miniatur|Stahl-Kokillenguss Blockguss ist ein Verfahren zum Gießen von Halbzeug aus Metallen und ihren Legierungen. Vergossen werden Knetlegierungen, statt der Gießerei sonst üblichen Gusslegierungen.
Beim Blockguss wird das flüssige Metall in eine stehende Kokille gegossen und erstarrt in dieser. Die Metallzufuhr kann von oben (fallender Guss) oder von unten erfolgen (steigender Guss). Nach dem Erstarren wird die Kokille gestrippt, d. h. mit einem Kran nach oben abgezogen. Aus diesem Grund sind Gussblöcke immer leicht konisch geformt.
Die Weiterverarbeitung des Gussblockes erfolgt im Walzwerk oder in einer Schmiede.
Blockguss ist inzwischen weitgehend durch Strangguss abgelöst. Das Ausbringen ist beim Blockguss deutlich schlechter und die Produktivität geringer. Daher wird der Blockguss für Produkte eingesetzt, die im Strangguss (noch) nicht produziert werden können, entweder weil die benötigten Abmessungen zu groß sind, die Legierung nicht ausreichend homogen erstarrt (Seigerungen), die Losgrößen zu gering sind oder die Legierung rissanfällig ist.
Wirtschaftliche Bedeutung mini|Kurbelwelle eines Schiffsdiesels Blockguss ist inzwischen durch Strangguss weitestgehend verdrängt worden. Mittels Blockguss werden nur noch ca. 5 % der gesamten Stahlmenge hergestellt. Aber es wird weiterhin für große Schmiedestücke, z. B. Kurbelwellen für Großdiesel mit Gewichten bis 100 t, unabdingbar. Weiterhin werden riss- oder seigerungsempfindliche Stahlsorten als Block gegossen, oder besondere Stahlsorten, für die nur geringe Mengen benötigt werden.
Verfahren Der flüssige und gießbereite Stahl wird aus der Transportpfanne über ein Feuerfestkanal in die Kokillen verteilt. In diesen Kokillen erstarrt der Stahl und wird anschließend aus den Kokillen entnommen (strippen).
Aufbau lang=de|mini|Schema des steigenden Blockgusses Für steigenden Guss wird ein Gespann aufgebaut, mit dem mehrere Kokillen zeitgleich gefüllt werden. Das Gespann besteht aus einer Gespannplatte, dem Kanalsystem aus Feuerfeststeinen, dem Trichter und mehreren Kokillen.
Auf dem Königstein, mit dem die Schmelze verteilt wird, steht der Trichter. In diesem wird aus der Gießpfanne die Schmelze gefüllt. Der Trichter besteht aus einer wiederverwendbaren Dauerform die für jeden Guss mit Feuerfest neu zugestellt wird. Zur mechanischen Stabilisierung wird zwischen dem Feuerfestmaterial und der Dauerform ein Füllsand eingebracht, der gereinigt wieder verwendet werden kann.
Über das Kanalsystem wird der flüssige Stahl in verschiedene Kokillen geleitet.
Bei mehrteiligen Kokillen kann diese aus einem Fuß, der eigentlichen Kokille und einer Haube (umgangssprachlich auch Schädel) bestehen. In der Haube wird seitlich eine thermische Isolierung zur einmaligen Verwendung befestigt.
In den Kokillen wird bereits vor Gießbeginn etwas Gießpulver platziert, entweder mit einem gewissen Abstand eingehängt oder auf den Boden gelegt.
Im fallenden Guss wird jede Kokille einzeln aus der Gießpfanne befüllt.
Ablauf Der flüssige und gießbereite Stahl wird in einer Transportpfanne zum Gießplatz bewegt. Im Boden ist eine Öffnung vorhanden, die mittels hydraulischem Schieber geöffnet wird. Zum thermischen Schutz des Schiebers ist der Zulauf im Feuerfestmaterial mit einem speziellen Schiebersand verfüllt.
Anguss: Zum Angießen wird die Pfanne über eine Angusskokille gefahren und der Schieber geöffnet. Der Schiebersand fällt heraus und im Idealfall fließt der flüssige Stahl heraus. Mit diesem Anguss wird der Schieber angewärmt, so dass später bei kurzen Transportfahrten der flüssige Stahl über dem Schieber nicht einfriert. Kommt nach dem Öffnen des Schiebers nicht direkt der flüssige Stahl, hat sich oberhalb des Schiebers ein fester Stahlpfropfen gebildet, der mittels Sauerstofflanze aufgebrannt werden muss. Die Anzahl der Schieberöffnungen, bei denen ohne Aufbrennen direkt flüssiger Stahl austritt, wird Öffnungsrate genannt.
Gießstrahlschutz: Nach dem Angießen wird mit der Pfanne nacheinander die Kokillen gefüllt. Beim fallenden Blockguss wird die Pfanne über die Kokille gefahren und mit dem flüssigen Stahl gefühlt. Beim steigenden Blockguss (siehe Schema) wird die Pfanne über einen Trichter gefahren. Das System aus Pfanne, Gießstrahl und Trichter fungiert wie eine Strahlpumpe: An der Gießstrahloberfläche wird durch Kollision der Luftmoleküle mit den oberflächennahen Metallatome im Gießstrahl ein Impuls nach unten übertragen und eine Luftschicht wird mitgerissen. Es fehlt der Diffusor, so dass zunächst nur eine Luftkonvektion angeregt wird. Im Stahl ist in der Regel der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff deutlich geringer als deren Löslichkeit, so dass sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff im Stahl gelöst werden. Dadurch entsteht ein Pumpeffekt analog einer Sorptionspumpe. Zur Reduzierung der Stickstoff- und Sauerstoffaufnahme wird der Übergangsbereich mit dem inerten Gas Argon geflutet. Auch Argon löst sich prinzipiell im Stahl bzw. wird gasförmig mitgerissen, ist allerdings kein Legierungsmittel und beeinflusst die Stahleigenschaft nicht (verhält sich inert).
Blockfuß: Der flüssige Stahl hat eine Gießtemperatur größer 1500 °C, während das Feuerfestmaterial und die Kokillen im Gespann deutlich geringere Temperaturen aufweisen (<100 °C). Damit der flüssige Stahl nicht sofort einfriert und die Kanäle verstopft, wird zu Anfang des Gießens eine große Menge an flüssigem Stahl abgegossen. Beim eigentlichen Füllen der Kokillen wird die Gießgeschwindigkeit über die Öffnung des Schiebers reduziert.
Gießgeschwindigkeit: mini|Kommunizierende Röhren beim Stahlblockguss Der Trichter und die Kokillen bilden mit den Kanälen im Unterguss ein kommunizierendes Gefäß mit Strömungswiderständen FW (siehe nebenstehende Grafik). Wird flüssiger Stahl in den Trichter gegeben, fließt dieser mit einem Widerstand in die Kokillen. Dieser Widerstand führt dazu, dass im Trichter die Flüssigkeitssäule um dH höher steht als in den Kokillen. Im Unterguss stellt sich eine Flüssigkeitsströmung ein, um diesen Höhenunterschied auszugleichen. Ist die Gießgeschwindigkeit der Pfanne konstant, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Die Einströmrate aus der Pfanne in den Trichter ist gleich der Ausströmrate aus dem Trichter in die Kokillen. Die Höhendifferenz zwischen Trichter und Kokillen stellt sich gemäß der Strömungswiderstände ein. Ist die Gießgeschwindigkeit zu hoch oder steigt der Strömungswiderstand (z. B. durch Einfrieren eines Kanals), kann es zum Überlaufen des Trichters führen. Die Höhe des Trichters muss so bemessen sein, dass aufgrund des benötigten Höhenunterschieds ein Überlaufen vermieden wird.
Weisen die einzelnen Kanäle im Unterguss zu unterschiedliche Strömungswiderstände auf, führt dies zu unterschiedlich hohen Füllständen in den Kokillen. Bei einer zu starken Reduzierung der Gießgeschwindigkeit beim Übergang zur Haube kann dies zu einem Rückfließen des Stahls aus einzelnen Kokillen führen.
Stehen auf einem Kanal zwei Kokillen hintereinander (wie in nebenstehender Grafik), so ist die Volumengeschwindigkeit dV im Stück zwischen Trichter und ersten Kokille die Summe der in beiden Kokillen einfließenden Volumengeschwindigkeiten dV1/2. Die Erosion des Kanalmaterials hängt von der Relativgeschwindigkeit ab, so dass in diesem Bereich mit einer verstärkten Erosion und damit verbundenen nichtmetallischen Fremdkörpern zu rechnen ist.
Rumpfgießen: Während des Gießens der Kokillen ist die Stahloberfläche mit einem Gießpulver abgedeckt. Das Gießpulver soll u. a. den Kontakt mit Sauerstoff reduzieren. Das Gießpulver ist so gewählt, dass an der Unterseite ein Bereich aufschmilzt und eine dünne Flüssigschicht ausbildet. Diese Schicht soll den Stahl vollständig benetzen. An der Seite zur Kokille wird im Zwischenraum zwischen flüssigem Stahl und Kokille eine dünne Schicht eingezogen und bildet eine Trennschicht aus, so dass Heißverschweißen zwischen beiden Stählen (Block und Kokille) vermieden wird. Das Gießpulver muss von der Zusammensetzung so gewählt sein, dass es ausreichend schnell aufschmilzt und den flüssigen Stahl vollständig benetzt. Ist die Benetzbarkeit nicht ausreichend, reist die Gießpulverschicht auf und kann im schlimmsten Fall zum Verschweißen mit der Kokille führen.
Das Einströmen des Stahls in die Kokille ist zunächst turbulent und führt an der Oberseite zu einer Gießglatze. Die Ausprägung der Gießglatze wird mit zunehmender Füllung der Kokille geringer, bis sie nicht mehr sichtbar ist. Sie hängt von der Einströmgeschwindigkeit und der Einströmgeometrie ab. Je größer die Einströmöffnung ist, desto geringer ist die Gießglatze.
Im Randbereich der Gießglatze kann Gießschlacke im Stahl emulgiert werden. Die emulgierte Gießschlacke weist eine deutlich geringere Dichte auf und würde aufschwimmen. Durch die Konvektionsströmung kann sich die Gießschlacke allerdings im gesamten Block verteilen. Sind die Tropfen zu klein, reicht die Aufstiegsgeschwindigkeit alleine nicht aus, dass die Tropfen innerhalb der Erstarrungszeit aufschwimmen und führen zu nichtmetallischen Einschlüssen im Stahl.
Reicht die Menge an Gießpulver nicht aus, wird zusätzliches Gießpulver nachgestreut.
Haubengießen: Beim Übergang zur Haube wird die Gießgeschwindigkeit noch einmal reduziert. Zum Abschluss wird die Kokille zur besseren thermischen Isolierung nach oben hin abgedeckt. Dies passiert in der Regel mit rein isolierendem Material oder mit exotherm reagierendem Material.
Standzeit: Nach der vollständigen Durcherstarrung des Stahls (die Standzeit wird oft experimentell ermittelt) wird der Block aus der Kokille entnommen. Vor Einsatz im Folgeschritt wird der Block optisch begutachtet und eindeutig gekennzeichnet.
Erstarrung mini|hochkant=2|rechts|Schematischer Querschnitt eines Gußblocks für beruhigt vergossenen (killed) und unberuhigten (rimmed) Stahl
Durch Beruhigen mit Aluminium oder Silizium wir der in der Schmelze vorhandene Sauerstoff gebunden. Im unberuhigten Stahl reagiert der beim Abkühlen freiwerdende Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu gasförmigen Kohlenmonoxid, der in der Kokille aufsteigt.
Bereits während des Gießens erstarrt eine Randschale in der Kokille, so dass am Ende des Gießens bereits ca. 10 % des Stahls erstarrt sind. Hierbei ist die Randschale im Fußbereich dicker als an der Schulter. Zusätzlich zur Konizität der Kokille führt dies zu einem schrägen Verlauf der Erstarrungsfront. Während des Gießens wird durch den Gießstrahl eine Konvektion in der Stahlschmelze gespeist, die nach Gießende nachläuft und später in eine thermische Konvektion übergeht. Die Dichte von flüssigem Stahl weist die übliche Temperaturabhängigkeit auf, so dass kältere Schmelze eine höhere Dichte aufweist und dadurch an der Außenseite absinkt. Die noch wärmere Schmelze in der Mitte wird nach oben befördert.
Stahl weist einen Erstarrungsbereich auf, der durch die Liquidus- und Solidus-Temperatur gekennzeichnet ist. Bei der Erstarrung bildet sich in diesem Temperaturbereich wachsende feste Dendriten aus, zwischen denen sich noch flüssige Restschmelze befindet. Der Raumbereich zwischen beiden Temperaturen ist der Erstarrungsbereich, der von der Topologie wie ein Schwamm aussieht. Zur Solidus-Temperatur hin wird der Schwamm immer dichter und die verbleibenden flüssigen Zwischenräume immer dünner. Bei der Erstarrung nimmt die Dichte deutlich zu bzw. das Volumen nimmt ab. Um die Zwischenräume mit flüssigem Stahl zu füllen, muss Schmelze nachgespeist werden. Reicht der ferrostatische Druck der Restflüssigkeit nicht aus, um den flüssigen Stahl in die Poren zwischen den Dendriten zu drücken, entstehen mikroskopische Hohlräume (Schrumpfungslunker). Der räumliche Abstand zwischen der Liquiduslinie und der Soliduslinie ist in der Blockmitte am größten, so dass hier bevorzugt Mikroporositäten entstehen.