Das Gießen des Ventilkörpers ist ein wichtiger Bestandteil des Ventilherstellungsprozesses, und die Qualität des Ventilgusses bestimmt die Qualität des Ventils. Im Folgenden werden einige in der Ventilindustrie gängige Gießverfahren vorgestellt:
Sandguss:
Die in der Ventilindustrie üblicherweise verwendeten Sandgussverfahren lassen sich nach der Verwendung unterschiedlicher Bindemittel in Grünsand, Trockensand, Wasserglassand und selbsthärtenden Furanharzsand unterteilen.
(1) Grünsand ist ein Formgebungsverfahren, bei dem Bentonit als Bindemittel verwendet wird.
Seine Merkmale sind:Die fertige Sandform muss weder getrocknet noch gehärtet werden. Sie weist eine gewisse Nassfestigkeit auf, und sowohl der Sandkern als auch die Formwand bieten eine gute Ausbeute, was das Reinigen und Entformen der Gussteile erleichtert. Die Produktionseffizienz ist hoch, der Produktionszyklus kurz, die Materialkosten niedrig, und die Form eignet sich gut für die Serienfertigung.
Zu den Nachteilen zählen:Gussteile neigen zu Fehlern wie Poren, Sandeinschlüssen und Sandanhaftungen, und die Qualität der Gussteile, insbesondere die intrinsische Qualität, ist nicht optimal.
Zusammensetzungs- und Leistungstabelle von Grünsand für Stahlguss:
(2) Trockensand ist ein Formverfahren, bei dem Ton als Bindemittel dient. Die Zugabe von etwas Bentonit kann die Nassfestigkeit verbessern.
Seine Merkmale sind:Die Sandform muss getrocknet sein, eine gute Luftdurchlässigkeit aufweisen, nicht anfällig für Mängel wie Sandauswaschung, Sandanhaftung und Poren sein, und die inhärente Qualität des Gussteils muss gut sein.
Zu den Nachteilen zählen:Es erfordert Sandtrocknungsanlagen und der Produktionszyklus ist lang.
(3) Wasserglassand ist ein Modellierverfahren, bei dem Wasserglas als Bindemittel dient. Es zeichnet sich dadurch aus, dass Wasserglas bei Kontakt mit CO₂ automatisch aushärtet und somit verschiedene Vorteile des Gashärtungsverfahrens für die Modellierung und Kernherstellung bietet. Allerdings weist es auch Nachteile auf, wie beispielsweise eine geringe Formstabilität, Schwierigkeiten bei der Sandentfernung aus den Gussteilen und eine niedrige Regenerations- und Recyclingrate des Altsandes.
Zusammensetzungs- und Leistungstabelle von CO2-Härtungssand für Wasserglas:
(4) Das selbsthärtende Formsandverfahren mit Furanharz ist ein Gießverfahren, bei dem Furanharz als Bindemittel dient. Der Formsand härtet durch die chemische Reaktion des Bindemittels unter Einwirkung des Härters bei Raumtemperatur aus. Charakteristisch ist, dass die Sandform nicht getrocknet werden muss, was den Produktionszyklus verkürzt und Energie spart. Der Harzformsand lässt sich leicht verdichten und weist gute Zerfallseigenschaften auf. Die Gussteile sind leicht zu reinigen. Sie zeichnen sich durch hohe Maßgenauigkeit und gute Oberflächengüte aus, was die Gussqualität deutlich verbessert. Zu den Nachteilen zählen hohe Anforderungen an die Qualität des Rohsandes, ein leichter, stechender Geruch am Produktionsort und hohe Harzkosten.
Zusammensetzung und Mischverfahren der Furanharz-No-Bake-Sandmischung:
Mischverfahren für selbsthärtenden Furanharzsand: Für die Herstellung von selbsthärtendem Harzsand empfiehlt sich ein kontinuierlicher Sandmischer. Rohsand, Harz, Härter usw. werden nacheinander zugegeben und schnell vermischt. Der Sand kann jederzeit angemischt und verwendet werden.
Die Reihenfolge der Zugabe der verschiedenen Rohstoffe beim Mischen des Harzsandes ist wie folgt:
Rohsand + Härter (wässrige p-Toluolsulfonsäure-Lösung) – (120–180 S) – Harz + Silan – (60–90 S) – Sandherstellung
(5) Typischer Produktionsprozess für Sandguss:
Präzisionsguss:
In den letzten Jahren haben Ventilhersteller der Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit ihrer Gussteile immer mehr Bedeutung beigemessen. Da ein ansprechendes Aussehen eine Grundvoraussetzung des Marktes ist, dient es auch als Orientierungshilfe für den ersten Bearbeitungsschritt.
Das in der Ventilindustrie am häufigsten verwendete Präzisionsgussverfahren ist das Feingussverfahren, das im Folgenden kurz vorgestellt wird:
(1) Zwei Verfahren des Lösungsgießens:
①Unter Verwendung eines niedrigtemperierten, wachsbasierten Formmaterials (Stearinsäure + Paraffin), Niederdruck-Wachsinjektion, Wasserglasschale, Heißwasserentwachsung, atmosphärischem Schmelz- und Gießverfahren, hauptsächlich verwendet für Kohlenstoffstahl- und niedriglegierte Stahlgussteile mit allgemeinen Qualitätsanforderungen, kann die Maßgenauigkeit der Gussteile den nationalen Standard CT7~9 erreichen.
② Durch die Verwendung von mitteltemperaturfestem, harzbasiertem Formmaterial, Hochdruck-Wachsinjektion, Kieselsol-Formschale, Dampfentwachsung und schnellem atmosphärischem oder Vakuumschmelzgussverfahren kann die Maßgenauigkeit der Gussteile CT4-6 Präzisionsgussteile erreichen.
(2) Typischer Prozessablauf beim Feinguss:
(3) Merkmale des Feingusses:
① Das Gussteil weist eine hohe Maßgenauigkeit, eine glatte Oberfläche und eine gute optische Qualität auf.
② Es ist möglich, Teile mit komplexen Strukturen und Formen zu gießen, die mit anderen Verfahren schwer zu bearbeiten sind.
③ Die Gusswerkstoffe sind nicht beschränkt, es können verschiedene Legierungswerkstoffe verwendet werden, wie zum Beispiel: Kohlenstoffstahl, Edelstahl, legierter Stahl, Aluminiumlegierungen, Hochtemperaturlegierungen und Edelmetalle, insbesondere Legierungswerkstoffe, die schwer zu schmieden, zu schweißen und zu schneiden sind.
④ Gute Produktionsflexibilität und hohe Anpassungsfähigkeit. Es kann in großen Mengen produziert werden und eignet sich auch für die Einzelstück- oder Kleinserienfertigung.
⑤ Feinguss weist auch gewisse Einschränkungen auf, wie beispielsweise einen aufwendigen Prozessablauf und einen langen Produktionszyklus. Aufgrund der begrenzten Gießtechniken, die eingesetzt werden können, ist die Drucktragfähigkeit bei der Herstellung von drucktragenden Dünnwandventilen nicht sehr hoch.
Analyse von Gussfehlern
Jedes Gussteil weist innere Defekte auf. Diese Defekte bergen erhebliche Risiken für die innere Qualität des Gussteils, und die Schweißreparatur zur Beseitigung dieser Defekte im Produktionsprozess stellt eine erhebliche Belastung dar. Insbesondere Ventile sind dünnwandige Gussteile, die Druck und hohen Temperaturen standhalten müssen, weshalb die Kompaktheit ihrer inneren Struktur von entscheidender Bedeutung ist. Daher sind innere Defekte von Gussteilen der entscheidende Faktor für die Qualität der Gussteile.
Zu den inneren Defekten von Ventilgussteilen zählen hauptsächlich Poren, Schlackeneinschlüsse, Schwindungsporosität und Risse.
(1) Poren:Die Poren entstehen durch Gas, ihre Oberfläche ist glatt, sie entstehen im Inneren oder nahe der Oberfläche des Gussteils und ihre Form ist meist rund oder länglich.
Die wichtigsten Gasquellen, die Poren erzeugen, sind:
① Der im Metall gelöste Stickstoff und Wasserstoff bleiben während der Erstarrung des Gussstücks im Metall erhalten und bilden geschlossene kreisförmige oder ovale Innenwände mit metallischem Glanz.
②Feuchtigkeit oder flüchtige Stoffe im Formmaterial verdampfen durch Erhitzung und bilden Poren mit dunkelbraunen Innenwänden.
③ Beim Gießvorgang des Metalls wird aufgrund der instabilen Strömung Luft mit einbezogen, wodurch Poren entstehen.
Vorbeugende Maßnahmen gegen Stomatadefekte:
① Beim Schmelzen sollten rostige Metallrohstoffe möglichst wenig oder gar nicht verwendet werden, und Werkzeuge und Gießpfannen sollten gebrannt und getrocknet werden.
② Das Gießen des flüssigen Stahls sollte bei hoher Temperatur erfolgen, das Gießen bei niedriger Temperatur sollte erfolgen, und der flüssige Stahl sollte ausreichend betäubt werden, um das Aufsteigen von Gas zu erleichtern.
③ Bei der Prozessgestaltung des Gießrohrs sollte der Druck des flüssigen Stahls erhöht werden, um Gaseinschlüsse zu vermeiden, und es sollte ein künstlicher Gasweg für eine angemessene Abgasabführung eingerichtet werden.
④ Bei den Formmaterialien sollte der Wassergehalt und das Gasvolumen kontrolliert und die Luftdurchlässigkeit erhöht werden. Die Sandform und der Sandkern sollten so gut wie möglich gebacken und getrocknet werden.
(2) Schrumpfungshohlraum (locker):Es handelt sich um einen zusammenhängenden oder inkohärenten kreisförmigen oder unregelmäßigen Hohlraum (Hohlraum) im Inneren des Gussteils (insbesondere an der Hotspot-Stelle) mit rauer Innenfläche und dunklerer Farbe. Grobe Kristallkörner, meist in Form von Dendriten, sammeln sich an einer oder mehreren Stellen und neigen bei hydraulischen Prüfungen zum Auslaufen.
Grund für die Schrumpfungshohlräume (Lockerheit):Volumenschrumpfung tritt auf, wenn Metall vom flüssigen in den festen Zustand erstarrt. Wird dabei nicht genügend flüssiger Stahl nachgeliefert, entstehen zwangsläufig Lunker. Lunker in Stahlgussteilen werden im Wesentlichen durch eine unzureichende Steuerung des Erstarrungsprozesses verursacht. Zu den Ursachen zählen falsche Steigereinstellungen, eine zu hohe Gießtemperatur des flüssigen Stahls und eine starke Schrumpfung des Metalls.
Methoden zur Vermeidung von Schrumpfungshohlräumen (Lockerheit):① Das Gießsystem für Gussteile ist wissenschaftlich so zu gestalten, dass eine sequentielle Erstarrung des flüssigen Stahls erreicht wird. Die zuerst erstarrten Bereiche sind mit flüssigem Stahl nachzufüllen. ② Steiger, Hilfsschläuche sowie innere und äußere Kaltvergusskörper sind korrekt und sinnvoll zu positionieren, um eine sequentielle Erstarrung zu gewährleisten. ③ Beim Gießen des flüssigen Stahls ist die Zufuhr von oben aus dem Steiger vorteilhaft, um die Temperatur des flüssigen Stahls und die Speisung zu gewährleisten und die Bildung von Lunker zu reduzieren. ④ Hinsichtlich der Gießgeschwindigkeit ist eine langsame Gießgeschwindigkeit förderlicher für die sequentielle Erstarrung als eine hohe. ⑸ Die Gießtemperatur sollte nicht zu hoch sein. Der flüssige Stahl wird bei hoher Temperatur aus dem Ofen entnommen und erst nach dem Abkühlen gegossen, um Lunker zu minimieren.
(3) Sandeinschlüsse (Schlacke):Sandeinschlüsse (Schlacke), umgangssprachlich auch als Blasen bezeichnet, sind unregelmäßige, kreisförmige oder unregelmäßige Löcher im Inneren von Gussteilen. Diese Löcher bestehen aus Formsand oder Stahlschlacke unterschiedlicher Größe und bestehen aus mehreren, oft verdichteten Partikeln. Sie treten an einer oder mehreren Stellen auf, häufig vermehrt im oberen Bereich.
Ursachen für Sandeinschlüsse (Schlacke):Schlackeneinschlüsse entstehen, wenn während des Schmelz- oder Gießprozesses Stahlschlacke zusammen mit dem flüssigen Stahl in das Gussteil gelangt. Sandeinschlüsse hingegen entstehen durch unzureichende Dichtheit der Formkavität beim Gießen. Beim Eingießen des flüssigen Stahls wird der Formsand vom flüssigen Stahl weggespült und gelangt in das Innere des Gussteils. Auch unsachgemäße Bedienung beim Entformen und Schließen der Form sowie das Herausfallen von Sand können zu Sandeinschlüssen führen.
Methoden zur Vermeidung von Sandeinschlüssen (Schlacke):① Beim Schmelzen des Stahls müssen Abgase und Schlacke so vollständig wie möglich abgeführt werden. ② Vermeiden Sie es, den Gießbeutel für den flüssigen Stahl umzudrehen. Verwenden Sie stattdessen einen Teekannenbeutel oder einen Gießbeutel mit Bodenschutz, um zu verhindern, dass die Schlacke über dem flüssigen Stahl zusammen mit diesem in den Formhohlraum gelangt. ③ Achten Sie beim Gießen des flüssigen Stahls darauf, dass keine Schlacke mit dem flüssigen Stahl in den Formhohlraum gelangt. ④ Um Sandeinschlüsse zu minimieren, stellen Sie beim Modellieren sicher, dass die Sandform dicht ist, vermeiden Sie Sandverluste beim Abdrehen und blasen Sie den Formhohlraum vor dem Schließen des Kastens gründlich aus.
(4) Risse:Bei den meisten Rissen in Gussteilen handelt es sich um Heißrisse mit unregelmäßigen Formen, die durchdringend oder nicht durchdringend, kontinuierlich oder intermittierend sein können, und das Metall an den Rissen ist dunkel oder weist Oberflächenoxidation auf.
Ursachen für Risse, nämlich Hochtemperaturspannungen und Flüssigkeitsfilmverformung.
Hochtemperaturspannungen entstehen durch die Schrumpfung und Verformung von flüssigem Stahl bei hohen Temperaturen. Überschreitet die Spannung die Festigkeits- oder Verformungsgrenze des Metalls bei dieser Temperatur, treten Risse auf. Flüssigkeitsfilmverformung bezeichnet die Bildung eines Flüssigkeitsfilms zwischen den Kristallkörnern während der Erstarrung und Kristallisation von flüssigem Stahl. Mit fortschreitender Erstarrung und Kristallisation verformt sich der Flüssigkeitsfilm. Überschreiten Verformungsgrad und -geschwindigkeit einen bestimmten Grenzwert, entstehen Risse. Der Temperaturbereich für thermische Risse liegt bei etwa 1200–1450 °C.
Faktoren, die die Rissbildung beeinflussen:
① Die Elemente S und P im Stahl sind schädliche Faktoren für Risse, und ihre Eutektika mit Eisen verringern die Festigkeit und Plastizität von Gussstahl bei hohen Temperaturen, was zu Rissen führt.
② Schlackeneinschlüsse und -segregationen im Stahl erhöhen die Spannungskonzentration und damit die Neigung zu Heißrissen.
③ Je größer der lineare Schwindungskoeffizient der Stahlsorte ist, desto größer ist die Neigung zur Heißrissbildung.
④ Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Stahls ist, desto größer ist die Oberflächenspannung, desto besser sind die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und desto geringer ist die Neigung zu Heißrissen.
⑤ Die Konstruktion der Gussteile ist hinsichtlich der Herstellbarkeit schlecht, z. B. sind die abgerundeten Ecken zu klein, es gibt große Unterschiede in der Wandstärke und es kommt zu starken Spannungskonzentrationen, die zu Rissen führen.
⑥Die Verdichtung der Sandform ist zu hoch, und die geringe Ausbeute des Kerns behindert die Schrumpfung des Gussteils und erhöht die Neigung zu Rissen.
⑦Weitere Faktoren, wie z. B. eine unsachgemäße Anordnung des Steigrohrs, eine zu schnelle Abkühlung des Gussteils, übermäßige Spannungen, die durch das Abschneiden des Steigrohrs und die Wärmebehandlung usw. entstehen, beeinflussen ebenfalls die Entstehung von Rissen.
Anhand der Ursachen und Einflussfaktoren der oben genannten Risse können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um das Auftreten von Rissdefekten zu reduzieren und zu vermeiden.
Auf der Grundlage der obigen Analyse der Ursachen von Gussfehlern, der Ermittlung der bestehenden Probleme und der Ergreifung entsprechender Verbesserungsmaßnahmen können wir eine Lösung für Gussfehler finden, die der Verbesserung der Gussqualität förderlich ist.
Veröffentlichungsdatum: 31. August 2023