Feinguss - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth

PRAKTIKUM G3 bzw. MW2
1 Einleitung
Feingießen
Das Feingießen ist das älteste Gießverfahren überhaupt. Archäologische Funde belegen, dass
dieses Verfahren bereits in der Bronzezeit, also etwa 2000 v.Chr., angewendet wurde. Damals
wurden Wachsmodelle aus Bienenwachs geformt und mit Lehm ummantelt. Nach dem
Trocknen des Lehms wurde das Wachs ausgeschmolzen, die Form gebrannt und schließlich
das flüssige Metall hineingegossen.
Das Prinzip ist bis heute gleich geblieben. Allerdings werden heute andere Materialien für die
Formen verwendet, die bessere Oberflächen und höhere Temperaturen ermöglichen.
In diesem Praktikumsversuch soll das Urformverfahren Feingießen am Beispiel einer
Aluminiumlegierung kennengelernt werden. Die Durchführung umfasst den gesamten Prozess
von der Herstellung des Wachsmodells bis zum fertigen Gussteil.
Nach dem Gießen sollen die Teile im Hinblick auf Gießfehler charakterisiert werden.
2 Grundlagen
Definition „Gießen“:
Gießen gehört zu den Urformverfahren. Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus
einem formlosen Stoff durch Schaffen eines Zusammenhalts. Gießen ist das Urformen aus
dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand.
2.1 Einteilung der Gießverfahren
Abbildung 1 zeigt, wie die Gießverfahren nach der Art der Formen und Modelle unterteilt
werden. Das entscheidende Kriterium ist hierbei, ob die Formen bzw. Modelle mehrfach
verwendet werden können oder bei der Benutzung zerstört werden.
Abbildung 1: Einteilung der Gießverfahren
Ernst Fleischmann, 2010

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2.2 Der Feinguss
2.2.1 Merkmale des Feingießens
Im Folgenden werden die Hauptmerkmale des Feingusses beschrieben, die ihn gegenüber
anderen Gießverfahren auszeichnen.
Hohe Maßgenauigkeit
Die Verwendung von ungeteilten keramischen Formen ermöglichen sehr enge
Maßtoleranzen und eine gute Maßhaltigkeit. Hierbei ist jedoch bei der Herstellung der
Modelle und Formen die Schrumpfung der einzelnen Materialien zu beachten.
Hohe Oberflächengüte
Beim Feinguss kann eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit erreicht werden. Daher kann
dieses Verfahren bezüglich der Rauhtiefe zwischen Mechanischer Bearbeitung und
Sandguss eingeteilt werden. Die Oberfläche des Urmodells wird über das Wachsmodell
und die Formschale bis hin zum Gussteil perfekt abgebildet. Daher ist besonders auf eine
genaue Fertigung der Modelle zu achten.
Hohe Gestaltungsfreiheit
Durch die Verwendung verlorener Modelle und ungeteilter verlorener Formen ermöglicht
das Feingussverfahren eine außerordentliche Gestaltungsfreiheit. Durch feingussgerechtes
Konstruieren sind Lösungen zu erreichen, die mit anderen Verfahren entweder gar nicht
oder nicht wirtschaftlich realisierbar sind. Ein Beispiel hierfür sind Turbinenschaufeln für
Flug- oder auch stationäre Gasturbinen, die sehr komplex aufgebaut sind mit gekrümmten
Flächen und Hohlräumen für die Kühlung der Schaufeln.
Geringer Bearbeitungsaufwand
Die bisher genannten Vorteile führen zu einer beträchtlichen Verringerung der
Nachbearbeitung feingegossener Teile gegenüber anderen Gießverfahren. Häufig können
diese Teile sogar ohne weitere mechanische Nachbearbeitung eingesetzt werden.
Dies macht den Feinguss besonders für schwer zerspanbare Werkstoffe attraktiv.
Freie Werkstoffwahl
Das Formschalensystem kann durch Wahl geeigneter keramischer Materialien, die sich
vor allem im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit, chemischer Beständigkeit und Kosten
unterscheiden, sehr gut an den jeweiligen Werkstoff angepasst werden, der vergossen
werden soll. Somit ist die Verarbeitung niedrigschmelzender Werkstoffe wie Aluminium
bis hin zu sehr hochschmelzenden Legierungen wie Stählen oder Superlegierungen auf
Ni- und Co-Basis möglich.
Wirtschaftlichkeit
Die genannten Merkmale in Kombination mit einem hohen Automatisierungsgrad in der
Fertigung machen den Feinguss zu einem sehr wirtschaftlichen Verfahren.

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2.2.2 Der Feingussprozess
Abbildung 2 zeigt schematisch die Prozessschritte beim Feinguss.
Diese sind im Einzelnen:
a) Herstellen des Wachsmodells mittels Spritzguss und Verbinden zu einer Gießtraube
b) Herstellen der Form durch mehrmaliges Eintauchen in Schlicker und Besanden
c) Ausschmelzen des Wachses
d) Brennen der Form
e) Gießen
f) Entformen
g) Trennen und Nachbearbeiten der Gussteile
h) Qualitätsprüfung
a) b) c) d)
e) f) g) h)
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Fertigungsschritte beim Feinguss
2.2.3 Verwendete Materialien
Modellwachs
Im Feinguss werden vorwiegend speziell entwickelte Wachse auf Paraffinbasis mit Zusätzen
von Harzen und Füllstoffen eingesetzt. Grundsätzlich müssen diese folgende Anforderungen
erfüllen:
rückstandsfreie Verbrennung
ausreichende Festigkeit und Zähigkeit
möglichst geringe thermische Ausdehnung
exakte Abbildung der Form
gleichbleibende Qualität hinsichtlich Schwindungsverhalten
geringe Neigung zu Einfallstellen beim Erstarren
niedrige Viskosität beim Ausschmelzen

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Formschale
An die keramische Formschale werden hohe thermische und mechanische Anforderungen
gestellt. Bei der Verarbeitung hochschmelzender Legierungen wie Stahl oder Co- und Ni-
Basis-Legierungen sind Abgusstemperaturen bis über 1600°C möglich. Hierbei muss nicht
nur die mechanische Stabilität der Form gewährleistet sein, sondern auch eine sehr gute
Temperaturwechselbeständigkeit, da beim Abguss große Temperaturunterschiede zwischen
Form und Schmelze vorhanden sein können. Weiterhin darf die Formschale nicht mit der
Metallschmelze reagieren.
Um diesen hohen Anforderungen zu genügen, ist die Form aus verschiedenen Schichten
aufgebaut. Man unterscheidet zwischen der ersten Schicht, die auf das Wachsmodell
aufgebracht wird (Primärschicht) und den Stützschichten (Back-up-Schichten).
Die Primärschicht muss folgende Anforderungen erfüllen:
chemische Stabilität gegenüber der Schmelze
genaue Abbildung des Modells
hohe Oberflächengüte
Primärschlicker muss das Wachsmodell gut benetzen.
Die Back-up-Schichten sorgen für die thermische und mechanische Stabilität der Formschale
und bestimmen wesentlich die Maßgenauigkeit des Gussteils.
In diesem Praktikumsversuch wird eine Primärschicht auf Zirkonbasis mit Cobaltaluminat zur
Kornfeinung verwendet. Die Stützschichten sind auf Mullit-Basis, einem Mineral aus
Aluminium- und Siliziumoxid.
Gusslegierungen
Mit dem Feinguss kann eine sehr große Werkstoffpalette verarbeitet werden. Je nach
Formschalenmaterial und möglicher Temperatur der Anlage können Stähle, Legierungen auf
Nickel- und Cobalt-Basis, Kupferlegierungen, Aluminium- oder Titanlegierungen gegossen
werden.
Ein bedeutendes Beispiel für Legierungen, die überwiegend im Vakuumfeinguss verarbeitet
werden, sind die Nickelbasissuperlegierungen, die in stationären Gasturbinen oder
Flugturbinen eingesetzt werden. Mit Hilfe des Feingusses werden aus diesen Werkstoffen
hochkomplexe Turbinenschaufeln mit innen liegenden Kühlkanälen gegosssen.
2.2.4 Schwindung
Beim Feinguss kommt es in einigen der Prozessschritte zu einer Schwindung des jeweiligen
Teiles. Zunächst schrumpft das Wachs beim Abkühlen nach der Erstarrung und ist somit
kleiner als die Form, in die es gegossen/gespritzt wurde. Die keramische Formschale bildet
das Wachsmodell zwar perfekt ab, schwindet aber später beim Brennen, da der Werkstoff
sintert. Dadurch ist der Hohlraum der Form wieder kleiner als das Wachsmodell. Schließlich
zieht sich das Metall, das in die Formschale gegossen wird, beim Abkühlen von Erstarrungstemperatur
auf Raumtemperatur zusammen.

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Dies hat zur Folge, dass das gegossene Teil kleiner ist als das Urmodell. Daher muss die
Schwindung jedes verwendeten Materials im jeweiligen Prozessschritt bekannt sein, damit
das Urmodell mit einem entsprechenden Übermaß ausgelegt werden kann. Weiterhin muss
der gesamte Prozess immer gleich durchgeführt werden, da es sonst z.B. beim Brennen der
Form bei einer anderen Temperatur oder längerer Haltezeit zu einer stärkeren Schwindung
kommen kann.
2.3 Gussfehler
Lunker
Die meisten Metalle weisen eine sprunghafte Volumenverringerung während des Erstarrens
auf. Für Aluminium beträgt diese Verringerung 6%, für Eisen und Kupfer 4%. Indem die
Kristalle von der Wand der Kokille nach innen wachsen und dabei ihr Volumen verringern,
sinkt der Flüssigkeitsspiegel der Restschmelze stetig ab. So entsteht im Kopf des Blocks ein
Schwindungshohlraum, der Blocklunker.
Gasblasen
Bei der Erstarrung nimmt das Lösungsvermögen eines Metalls für Gase sprunghaft ab. Dies
kann zur Bildung von Gasbläschen an der fest-flüssigen Grenze führen. Ein Teil der
Gasbläschen kann zwischen den wachsenden Kristallen festgehalten werden.
Seigerungen
Bei schneller Abkühlung von Legierungen können die naturgemäß entstehenden
Konzentrationsunterschiede in den einzelnen Erstarrungsbereichen nicht mehr durch
Diffusion ausgeglichen werden. Es entstehen damit Zonen unterschiedlicher
Zusammensetzung im Werkstoff. Solche Schwankungen werden auf Kornmaßstab Mikround
auf Werkstückmaßstab Makroseigerungen (Blockseigerungen) genannt.
Einschlüsse
Beim Gießen kann Schlacke aus dem Ofen mitgerissen werden (Schlackeeinschlüsse) oder
abgelöstes Formenmaterial in das Metall eingebracht werden. Unter Einwirkung von
Sauerstoff während des Gießprozesses kann es außerdem zur Bildung von Oxidhäuten
kommen, die dann im Werkstück eingegossen werden.
Risse
Unter anderem aufgrund konstruktiver Fehler können Spannungsrisse im Werkstück
auftreten.
Maßabweichungen
Wenn beim Feinguss die Schwindung des Wachses, der keramischen Formschale und des
Gussteiles nicht beachtet wird, kommt es zu Maßabweichungen. Die Schwindung muss also
bei der Auslegung der Modelle unbedingt mit einberechnet werden.

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3 Theoretischer Hintergrund der Erstarrung
Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand erfolgt nach dem Abkühlen unter den
Schmelzpunkt. Dieser Erstarrungsvorgang hat wesentlichen Einfluss auf Struktur und
Eigenschaften des Festkörpers. Insbesondere werden durch seinen Ablauf die Form und
Größe der Kristallite bestimmt. Vom Gussgefüge und den gestellten Anforderungen ist
abhängig, ob das erstarrte Material bereits in gebrauchsfähigem Zustand vorliegt bzw. in
welcher Weise seine weitere mechanische und thermische Behandlung erfolgen muss.
Während der Erstarrung geht die Anordnung der Atome aus einer Nahordnung in eine
Fernordnung über, d.h. aus einer Flüssigkeit bildet sich ein kristalliner Festkörper.
Dieser Zustand ist thermodynamisch stabiler, weil die freie Enthalpie G geringer ist. Dies ist
in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3: Die freie Enthalpie G als Funktion der Temperatur für die flüssige (L) und die
feste (S) Phase bei konstantem Druck. Der Schnittpunkt markiert die
Schmelztemperatur T m (p 0 ).
Die Erstarrung erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt findet die Keimbildung statt. Sie
endet mit der Herausbildung wachstumsfähiger stabiler Partikel (Keime). Die zweite Stufe
umfasst die Phase des Wachstums. Während des Wachstums lagern sich kontinuierlich
weitere Atome an die vorhandenen Keime und schon entstandenen Kristallite an, bis die
Schmelze vollständig aufgebraucht ist und ein polykristalliner Körper vorliegt.
3.1 Keimbildung
Man könnte annehmen, dass der Übergang aus der flüssigen in die feste Phase bereits dann
erfolgt, wenn die Abkühlung den Schmelz- oder Erstarrungspunkt des Materials erreicht hat.
Die Erklärung hierfür wäre die geringere freie Volumenenergie des Festkörpers im Vergleich
zur Flüssigkeit. Die frei werdende Energiedifferenz beträgt ΔG v und wächst mit dem Volumen
des Festkörpers an.
Gleichzeitig entsteht jedoch mit der festen Phase auch eine Grenzfläche zur umgebenden
Flüssigkeit. Diese Grenzfläche ist mit einer freien Oberflächenenergie verbunden, die
ebenfalls mit der Größe des Festkörpers anwächst.

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Die Gesamtänderung der Energie (Abbildung 4) ergibt sich somit aus der Bilanz der
freigesetzten Volumenenergie und der verbrauchten Oberflächenenergie:
Hierbei bedeuten das Volumen des kugelförmigen Keimlings mit dem Radius r,
seine Oberfläche, die freie Oberflächenenergie und ΔG v die freie Volumenenergie, die mit
negativem Vorzeichen in diese Bilanz eingeht.
Solange der Festkörper noch sehr klein ist (im Radius kleiner als r* in Abbildung 4), nimmt
seine freie Gesamtenergie beim Wachstum zu. Infolgedessen unterliegt er der Tendenz, sich
wieder aufzulösen und Energie abzugeben. Er befindet sich in dem noch instabilen Stadium
des Vorkeims. Die Schmelze ist unterkühlt. Die Differenz von Gleichgewichtsschmelztemperatur
T m und vorliegender Temperatur T ist die Unterkühlung ΔT.
Erst nach Überschreiten von r* nimmt die Gesamtenergie mit wachsendem Radius ab. Aus
dem Vorkeim hat sich ein stabiler Keim gebildet. Die Keimbildungsphase ist abgeschlossen
und es beginnt die Wachstumsphase.
Abbildung 4: Energiebilanz bei Bildung eines Keimes mit dem Radius r
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Keimbildung: Die homogene und die
heterogene Keimbildung.
Unter homogener Keimbildung versteht man die Keimbildung in der reinen Schmelze ohne
Beteiligung von Fremdkörperoberflächen. Sie setzt eine ausreichend große Unterkühlung
voraus.
Die homogene Keimbildung spielt jedoch kaum eine Rolle. Praktisch findet die Keimbildung
an Verunreinigungen oder Behälterwänden statt, deren Oberflächen hierfür günstige
energetische Bedingungen bieten (siehe Abbildung 5). Der Krümmungsradius des Keimlings
ist jetzt größer als der kritische Keimbildungsradius bei gleichzeitig verringerter Grenzfläche
zwischen Keim und Flüssigkeit. Die Keimbildung erfordert weniger Atome und die
notwendige Unterkühlung ist geringer. Diese auf Fremdoberflächen stattfindende
Keimbildung wird als heterogene Keimbildung bezeichnet.

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Abbildung 5: heterogene Keimbildung an Fremdpartikeln (links) und Fremdphasen (rechts)
3.2 Kristallwachstum
Nachdem die Keimbildung abgeschlossen ist, wächst der Festkörper durch Anlagerung von
Atomen aus der Schmelze weiter an. Der Wachstumsvorgang hängt vom Abtransport der
freigesetzten Wärme ab. Diese besteht aus zwei Anteilen: der spezifischen Wärme der
Schmelze und der latenten Erstarrungswärme. Die Wärmeabfuhr aus der Schmelze erfolgt
durch Strahlung an die umgebende Atmosphäre oder durch Leitung über die Gefäßwand nach
außen.
Planares Wachstum
Wenn sich eine gut geimpfte Schmelze unter Gleichgewichtsbedingungen abkühlt, liegt ihre
Temperatur oberhalb und die des Festkörpers bei oder unterhalb der Erstarrungstemperatur
(Abbildung 6 a). Die freigesetzte Erstarrungswärme wird von der Festkörper-Flüssigkeits-
Grenze durch den Festkörper an die Umgebung abgeleitet. Jede Oberflächenerhebung, die
sich beim Wachstum an der Grenzfläche herausbildet, ist von Schmelze umgeben, die sich auf
einer Temperatur oberhalb des Erstarrungspunktes befindet. Infolgedessen wird das
Wachstum der Erhebung verlangsamt, bis die angrenzende Wachstumsfront des Festkörpers
wieder aufschließt. Die Festkörper-Flüssigkeits-Grenze verschiebt sich gleichmäßig in die
Schmelze hinein (planares Wachstum).
Dendritisches Wachstum
Bei schwacher Keimbildung unterkühlt sich die Schmelze, bevor die Erstarrung einsetzt
(Abbildung 6 b). Unter diesen Bedingungen werden kleine Erhebungen, auch als Dendriten
bezeichnet, im Wachstum begünstigt. Die freigesetzte Erstarrungswärme wird in die
unterkühlte Flüssigkeit abgeführt und bewirkt dort einen Temperaturanstieg. Sekundäre und
tertiäre Dendriten, die sich von dem ursprünglichen Auswuchs abzweigen, sorgen für
weiteren Wärmenachschub. Das dendritische Wachstum hält solange an, bis sich die
unterkühlte Schmelze auf die Erstarrungstemperatur erwärmt hat.

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Abbildung 6: Temperaturverlauf an der Grenzfläche fest/flüssig bei (a) planarem und (b)
dendritischem Wachstum
4 Fragen zur Vorbereitung
Neben dem Inhalt dieses Skriptes sind noch weitere Fragen vorzubereiten:
Welche Verfahren zur Qualitätsprüfung der Gussteile gibt es?
Welche Aluminiumlegierungen werden typischerweise als Gusswerkstoffe eingesetzt. Wo
liegt deren Schmelzpunkt?
Nennen sie Beispiele für Anwendungen des Feingießens.
Wie ändert sich das Volumen oder die Dichte von Metallen bei der Abkühlung (Schmelze,
Erstarrung, Festkörper)?
5 Aufgabenstellung
Im Versuch soll der gesamte Prozess vom Urmodell bis zum fertigen Bauteil kennengelernt
werden. Nach jedem Verfahrensschritt sollen die Teile an geeigneten Stellen vermessen
werden und daraus die Schwindung bestimmt werden.
Außerdem sollen die gegossenen Teile mittels Sichtprüfung auf oberflächliche Gießfehler
untersucht werden.
Hinweise zum Protokoll
Das Protokoll soll folgende wesentliche Punkte enthalten:
Kurze Einleitung zum Praktikumsversuch und Zielstellung
Beschreibung der Prozessschritte, wie sie im Rahmen des Praktikums kennengelernt
wurden
Ergebnis- und Diskussionsteil zum Schwindungsverhalten der Modelle und Formen sowie
zu den beobachteten Gießfehlern