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In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen des Formstoffverdichtungsprozesses unter Einbeziehung von Methoden der Kontinuumsmechanik und mathematischen Modellierung durchgeführt. Es wurden der mathematische Apparat, der Algorithmus und die rechnerlauffähige Software "FormCompact" entwickelt. Damit ist es erstmals möglich, den Einfluss unterschiedlichster maschinen- technischer und formstofftechnologischer Parameter auf die Verteilung der Dichte und des Spannungszustandes in Formen aus tongebundenen Formstoffen zu berechnen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden mit Hilfe des Visualisierungsmoduls in eindeutiger Übersicht dargestellt. Die vorgelegte Lösung wurde unter den Bedingungen des zweidimensionalen Zustandes durchgeführt. Zu Erhöhung der Genauigkeit wurden den Eckpunkten der Form und des Modells eine besondere Berücksichtung geschenkt. Als effektivstes Programmiersystem zur Lösung dieser Aufgabe erwies sich Borland Delphi. Die Validierung der Software erfolgte mit Hilfe von Daten, die einerseits aus eigenen experimentellen Untersuchungen und andererseits aus der Gegenüberstellung mit Literaturangaben gewonnen worden sind. Dabei konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen, mit der Software berechneten und den experimentellen Werten festgestellt werden. Die Software stellt ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Arbeitsvorbereitung in den Gießereien und bei der Konstruktion von Gießereimaschinen.

Die Qualität der beim Vollformgießverfahren hergestellten Gussteile wird in entscheidendem Maße von der Formherstellung beeinflusst. Die Vibrationsparameter haben einen großen Einfluss auf das Sandverhalten: 1. Bei Beschleunigungen unter 1 g ist der Sand im Zustand der Pseudoverflüssigung und bewegt sich nicht intensiv gemeinsam mit dem Behälter. Dies wird für die Nachverdichtung des Sandes empfohlen. 2. Bei Beschleunigungen über 1 g bewegt sich der Sand sehr intensiv mit einer Trennung vom Behälterboden (Zustand des Vibrokochens). Dies ist für den Transport des Sandes in die Vertiefungen und Hohlräume von Modellen geeignet. In der vorliegenden Arbeit werden die Prozesse, die im Sand während der Vibration stattfinden, mathematisch beschrieben und durch Versuche bestätigt.

Das Niederdruckgießen ist ein innovatives Gießverfahren. Es ermöglicht die gesteuerte Formfüllung entgegen der Schwerkraft. Die Entwicklung einer Niederdruck-Gießeinrichtung für Eisen-Kohlenstoff-Legierungen und die Anwendung der gesteuerten Formfüllung sind die Ziele der Arbeit. Ausgehend von den Niederdruck-Gießeinrichtungen für Aluminium werden Werkstoffe getestet, die sich als Material für das Steigrohr eignen. Für das Verfahren wird eine Niederdruck-Gießeinrichtung im Labormaßstab entwickelt. Diese umfasst den Druckbehälter, das Steigrohr, die Heizung und die Druckluftsteuerung. Für eine industrielle Anlage werden die Konstruktionsunterlagen erarbeitet. Mit der Laboranlage wird der Nachweis erbracht, dass das Verfahren prinzipiell für Eisen-Kohlenstoff-Legierungen anwendbar ist. Die Problematik der gesteuerten Formfüllung wird an einem Beispiel gezeigt. Mit einer Tabellenkalkulation wird eine einfache Berechnungsgrundlage für die gesteuerte Formfüllung vorgestellt. Diese wird mit einem Simulationsprogramm und durch Versuche bestätigt.

Im Rahmen der Arbeit wurde die neuartige Messmethode und Messeinrichtung zur Erfassung der von der Formstoffbewegung in dem Messpunkt hervorgerufenen Kräfte vorgeschlagen. Die erarbeiteten Kalibrier- und Berechnungsmethoden lassen es zu, die direkt an der Gießform während der Produktion erfassten Signale in Formdichte- und unterschiedliche Festigkeitswerte umzurechnen. Die erarbeiteten Messeinrichtungen und Berechnungsmethoden wurden sowohl durch die Laborprüfungen als auch durch den direkten Praxiseinsatz geprüft. Während dieser Prüfungen wurde festgestellt, dass die Formqualitätskennzeichen mit ausreichender Genauigkeit festgestellt werden können. Die Auswirkung der veränderlichen Formstoffzusammensetzung auf die zur Berechnung der Formqualitätskennzeichen benötigten Koeffizienten wurde ebenfalls untersucht. Abschließend wurde eine Methode zur Ermittlung „formbezogener“ und „energetischer“ Qualitätsmerkmale der Formanlagen vorgeschlagen. Die Methode lässt den Vergleich der Formmaschinen auf der Basis der erreichten Formqualität und des zum Erreichen dieser Qualität geleisteten Energieaufwandes.

Die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffaktivität mittels EMK-Messung in hochlegierten Stählen und zugleich die Online-Berechnung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff mittels geeigneter Modelle, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Entwicklung einer kontinuierlichen Messsonde vollzog sich in mehreren Stufen, begleitet von experimentellen Untersuchungen. Resultat ist eine Messeinheit, die zuverlässig die Sauerstoffaktivität in allen Stahlschmelzen, bis 1600°C, über mehrere Stunden messen kann. Da der in der Schmelze vorliegende Sauerstoffgehalt um ein vielfaches höher ist als die gemessene Aktivität, ist der Einsatz von thermodynamischen Modellen notwendig. Es wurden drei Modelle basierend auf einer Taylor-Reihenentwicklung unter Einbeziehung der bekannten Wechselwirkungsparameter aufgestellt und mittels experimenteller Untersuchungen angepasst. Mit Hilfe dieses Auswerteformalismus können schnell und zuverlässig Aussagen über den Verlauf von Stahlherstellungsprozessen getroffen werden. Einer erfolgreichen Implementierung dieser Messeinheit (EMK-Messsonde und Auswerteeinheit) steht daher nichts mehr im Wege.

An verschiedenen Werkstoffen wurden Untersuchungen zum Einfluss einer Vibrationsbehandlung auf das Erstarrungsverhalten durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass der Kornfeinungseffekt vom Erstarrungstyp abhängig ist. Versuche mit der Rotgusslegierung CuSn5Zn5Pb5 ergaben eine Feinung des Gefüges und daraus folgend eine Verbesserung der Eigenschaften. Die Wanddickenabhängigkeit der Gefügeausbildung konnte eliminiert werden. Als Haupteinflussgröße auf den Kornfeinungseffekt wurde die Vibrationsbeschleunigung ermittelt. Unter Praxisbedingungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Bei einer Gusseisenlegierung führte die Vibrationsbehandlung zur Feinung der Grafitlamellen und Erhöhung der Zahl der eutektischen Zellen. Das Verfahren wurde erfolgreich in einer Schwermetallgießerei getestet und eingeführt.

Metalle, die zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zeigen bereits vor der Anrissbildung typische Veränderungen des Gefüges. Bei austenitischen Stählen verursacht Ermüdungsbelastung die Bildung charakteristischer Versetzungsanordnungen. Unter bestimmten Umständen tritt die Bildung von Verformungsmartensit auf, die von einer starken Veränderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften begleitet wird. Zwischen der aufgebrachten Ermüdungsbelastung und den beschriebenen Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen einerseits und Restlebensdauer eines Bauteils andererseits sollten Zusammenhänge systematisch untersucht werden. Hierfür wurden verschiedene zerstörungsfreie Methoden eingesetzt und ihre Empfindlichkeit verglichen. Die Gefüge der ermüdeten Zustände wurden auch mit metallographischen, elektronenoptischen und röntgenographischen Methoden charakterisiert. Zwischen den Ermüdungsparametern und den Gefügeveränderungen wird ein Zusammenhang hergestellt, insbesondere zwischen der Restlebensdauer und dem Volumenanteil an Martensit. Der Einfluss der chargenabhängigen Werkstoffeigenschaften und der Belastungsbedingungen auf das martensitische Umwandlungsverhalten wurde in statischen und zyklischen Experimenten untersucht. Anhand der Entwicklung des Martensitgehaltes im Verlauf der Ermüdung wird ein Bewertungsschema für die Abschätzung der Restlebensdauer vorgeschlagen.

Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen wurde eine Versuchsapparatur zum Stranggießen kleinster Profile, deren Abmessungen und Profilausprägungen unter 1 mm liegen, konzipiert, gebaut und erprobt. An Hand eines empirischen sowie eines analytischen Modells wurden die Prozessparameter sowie die Möglichkeiten der Prozesssteuerung analysiert. Im Versuchsmaßstab konnten Stränge unterschiedlicher Querschnittsformen (Stern-, Vierkant- und Kreisprofile) aus niedrig schmelzenden Metallen gegossen werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die Strangqualität (Oberflächengüte und Formausprägung) wesentlich von der Lage der Erstarrungsfront während des Gießprozesses abhängt und durch die Gießgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Die beste Qualität wird erzielt, wenn der Strang nahe dem Formausgang erstarrt. Schon geringfügige Schwankungen der Phasengrenze um wenige Zehntel Millimeter wirken sich auf die Qualität der Gussstränge aus.