Titel: Karmarsch, über das Schwinden der Metalle beim Gießen.
Autor: Karmarsch, Karl
Fundstelle: 1838, Band 67, Nr. LVI. (S. 199–205)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj067/ar067056

LVI. Ueber das Schwinden der Metalle beim Gießen. Von Karl Karmarsch, erstem Direktor der höheren Gewerbsschule in Hannover.

Aus den Jahrbüchern des polytechnischen Instituts in Wien. Bd. XIX. S. 94.

Wenn ein geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird, so füllt es dieselbe aus, so lange es im flüssigen Zustande bleibt. Beim Erstarren, d.h. bei dem Uebergange aus dem flüssigen Zustande in den festen, erfolgt eine Veränderung des Volumens, meist eine Zusammenziehung, bei einigen Metallen jedoch (z.B. Gußeisen, Wismuth) eine Ausdehnung. Durch die fernere Abkühlung verkleinert sich das Volumen der Gußstüke noch um einen gewissen Theil, und im ganz abgekühlten Zustande ist daher der Guß merklich kleiner, als die Höhlung der Gießform war. Man nennt diese Verkleinerung das Schwinden, den Betrag derselben das Schwindmaaß 19) und muß darauf bei der Anfertigung von Gußmodellen Rüksicht nehmen, wenn es auf genaue Größe eines gegossenen Stüks ankommt, wie es z.B. der Fall ist beim Gießen solcher Körper, welche an sich ein bestimmtes Maaß haben, oder mit anderen Stüken von festgesezter Größe zusammenpassen sollen. Die Modelle müssen in solchen Fällen um einen entsprechenden Theil größer gemacht werden, als man den Guß zu erhalten wünscht. Eine genaue Kenntniß der Größe, um welche ein Gußstük schwindet, ist dann am unentbehrlichsten, wenn die Güsse (wie so häufig beim Eisen) keine weitere Bearbeitung erhalten, und also mit dem völlig richtigen Maaße aus der Form kommen müssen. Wenn sie dagegen noch befeilt oder abgedreht werden, so reicht eine annähernde Bestimmung des Schwindmaaßes allerdings hin, da der Größe ohnehin etwas zugegeben werden muß, um jene Bearbeitung zu gestatten. Es muß in solchen Fällen nur darauf gesehen werden, daß der Guß nicht gar zu groß ausfällt, weil sonst unnöthiger Aufwand von Zeit, Mühe und Werkzeugen bei der Ausarbeitung erforderlich würde.

Die Größe des Schwindens hängt von folgenden Umständen ab:

1) Von der Beschaffenheit des Metalls. Nicht nur |200| jedes Metall beobachtet in dieser Beziehung ein eigenthümliches Verhalten, sondern die größeren oder geringeren Verschiedenheiten, welche so oft bei dem nämlichen Metalle vorkommen, sind hier von merklichem Einflusse, wie z.B. die verschiedenen Sorten des Gußeisens. Bei Metallmischungen ist natürlich das Mengenverhältniß der Bestandteile von großer Bedeutung.

2) Von der Temperatur des Metalles beim Gießen. Wenn das Metall bedeutend über seinen Schmelzpunkt erhizt ist, so zieht es sich schon durch die Abkühlung im flüssigen Zustande zusammen, hierauf durch das Erstarren, und endlich noch durch das Ab kühlen im festen Zustande. Je heißer demnach gegossen wird, desto größer ist das Schwinden. Dieser Umstand kann durch den Kopf oder Anguß selten verhindert werden, weil dieser wegen seiner geringen Dike gewöhnlich früher erstarrt, und dann nicht durch Nachsinken die entstehende Leere auszufüllen vermag.

3) Von der Gestalt der Gußstüke. Gegenstände, welche vermöge ihrer Gestalt mehr freien Raum haben, sich zusammen zu ziehen, schwinden mehr als andere; so ein Ring mehr als eine massive Scheibe von gleichem Durchmesser (vorausgesezt, daß das Material der Form etwas nachgeben kann, wie dieß beim Sande der Fall ist). Diese Erscheinung hat offenbar darin ihren Grund, daß der äußerste Umfang, welcher überall mit der Form in Berührung ist, zuerst, und zwar in einem Augenblike erstarrt, wo die inneren Theile noch flüssig sind, und daher die Zusammenziehung der äußeren erschweren, ja zum Theile verhindern.

4) Von der Beschaffenheit der Gießform. Ist diese einiger Maßen weich und nachgiebig, so dehnt der Druk des Metalls ihre Höhlung leicht ein wenig aus, und der Guß fällt – ohne, streng genommen, weniger zu schwinden – größer aus. So werden Güsse in feuchtem Sande etwas größer als (nach den nämlichen Modellen) in getroknetem Sande oder in Lehm. Formen aus lezteren beiden Materialien liefern auch schon darum kleinere Güsse, weil sie selbst beim Troknen in gewissem Grade schwinden, und die Höhlung kleiner zurüklassen als das Modell war. Hohle Stüke, welche über einem Kern gegossen werden, schwinden weniger als massive, weil der Kern sich der Zusammenziehung widersezt.

Ueber das Schwindmaaß der verschiedenen Metalle sind Zahlenangaben nicht bekannt, ausgenommen in Beziehung auf das Gußeisen. Für einige andere Metalle habe ich durch Versuche eine wenigstens annähernde Bestimmung zu erlangen gesucht.

1) Gußeisen. Nach Karsten beträgt das Schwinden des Gußeisens zwischen 1/95 und 1/98 der linearen Abmessungen, und kann |201| im Mittel für gutes graues Eisen auf 1/96 angenommen werden, wiewohl jede Gießerei das Schwindmaaß nach eigenen Beobachtungen an ihrem Eisen auszumitteln hat. Weißes Eisen schwindet mehr als graues. Bei der Anfertigung von Gußmodellen nach Zeichnungen bedient man sich eines eigenen Maaßstabes, welcher auf einer Seite das gewöhnliche Maaß, auf der anderen Seite das um die Schwindung vergrößerte Maaß enthält; mit ersterem wird die Zeichnung, mit lezterem das Modell gemessen. Beträgt z.B. das Schwinden 1/97, so nimmt man, um das vergrößerte Maaß zu erhalten, für jeden Fuß 12 1/8 Zoll des wahren Maaßes, und theilt diese Länge in 12 Zoll u.s.w. ein.

2) Messing. Das Messing schwindet bedeutend mehr als das Eisen, doch ist, nach den oben angegebenen Umständen, das Schwindmaaß sehr verschieden. Ich habe mehrere Gußstüke von verschiedener Gestalt und Glöße, theils in Sand, theils in Lehm gegossen, mit den zum Einformen angewendeten Modellen genau verglichen, und die Abmessungen in folgender Uebersicht zusammengestellt, wobei freilich ein kleiner Theil des Schwindens auf Rechnung der Verkleinerung kommt, welche die Formen beim Troknen erlitten haben. Die Maaße sind in Sechzehnteln eines Zolls angegeben:

Textabbildung Bd. 67, S. 201

Wenn es sich um eine mittlere Bestimmung handelt, so wird man dafür etwa 1/65 bis 1/60 annehmen können.

3) Bronze. Die Mischung aus Zinn und Kupfer schwindet im Allgemeinen nicht so stark als Messing, und desto weniger, je weniger sie Zinn enthält.

a) Glokenmetall, aus 100 Theilen Kupfer und 18 Theilen Zinn:

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Textabbildung Bd. 67, S. 202

b) Kanonenmetall, aus 100 Theilen Kupfer und 12 1/2 Theilen Zinn:

Textabbildung Bd. 67, S. 202

4) Zink, Blei, Zinn, Wismuth. Aus diesen Metallen wurden quadratische Stäbchen in einem offenen eisernen Eingusse gegossen, dessen Vertiefung sehr scharfwinkelig gearbeitet war, so daß die Stäbe eine genaue Messung zuließen. Die Länge der Vertiefung betrug, als der Einguß zum Gießen erhizt war, 129 3/4 Theile; die Stäbe zeigten erkaltet folgende Längen:

Textabbildung Bd. 67, S. 202

Das Schwinden ist, wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, die Wirkung zweier Ursachen, welche einander unterstüzen oder auch theilweise aufheben können: lezteres in jenen Fällen, wo ein Metall beim Festwerden sich ausdehnt. Metalle werden deßhalb am meisten schwinden, wenn sie sich beim Erstarren und beim nachfolgenden Abkühlen stark zusammenziehen; am wenigsten hingegen, wenn sie sich beim Erstarren ausdehnen, beim Abkühlen wenig zusammenziehen.

Für die praktische Gießerei ist das Schwinden in zwei Hinsichten wichtig: 1) wegen genauer Vorausbestimmung der Größe der |203| Güsse; 2) wegen der Schärfe der Güsse. Ein Metall könnte denkbarer Weise stark schwinden und dennoch gut die Eindrüke der Form annehmen, wenn nämlich das Schwinden hauptsächlich oder ganz auf Rechnung des Erkaltens käme, wo die Züge oder Verzierungen auf dem Gusse schon da sind und nur sich verkleinern, ohne stumpf zu werden. Dieser Fall wird hauptsächlich bei strengflüssigen Metallen eintreten können, die von dem hochliegenden Schmelzpunkte an bis zum gänzlichen Erkalten natürlich eine starke Zusammenziehung erleiden. Umgekehrt kann ein wenig schwindendes Metall stumpfe Güsse liefern, wenn das Schwinden zum großen Theile schon beim Erstarren Statt findet, und die Zusammenziehung beim Erkalten nur gering ist (wie bei leichtflüssigen Metallen).

Diese Bemerkungen sollen durch folgende Auseinandersezung erläutert werden.

1) Gußeisen. Nach Daniell liegt der Schmelzpunkt des Gußeisens bei 1224° R. Die lineare Ausdehnung kann nach den Untersuchungen von Roy zu 0,00001387 für jeden Grad R. genommen werden, was für 1224° beträgt 0,01697688; oder nahe 1/59; das nach dem Schmelzen eben erstarrte Gußeisen muß sich folglich um 1/60 bis zum gänzlichen Erkalten zusammenziehen, wobei (freilich gegen die Erfahrung, doch ohne Nachtheil für das Wesentliche der Betrachtung) die Ausdehnung als gleichförmig bei allen Temperaturen angenommen ist. Nun lehrt die Beobachtung, daß das Schwinden des Gußeisens nur etwa 1/96 beträgt, mithin bedeutend geringer ist, als die eben berechnete Zusammenziehung beim Erkalten. Man muß hieraus schließen, daß das Eisen im Erstarren selbst sich ausdehnt; und die Erfahrung bestätigt dieß, da man weiß, daß auf schmelzendem Gußeisen die noch ungeschmolzenen Stüke desselben Eisens schwimmen, folglich das Metall im festen Zustande (aber bis nahe zum Schmelzpunkte erhizt) specifisch leichter ist, als im geschmolzenen Zustande. Läßt man die oben aufgestellten Zahlen gelten, so muß die Ausdehnung des erstarrenden Eisens 36/5664 oder nahe 1/157 betragen. Mißt nämlich bei dieser Voraussezung die Höhlung in der Gießform 5664 Theile in der Länge, so verlängere sich das Gußstük um 36, d.h. auf 5700 Theile, welche dann, um 1/60 beim Abkühlen sich zusammenziehend, zulezt noch ein Maaß von 5605 Th. hinterlassen. Diese 5605 sind aber 95/96 von der zu 5664 angenommenen Dimension der Form, und daher hat das wirkliche Schwinden nur 1/96 betragen. Vermöge seiner Ausdehnung beim Erstarren liefert das Eisen, weil es gewaltsam in die kleinsten Vertiefungen der Form hineindringt, so äußerst scharfe und vollkommene Abgüsse.

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2) Messing. Die Schmelzhize desselben ist im Mittel auf 730° R. anzunehmen; die lineare Ausdehnung beträgt (nach Smeaton) 0,001875 für den Temperaturunterschied von 0° bis 80° R., folglich 0,00002344 für jeden Grad, oder 0,0171112 = etwa 1/59 oder 1/58 bis zum Schmelzpunkte, von wo also die Zusammenziehung beim Erkalten ungefähr 1/60 beträgt, wie beim Eisen. Dieß kommt der mittleren Schwindung des Messings so nahe, daß offenbar keine, oder nur eine sehr unbedeutende Ausdehnung des Messinggusses durch das Erstarren angenommen werden kann. Deßhalb liefert auch das Messing stets viel minder scharfe Abgüsse als das Eisen.

3) Zink. Der Schmelzpunkt dieses Metalls fällt auf 329° R. Von 0° bis 80° dehnt sich das Zink (nach Horner) um 0,002968, folglich bis zum Schmelzen um 0,012206, d.h. 1/82 aus. Die Zusammenziehung während des Erkaltens beträgt demnach 1/83. Da das Schwinden aber auf 1/62 steigt, so folgt, daß schon durch die Erstarrung eine Volumsverminderung eintreten muß, welche man in der That beim Gießen sehr deutlich bemerkt. Auch Marx hat dieß beobachtet. Die Zusammenziehung des erstarrenden Zinks ist um so merkwürdiger, als die starke Krystallisation gerade das Gegentheil vermuthen lassen sollte. Zink kann demnach keine scharfen Güsse liefern. Berechnet man aus vorstehenden Daten die Zusammenziehung beim Erstarren, so findet man sie = 1/242; ziehen sich nämlich 5084 Längentheile, die das Metall im flüssigen Zustande einnimmt, durch die Erstarrung auf 5063, und diese durch das folgende Abkühlen auf 5002 zusammen.

4) Blei. Da das Blei von 0° bis 80° um 0,002902 (nach Horner) sich ausdehnt, so kann seine Ausdehnung bis zum Schmelzpunkte (258° R.) auf 0,009359 = 1/107 angenommen werden, oder die Zusammenziehung durch das Erkalten auf 1/108. Die Schwindung beträgt 1/92, und es scheint daher schon durch das Erstarren eine Verkleinerung, wenigstens keine Ausdehnung, Statt zu finden. Andere Beobachtungen stimmen damit überein.

5) Zinn. Horner fand die Ausdehnung des Zinns von 0° bis 80° = 0,002093, was bis zur Schmelzhize (182° R.) 0,0047616 oder 1/210 beträgt. Die Zusammenziehung durch das Erkalten ist demnach = 1/211; und da das Schwinden im Durchschnitte 1/147 beträgt, so muß nothwendig schon das Erstarren eine Verkleinerung des Volumens hervorbringen. Daher erhält man von Zinn, ungeachtet es sehr wenig schwindet, keine sehr scharfen Abgüsse.

6) Wismuth. Von 0° bis 80° beträgt die Ausdehnung des Wismuths (nach Smeaton) 0,00139167, folglich bis zu 199°, wo es schmilzt, 0,00346178 oder 1/289. Die Zusammenziehung, welche |205| vom Erkalten allein herrührt, ist demnach = 1/290. Hiemit stimmt die Schwindung (1/265) so nahe überein, daß man beide für gleich ansehen darf. Dieß beweißt, daß beim Erstarren des Wismuths keine Zusammenziehung Statt findet. Ob im Gegentheile eine Ausdehnung eintritt, konnte bei dem Gießen in einer unnachgiebigen eisernen Form nicht an der Länge der Stäbe bemerkbar werden. Versuche Anderer lassen jedoch keinen Zweifel darüber.

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Gußstüke von einiger Dike schwinden nicht immer in allen ihren Theilen gleichförmig, sondern sinken oft an einer Stelle vorzugsweise bemerkbar ein, wodurch eine Vertiefung entsteht. In der Kunstsprache der Gießer heißt diese Erscheinung das Saugen. Einen ähnlichen Ursprung haben die Höhlungen im Inneren mancher Gußstüke (z.B. der bleiernen Gewehrkugeln), welche entstehen, wenn das Innere erstarrt und sich dabei zusammenzieht, nachdem die Oberfläche schon fest geworden ist.

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