Das Gießen großer Laufräder (üblicherweise mit Außendurchmessern von 500 mm oder großen, dünnwandigen und komplexen Strömungskanalstrukturen) stellt aufgrund ihrer komplexen Struktur, ungleichmäßigen Wandstärke und der extrem hohen Anforderungen an die Strömungskanalgenauigkeit und Oberflächenqualität eine Herausforderung in der Gießereiindustrie dar. Die Wahl des optimalen Verfahrens und die anschließende Fehlerkontrolle sind entscheidend für den Erfolg.
1. Auswahl gängiger Gießverfahren
Für die Herstellung großer Blattfederräder werden je nach Material und Präzisionsanforderungen üblicherweise die folgenden drei Verfahren angewendet:
Feinguss (Wachsverlustverfahren): Dies ist das gängigste Verfahren für Laufräder aus Edelstahl und legiertem Stahl. Es ermöglicht die Reproduktion komplexer Schaufeloberflächen mit hoher Maßgenauigkeit (CT4-CT6) und eignet sich für kleine und mittelgroße, komplexe Laufräder. Bei extrem großen Abmessungen (z. B. über 1 Meter) neigen Wachsformen jedoch zur Verformung, was die Kontrolle der Festigkeit der Gehäusewand erschwert.
Harzsandguss: Geeignet für große Laufräder aus Stahlguss und Eisen (z. B. Kraftwerkslüfterlaufräder mit mehreren Metern Durchmesser). Kostengünstig und vielseitig einsetzbar, jedoch ist die Gussoberfläche rau und die Kanalgenauigkeit etwas geringer, was einen hohen Nachbearbeitungsaufwand erfordert.
Verbundguss (Feinform + Sandform): Bei Laufrädern mit großen Abmessungen und komplexen Schaufeln werden üblicherweise Feinformschalen für die Schaufelteile und Sandformen für die Naben- und Speichenteile verwendet, die anschließend kombiniert und gegossen werden. Dabei wird die Schaufelgenauigkeit bei der Realisierung großformatiger Strukturen berücksichtigt.
Niederdruck-/Schwerkraftguss: Wird häufig für große Laufräder aus Aluminium- und Kupferlegierungen verwendet; sorgt für eine gleichmäßige Füllung und einen guten Schrumpfungseffekt, wodurch die Porosität effektiv reduziert werden kann.
2. Schwierigkeiten im Kernprozess und Gegenmaßnahmen
Die problematischsten Aspekte beim Gießen von großen Blatträdern sind unvollständige Füllung, Schwindungsporosität und Heißrisse.
Füll- und Gießsystem: Die großen Rührflügel sind dünn, der Strömungskanal eng, und das flüssige Metall neigt zur vorzeitigen Abkühlung, was zu unzureichender Wärmeableitung oder unvollständigem Gießen führen kann. Um ein gleichmäßiges Aufsteigen des flüssigen Metalls zu gewährleisten, werden häufig Boden-, Spalt- oder Kreisgießverfahren eingesetzt. Bei dünnwandigen Edelstahlrührflügeln ist es mitunter erforderlich, die Gießtemperatur zu erhöhen und die Gießgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Kontrolle von Schwindung und Erstarrung: Die Verbindung zwischen Schaufel und Nabe (Hotspot) neigt zu Schwindung und Lockerung. Der Prozess wird optimiert durch das Einbringen von Speisern (offen/dunkel) und Kaltguss sowie durch computergestützte numerische Simulation (CAE), um eine gerichtete Erstarrung des Gussteils von unten nach oben zu erzwingen und so die kontinuierliche Nachfüllung des flüssigen Metalls zu gewährleisten.
Verformungs- und Rissvermeidung: Große, dünnwandige Bauteile weisen ungleichmäßige Abkühlung und hohe Spannungen auf, was leicht zu Verformungen oder Rissen führen kann. Neben der Optimierung der Gussstruktur (um abrupte Wandstärkenänderungen zu vermeiden) wird häufig Kaltumformung mit einem Formsand mit guter Fließfähigkeit eingesetzt. Bei Edelstahlbauteilen ist auf die Abkühlgeschwindigkeit zu achten, um die Bildung spröder Phasen und damit verbundene Rissbildung zu verhindern.
3. Häufige Mängel und vorbeugende Maßnahmen
Poren: Sie entstehen durch Gaseinschlüsse im Formsand, unzureichende Entlüftung oder Gase im flüssigen Metall. Es ist notwendig, den Feuchtigkeitsgehalt des Formsands zu kontrollieren, den Gasauslass zu vergrößern und ein Filtersieb einzusetzen. Für wichtige Bauteile kann Vakuumgießen oder Vakuumschmelzen mit Entgasung angewendet werden.
Schlackeneinschlüsse/Sandlöcher: Schlackeneinschlüsse entstehen durch Ablösung vom Gießsystem oder Oxidation des flüssigen Metalls. Eine gründlichere Reinigung des Formhohlraums, der Einsatz feuerfester Filter, eine schlackenfreie Konstruktion des Gießsystems und eine ausreichende Absetzzeit des flüssigen Metalls sind erforderlich.
Risse: Heißrisse entstehen häufig durch behinderte Schwindung. Um ein Ziehen zu vermeiden, muss die Position des Steigers optimiert, der Schwefel- und Phosphorgehalt kontrolliert und ein ausreichender Rückzug der Kokille sichergestellt werden.
Vor dem Gießen moderner Großblatträder werden üblicherweise Softwareprogramme wie ProCAST und AnyCasting verwendet, um die Füllung und Erstarrung zu simulieren.