Knochenasche in Kupfergussformtrennmitteln: Anwendung und praktische Anleitung

Eine Kupfersandgussgießerei in Indien produzierte elektrische Schalterkomponenten, die für die Lichtbogenlöschleistung eine saubere, glatte Oberflächenbeschaffenheit erforderten. Die Gießerei hatte ein kommerzielles Trennmittel verwendet, das für die meisten Gussstücke ausreichend funktionierte, aber gelegentlich einen Rückstand hinterließ, der manuell geschliffen werden musste, bevor die Teile zur spanenden Bearbeitung weitergeleitet werden konnten. Als eine Produktionsauftrag für 5.000 Schaltergehäuse mit einer strengeren Oberflächenbeschaffenheitsanforderung einging, erreichte die Ausschussrate der Gießerei bei Verwendung des Trennmittels ungefähr 12 %, weit über der 3 %-Grenze, die die Auftragsmarge verkraften konnte. Die Gießerei wechselte zu einem Knochenasche-Trennmittel, das als trockener Staub auf die Oberfläche der Sandform aufgebracht wurde.

Innerhalb des ersten Produktionslaufs unter Verwendung von Knochenasche sank die Ausschussrate unter 2 %, und die Teile erfüllten die Oberflächenbeschaffenheitsanforderungen ohne zusätzliches Schleifen. Beim Kupferguss gibt es spezifische Herausforderungen bei der Formtrennung, die Knochenasche zu einer besonders gut geeigneten Wahl machen, vorausgesetzt, sie wird richtig aufgebracht und die Materialqualität ist konstant.

1. Warum Kupferguss spezielle Trennmittel erfordert

Kupfer und seine Legierungen weisen mehrere Eigenschaften auf, die den Formenentzug anspruchsvoller machen als beim Gießen von Eisenmetallen. Die Gießtemperatur von Kupferlegierungen, die je nach spezifischer Legierungszusammensetzung normalerweise im Bereich von 1.050 bis 1.150 Grad Celsius liegt, ist hoch genug, um viele gebräuchliche Trennmittel zu degradieren. Jede organische Komponente im Trennmittel verbrennt bei diesen Temperaturen, und einige anorganische Verbindungen werden weich, schmelzen oder reagieren mit dem geschmolzenen Kupfer.

Die hohe Dichte von Kupfer trägt ebenfalls zu den Herausforderungen beim Formenentzug bei. Geschmolzenes Kupfer übt auf die Formoberfläche einen höheren hydrostatischen Druck aus als leichtere Metalle wie Aluminium, was das Metall in mikroskopische Oberflächenporen drücken kann und eine mechanische Verzahnung zwischen Gussstück und Form erzeugen kann. Ein Trennmittel für Kupfer muss als kontinuierlicher Film aufgebracht werden, der diese Oberflächenporen überbrückt und das Eindringen des Metalls verhindert, nicht einfach als leichter Staubauftrag, der durch das Gewicht des Metalls verdrängt werden kann.

Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist ungefähr fünfmal höher als die von Gusseisen, was bedeutet, dass die Wärme von der geschmolzenen Metall schnell in das Formmaterial übertragen wird. Dieser schnelle Wärmeübergang kann an der Formoberfläche thermische Schocks verursachen und möglicherweise dazu führen, dass das Formmaterial abplatzt oder bricht, wenn die Trennbeschichtung keine gewisse Wärmeisolierung zwischen dem Metall und der Form bietet. Knochenasche, die im Vergleich zu Graphit eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, bietet diese Isolationsfunktion als zusätzlichen Nutzen ihrer Trennwirkung.

2. Wie Knochenasche bei der Kupferguss verhält

Knochenasche wirkt bei der Kupferguss durch drei komplementäre Mechanismen. Der primäre Mechanismus ist die physikalische Trennung: Eine dünne Schicht von Knochenaschepartikeln bildet eine Barriere zwischen der geschmolzenen Kupfer und der Formoberfläche und verhindert den direkten Kontakt, der sonst zu einer Haftung führen würde. Die Knochenaschepartikel sind kantig und verhaken sich mechanisch miteinander, wenn sie gegen die Formoberfläche gepresst werden, wodurch ein zusammenhängender Film entsteht, der dem Verdrängen durch das fließende Metall widersteht.

Der zweite Mechanismus ist die chemische Inertheit. Knochenasche ist Calciumphosphat in Form von Hydroxylapatit, das bei Gießtemperaturen nicht mit Kupfer reagiert. Dies ist ein entscheidender Vorteil, da chemische Reaktionen zwischen dem Trennmittel und der geschmolzenen Metallschmelze Oberflächenfehler verursachen, die Legierungszusammensetzung an der Gießoberfläche verändern oder Gas erzeugen können, das als Porosität eingeschlossen wird. Die chemische Stabilität der Knochenasche bedeutet, dass die Trennfunktion ohne die Einschleusung neuer Variablen in den Gießprozess funktioniert.

Der dritte Mechanismus ist die thermische Moderation. Die Knochenascheschicht absorbiert einen Teil des anfänglichen thermischen Schocks, wenn die geschmolzene Kupferschmelze mit der Form in Kontakt kommt, schützt die Formoberfläche vor schnellen Temperaturänderungen und verringert das Risiko des Abplatzens des Formmaterials. Dieser thermische Puffereffekt ist besonders wertvoll beim Dauerguss, bei dem die Form für mehrere Zyklen wiederverwendet wird und thermische Ermüdung die Hauptursache für den Ausfall ist.

3. Anwendungsmethoden für Kupfergießen

Das trockene Bestäuben ist die häufigste Auftragsmethode für Knochenasche beim Kupfersandgießen. Der Bediener verwendet eine Bestäubungstasche, einen Balgapplikator oder eine breite Bürste, um eine dünne, gleichmäßige Schicht von Knochenaschepulver direkt vor dem Schließen der Form auf die Formhohlraumoberfläche aufzubringen. Das Ziel ist eine vollständige Bedeckung ohne überschüssiges Material, das in den Metallstrom geraten und Einschlüsse im Gussstück verursachen könnte.

Damit das trockene Bestäuben effektiv ist, sollte die Formoberfläche vor dem Auftragen der Knochenasche frei von losen Sandkörnern und Restfeuchtigkeit sein. Die Knochenasche selbst muss trocken und rieselfähig sein, ohne Klumpen, die zu ungleichmäßiger Bedeckung führen würden. Die Bediener tragen das Pulver in der Regel in zwei leichten Überzügen auf, anstatt in einem schweren, da diese Technik eine gleichmäßigere Bedeckung ergibt und das Risiko verringert, dass sich überschüssiges Pulver in Formhohlräumen und Ecken ansammelt.

Das Auftragen als Schlamm ist eine alternative Methode, die verwendet wird, wenn eine größere Beschichtungsdicke oder Gleichmäßigkeit erforderlich ist. Die Knochenasche wird mit Wasser zu einer dünnen Paste oder einem Schlamm vermischt, der dann auf die Formoberfläche gestrichen, gesprüht oder aufgetupft wird und vor dem Gießen trocknen gelassen wird. Die Schlamm-Methode ergibt eine dichtere, besser haftende Beschichtung als das trockene Bestäuben, erfordert jedoch zusätzliche Trocknungszeit, was den Produktionszyklus verlangsamen kann. Das Auftragen als Schlamm wird häufiger beim Dauerguss und Druckguss von Kupferlegierungen verwendet, bei denen die Form wiederverwendet wird und die Beschichtung mehrere Gießzyklen überstehen muss.

Die folgende Tabelle vergleicht die Trockenbestäubung und die Schlammauftragsverfahren für die Kupfergießerei.

4. Auswahl der Partikelgröße für die Kupfergießerei

Die Partikelgröße ist eine entscheidende Variable bei der Leistung von Knochenasche für die Kupfergießerei. Der ideale Partikelgrößenbereich bietet ein Gleichgewicht zwischen Abdeckung, Beschichtungsintegrität und Handhabungseigenschaften. Zu feine Knochenasche, unter ungefähr 325 Mesh, kann beim Auftragen in die Luft gelangen, was eine staubige Arbeitsumgebung schafft und es dem Bediener erschwert, zu sehen, wo die Beschichtung aufgetragen wurde. Zu grobe Knochenasche, über ungefähr 100 Mesh, füllt möglicherweise die Oberflächenporen nicht ausreichend aus und kann sichtbare Texturen auf der Gussoberfläche hinterlassen.

Für das Kupfersandgießen ist eine Knochenasche im Bereich von 150 bis 250 Mesh ein üblicher Ausgangspunkt. Dieser Partikelgrößenbereich bietet eine gute Fließfähigkeit aus einem Stäubbeutel, eine ausreichende Porenfüllkapazität auf Sandformoberflächen und eine Beschichtung, die sich nach der Erstarrung sauber löst. Gießereien, die größere Kupferteile gießen, bei denen die Formoberfläche erheblich ist und der Bediener die Kavität schnell abdecken muss, bevorzugen möglicherweise eine gröbere Qualität im Bereich von 100 bis 200 Mesh, die besser fließt und schneller abdeckt.

Feilong Bone Carbon bietet Knochenasche in mehreren Korngrößenklassen an, um verschiedenen Präferenzen von Gießereien gerecht zu werden. Das Mahl- und Siebverfahren des Unternehmens wird so eingestellt, dass eine konsistente Korngrößenverteilung innerhalb des angegebenen Bereichs erzielt wird, was Gießerei-Betreibern hilft, eine wiederholbare Auftragstechnik zu entwickeln, ohne dass sie für die Chargen-zu-Chargen-Variation der Korngröße kompensieren müssen.

5. Auftragstechnik: Konsistente Ergebnisse erzielen

Die häufigste Ursache für Gussfehler, die mit Knochenasche in Verbindung stehen, ist eine ungleichmäßige Auftragung und nicht die Materialqualität. Eine Beschichtung, die in einigen Bereichen zu dünn und in anderen zu dick ist, führt zu einer ungleichmäßigen Entformung. In den dünnen Bereichen besteht die Möglichkeit, dass das Metall mit der Formoberfläche in Kontakt kommt, und in den dicken Bereichen kann es vorkommen, dass überschüssiges Pulver in den Metallstrom fällt. Die Entwicklung einer wiederholbaren Auftragstechnik ist der wichtigste Faktor für eine konsistente Entformungsleistung von Knochenasche.

Bei der trockenen Bestäubung sollte der Bediener den Auftragsapparat in einer konstanten Entfernung von der Formoberfläche halten, typischerweise 20 bis 30 Zentimeter, und eine Wischbewegung verwenden, die bei jedem Durchgang leicht überlappt. Das Ziel ist eine sichtbare, aber transluzente Beschichtung, durch die die Textur der Formoberfläche noch erkennbar ist. Wenn die Beschichtung undurchsichtig weiß ist und die Formoberfläche nicht mehr hindurch sichtbar ist, wurde zu viel Pulver aufgetragen, und ein Teil sollte entfernt werden, indem das überschüssige Pulver vor dem Schließen der Form vorsichtig weggeblasen oder weggebürstet wird.

Die visuelle Inspektion nach der Applikation ist eine einfache, aber effektive Qualitätsprüfung. Die beschichtete Formoberfläche sollte gleichmäßig mit Pulver bedeckt erscheinen, ohne blanke Stellen, Streifen oder Pulveransammlungen in Ecken und Vertiefungen. Alle Stellen, die blank erscheinen, sollten vor dem Schließen der Form erneut mit Pulver bestäubt werden. Diese visuelle Prüfung dauert nur wenige Sekunden pro Form, kann aber Stunden an Nacharbeit an einem fehlerhaften Guss vermeiden.

6. Behebung häufiger Probleme beim Entformen von Kupfergüssen

Wenn ein Kupferguss trotz Verwendung von Knochenasche an der Form haftet, lässt sich das Problem in der Regel auf eine von mehreren häufigen Ursachen zurückführen. Eine unzureichende Beschichtungsdicke ist das häufigste Problem, insbesondere in tiefen Formhöhlungen, in denen der Bediener möglicherweise Schwierigkeiten hat, alle Oberflächen mit dem Bestäubungsgerät zu erreichen. Eine Kontamination der Formoberfläche mit Feuchtigkeit, Öl oder Restmetall aus einem vorherigen Guss kann ebenfalls das Entformen beeinträchtigen, indem es verhindert, dass die Knochenasche gleichmäßig haftet.

Übermäßige Feuchtigkeit in der Knochenasche selbst kann beim Auftragen zu Klumpenbildung führen und lokale Schwachstellen in der Beschichtung verursachen. Knochenasche, die unter feuchten Bedingungen gelagert wurde, sollte vor der Verwendung getrocknet und gesiebt werden, um eventuell gebildete Klumpen aufzulösen. Ein schneller Feldtest besteht darin, eine Handvoll Knochenaschepulver zusammenzudrücken: Es sollte sich zwischen den Fingern frei bewegen, ohne zu verklumpen oder feucht zu fühlen.

Die Formtemperatur kann auch die Entformbarkeit beeinflussen, insbesondere beim Dauerformen-Gießen. Wenn die Form zu kalt ist, wenn die Knochenasche-Suspension aufgebracht wird, kann das Wasser in der Suspension vor dem Gießen möglicherweise nicht vollständig verdampfen, was Dampf erzeugen kann, der die Beschichtung stören kann. Wenn die Form zu heiß ist, kann die Suspension zu schnell trocknen und reißen, wodurch Kanäle entstehen, durch die geschmolzener Kupfer mit der Formoberfläche in Kontakt kommen kann. Betreiber entwickeln durch Erfahrung ein Gefühl für den richtigen Formtemperaturbereich, aber eine Messung mit einem Kontaktpyrometer von ungefähr 150 bis 250 Grad Celsius zum Zeitpunkt des Aufbringens der Suspension ist ein üblicher Zielbereich.

7. Fallstudie: Gießen von Kupfer-Ventilkörpern

Eine Gießerei in Osteuropa, die Bronzen-Ventilkörper im Sandgussverfahren gießt, hatte Probleme mit ungleichmäßiger Entformung bei einem Ventilkörper-Muster, das einen tiefen, schmalen Kernhohlraum aufwies. Die Standard-Trennmittelmischung erreichte beim Aufstäuben nicht den Boden des Hohlraums, und der Wechsel zu einer sprühbaren Suspension erforderte eine Produktionspause für das Trocknen. Die Gießerei modifizierte ihr Auftragsverfahren, indem sie ein langes Stäubrohr an einem Balgapplikator anbrachte, das es dem Betreiber ermöglichte, Knochenaschepulver in den Boden des Kernhohlraums zu bringen, bevor die restliche Form beschichtet wurde. Das neue Verfahren reduzierte die entformungsbedingten Defekte an diesem Muster von ungefähr 8 % auf unter 2 %, und das Muster wurde trotz seiner schwierigen Geometrie zu einem der verlässlicheren Produktionsgegenstände der Gießerei.

8. Fallstudie: Hochvolumige Produktion von Kupfer-Elektrischen Komponenten

Eine Kupfergießerei, die elektrische Anschlüsse auf einer Hochvolumen-Dauerformlinie produziert, hat Knochenasche-Suspension gegen ihre bestehende kommerzielle Trennbeschichtung in einem 1.000-Zyklen-Versuch getestet. Die Knochenasche-Beschichtung wurde alle 8 bis 10 Zyklen neu aufgetragen, im Vergleich zu jeder 5 bis 7 Zyklen für die kommerzielle Beschichtung, was die Auftragsausfallzeit während der Versuchszeit um ungefähr 15 % reduzierte. Die Oberflächenbeschaffenheit der Gussstücke war zwischen den beiden Beschichtungen vergleichbar, und die Gießerei hat Knochenasche für diese Produktionslinie aufgrund der Produktivitätssteigerung übernommen.

9. Häufig gestellte Fragen

9.1 Wie viel Knochenasche wird typischerweise pro Form bei der Kupfergießerei verwendet?

Die Menge an Knochenasche, die pro Form verwendet wird, hängt von der Formoberfläche und der Auftragsmethode ab. Für eine typische Sandform mit einer Oberfläche von ungefähr 0,3 bis 0,5 Quadratmetern verwendet ein trockenes Abpudern ungefähr 30 bis 50 Gramm Knochenasche-Pulver. Dies entspricht ungefähr 20 bis 30 Kilogramm Knochenasche pro Metrische Tonne gegossenen Kupfers, obwohl der tatsächliche Verbrauch stark je nach Teilgeometrie, Formkonfiguration und Bedienungstechnik variiert.

9.2 Kann die gleiche Knochenasche für verschiedene Kupferlegierungen verwendet werden?

Ja, Knochenasche ist chemisch inert gegenüber allen gängigen Kupferlegierungen, einschließlich Reinkupfer, Messing, Bronze und Kupfer-Nickel. Daher kann die gleiche Qualität von Knochenasche in derselben Gießerei für verschiedene Legierungsfamilien verwendet werden. Die Legierung hat keinen Einfluss auf die Wahl der Knochenasche-Qualität, obwohl der Unterschied in der Gießtemperatur zwischen Reinkupfer und hochzinkhaltigem Messing möglicherweise darauf Einfluss hat, ob die Gießerei für eine bestimmte Legierung lieber trocken bestäubt oder eine Aufschlämmung anwendet.

9.3 Wirkt sich Knochenasche auf die Oberflächenqualität von bearbeiteten Kupfergussstücken aus?

Der Knochenascherückstand auf der Gussstückoberfläche lässt sich leicht durch Standardreinigungsverfahren wie Sandstrahlen, Drahtbürsten oder chemische Reinigung entfernen, und er hinterlässt keinen chemischen Rückstand, der nachfolgende Bearbeitungsvorgänge beeinträchtigen würde. Kupfergussstücke, die mit Knochenasche als Trennmittel hergestellt wurden, weisen nach der Reinigung typischerweise saubere, glatte Oberflächen auf, ohne Kohlenstoffaufnahme oder andere Änderungen der Oberflächenchemie, die die Bearbeitbarkeit oder die Leistung des fertigen Teils beeinträchtigen könnten.

9.4 Wie sollte Knochenasche aufbewahrt werden, um die Anwendungsqualität aufrechtzuerhalten?

Knochenasche sollte in einem trockenen, abgedeckten Bereich in verschlossenen Behältern oder Säcken aufbewahrt werden. Die Einwirkung von Feuchtigkeit lässt das Pulver verklumpen, was eine gleichmäßige Applikation erschwert. Wenn das Material Feuchtigkeit ausgesetzt war und Anzeichen von Verklumpungen zeigt, kann es wiederhergestellt werden, indem es in einem Ofen bei niedriger Temperatur getrocknet und durch ein Sieb gesiebt wird, um die Agglomerate aufzubrechen. Das Material unterliegt bei richtiger Lagerung im Laufe der Zeit keiner chemischen Verschlechterung. Gießereien können daher Bestände führen, ohne sich um die Haltbarkeit zu sorgen.