltigkeit und Oberflächengüte: Die Gusstoleranzgrade reichen von IT12 bis IT14, Oberflächenrauheit Ra ≤6,3μm, Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwands.
• Verbesserte Arbeitsbedingungen: Es verbraucht wenig oder gar keinen Sand, Vermeidung von Staubverschmutzung und Optimierung der Arbeitsumgebung für die Arbeitnehmer.

Nachteile & Einschränkungen

• Hohe Formkosten und langer Herstellungszyklus: Die Metallform erfordert hochfeste Materialien und eine präzise Verarbeitung,
  mit hohen Vorabinvestitionen und langer Vorlaufzeit, ungeeignet für Einzelstück- und Kleinserienfertigung.
• Begrenzte anwendbare Legierungen und Gussgrößen: Hauptsächlich geeignet für die Massenproduktion von Gussteilen aus Nichteisenlegierungen (Aluminiumkolben, Zylinderblöcke, Zylinderköpfe, Buchsen aus Kupferlegierung, usw.) für Automobile, Flugzeug, und Verbrennungsmotoren;
  für Gussteile aus Eisenlegierungen, Es ist nur auf kleine und mittelgroße Teile mit einfachen Formen anwendbar.
• Strenge Prozessanforderungen: Die Form muss vorgeheizt und temperaturgesteuert werden, um Kaltverschlüsse und Formrisse zu vermeiden; Nach längerem Gebrauch neigt es zu thermischer Ermüdung, Auswirkungen auf die Gussqualität haben.

5. Niederdruckguss

Kerndefinition & Prozessprinzip

Niederdruckguss ist ein Gießverfahren, bei dem die Form gefüllt und geschmolzenes Metall unter niedrigem Druck erstarrt (0.02-0,06 MPa).

Der Kernprozess umfasst: Gießen von geschmolzenem Metall in einen isolierten Tiegel, Verschließen des Tiegels, Verbinden des Steigrohrs mit der Form, Einleiten trockener Druckluft in den Tiegel, um geschmolzenes Metall durch das Steigrohr nach oben zu treiben und den Formhohlraum zu füllen,
Verfestigung des Metalls unter konstantem Druck, Lassen Sie den Druck ab, damit das restliche geschmolzene Metall in den Tiegel zurückfließen kann, und schließlich die Form öffnen, um den Guss herauszunehmen.

Vorteile

• Flexible Prozesssteuerung: Die Steiggeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls und der Erstarrungsdruck sind einstellbar, geeignet für verschiedene Formen (Metallformen, Sandformen) und Legierungen, sowie Gussteile unterschiedlicher Größe.
• Stabile Füllung und niedrige Fehlerrate: Die Füllung von unten nach oben sorgt für einen gleichmäßigen Fluss der Metallschmelze ohne Spritzer, Vermeidung von Gaseinschlüssen und Erosion von Formwänden und -kernen;
  Gussfehler wie Gasporosität und Schlackeneinschlüsse werden deutlich reduziert, mit Qualifikationsrate vorbei 95%.
• Hochwertige Gussteile: Die Druckerstarrung realisiert eine gerichtete Erstarrung von außen nach innen, was zu einer dichten Gussstruktur führt,
  klare konturen, glatte Oberflächen, und hervorragende mechanische Eigenschaften, Besonders geeignet für große dünnwandige Teile.
• Hohe Materialausnutzung: Es ist kein Speisesteigrohr erforderlich, mit einer Materialausnutzungsrate von 90–98 %, Reduzierung von Metallabfällen.
• Freundliches Arbeitsumfeld: Geringe Arbeitsintensität, einfache Ausstattung, und einfache Realisierung der Mechanisierung und Automatisierung, entsprechend moderner Produktionsanforderungen.

Nachteile & Einschränkungen

• Kurze Lebensdauer des Steigrohrs: Das Steigrohr steht über lange Zeit in direktem Kontakt mit der Hochtemperatur-Metallschmelze, anfällig für Oxidation und Verschleiß, regelmäßigen Austausch erfordern.
• Gefahr der Verschmutzung durch geschmolzenes Metall: Während der Hitzekonservierung, Geschmolzenes Metall oxidiert leicht und vermischt sich mit Schlacke, erfordern eine strenge Kontrolle der Wärmeschutzumgebung und der Reinigung des geschmolzenen Metalls.
• Begrenzter Anwendungsbereich: Wird hauptsächlich zum Gießen hochwertiger Gussteile aus Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen verwendet, wie zum Beispiel Zylinderblöcke, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, und Aluminiumkolben für Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsmotoren; Aufgrund der hohen Temperaturanforderungen wird es selten für Eisenlegierungen verwendet.

6. Zentrifugales Casting

Kerndefinition & Prozessprinzip

Beim Schleuderguss wird geschmolzenes Metall in eine rotierende Form gegossen, Dabei füllt das Metall die Form und verfestigt sich unter der Zentrifugalkraft.

Entsprechend der Ausrichtung der Drehachse der Form, es ist in drei Typen unterteilt: horizontaler Schleuderguss (Achse horizontal oder <4° zur Horizontalen, Geeignet für lange zylindrische Teile),

Vertikaler Schleuderguss (Achse vertikal, geeignet für kurze zylindrische oder ringförmige Teile), und Schleuderguss mit geneigter Achse (Aufgrund der komplexen Bedienung selten verwendet).

Die Zentrifugalkraft treibt die gerichtete Bewegung der Metallschmelze an, Optimierung der Gussstruktur.

Vorteile

• Vereinfachter Formaufbau: Für hohle rotierende Teile, kein Kern, Gating -System, oder Steigleitung benötigt wird, Vereinfachung des Formdesigns und Reduzierung der Herstellungskosten.
• Hochwertige Gussteile: Die Zentrifugalkraft scheidet Gase und Schlacken geringer Dichte an der Innenoberfläche ab,
  und fördert die gerichtete Erstarrung von außen nach innen, was zu einer dichten Gussstruktur führt, wenige Mängel, und hervorragende mechanische Eigenschaften.
• Kostenersparnis bei Bimetallteilen: Einfach zu gießende Bimetallkomponenten wie Buchsen und Lager (z.B., Stahlhülsen mit dünner Kupferauskleidung), Einsparung teurer Nichteisenmetalle bei gleichzeitiger Gewährleistung der Leistung.
• Starkes Füllvermögen: Die Zentrifugalkraft verbessert die Fließfähigkeit geschmolzenen Metalls, Geeignet zum Gießen dünnwandiger Teile und Legierungen mit schlechter Fließfähigkeit.
• Reduzierter Materialabfall: Eliminiert Angusssysteme und Steigleitungen, weitere Verbesserung der Materialausnutzung.

Nachteile & Einschränkungen

• Schlechte Qualität der Innenoberfläche: Die innere freie Oberfläche von Gussstücken ist rau, mit großen Maßfehlern und schlechter Gleichmäßigkeit, eine anschließende Bearbeitung erforderlich, um die Maßanforderungen zu erfüllen.
• Für bestimmte Legierungen ungeeignet: Gilt nicht für Legierungen mit starker Dichteseigerung (z.B., Bleibronze), da die Zentrifugalkraft die Segregation verschärft;
  Aufgrund der geringen Dichte und der schlechten Zentrifugaltrennwirkung auch nicht für Aluminium- und Magnesiumlegierungen geeignet.
• Begrenzte Gussformen: Nur für rotierende symmetrische Teile geeignet (Zylinder, Ringe, Ärmel); kann keine komplex geformten Teile mit unregelmäßigen Konturen gießen.
• Hohe Anforderungen an die Ausrüstung: Erfordert spezielle Schleudergussmaschinen mit stabiler Drehzahlregelung, steigende Ausrüstungsinvestitionen.

7. Vergleichstabelle gängiger Gießverfahren

8. Abschluss

Jede Gussmethode bietet einzigartige Vorteile und Einschränkungen, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen.

Sandguss ist nach wie vor das vielseitigste und wirtschaftlichste Verfahren für große Unternehmen, Komplexe Gussteile, während Feinguss außergewöhnliche Präzision für hochwertige Komponenten bietet.

Druckguss zeichnet sich durch die Massenproduktion dünnwandiger Teile aus, und Kokillenguss liefert gleichbleibende Qualität für die Produktion von Nichteisenmetallen mittlerer Stückzahl.

Niederdruckguss ist ideal für hochintegrierte Aluminium- und Magnesiumkomponenten, und Schleuderguss ist für hohle symmetrische Teile unübertroffen.

Die Auswahl einer geeigneten Gussmethode hängt unter anderem von der Teilegeometrie ab, erforderliche Maßhaltigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Materialtyp, Produktionsvolumen, und Kostenüberlegungen.

Die moderne Fertigung kombiniert diese Techniken zunehmend, um ihre komplementären Vorteile zu nutzen, Wir treiben Innovationen in der Produktion komplexer Komponenten in der gesamten Luft- und Raumfahrt voran, Automobil, und Industriesektoren.