Gerade in Hinblick auf die Kombination aus hervorragender Festigkeit, relativ guter Zähigkeit und Dauerfestigkeit sowie beachtlicher Verschleißbeständigkeit macht bainitisches Gusseisen mit Kugelgrafit und dabei besonders das ADI (Austempered Duktile Iron) durch sein ausferritisches Gefüge seine Vorteile gegenüber Gusseisenwerkstoffen insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit und auch Stahlguss deutlich. Die konventionelle Herstellung von ADI erfolgt über ein Austenitisieren und ein anschließendes Abschrecken und Halten im Salzbad. Die Salzbadbehandlung stellt einen technologisch und ökologisch problematischen Prozess dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Labormaßstab eine neue Technologie, die auf dem Einfluss des Nickels auf die Martensitstarttemperatur des Gusseisens und auf seinen zahlreichen positiven Wirkungen basiert, zur alternativen Herstellung von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit erforscht. Des Weiteren wurde der Einfluss von erhöhten Nickelzusätzen auf die mechanischen Eigenschaften des nach konventioneller Wärmebehandlung im Salzbad hergestellten bainitischen Gusseisens mit Kugelgraphit untersucht. Als Ergebnis ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Ms-Temperatur bis unter 100°C und damit die Möglichkeit einfacher, wirtschaftlicher und ökologischer Fertigung. Jedoch zeigte sich auch ein Einfluss des Nickels auf die erreichbaren Eigenschaften, der ggf. für die Anwendung berücksichtigt werden muss.

Auf der Grundlage eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Druckentwicklung in pneumatischen Verdichtungsanlagen, welche zur Herstellung von Kernen und Formen dienen, wurden Computerprogramme erstellt. Mit deren Hilfe können Parameteridentifikationen zur Ermittlung maschinentechnischer Größen (Durchflusskoeffizienten, Ventilfunktionen) durchgeführt und Druckverläufe berechnet werden. Es erfolgt der Nachweis, dass das mathematische Modell die Prozesse hinreichend genau wiedergibt. Im theoretischen Teil werden Betrachtungen zu Einflussgrößen auf die Druckentwicklung angestellt. Dabei wurde festgestellt, dass das Maschinenbehältervolumen den größten Einfluss ausübt. Weiterhin sind Untersuchungen bzgl. der Druckentwicklungsabhängigkeit von Ventileigenschaften durchgeführt worden. Als Kriterium zur Bewertung von pneumatischen Anlagen wurden die Energiebilanz und der Druckanstieg über dem Formstoff diskutiert.

Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurde ein nützliches Hilfsmittel auf der Basis der kognitiven Herangehensweise zur Verbesserung der Effizienz der Managemententscheidungen für die Gussausschussverringerung und Qualitätsverbesserung in den Gießereien entwickelt. Das Werkzeug hilft dem Technologen, den Mechanismus des Gussfehlerentstehungsprozesses aufzudecken, die Logik der Gussfehlerentstehung zu verstehen und die präventiven Maßnahmen zu testen. Man kann das Werkzeug täglich im Betrieb benutzen, um die strategischen und operativen Entscheidungen rasch und ohne Durchführung der kostspieligen und komplizierten Versuche zu treffen. Auf diese Weise können Kosten und Zeit eingespart werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde versucht, Gesetzmäßigkeiten zwischen Kenngrößen aus dem Formstofflabor und einer praxisnahen kleintechnischen Formanlage abzuleiten. Der Zweck besteht darin, einen Fehler bei der Formherstellung (insbesondere Ballenabrisse) zu vermeiden. Dazu wurden zahlreiche Untersuchungen sowohl im Formstofflabor als auch an der Versuchsanlage vorgenommen. Dies gleicht in ihrer Funktionsweise betrieblichen Formanlagen mit unterschiedlichen Verdichtungsmöglichkeiten. Bei den Untersuchungen wurden Formstoffzusammensetzungen variiert, konstruktive Änderungen an der Formmaschine vorgenommen und die Formballen mit unterschiedlichen Formschrägen versehen. Zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit einer Grünsandform müssen die Beanspruchbarkeiten größer als die entstehenden Beanspruchungen oder zumindest gleich sein. Dazu wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Ballenabrissneigung unter Einsatz eines variablen Gießereimodells entwickelt. Durch eine zielgerichtete Kombination der an der Formherstellung beteiligten Komponenten: Formstoff, Formmaschine und Formprozess ließen sich qualitätsgerechte Formen herstellen und die Ergebnisse erfolgreich auf die betriebliche Praxis übertragen.

Ziel der Arbeit war das mögliche Einsatzspektrum von Sekundärmaterialien im Prozess der Herstellung von Bauteilen aus Aluminiummehrstoffbronzen (CuAl15Fe5Ni2Mn2) zu erweitern, um das Werkstoffrecycling in der Gießerei auf höchstmöglichem Niveau einzusetzen. Verschiedene Raffinationsmöglichkeiten wurden analysiert und 4 davon getestet. Die Schleifstaubaufbereitung mittels Magnetbandringscheider und Permanent- Magnettrommelscheider wurde erprobt und im industriellen Maßstab getestet. Weiterhin wurde die Gasraffinationswirkung auf die Schmelze mit Stickstoff und Argon sowie mit der Zugabe von Chlor und Ammoniak getestet. Die Salzraffination der Schmelze wurde untersucht und die optimalen Raffinationszusammensetzungen wurden definiert. Die fraktionierte Kristallisation als Raffinationsmethode für die Aluminiummehrstoffbronze wurde ebenfalls untersucht. Im Anschluss wurden die Einsatzmöglichkeiten der Raffinationstechnologien in der Giessereiindustrie kritisch bewertet.

Gerade in Hinblick auf die Kombination aus hervorragender Festigkeit, relativ guter Zähigkeit und Dauerfestigkeit sowie beachtlicher Verschleißbeständigkeit macht bainitisches Gusseisen mit Kugelgrafit und dabei besonders das ADI (Austempered Duktile Iron) durch sein ausferritisches Gefüge seine Vorteile gegenüber Gusseisenwerkstoffen insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit und auch Stahlguss deutlich. Die konventionelle Herstellung von ADI erfolgt über ein Austenitisieren und ein anschließendes Abschrecken und Halten im Salzbad. Die Salzbadbehandlung stellt einen technologisch und ökologisch problematischen Prozess dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Labormaßstab eine neue Technologie, die auf dem Einfluss des Nickels auf die Martensitstarttemperatur des Gusseisens und auf seinen zahlreichen positiven Wirkungen basiert, zur alternativen Herstellung von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit erforscht. Des Weiteren wurde der Einfluss von erhöhten Nickelzusätzen auf die mechanischen Eigenschaften des nach konventioneller Wärmebehandlung im Salzbad hergestellten bainitischen Gusseisens mit Kugelgraphit untersucht. Als Ergebnis ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Ms-Temperatur bis unter 100°C und damit die Möglichkeit einfacher, wirtschaftlicher und ökologischer Fertigung. Jedoch zeigte sich auch ein Einfluss des Nickels auf die erreichbaren Eigenschaften, der ggf. für die Anwendung berücksichtigt werden muss.

Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurde ein nützliches Hilfsmittel auf der Basis der kognitiven Herangehensweise zur Verbesserung der Effizienz der Managemententscheidungen für die Gussausschussverringerung und Qualitätsverbesserung in den Gießereien entwickelt. Das Werkzeug hilft dem Technologen, den Mechanismus des Gussfehlerentstehungsprozesses aufzudecken, die Logik der Gussfehlerentstehung zu verstehen und die präventiven Maßnahmen zu testen. Man kann das Werkzeug täglich im Betrieb benutzen, um die strategischen und operativen Entscheidungen rasch und ohne Durchführung der kostspieligen und komplizierten Versuche zu treffen. Auf diese Weise können Kosten und Zeit eingespart werden.

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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde versucht, Gesetzmäßigkeiten zwischen Kenngrößen aus dem Formstofflabor und einer praxisnahen kleintechnischen Formanlage abzuleiten. Der Zweck besteht darin, einen Fehler bei der Formherstellung (insbesondere Ballenabrisse) zu vermeiden. Dazu wurden zahlreiche Untersuchungen sowohl im Formstofflabor als auch an der Versuchsanlage vorgenommen. Dies gleicht in ihrer Funktionsweise betrieblichen Formanlagen mit unterschiedlichen Verdichtungsmöglichkeiten. Bei den Untersuchungen wurden Formstoffzusammensetzungen variiert, konstruktive Änderungen an der Formmaschine vorgenommen und die Formballen mit unterschiedlichen Formschrägen versehen. Zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit einer Grünsandform müssen die Beanspruchbarkeiten größer als die entstehenden Beanspruchungen oder zumindest gleich sein. Dazu wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Ballenabrissneigung unter Einsatz eines variablen Gießereimodells entwickelt. Durch eine zielgerichtete Kombination der an der Formherstellung beteiligten Komponenten: Formstoff, Formmaschine und Formprozess ließen sich qualitätsgerechte Formen herstellen und die Ergebnisse erfolgreich auf die betriebliche Praxis übertragen.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 5 2. Wissenschaftlich-technische Problem- und Zielstellung 7 2.1 Problemstellung 7 2.2 Zielstellung 11 3. Literaturrecherche zum Stand der Technik 13 3.1 Formstoffmischungen und Formherstellung 13 3.1.1 Bestandteile der Formstoffmischungen 13 3.1.2 Mischen des Formstoffs 15 3.1.3 Eigenschaften tongebundener Formstoffe 15 3.1.3.1 Verdichtbarkeit 15 3.1.3.2 Prüfungen mit Probekörpern 16 3.1.3.2.1 Gasdurchlässigkeit 16 3.1.3.2.2 Grünfestigkeitseigenschaften 17 3.1.4 Formherstellungsverfahren mit tongebundenen Formstoffen 17 3.2 Formmaschinen und ihre Verdichtungsmöglichkeiten 19 3.3 Herstellung von Formen mit Ballen: 22 3.3.1 Ballenabrisse (Formenbruch) 23 3.3.1.1 Entstehung 24 3.3.1.2 Mögliche Ursachen 27 3.3.1.3 Vermeidung 27 3.4 Fließverhalten und Haftkräfte 28 3.4.1 Fließen des Formstoffs im Ballen 32 3.4.2 Technologische Fließbarkeitsmessmethoden 34 3.5 Qualitätskontrolle der Form 34 3.5.1 Dichte der Form 35 3.5.2 Messung der Formdichte 36 3.6 Analyse des Standes der Technik 37 4 Schaffung konstruktiver Voraussetzungen 39 4.1 Apparative Voraussetzungen im Labor 39 4.1.1 Bestimmung der Verdichtbarkeit: 39 4.1.2 Ermittlung der Adhäsionskräfte 40 4.2 Versuchsdurchführung und konstruktive Voraussetzungen an der kleintechnischen Anlage 42 4.3 Konstruktive Veränderungen der Formmaschinenbauteile 45 4.3.1 Dosiereinrichtung mit einflügeligen Klappen 45 4.3.2 Druckteller mit Verstrebungen und Modellplattenträger mit Verrippungen 47 4.3.3 Vielstempelpresse 49 4.4 Entwicklung einer Methodik zur Trennkraftmessung 52 4.5 Vervollkommnung und Anpassung des mathematischen Modells zur Berechnung der Ballenabrissneigung beim Form-Modell-Trennen 53 5. Versuchsbeschreibung 56 5.1 Laboruntersuchungen 56 5.1.1 Formstoffaufbereitung: 56 5.1.2 Bestimmung der Festigkeitseigenschaften 57 5.1.3 Eigenschaften der eingesetzten Formstoffe 59 5.1.3.1 Zugfestigkeits- und Adhäsionskraftmessungen im Labor 61 5.1.3.2 Ermittlung der Dichte 64 5.1.3.3 Ermittlung der Zugfestigkeit (Kohäsion) 65 5.2 Untersuchungen mit der Multi-Compact-Formanlage 67 5.2.1 Formstoffaufbereitung und Verdichtbarkeitsbestimmung 67 5.2.2 Festigkeitsbestimmung 68 5.2.3 Dichtebestimmung 69 5.2.4 Konsequenzen 73 5.2.5 Versuche mit ebener Pressplatte 75 5.2.5.1 Seitendruckmessung 77 5.2.5.2 Problemlösungen 80 5.2.6 Seitendruckmessung und Vergleich mit ebener Pressplatte 82 5.2.7 Impulspressen 83 5.2.8 Messung der Trennkräfte 86 5.2.9 Einfluss der geometrischen Bedingungen auf die Trennkräfte und die Entstehung vom Ballenabrissen 90 5.2.9.1 Modellbeispiel Zylinder Höhe 50 mm und Durchmesser 50 mm 92 5.2.9.2 Messung der Adhäsionskräfte des Ballens in der Modelleinrichtung 93 5.2.9.3 Effektivdruckmessungen 97 5.3 Gebrauchsfähigkeitstest des geformten Ballens 98 6. Zusammenfassung 100 7. Literaturverzeichnis 102