Gießereisand ist sauberer, gleichmäßig großer Quarzsand, der zur Herstellung von Formen und Kernen für den Metallguss verwendet wird. Die Sandkörner sind mit Bindemitteln wie Bentonit oder chemischen Harzen beschichtet, die die Form der Gussform beim Eingießen des flüssigen Metalls stabilisieren.
Der Begriff „Gießereisand“ bezeichnet speziell den Sand, der in Gießereien verwendet wird, also Anlagen zum Schmelzen und Gießen von Metall. Dieser Sand unterscheidet sich von Strandsand oder Bausand durch seine gleichmäßige Korngröße, seinen hohen Siliziumdioxidgehalt (typischerweise 95 % oder höher) und seine sorgfältig kontrollierten Eigenschaften.
Sandguss Das funktioniert, weil der Sand extremen Temperaturen standhält, ohne zu schmelzen oder sich zu zersetzen. Wenn flüssiges Eisen mit einer Temperatur von 2,800 °C in eine Sandform gegossen wird, bleibt der Sand stabil, während das Metall abkühlt und erstarrt.
Gießereien nutzen Sandguss zur Herstellung von allem Möglichen, von Motorblöcken bis hin zu Kanaldeckeln. Fast alle Gussmetalle lassen sich mit Sandformen verarbeiten, darunter Eisen, Stahl, Aluminium, Messing und Bronze.
Das Verfahren ist kostengünstig, da der Sand mehrfach wiederverwendet werden kann. Nach dem Abkühlen des Gussstücks wird die Sandform entfernt, das Gussstück gereinigt und der Sand für die nächste Verwendung aufbereitet.
Die Zusammensetzung von Gießereisand variiert je nach Gießverfahren, jedoch basiert er stets auf hochreinem Quarzsand. Der Quarzsandgehalt muss über 95 % liegen, um der thermischen Belastung durch flüssiges Metall standzuhalten. Die meisten Gießereisande enthalten zwischen 97.2 % und 98.7 % Quarz.
Hier ist ein Vergleich der Zusammensetzung der drei Haupttypen:
| Sandart | Kieselsäuregehalt | Bindemitteltyp | Bindemittelanteil | Zusatzstoffe |
|---|---|---|---|---|
| Grüner Sand | 85-95 % | Bentonit-Ton | 4-10 % | 2-10% kohlenstoffhaltige Materialien (Meereskohle) |
| Chemisch gebundener Sand | 93-99 % | Chemische Harze | 1-3 % | Epoxidharz, Natriumsilikat, Furylalkohol, Phenolurethane |
| Harzbeschichteter Sand | 93-99 % | Duroplast | 1-3 % | Phenol- oder Furanharzbeschichtung |
Ob Gießereisand qualitativ hochwertige Gussteile ergibt, hängt von verschiedenen physikalischen Eigenschaften ab. Diese Eigenschaften beeinflussen, wie formstabil die Form ist, wie Gase beim Gießen entweichen und wie glatt die Gussoberfläche ist.
Körnung bestimmt die Oberflächenfinish Feinere Sandkörner erzeugen glattere Oberflächen, verringern aber die Durchlässigkeit, während gröbere Körner einen besseren Gasaustritt ermöglichen, aber rauere Oberflächen hinterlassen.
Durchlässigkeit Die Permeabilität misst, wie leicht Gase den Sand durchdringen können. Die American Foundry Society empfiehlt für die meisten Anwendungen einen Permeabilitätsbereich von 90 bis 105. Ist die Permeabilität zu gering, führen eingeschlossene Gase zu Defekten wie Lunkern und Porosität.
Kornform Die Zusammensetzung beeinflusst sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Verdichtung des Sandes. Die optimale Mischung besteht aus etwa 60 % kugelförmigen und 40 % kantigen Körnern. Kugelförmige Körner verbessern die Durchlässigkeit und den Gasdurchfluss, während kantige Körner die mechanische Verzahnung und die Formfestigkeit erhöhen.
Partikelgröße Die Korngrößenverteilung in Gießereisandabfällen ist typischerweise sehr fein. Untersuchungen zeigen, dass 85–90 % der WFS-Partikel kleiner als 100 Mikrometer sind, was etwa der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.
Temperaturbeständigkeit Die Beständigkeit des Gießereisandes gegenüber geschmolzenem Metall ist entscheidend, da er ohne Zersetzung auskommen muss. Quarzsand bleibt bis zu einer Temperatur von etwa 1650 °C (3,000 °F) stabil, was den Schmelzpunkten gängiger Gussmetalle entspricht.
In der Metallgießereiindustrie dominieren drei Hauptarten von Gießereisand. Jede Art verwendet unterschiedliche Bindemittelsysteme und dient je nach erforderlicher Präzision, Produktionsmenge und dem zu gießenden Metall spezifischen Anwendungen.
Grünsand ermöglicht die Herstellung von mehr Gussteilen pro Tonne als alle anderen Sandarten zusammen. Der Name leitet sich vom ungehärteten Zustand des Sandes ab, der auch beim Eingießen von flüssigem Metall in die Form „grün“ oder feucht bleibt.
Die typische Zusammensetzung besteht aus 85–95 % Quarzsand, 4–10 % Bentonit als Bindemittel und 2–10 % kohlenstoffhaltigen Zusätzen zur Verbesserung der Oberflächengüte des Gussteils. Zur Aktivierung des Tonbindemittels wird Wasser (2–7 % Feuchtigkeitsgehalt) hinzugefügt.
Grünsand bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Produktionsgeschwindigkeit und Kosten. Er kann direkt nach dem Aussieben wiederverwertet werden, ohne dass eine chemische Aushärtung abgewartet werden muss, und die benötigte Ausrüstung ist im Vergleich zu anderen Verfahren relativ einfach.
Automobilgießereien und allgemeine Eisengießereien setzen hauptsächlich auf Grünsand. Dieser eignet sich gut für mittlere bis große Produktionsmengen, bei denen eine gewisse Oberflächenrauheit akzeptabel ist.
Die größte Einschränkung liegt in der Maßgenauigkeit. Grünsandformen sind weniger steif als chemisch gebundene Formen, was bei komplexen Gussteilen zu geringfügigen Maßabweichungen führen kann.
Chemisch gebundener Sand besteht zu 93–99 % aus Quarzsand und zu 1–3 % aus einem chemischen Bindemittel. Gängige Bindemittel sind Epoxidharze, Natriumsilikate, Furylalkohol und Phenolurethane.
Beim Mischen von Sand und Bindemittel wird die Aushärtungsreaktion durch einen Katalysator ausgelöst. Die Aushärtung führt ohne Feuchtigkeitszufuhr zu starken chemischen Bindungen zwischen den Sandkörnern und erzeugt so formstabile, steife Formen mit ausgezeichneter Dimensionsstabilität.
Gießereien verwenden stets chemisch gebundenen Sand für Kerne, also Sandformen, die Hohlräume und innere Strukturen in Gussteilen erzeugen. Stahlgießereien und Nichteisenmetallgießereien nutzen ihn auch für Außenformen, wenn es auf Präzision ankommt.
Die überlegene Festigkeit ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Formen mit dünnen Wänden und feinen Details. Chemisch gebundene Formen behalten ihre Abmessungen beim Metallguss besser als Formsand.
Der Kompromiss liegt in den Kosten und der Wiederverwertung. Chemische Bindemittel sind teurer als Bentonit, und es ist eine zusätzliche Aufbereitung erforderlich, um die Bindemittelbeschichtung vor der Wiederverwendung des Sandes zu entfernen.
Harzbeschichteter Sand, auch als No-Bake-Sand bezeichnet, besteht aus Sandkörnern, die mit einem duroplastischen Harz wie Phenol- oder Furanharzen vorbeschichtet sind. Die Harzbeschichtung dient sowohl als Bindemittel als auch als Formgebungsmittel.
Dieser Gießereisand bietet die höchste mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität aller Gießereisande. Die starken Harzbindungen erzeugen Formen, die der Erosion durch fließendes, flüssiges Metall widerstehen und so Defekte wie Schnitte und Auswaschungen reduzieren.
Harzbeschichteter Sand wird für Anwendungen eingesetzt, die hohe Präzision und eine exzellente Oberflächengüte erfordern. Beispiele hierfür sind Pumpengehäuse, Ventilkörper und Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, bei denen enge Toleranzen entscheidend sind.
Die Harzbeschichtung erzeugt im Vergleich zu Grünsand eine glattere Gussoberfläche, da die feinen Harzpartikel die Zwischenräume zwischen den Sandkörnern ausfüllen. Dadurch wird das Eindringen von Metall reduziert, das auftritt, wenn flüssiges Metall zwischen die Sandkörner sickert.
Der größte Nachteil liegt in den Umweltauswirkungen. Harzbindemittel setzen beim Gießen flüchtige organische Verbindungen (VOCs) frei, weshalb spezielle Belüftungssysteme erforderlich sind, um die Arbeiter zu schützen und die Luftreinhaltebestimmungen einzuhalten.
Beim Sandgussverfahren wird Gießereisand in temporäre Formen umgewandelt, die flüssiges Metall in die gewünschte Form bringen. So funktioniert es von Anfang bis Ende:
Ein Modellbauer fertigt eine Nachbildung des fertigen Teils an, üblicherweise aus Holz, Kunststoff oder Metall. Das Modell ist etwas größer als das endgültige Gussteil, um die Schrumpfung des Metalls beim Abkühlen auszugleichen.
Die Arbeiter verdichten den Gießereisand um das Modell in einem zweiteiligen Kasten, der als Formkasten bezeichnet wird. Der Sand wird gestampft oder verdichtet, um die richtige Dichte und Festigkeit zu erreichen. Sobald der Sand fest verdichtet ist, wird das Modell entfernt, wodurch ein Hohlraum im Sand entsteht, der der Form des Werkstücks entspricht.
In der Gießerei wird Metall in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 1,300 °C und 3,000 °C geschmolzen, je nach Legierung. Das flüssige Metall wird durch einen Gießkanal in den Formhohlraum gegossen. Dort fließt es durch die Form, füllt alle Hohlräume und nimmt die Form der Sandform an.
Das Gussteil verbleibt in der Sandform, während das Metall abkühlt und erstarrt. Die Abkühlzeiten variieren je nach Größe und Dicke des Gussteils von Minuten bis zu Stunden. Der Sand isoliert das Metall und reguliert die Abkühlgeschwindigkeit.
Nach dem Abkühlen wird das Gussteil durch Rütteln oder Vibrieren der Formteile von der Sandform getrennt. Anschließend wird es vom losen Sand getrennt, gereinigt und geprüft. Der gebrauchte Sand wird gesammelt, gesiebt und für die Wiederverwendung aufbereitet.
Für jede Tonne gegossenes Metall werden typischerweise mehrere Tonnen Sand benötigt. Die Möglichkeit, diesen Sand zurückzugewinnen und wiederzuverwenden, macht das Verfahren auch für die Massenproduktion wirtschaftlich rentabel.
Ja, Gießereisand kann sowohl in Gießereien als auch in alternativen Anwendungen außerhalb der Metallgießereiindustrie recycelt werden. Recycling reduziert Abfall, schont natürliche Ressourcen und senkt die Kosten für Gießereien und Bauunternehmen.
In den Vereinigten Staaten werden jährlich rund 2.6 Millionen Tonnen Gießereisand außerhalb von Gießereien sinnvoll wiederverwendet. Gießereisand aus Eisen, Stahl und Aluminium macht 96 % des wiederverwendeten Gießereisandes aus.
Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) befürwortet die sinnvolle Verwendung von silikathaltigen Gießereisanden aus Eisen-, Stahl- und Aluminiumgießereien. Studien der EPA zeigen, dass die Konzentrationen der Inhaltsstoffe in diesen Sanden bei der Verwendung in Bodenanwendungen die gesundheits- und umweltrelevanten Grenzwerte unterschreiten.
Gießereisand zeichnet sich durch eine einheitliche Korngröße, einen hohen Siliziumdioxidgehalt (über 95 % im Vergleich zu variablem Siliziumdioxidgehalt bei normalem Sand) und die erforderlichen Eigenschaften aus, um Temperaturen von geschmolzenem Metall bis zu 3,000 °C standzuhalten. Normaler Sand von Stränden oder Flussbetten weist hingegen gemischte Korngrößen und eine variable Zusammensetzung auf und wird nicht auf thermische Stabilität oder Wasserdurchlässigkeit geprüft.
Quarzsand aus Eisen-, Stahl- und Aluminiumgießereien gilt laut EPA nicht als Sondermüll. Da er jedoch kristallines Siliziumdioxid enthält, müssen Arbeiter das Einatmen des Staubs vermeiden. Gebrauchte Gießereisande können außerdem Spuren von Metallen oder Bindemittelreste enthalten, die vor der Wiederverwendung im Erdkontakt geprüft werden müssen.
Grünsand kann bei entsprechender Aufbereitung zwischen den Anwendungen hunderte Male wiederverwendet werden. Gießereien fügen üblicherweise jeder Charge 5–40 % neuen Sand hinzu, um Verluste beim Ausschütteln auszugleichen und die Sandeigenschaften zu erhalten. Chemisch gebundener Sand muss vor der Wiederverwendung thermisch oder mechanisch aufbereitet werden, um die Bindemittelbeschichtung zu entfernen.
