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Gießerei,

 

Zweig der Metall verarbeitenden Industrie, der mit der Herstellung von Gussstücken aus Eisen, Stahl und Nichteisenmetallen, insbesondere Aluminium, Kupfer, Zink und Magnesium, befasst ist; auch Bezeichnung für ein Werk, das aus Modellbaubetrieb, Schmelzbetrieb (z. B. Kupolofen, Elektroofen, öl- und gasbeheizte Öfen), Sandaufbereitung, Formerei, Kernmacherei und Putzerei besteht. Gussstücke werden für bestimmte Zwecke weiterbehandelt, z. B. durch Wärmebehandlung, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.

 

Durch Gießen schmelzflüssigen Metalls in Sand-, keramischen oder Metallformen, z. B. Kokillen, werden Gussstücke als Konsumgüter und überwiegend für die Herstellung von Investitionsgütern (z. B. Walzenständer, Werkzeugmaschinen, Turbinen, Motorblöcke) von wenigen Gramm bis zu mehreren Hundert Tonnen Stückgewicht (z. B. Walzen und Walzenständer) gefertigt. Je nach Gießverfahren unterscheidet man die Sandgießerei, Kokillengießerei, Druckgießerei, Schleudergießerei, Stranggießerei und Feingießerei, nach Produkten die Armaturengießerei, Pumpengießerei, Walzengießerei, Glockengießerei und Kunstgießerei, nach den Gusswerkstoffgruppen die Eisengießerei, Tempergießerei, Stahlgießerei und Nichteisenmetallgießerei sowie nach Industriezweigen, die Gussprodukte einsetzt, die Automobilgießerei und Werkzeugmaschinengießerei.

 

Gießen von Blöcken, Brammen, Barren und Masseln:

 

Die Herstellung von Erzeugnissen, die einer weiteren Umformung unterzogen werden müssen, z. B. Blöcke und Brammen zum Schmieden und Walzen, aber auch Masseln und Barren als Vormaterial zum Schmelzen, erfolgt in Eisenhütten, den Gießbetrieben der Stahlwerke oder in Metallhütten. Die Gießereien treten dabei als Zulieferer für Stahlwerkskokillen oder Gießwerkzeuge auf. Durch die Entwicklung des vertikalen Stranggießens über wassergekühlte Kokillen unterhalb eines Eingusstiegels ist die Erzeugung von Stahlwerkskokillen jedoch weitgehend überflüssig geworden. Verfahren zur Stahlentgasung im Vakuum führen dazu, dass dünne Bleche bereits direkt gegossen werden, womit der Knetprozess des Walzens zum großen Teil entfällt. Nach diesen Verfahren werden Stahlsorten mit etwa 60 unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen hergestellt, die durch Wärmebehandlung und Rekristallisation zu etwa 2 400 verschiedenen Werkstoffsorten verarbeitet werden.

 

Beim horizontalen Stranggießen befindet sich die Kokille seitlich am Gießofen. Es können Stangen oder Rohre mit rundem und rechteckigem Querschnitt bis zu bandförmigen Strängen ein- und mehrsträngig gegossen werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Nichteisenmetalle, aber auch für Gusseisen, Stahl und Edelstahl.

 

Herstellung von Gussstücken durch Gießen:

 

Gussstücke mit häufig komplizierter Gestalt werden in verlorenen Formen oder Dauerformen hergestellt. Beim Gießen in verlorenen Formen wird die Form nach dem Gießen durch den Auspackvorgang zerstört. Zunächst wird ein Modell des Gussstückes hergestellt, z. B. aus Metall (Stahl, Gusseisen, Aluminium- und Kupferlegierungen u. a.), Holz, Gips oder Kunststoff (z. B. Epoxidharz). Neben den normalen Werkzeugen der Tischlerei kommen für die Modellherstellung Kopierfräsmaschinen und NC-Bearbeitungsmaschinen zum Einsatz. Das Modell bildet die Außenkontur des Gussstückes ab. Die Innenkonturen, Hohlräume und Aussparungen des Gussstückes werden durch Kerne ausgebildet, zu deren Herstellung Kernkästen zu fertigen sind. Formen und Kerne werden von Hand (Handformerei) oder maschinell (Maschinenformerei) aus Formstoffen (Sandformerei) hergestellt.

 

Großguss (mehr als 1 000 kg Stückgewicht) wird in furanharzgebundenen oder noch in zementgebundenen Formen hergestellt. Grundsubstanz ist reiner Quarzsand, der durch Zugabe eines Bindemittels und eines Härters verfestigt wird. Die Handformverfahren werden in der Regel bei der Fertigung geringer Losgrößen (bis 10 Stück/Auftrag) verwendet. Bei Einzelaufträgen und Sonderanfertigungen, für die der Bau eines Holzmodells zu aufwendig ist, wird heute das Vollformgießverfahren angewendet.

 

Beim Serienguss werden Formen und Kerne maschinell erzeugt; als Formstoff dient bentonitgebundener Quarzsand. Mit Wasserglas gemischte Sande werden nach dem Füllen des Formkastens durch Begasen mit Kohlendioxid ausgehärtet. Dieses so genannte CO₂-Verfahren ist jedoch überwiegend auf die Kernherstellung beschränkt.

 

Bei den gebräuchlichsten Sandgießverfahren ist das Modell in einen meist zweiteiligen Kasten in den Formstoff eingebettet, den man durch Pressen, Rütteln oder Stampfen verdichtet (mechanische Formfestigung). Bei chemischer Formverfestigung genügt Schütten und leichtes Andrücken. Bei hoch mechanisierten Formanlagen wird durch Luftimpulse oder Gasexplosion und durch Pressen unter Vakuum verdichtet, nachdem der Formstoff in den Kasten eingeschüttet oder eingeblasen worden ist. Oberkasten und Unterkasten werden getrennt geformt und vom Modell abgehoben.

 

Bei handgeformtem Großguss werden nacheinander Unterkasten und Oberkasten aufgebaut und zusammengesetzt. Nach Abheben des Oberkastens wird das Modell gezogen; dann wird die Form geschlichtet, die Kerne werden eingelegt, die Form wird zusammengebaut, der Gießtümpel aufgebaut und die Form gießfertig gemacht. Zum Abformen sehr großer, komplizierter und schwerer Gussstücke wird die Form in einer Gießgrube aufgebaut, die mit einem flachen Oberkasten abgedeckt wird. Zum Abfangen hoher Auftriebskräfte beim Gießen werden die Kastenteile mit Beschwereisen belegt oder miteinander verklammert. In der Maschinenformerei werden die leeren Kästen auf Rollenbahnen zur Formstation gebracht und dort um die auf Platten montierten Modelle aufgesetzt. Modellwechselstationen erleichtern den Wechsel einer Serie. Der Formstoff wird über Bänder oder pneumatisch von der Sandaufbereitung zugeführt und verdichtet. Oberkasten und Unterkasten werden getrennt geformt, zur Kerneinlegestrecke geführt und nach dem Einlegen der Kerne - zumeist in den Unterkasten - und nach Wenden des Oberkastens zusammengebaut, verklammert oder mit Beschwereisen versehen und auf die Gießstrecke geschoben. Nach dem Gießen und dem Abkühlen der Gussstücke werden Guss und Sand getrennt. Der Guss wird zunächst einem Strahlhaus und dann der Putzerei zugeführt. Dort werden die Gießsysteme abgetrennt und Schleifarbeiten zur Beseitigung von Graten und Oberflächenfehlern durchgeführt. Bestimmte Werkstoffe (z. B. Stahlguss) werden wärmebehandelt (Wärmebehandlung). Der Altsand wird wieder aufbereitet und zur Formstation zurückgeführt; die Formstoffmasse beträgt bis zum Acht- oder Zehnfachen der Masse des guten Gusses. Das abgetrennte Gießsystem gelangt als Kreislaufmaterial zurück in den Schmelzbetrieb; der Anteil an Kreislaufmaterial beträgt je nach Werkstoff, Stückgewicht, Gestalt und Wanddicke der Gussstücke zwischen einem Drittel und dem Dreifachen des guten Gusses. Eine besondere Aufgabe sieht die Gießereiindustrie in dem Bemühen, diese Kreislaufwirtschaft zu einem möglichst abfallarmen Recyclingprozess zu stabilisieren.

 

Maschinenformereien haben einen hohen Mechanisierungsgrad erreicht, teilweise sind die Abläufe vollautomatisiert. Die Formen werden liegend in Formkästen oder auch kastenlos gefertigt, d. h., die Kastenvorrichtung dient nur der Formherstellung. Auch stehend geformte Ballen werden aneinander gereiht zur Gießstrecke geschoben, wobei der Ballen doppelseitig ausgeformt ist (die Vorderseite des Ballens ist gleichzeitig die Rückseite des vorhergehenden Ballens). Ein wichtiges maschinelles Verfahren ist das Maskenformverfahren, nach seinem Erfinder auch Croningverfahren genannt. Als Formstoff dient ein Gemisch aus Quarzsand und Harzen, die als Pulver zugegeben werden oder durch eine besondere Sandaufbereitung unter Wärmezufuhr bereits zu einer Harzumhüllung der Quarzkörner geführt haben. Der Formstoff wird auf das auf 250 ºC erhitzte Metallmodell aufgeschüttet oder auch geschwenkt. Dabei härtet eine schalenartige Schicht aus, deren Dicke von der Verweilzeit des Formstoffs auf dem beheizten Modell abhängt. Es entstehen auf getrennten Formmaschinen zwei Schalenhälften, die nach Einfügen der Kerne zusammengeklebt werden. Die fertigen Maskenformen werden in Schlicker getaucht oder in Behälter mit Stahlkies umgefüllt (z. B. bei der Herstellung von Kurbelwellen, Ventilgehäusen und Panzerkettengliedern mit Stückgewichten bis 50 kg).

 

Eine Besonderheit stellt das Vollformgießverfahren mit binderfreiem Formstoff dar. Hier wird serienmäßig mit verlorenen Modellen (Styropor) gearbeitet, die mit losem Quarzsand umgeben sind. Die Form wird gegebenenfalls durch Rütteln und Unterdruck verdichtet (physikalische Formfestigung). Nach dem Gießen und nach Wiederherstellung des Normaldrucks kann das Gussstück entnommen werden. Beim Vakuumformverfahren wird das Modell mit einer Kunststofffolie abgedeckt und rieselfähiger Quarzsand aufgeschüttet. Nach Abdecken der Kastenfläche mit Folie wird der Kasten an eine Vakuumpumpe angeschlossen, die Sandform physikalisch verfestigt. Die Formanlagen sind oft als Karusselldrehscheiben ausgebildet. Spezielle Formgießverfahren, die sich meist aus Verfahrenselementen anderer Gießverfahren zusammensetzen, werden unter dem Begriff Genaugießverfahren zusammengefasst. Hier werden Dauermodelle verwendet, die ähnlich wie bei Sandguss in keramische Massen eingebettet werden. Man verwendet Äthylsilikat als Binderflüssigkeit, die Masse wird breiig auf das Modell aufgegossen, und nach Ziehen des Modells werden die erstarrten Formblöcke gebrannt. Auch das Gipsformverfahren ist ein Genaugießverfahren.

 

Beim Feingießverfahren wird nicht nur mit verlorenen Formen, sondern auch mit verlorenen Modellen gearbeitet, die vorwiegend aus Wachs bestehen. Die Wachsmodelle werden von einem Urmodell und um ein gemeinsames Gießsystem zu Trauben zusammengeklebt. Die Gießtrauben werden in Spezialformstoffe (Keramikschlicker) getaucht und anschließend in zwei Stufen erhitzt und gebrannt, zum einen zum Entwachsen, zum anderen zum Brennen der Keramikform.

 

Kernherstellung:

 

Zur Kernherstellung überwiegen maschinelle Verfahren bei Anwendung chemischer Verfestigung des Kernformstoffs. Die Kernkästen haben sich zu komplizierten Werkzeugen entwickelt, die mit Einblasdüsen ausgerüstet sind, durch die der Kernsand eingeschossen wird; hierzu sind zahlreiche Kernschießmaschinen mit vollautomatischem Ablauf entwickelt worden.

 

Die wichtigsten Herstellungsverfahren für Sandkerne sind das Cold-Box-Verfahren (mit Urethanbinder), das Hot-Box-Verfahren, das Pepsetverfahren und das Kohlensäureerstarrungsverfahren. Als Bindemittel dienen Kunstharze und Wasserglas (z. B. Natriumsilikate), die durch Anwendung von Katalysatoren (Amine), Wärmezufuhr oder Kohlendioxid aushärten. Kerne für Großgussstücke werden fast ausschließlich aus furanharz-, phenolharz- oder resolharzgebundenem Sand hergestellt. Die Kernkästen werden auf Rollenbahnen zu den einzelnen Stationen (Einlegen des Kerneisens als Armierung, Einfüllen des Sandes über Schneckenförderer, Vibrieren der Kernkästen zum Verdichten, Ausschalen des Kernes, Auftragen von Keramikschlichte) gefördert. Mitunter werden verschiedene Kerne zu einem Gesamtkern montiert.

 

Gießen in Dauerformen:

 

Beim Gießen in Dauerformen lassen sich Tausende bis Hunderttausende Abgüsse mit derselben Formeinrichtung erzielen. Beim Kokillengießverfahren werden Formen (Kokillen) aus Gusseisen oder warmfesten legierten Stählen verwendet. Daneben setzt man auch Kupfer- und Graphitkokillen ein. Die Schmelze wird unter Wirkung der Schwerkraft in die metallische Dauerform gegossen (Schwerkraft-Kokillenguss); unterschieden wird zwischen dem Kippgießverfahren, bei dem die Kokille zur Eingussseite geneigt und die Formfüllung gesteuert wird, und dem Kipptiegelverfahren, bei dem die Kokille mit dem Warmhaltetiegel verbunden ist. Das Niederdruck-Kokillengießverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schmelze durch Druckbeaufschlagung im Gießofen durch ein Steigrohr in die Kokille gefördert wird. Eine Weiterentwicklung ist das Gegendruck-Kokillengießverfahren, bei dem auch die Kokille mit Druckgas beaufschlagt wird. Durch Absenken des Gegendrucks in der Kokille wird das Füllen gesteuert. Unter Kokillenguss versteht man nach dem Kokillengießverfahren hergestellte Gussstücke, überwiegend Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie Messing, aber auch Gusseisen. Die höhere Wärmeleitfähigkeit der Kokille bewirkt eine beschleunigte Abkühlung der erstarrenden Schmelze. Es entsteht ein besonders feinkörniges und dichtes Gefüge mit verbesserten Festigkeitseigenschaften. Maßhaltigkeit, Maßgenauigkeit, Konturenwiedergabe und Oberflächengüte sind besser als bei Sandguss. Beim Kokillengießen werden auch Gießmaschinen eingesetzt; durch Anbau von pneumatischen oder hydraulischen Kernzügen und Schieberbetätigungen wird ein hoher Mechanisierungsgrad erreicht. Beim Gusseisen-Kokillengießverfahren kann die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit der Kokille zur Ausbildung eines zementitischen Gefüges (Weißerstarrung) führen. Gusseisen-Kokillenguss hat deshalb einen hohen Kohlenstoff- und Siliciumgehalt. Der Druck des ausscheidenden Graphits, der bei Sandguss häufig zum Treiben der Form führt, fördert in der starren Kokille Gefügedichtheit.

 

Beim Druckgießverfahren ist die Druckgießform das formgebende Element, eine metallische Dauerform meist aus hochfesten Warmarbeitsstählen mit hohen Standzeiten. Die Lebensdauer der Druckgießform ist außer vom Druckgusswerkstoff von der Größe und Wanddicke, von den Ansprüchen an die Maßgenauigkeit und an die Oberflächengüte des Druckgussstücks sowie von der Losgröße abhängig. In günstigen Fällen können aus einer Druckgießform z. B. 80 000 bis 200 000 Aluminiumlegierungen oder 5 000 bis 50 000 Kupferlegierungen gegossen werden. Zur Minimierung der Gasporosität ist eine Zwangsentlüftung zu empfehlen. Der Gießvorgang erfordert Druckgießmaschinen, die aus der Formschließeinheit (fest stehende Eingussseite mit Anschluss an die Gießgarnitur) und der verfahrbaren Auswerferseite bestehen sowie der Gießeinheit, die zum Fördern des flüssigen Metalls in die Druckgießform dient. Letztere enthält die Gießgarnitur, bestehend aus Gießkammer und Gießkolben. Je nach Bauart der Gießgarnitur unterscheidet man zwischen Warmkammer- und Kaltkammer-Druckgießmaschinen. Die Warmkammer-Gießeinheit befindet sich ständig im flüssigen Metall des Gießofens; bei der Kaltkammer-Gießeinheit wird das flüssige Metall für jeden Schuss bei zurückgefahrenem Gießkolben in die Gießkammer gefüllt. Druckgießmaschinen benötigen hohe Zuhaltekräfte bis etwa 50 MN. Sie werden mit Gießdrücken von 100 bis 2 000 bar betrieben. Die Einströmgeschwindigkeiten des flüssigen Metalls erreichen mehrere 100 m/s. Ein Sonderverfahren zum Druckgießen faserverstärkter Aluminiumlegierungen (z. B. mit SiC) ist das Squeeze-Casting. Das Al-Fin-Verfahren bezeichnet ein Sonderverfahren zur Herstellung von Verbundguss, bei dem Gusseisen- und Stahlteile mit Aluminium überzogen werden, um bei Einlegeteilen für Leichtmetall-Kokillenguss und -Druckguss eine Legierungsbildung zu erleichtern.

 

Die Sandgießerei alter Prägung wird vom Produktionsablauf als einstufige Fertigung beschrieben. Es entsteht ein einteiliges Fertigprodukt - das Gussstück mit unterschiedlichen Gestaltmerkmalen. Die zahlreichen autonomen, hochmechanisierten und teils vollautomatisierten Fertigungseinheiten erzeugen Modelle, Werkzeuge, Kernkästen, Formen, Kerne und montierte Kernblöcke, die das Organisationsmodell der mehrstufigen Fertigung begründen. Dabei kommt der Verkettung der Produktionseinheiten und der Logistik im Betrieb wachsende Bedeutung zu. Auch die zielgerichtete, metallurgisch abgestimmte Bereitstellung des flüssigen Metalls sowie dessen Vor- und Nachbehandlung, hier besonders die Impftechnik, erfordern hohe Qualitätssicherung und Prozesssicherheit.

 

Durch die rechentechnischen Werkzeuge der Erstarrungssimulation, d. h. durch die Beobachtung des Erstarrungsverlaufes bei Gussstücken z. B. mithilfe der Finite-Elemente-Methode durch Computer sowie den Einsatz von Computern zur Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung, wachsen die Arbeitsvorbereitungen in die Rolle hochleistungsfähiger Rechenzentren. Rechnerprogramme zur Optimierung der Chargenzusammensetzung, der Gießtechnik, der Qualitätssicherung, Methoden der künstlichen Intelligenz wie die multiple Einflussgrößenrechnung sowie Expertensysteme sind ebenso im Einsatz wie Verfahren der unscharfen Relation.

 

In der Kunst spricht man von Bildguss.

 

Literatur:

 

I. Bindernagel: Formstoffe u. Formverfahren in der G.-Technik, hg. vom Verein Dt. Gießereifachleute (1983);

 

5000 Jahre Gießen von Metallen, hg. v. H. Wübbenhorst (1984);

 

G.-Lex. (¹⁷1997).