Basismaterialien von Gießerei-Formstoffen sind Formgrundstoffe, bei denen es sich um natürliche mineralische oder synthetische Granulate beziehungsweise Sande handelt. Als Sande bezeichnet man mineralische Stoffe in Größenbereichen von 0,02 bis 2 mm Korndurchmesser. Der Formgrundstoff ist ein Kornhaufwerk mit bestimmten granulometrischen Eigenschaften. Er bildet das Gerüst der Form und dient zugleich als Füllstoff.
Hauptanforderungen sind verwendungsgerechte granulometrische Eigenschaften, hohe thermische Stabilität (Sintertemperatur > 1350 °C), geringe thermische Ausdehnung (möglichst ohne Ausdehnungsanomalien), ausreichende Temperaturwechselbeständigkeit sowie das chemisches Verhalten (Tabelle 1).
Der wichtigste Formgrundstoff ist gegenwärtig Quarzsand. Er ist kostengünstig und bei entsprechender Aufbereitung der Rohsande für alle bekannten Bindersysteme mit wenigen Einschränkungen einsetzbar. Hauptbestandteil ist das Mineral Quarz, eine kristalline Form der Kieselsäure (SiO2). In Abhängigkeit von Temperatur und Druck sind verschiedene SiO2-Modifikationen beständig:
- Tiefquarz – 573 °C Hochquarz; Längenänderung beim Phasenübergang +0,26 bis 0,45 %, reversibel
- Hochquarz – etwa 870 °C Hochtritymit; Längenänderung beim Phasenübergang +5,55 %, irreversibel
- Hochquarz – etwa 1400 °C Hochcristobalit – etwa 1700 °C Schmelze; Längenänderung beim Phasenübergang + 0,066, irreversibel
Der Übergang der einzelnen SiO2-Modifikationen ist mit Volumenänderungen verbunden, welche Auswirkungen auf das Ausdehnungsverhalten der Quarzsande und damit auch auf formstoffbedingte Fehler haben können. Das Bild zeigt das Ausdehnungsverhalten von Quarzsand im Vergleich zu Sanden anderer mineralogischer Zusammensetzung.
In der Praxis finden für hochbeanspruchte Formen oder auch Formpartien eine Reihe weiterer Formgrundstoffe Verwendung, die sich besonders durch höhere Sinterpunkte und geringe Ausdehnungswerte auszeichnen. Ihre Verwendung wird darüber hinaus durch ihren Chemismus und das Reaktionsverhalten bei höheren Temperaturen bestimmt. Die wesentlichsten Materialien sind Quarzgut, Zirkon, Olivin, Chromit, Chrom-Magnesit Granulat und Schamotte (Tabelle 2).
Spezialsande werden anstelle von Quarzsand für die Form- und Kernherstellung dort eingesetzt, wo die geforderten Gussteileigenschaften unter Ausnutzung der chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Sand gezielt beeinflusst werden können.
Zu den Spezialsanden gehören Kerphalite, Bauxitsand, Cerabeads, J-Sand, M-Sand, R-Sand und SiC.
Für spezielle Formverfahren wie beispielsweise für das Genaugießverfahren finden desweiteren Korund (Al2O3) und Schmelzmullit (3Al2O3 · SiO2) als Formgrundstoff Anwendung.
Nach BDG-Richtlinie/VDG-Merkblatt R 201 wird auch Natursand (tonhaltiger Sand), der neben seinem Hauptbestandteil Quarz wechselnde Mengen an Tonmineralien enthält, als Formgrundstoff bezeichnet. Er wird bei ausreichendem Tongehalt als Naturformstoff verwendet.
