Wärmefluss im Metallguss bezeichnet die Übertragung thermischer Energie vom geschmolzenen Metall auf das Formmaterial. Dieser Prozess steuert die Erstarrungsgeschwindigkeit, beeinflusst die Gussqualität und die Kornstruktur. Ein effizienter Wärmefluss sorgt für eine gleichmäßige Kühlung, reduziert Defekte wie Schrumpfung und verbessert die mechanischen Eigenschaften des fertigen Gussteils.
Wärmefluss beim Metallguss ist die Bewegung thermischer Energie von heißem, flüssigem Metall in eine kühlere Umgebung während des Gießprozesses. Diese Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich auf drei Arten: durch direkten Kontakt (Leitung), durch Flüssigkeitsbewegung (Konvektion) und durch elektromagnetische Wellen (Strahlung).
Wenn Sie geschmolzenes Metall in eine Form gießen, liegt die Temperatur je nach Metallart zwischen 1,200 und 3,000 °C. Das Metall muss abkühlen und erstarren, um das endgültige Teil zu formen.
Während der Erstarrung entweicht die Wärme aus dem geschmolzenen Metall auf drei Hauptwege.
Bei den meisten Metallgussverfahren werden 90 % der Wärme durch Wärmeleitung übertragen. Dies geschieht, wenn sich die Wärme durch direkten Kontakt zwischen Metall und Formwand bewegt.
Die Formel für den Wärmefluss durch Leitung lautet:
Q = k × A × (T₁ - T₂) / d
Kennzahlen:
Sandformen haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit (k = 0.5–1.5 W/m·K). Metallformen haben eine viel höhere Leitfähigkeit (k = 50–400 W/m·K).
Aus diesem Grund kühlen Gussteile in Metallformen zehnmal schneller ab als in Sandformen.
Konvektion entsteht, wenn bewegte Flüssigkeiten Wärme abtransportieren. Beim Gießen geschieht dies an zwei Stellen.
Im flüssigen Metall steigt heißes Metall auf, während kühleres Metall absinkt. Dadurch entstehen Strömungen, die zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung beitragen.
Außerhalb der Form transportiert die an der Formoberfläche vorbeiströmende Luft Wärme ab. Die Konvektionsformel lautet:
Q = h × A × (T_surface - T_air)
Dabei ist h der Konvektionskoeffizient (typischerweise 10–100 W/m²·K bei Luftkühlung).
Strahlung überträgt Wärme durch elektromagnetische Wellen. Heiße Formoberflächen strahlen Wärme berührungslos an eine kühlere Umgebung ab.
Die Strahlungsformel lautet:
Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)
Kennzahlen:
Bei höheren Temperaturen gewinnt die Strahlung an Bedeutung. Bei 1,800 °F kann die Strahlung 20 % des gesamten Wärmeverlusts ausmachen.
Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand setzt Metall latente Schmelzwärme frei. Diese Energiefreisetzung verlangsamt den Abkühlungsprozess am Gefrierpunkt.
Die gesamte abzuführende Wärmemenge beträgt:
Q_total = m × [c_liquid × (T_pour - T_solidification) + L + c_solid × (T_solidification - T_final)]
Diese latente Wärme erzeugt ein Plateau in der Abkühlungskurve. Das Metall bleibt auf seiner Gefriertemperatur, bis die gesamte latente Wärme entfernt ist.
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Der Wärmefluss durch Ihr Gussteil entscheidet darüber, ob Sie ein gutes oder ein fehlerhaftes Teil erhalten. Sehen wir uns die Hauptprobleme an, die durch einen unzureichenden Wärmefluss verursacht werden.
Metall schrumpft beim Erstarren um etwa 3-7%. Wenn kein frisches flüssiges Metall nachfließen kann, um diesen Raum zu füllen, erhält man Schrumpfporosität.
Heiße Risse entstehen, wenn sich erstarrendes Metall aufgrund der Formbeschränkung nicht frei zusammenziehen kann. Sie erscheinen als gezackte Risse auf der Gussoberfläche.
Diese Risse entstehen bei einem Feststoffanteil von 85–95 %, wenn das Metall keine Festigkeit mehr aufweist. Temperaturunterschiede von 50 °C über einen Abschnitt hinweg können zu Heißrissen führen.
Fehlläufe entstehen, wenn Metall erstarrt, bevor es den gesamten Formhohlraum ausgefüllt hat. Das Metall verliert zu viel Wärme und hört auf zu fließen.
Kaltverschweißungen treten auf, wenn zwei Metallströme aufeinandertreffen, aber nicht richtig verschmelzen. Die Oberflächen sind zu stark abgekühlt, um eine Verbindung herzustellen.
Beide Defekte entstehen durch übermäßigen Wärmeverlust beim Gießen.
Gasporosität erzeugt runde Blasen in Ihrem Gussteil. Obwohl dies nicht direkt durch den Wärmefluss verursacht wird, beeinflussen Temperaturänderungen die Gaslöslichkeit im Metall.
Flüssiges Metall kann mehr gelöstes Gas aufnehmen als festes Metall. Wenn Metall abkühlt und erstarrt, bildet überschüssiges Gas Blasen.
