Form- und Kernschlichten nehmen seit je eine Sonderstellung unter den Gießereihilfsstoffen ein. Auf der einen Seite beansprucht die Tätigkeit des Schlichtens nur eine sehr geringe Zeit des Gießers. Daraus resultiert oft die Tatsache, daß der Schlichte und dem Schlichten nicht die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt wird wie anderen Tätigkeiten in der Gießerei. Auf der anderen Seite steht die Schlichte während der gesamten Formgebung in direktem Kontakt mit dem herzustellenden Gußstück. Sie beeinflußt nicht nur sein Aussehen, sondern auch die metallurgische Beschaffenheit seiner Oberfläche. Daher erscheint eine ausführliche Beschäftigung mit Form- und Kernschlichten gerechtfertigt zu sein.

Die in der Literatur vorgeschlagenen Prüfungsverfahren für Schlichten [1,2] beziehen sich meist auf die Produkte im Anlieferungszustand. Diese Prüfungsverfahren sind zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität, z. B. im Rahmen von Qualitätssicherungsprogrammen unabdingbar. Allerdings geben sie allein keinen Aufschluß über das Verhalten entsprechender Schlichten im Einsatz unter Gießbedingungen. Hinweise und Kriterien zur Bewertung von Formstoffüberzügen bei Gießtemperaturen sind in der Literatur nur spärlich vorhanden, z. B. in [3, 4]. Daher sollen die im folgenden Beitrag beschriebenen elektronenmikroskopischen Untersuchungen dazu beitragen, die Kenntnisse auf diesem Gebiet zu erweitern. Gleichzeitig soll damit eine Anregung gegeben werden, auch die Rasterelektronenmikroskopie (REM) als Untersuchungsmöglichkeit verstärkt zur Bewertung von Schlichten einzusetzen.
 

Form- und Kernschlichten sind Suspensionen feuerfester Füllstoffe, mit denen Formen (Kokillen) oder Formstoffe (Sandformen und -kerne) beschichtet werden. Sie sind daher zu allererst als Trennmittel anzusehen und sollen ein gutes Lösen der gegossenen Werkstücke von den Formen bzw. den Formstoffen ermöglichen. Gleichzeitig soll durch den Einsatz von Schlichten das Aussehen der Oberfläche von Gußstücken verbessert werden. Auch sollen Gußfehler, wie Sandausdehnungsfehler und Penetrationen des flüssigen Metalls in den Formstoff, und die damit verbundenen Vererzungen vermieden werden [5,6]. Weiterhin ist es bei manchen Anwendungen erwünscht, die Randbereiche von Gußstücken durch den Einsatz spezieller Schlichten metallurgisch zu beeinflussen [7].
 

Aufgrund obiger Anmerkungen ist es verständlich, daß im folgenden der Kontaktbereich Gießmetall - Formstoff bzw. Gießmetall - Schlichte Formstoff von besonderem Interesse ist. Auch ist es notwendig, die Schlichte auf geschlichteten, aber noch nicht abgegossenen Formstoffen zu betrachten. Hierzu werden Anschliffe von geschlichteten Formstoffen wie auch von Gußstücken hergestellt. Um den Übergang Gußstück - Schlichte - Formstoff in einem Präparat betrachten zu können, werden diese Proben ungeputzten Gußstücken entnommen. Diese Betrachtungen werden ergänzt durch einige Elementverteilungsbilder und durch Abbildungen dreidimensionaler Proben.

Die hier beschriebenen Proben stammen aus der betrieblichen Praxis. Daher sind die Versuchsbedingungen, gemessen an den Ansprüchen von Laborversuchen, nicht exakt nachvollziehbar. So sind z. B. die Gießtemperaturen nicht immer mit der hinreichenden Genauigkeit bekannt. Daher handelt es sich hier nicht um eine systematische Untersuchung. Vielmehr sind einige markante Fälle zur Demonstration ausgewählt worden. Trotz dieser Einschränkungen veranschaulichen die nachfolgenden Beispiele, wie sich Schlichten unter realen Einsatzbedingungen verhalten.
 

Bild 2. REM-Auf- nahme (Sekundär- elektronen) einer Vererzung von Gußeisen mit Lamellengraphit, Ausschnitt aus Bild 1

Bild 3. Element- verteilung Fe_Ka von Bild 2

Wird auf den Einsatz von Schlichten verzichtet oder unzureichend geschlichtet, so dringt die Schmelze während des Abgusses in die Poren des Formstoffes ein, und Randbereiche des Formstoffes werden mit Schmelze durchsetzt. Diese Vererzung hat zur Folge, daß ein Teil des Formstoffes äußerst fest mit dem Gußstück verbunden ist. Eine Entfernung ist nur mechanisch und mit sehr großem Aufwand möglich [8]. Das Ausmaß dieser Infiltration, d. h. die Tiefe des Eindringens der Schmelze in den Formstoff, wird in erster Linie durch den ferrostatischen Druck und durch die Größe der Poren des jeweiligen Formstoffes bestimmt [9,10]. Aber auch die Oberflächenspannung der Schmelze sowie ihr ferrodynamischer Druck dürften hierzu einen nicht zu unterschätzenden Beitrag leisten.

In Bild 1 ist der Anschliff einer Vererzung in einer REM-Aufnahme zu sehen. Auf der rechten Seite befindet sich das Gußstück (Gußeisen mit Lamellengraphit). Auf der linken Seite sind einige Sandkörner auszumachen, die dem furanharz-gebundenen Formstoff entstammen. Die Sandkörrner werden teilweise von der Eisenschmelze umschlossen. Die Vererzung weist in diesem Fall eine Stärke von ca. 0,6mm bis 1,0mm auf. Es fällt auf, daß die Poren des Formstoffs hier nicht vollständig mit der Schmelze verfüllt sind. Die Ursache hierfür kann zum einen auf einen geringen ferrostatischen Druck zurückgeführt werden, der die Schmelze nicht genügend in den Formstoff eindringen läßt. Andererseits kann auch die Oberflächenspannung des Gießmetalls so hoch gewesen sein, daß die kleineren Poren des Formstoffes nicht verfüllt werden. Auch muß hier mit einer Abkühlung und damit verbundenen Erstattung der Schmelze gerechnet werden, weiche ebenfalls eine vollständige Verfüllung der Zwischenräume des Formstoffes verhindert. Dies kann vor allem beim Vergießen kleinerer Schmelzmengen auftreten. Bei geänderten Temperatur- und Druckbedingungen können die Poren eines Formstoffes bei einer Vererzung einen anderen Füllgrad aufweisen.

Bild 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Mitte des Bildes 1. Die Vererzungen weisen graue Säume in einer Breite von 15µm bis 20µm auf Sie enthalten neben dem Eisen Phosphor, welcher der Phosphorsäure des Bindersystems entstammt. Der Eisengehalt in diesen Säumen ist deutlich niedriger als im Inneren der Vererzungen. Dies ist auch in Bild 3 sichtbar, welches die Elementverteilung von Fe_Ka von Bild 2 zeigt. Auch finden sich an einigen Sandkörnern ebenfalls Teile von Säumen. Sie entstehen durch die Bildung von Eisensilicaten aus dem Quarzsand des Formstoffes und der Eisenschmelze während des Abgusses. Es ist mit der Bildung von Fayalit (Fe₂SiO₄) zu rechnen. Daher sind im Elementverteilungsbild neben den Vererzungen auch teilweise die Konturen der Sandkörner auszumachen, welche Eisen enthalten. Besonders das Sandkorn in der Mitte des oberen Drittels des Bildes 2 zeigt an seiner unteren Seite einen deutlichen Saum. Dieser ist im Elementverteilungsbild (Bild 3) wiederzufinden. Die Eisensilicate stellen als Phasenneubildung eine Bindung zwischen dem Formstoff und dem Gußstück dar, die nur mit hohem mechanischen Aufwand getrennt werden kann. Diese Gußfehler sollen durch die Anwendung von Schlichten vermieden werden.
 

Bild 5. REM-Auf- nahme (Sekundär- elektronen) eines geschlichteten Cold- Box-Formstoffes, Ausschnitt aus Bild 4

Bild 6. REM-Auf- nahme (Sekundär- elektronen) eines geschlichteten Cold- Box-Formstoffes, Ausschnitt aus Bild 5

In Bild 4 ist ein geschlichteter, coldbox-gebundener Formstoff wiedergegeben. Auf der gekrümmten Fläche ist deutlich erkennbar, daß die poröse Oberfläche des Formstoffes durch die Schlichte geschlossen und damit geglättet wird. Im vorderen Bereich der Probe wurde ein Teil des Formstoffes entfernt, um einen Blick in sein Inneres zu ermöglichen. Für diese Untersuchungen wurde eine Schlichte gewählt, welche als Hauptbestandteile Pyrophyllit, Kaolin und Muskovit enthält. Die Trägerflüssigkeit besteht aus Alkohol (2-Propanol). Die Schlichte wird in einer Schichtdicke von 0,20mm bis 0,25mm durch Tauchen aufgetragen und bei 105°C getrocknet. Es findet noch keine thermische Belastung durch Abgießen statt. Im Vordergrund des Bildes 4 ist zu erkennen, daß die Schlichte ca. 1mm tief in den Formstoff eindringt. Dabei werden die Poren zwischen den Sandkörnern teilweise gefüllt. Die tiefer gelegenen Sandkörner weisen auf ihren Oberflächen keine Partikel auf, die der Schlichte entstammen. Es sind hier lediglich Reste der aufgebrochenen Binderbrücken sichtbar. Bild 5 stellt einen Ausschnitt aus Bild 4 dar. Hier ist ebenfalls deutlich zu sehen, daß die Zwischenräume zwischen den Sandkörnern teilweise mit Feuerfeststoffen gefüllt sind, die der Schlichte entstammen. Bild 6 zeigt einen Ausschnitt aus Bild 5 in noch stärkerer Vergrößerung. In einer Matrix aus Pyrophyllit und Kaolin ist Muskovit als plättchenförmiges Mineral eingelagert.

In der Literatur wird immer wieder diskutiert, wie tief eine Schlichte in den Formstoff eindringen sollte [11, 12]. Auf der einen Seite wird die Meinung vertreten, eine Schlichte solle eine Trennschicht bilden, die lediglich auf dem Formstoff aufgebracht ist. Ein Eindringen in den Formstoff sei unerwünscht. Auf der anderen Seite wird eine deutliche und starke Penetration von Schlichten in den Formstoff befürwortet mit der Begründung, daß so auch die tiefer gelegenen Sandschichten geschützt werden sollen. Aufgrund der Porosität der Formstoffe ist es grundsätzlich nicht zu vermeiden, daß Bestandteile einer Schlichte in den Formstoff eindringen. Dieser Effekt wird im wesentlichen durch die Oberflächenspannung der Trägerflüssigkeit der Schlichte und durch die Kapillarwirkung des Formstoffes hervorgerufen. Einige Auftragsverfahren, die eine starke Verdünnung von Schlichten verlangen, begünstigen diesen Effekt. Hier dürfte unter anderem das Tauchen zu nennen sein. Eine zu geringe Penetration kann möglicherweise eine zu geringe Haftung der Schlichte auf dem Formstoff nach sich ziehen. Bei einer starken Penetration dagegen besteht die Gefahr, daß nahezu der gesamte Anteil der feuerfesten Füllstoffe der Schlichte in den Formstoff eindringt und daß dann die Oberfläche des Formstoffes nicht mehr ausreichend geschützt ist. Außerdem können hier Schwierigkeiten bei der Trocknung der Schlichte in den unter der Oberfläche gelegenen Teilen des Formstoffes entstehen. Auch kann bei zu starker Penetration die Gasdurchlässigkeit der Formstoffe in ihrem Außenbereich in ungünstiger Weise beeinflußt werden. Das Optimum der Penetration von Schlichten in Formstoffen scheint bei den heute üblichen kunstharzgebundenen Sanden bei ca. 0,7mm bis 1,0mm zu liegen.
 

Bild 8. Anschliff eines geschlichteten Coldbox- Formstoffes, REM-Aufnahme (Sekundärelektronen), Ausschnitt aus Bild 7

Bild 8 ist ein Ausschnitt aus Bild 7 und zeigt die Schlichte in stärkerer Vergrößerung. Im oberen Bereich dieses Bildes sind noch Teile der Sandkörner des Formstoffes zu erkennen. Diese Aufnahme ist hinsichtlich der Vergrößerung mit der von Bild 6 vergleichbar. Zuerst fallen hier die leistenförmigen Minerale auf. Dies ist Muskovit, der senkrecht zu seiner plättchenförmigen Ausbildung angeschnitten wird. Diese Leisten weisen eine Länge von bis zu 150µm auf. Sie zeigen eine deutliche Einregelung parallel zur Oberfläche des Formstoffes. Dadurch bilden sie eine Barriere, die den Formstoff vor den Einwirkungen des Gießmetalls schützt. Weiterhin können grobkörnige Pyrophyllitteilchen mit einer Längsausdehnung von ca. 60µm im unteren, linken Bereich des Bildes ausgemacht werden. Im wesentlichen liegt jedoch der Pyrophyllit in einer Korngröße vor, die deutlich unter der des Muskovits liegt. Auch der Pyrophyllit zeigt als Schichtsilicat eine entsprechende Einregelung parallel zur Oberfläche des Formstoffes. Aus den Bildern 7 und 8 wird deutlich, daß eine Schlichte sowohl grobkörnige wie auch feinkörnige Bestandteile enthalten sollte. Während sich die grobkörnigen Partikel vorwiegend in der äußeren Schlichteschicht auf dem Formstoff befinden, füllen die feinteiligen Bestandteile zusätzlich noch die Poren an der Oberfläche des Formstoffes. Auch sind es im wesentlichen die feinkörnigen Bestandteile, die in den Formstoff penetrieren. Aus Bild 8 ist weiterhin zu erkennen, daß eine Schlichte, soweit sie noch keiner thermischen Belastung ausgesetzt wird, keinen geschlossenen Film bildet, sondern in einem lockeren Verband von feuerfesten Füllstoffen vorliegt. Die Füllstoffe werden im wesentlichen durch geringe Anteile an Bindemitteln wie Kunstharze gebunden. Die hier zu erwartende Gasdurchlässigkeit ist von der gießtechnischen Seite her gesehen wünschenswert.
 

Nachstehend werden einige Schlichten betrachtet, die bereits durch einen Abguß thermisch belastet sind. Als Gießmetall werden Gußeisen mit Lamellengraphit und Gußeisen mit Vermiculargraphit gewählt. Die getrockneten Schlichten werden während des Abgießens Gießtemperaturen von ca. 1350°C bis 1400°C ausgesetzt. Durch diese Temperaturbelastung werden die Inhaltsstoffe von Schlichten verändert. Es finden im wesentlichen die folgenden Reaktionen statt:

1. Die organischen Bestandteile - dies sind in erster Linie Bindemittel und suspensionsstabilisierende Stoffe, aber auch andere Additive - werden bei Temperaturen bis 400°C zerstört. Die entstehenden Crack-Produkte gehen in die Gasphase über und können sich an den kälteren Stellen der Form niederschlagen. 

2. Bei Temperaturerhöhung zeigen die Schichtsilicate Entwässerungsreaktionen, die im Temperaturbereich von ca. 100°C bis 750°C ablaufen können. Bei diesen Zerfallsreaktionen bricht das Kristallgitter zusammen, und es zeigt sich eine Wärmetönung. So verliert z. B. der Montmorillonit zwischen 100°C und 200°C das Zwischenschichtwasser. Im Bereich von 500°C bis ca. 750°C tritt eine fast vollständige Entwässerung aller Schichtsilicate ein, die sich durch den Verlust der OH^--Gruppen bemerkbar macht. Die OH^--Gruppen gehen ebenfalls in die Gasphase über. Der genaue Temperaturbereich ist von der Teilchengröße, vom Kristallisationsgrad sowie von der chemischen Zusammensetzung der einzelnen Schichtsilicate abhängig.

3. Ab etwa 800°C bilden die Schichtsilicate wasserfreie Hochtemperaturphasen. So ist beispielsweise beim Kaolin ab etwa 1100°C mit der Bildung von Mullit (3Al₂O₃^.2SiO₂) zu rechnen. In Abhängigkeit von der jeweils vorherrschenden Temperatur und dem Chemismus des Ausgangsmaterials können bei Anwesenheit von Aluminium und Magnesium auch Spinell (MgAl₂O₄) oder bei Anwesenheit von Magnesium Enstatit (Mg₂Si₂O₆) oder Cordierit (Mg₂Al₃[AlSi₅O₁₈]) gebildet werden. Muskovit zeigt als Hochtemperaturphase Spinell; bei weiterer Temperaturerhöhung können Mullit und schließlich eine alkalimetallreiche Schmelze entstehen.
 

Bild 11. Anschliff eines geschlich- teten, furanharz- gebundenen Formstoffes nach dem Abgießen, REM-Aufnahme (Sekundärelektronen)

Bild12. Element- verteilung Si_Ka von Bild 11

Bild 14. Anschliff einer Schlichte aus Pyrophyllit und Muskovit nach dem Abgießen, REM- Aufnahme (Sekundärelektronen)

Bild15. Element- verteilung Si_Ka von Bild 14

Bild 14 zeigt einen Anschliff einer Schlichte, bestehend aus Pyrophyllit mit deutlichen Anteilen an Muskovit. Hier ist nahezu die gesamte Schlichte gesintert. Dieser Überzug ist auch von zahlreichen Poren durchsetzt und liegt in einer Stärke von ca. 0,1mm vor. Bild 15 zeigt die Elementverteilung für Si_Ka von Bild 14. Im rechten Teil des Bildes ist ein Sandkorn des Formstoffes deutlich an seinem hohen Siliciumgehalt zu erkennen. Zwischen Formstoff und Gußstück befindet sich die Schlichte. Sie besteht im wesentlichen aus siliciumhaltigen Mineralen. Außerdem sind hier zwei siliciumreiche Körner im Schlichteüberzug enthalten. Eines befindet sich am Kontakt zum Gußstück, ein weiteres ist oberhalb des Sandkornes des Formstoffes sichtbar. Hierbei kann es sich um Quarz handeln, der den Rohstoffen entstammt. Auch besteht die Möglichkeit, daß die Schlichte vor dem Auftrag mit Sandkörnern des Formstoffes verunreinigt wurde. Dies kann z. B. in einem offenen Tauchbecken geschehen.
 

Bild 17. REM-Auf- nahme (Rückstreu- elektronen) einer Zirkon-Schlichte

Bild19. Element- verteilung Si_Ka von Bild 18

Bild 20. REM-Auf- nahme (Rückstreu- elektronen) eines Überganges Guß- stück-Schlichte einer aufschmelzenden Schlichte

Bild 21. REM-Auf- nahme (Rückstreu- elektronen) eines Überganges Guß- stück-Schlichte einer aufschmelzenden Schlichte, Ausschnitt aus Bild 20

Es wurden elektronenmikroskopische Untersuchungen an Form- und Kernschlichten durchgeführt. Hierzu wurden sowohl Anschliffe wie auch dreidimensionale Präparate hergestellt. Dabei wurden die Schlichten in thermisch unbelastetem Zustand, d. h. vor dem Abgießen, wie auch nach einer thermischen Belastung durch das Abgießen betrachtet. So kann mit diesen Untersuchungen ihre Wirkungsweise beurteilt werden.

Im thermisch unbelasteten Zustand ist es möglich, Aufbau und Textur einer Schlichte auf dem Formstoff zu studieren. Hierfür wird ein Beispiel gegeben. Weiterhin wird gezeigt, daß sich Schlichten bei Temperaturbelastung unterschiedlich verhalten können. je nach Zusammensetzung könneu sie mehr oder weniger stark sintern. Sie können jedoch auch in Abhängigkeit von ihrem Chemismus nahezu vollständig aufschmelzen und einen glasartigen Film bilden. Je nach Anwendungsfall können das eine oder andere Extrem oder auch Zwischenstufen erwünscht sein. Sie lassen sich durch entsprechende Formulierungen gezielt einstellen. Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen ermöglichen somit, Schlichten unter realen Einsatzbedingungen zu beurteilen, was mit den bisher im allemeinen durchgeführten Prüfversuchen an den Schlichten im Anlieferungszustand nicht möglich ist. Diese Untersuchungen sollten jedoch nicht isoliert betrachtet werden, sondern bedürfen der Korrelation mit den Ergebnissen anderer Untersuchungsmethoden. Nur so kann ein vollständiges Bild des Verhaltens von Form- und Kernschlichten gewonnen werden.
 

Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Grenzfläche Guß Schlichte - Formstoff ermöglichen es, die Wirkungsweise von Schlichten unter realen Gießbedingungen zu beurteilen. Hierzu wurden einige Anschliffe sowie dreidimensionale Proben hergestellt und mit Hilfe der Elektronenmikroskopie untersucht. Das Verhalten von Form- und Kernschlichten sowohl vor als auch nach dem Abgießen wird diskutiert und mit Hilfe einiger REM-Aufnahmen belegt.
 

[1] Prüfung von Formüberzugstoffen. VDG-Merkblatt P 79. Verein Deutscher Gießereifachleute, Düsseldorf, März 1976.
[2] Test Procedures for Refractory Coatings. Modern Casting (1987) 7, S. 42; (1987) 8, S. 38; (1987) 9, S. 50; (1987) 10, S. 44; (1987) 11, S. 46.
[3] Form- und Kernüberzüge, Eigenschaften und Kriterien. VDG-Merkblatt R 151. Verein Deutscher Gießereifachleute, Düsseldorf, Februar 1975.
[4] Test Procedures for Refractory Coatings. Modern Casting (1987) 12, S. 36-37.
[5] Form- und Kernüberzüge, Aufbau, Aufbereitung und Verarbeitung. VDG-Merkblatt R 150. Verein Deutscher Gießereifachleute, Düsseldorf, August 1975.
[6] Roland, P R.. Schlichten und Formstoffehler. Gießerei-Praxis (1970) 5, S. 65-73.
[7] Roll, F.: Überzugsstoffe und Überzüge (Schwärze, Schlichte u. a.). GießereiPraxis (1971) 5, S. 79-88.
[8] Levelink, H. G., und F. P. Julien: Bessere Form- und Kernschlichten verringern den Gußputzaufwand. Giesserei 66 (1979) 12, S. 456-459.
[9] Mix, G.: Schlichte für Stahlgußformen. Gießerei-Praxis (1966) 6, S. 85-92.
[10] Walter, C., W. Gärtner und W. Siefer: Analyse der Putzkosten bei Stahlguß. Ursachen und Maßnahmen. Teil 5. Penetrationen. Giesserei 73 (1986) 21, S. 612-620.
[11] Vingas, G.: Should You be Using a Zircon Water Base Coating? Modern Casting (1982) 3, S. 43-46.
[12] Davies, J. M.: A new generation of foundry coatings. Foundry Practice (1980) 201, S. 2-3.
[13] Oelmann, H., und D. Unger: Prüfung von Schlichten für Gußeisen mit Lamellengraphit. Giesserei 56 (1969) 5, S. 105-112.
[14] Baier, J.: Form- und Kernüberzüge bei der Herstellung von Fahrzeugmotorenguß. Giesserei 59 (1972) 5, S. 146-151.