Druckgießen

Druckguss ist ein industrielles Gussverfahren für die Massenproduktion von Teilen. Hierfür kommen in der Regel metallische Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt zum Einsatz.

Druckgussteil aus Zink

Beim Druckguss wird die flüssige Schmelze unter hohem Druck von circa 10 bis 200 MPa und mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von bis zu 120 m/s in eine Druckgussform (Gussform) gedrückt, wo sie dann erkaltet. Das Besondere am Druckgussverfahren ist, dass mit einer Dauerform, d. h. ohne Modell, gearbeitet wird. Dadurch fällt bei einer Serie gleicher Bauteile die Formherstellung nur einmal an, allerdings bei wesentlich höherem Herstellungsaufwand. Damit wird eine hohe Mengenleistung erzielt, insbesondere bei einer Warmkammer-Druckgießmaschine (WKM), bei der sich der Gießbehälter und somit auch der Schubzylinder ständig in der Schmelze befinden (nur bei sehr niedrigschmelzenden Metallen möglich).

Das Druckgießen steht in Konkurrenz zum Spritzgießen mit Kunststoffen. Metallische Werkstoffe haben im Einzelfall Vorteile, die den Markt für Druckgussartikel sichern.

Die am häufigsten verwendeten Werkstoffe sind

• Aluminium (Aluminiumdruckguss),
• Zink (Zinkdruckguss) und
• Magnesium (Magnesiumdruckguss).

Eigenschaften

Druckgießteile besitzen glatte, saubere Flächen und Kanten. Des Weiteren erlaubt dieses Verfahren geringere Wandstärken als andere Verfahren. Bei Zink zum Beispiel können die Teile eine Wandstärke von 1 mm und bei Aluminium von 1,4 mm, in Ausnahmefällen sogar unter 1 mm haben.

Die erreichbaren Toleranzen liegen bei ± 0,05 bis ± 0,15 mm, so dass auch von einem Genau- oder auch Fertigguss gesprochen wird. Bei großen Gussteilen benötigt man jedoch etwas größere Toleranzen.

Dabei ist es möglich Teile aus anderen Werkstoffen, wie z. B. Buchsen, Gewindebolzen oder Stifte mit einzugießen. Innengewinde werden unmittelbar mit drehbaren Stahlkernen hergestellt, welche dann später wieder entfernt werden können. Im Gegensatz zu anderen Verfahren nennt man den Abguss hier „Schuss“. Es ist möglich bis zu 300 Schüsse pro Stunde durchzuführen. Je nach Gießwerkstoff beträgt die Standmenge der Formen bis 2.000.000 Schüsse (Zinklegierungen).

Bei Aluminium werden Standzeiten von ca. 80.000 bis 200.000 Schuss erreicht. Lange galt Aluminium-Druckguss als nicht geeignet zum Schweißen und zur Wärmebehandlung. Inzwischen ist es in aufwendigen Untersuchungen gelungen, Aluminium-Druckguss schweißgeeignet und wärmebehandelbar herzustellen. Jedoch ist es für diese Eigenschaften notwendig, bei der Konstruktion die Anforderungen des Verfahrens zu berücksichtigen.

Geschichte

Das Druckgießverfahren wurde Anfang des 20. Jahrhunderts in den USA unter dem Namen „Spritzguss“ bekannt. Auch die Begriffe „Pressguss“ und „Fertigguss“ waren gebräuchlich. Heute wird nur noch die zutreffendste Bezeichnung „Druckguss“ angewendet.

Bekannte europäische Unternehmen, die Druckgussmaschinen herstellen, sind unter anderem ITALPRESSE, Müller Weingarten (Zum 1. Dezember 2007 übernahm die Oskar Frech GmbH + Co. KG den Bereich Druckgießtechnik vom einstigen Wettbewerber Müller Weingarten AG.), Oskar Frech oder Bühler.

Druckgießmaschine

üblicher Aufbau:Druckgießmaschinen bestehen aus einer Formschließeinheit, welche dem Öffnen und Schließen der Druckgießform dient. Weitere Bestandteile sind:

• eine feste Maschinenplatte (auch feste Platte genannt) zur Aufnahme der feststehenden Eingießformhälfte und der Gießgarnitur.
• eine bewegliche Maschinenplatte (auch mobile Platte) zur Aufnahme der Auswerferformhälfte und der beweglichen Eingießformhälfte
• die vier Führungssäulen auf welchen die bewegliche Maschinenplatte geführt wird

Das flüssige Metall wird aus der Gießkammer mit einem Gießkolben in die Form gepresst. Der Antrieb des Gießkolbens erfolgt durch den Antrieb der Gießeinheit. Die Beaufschlagung des Antriebskolben erfolgt meist durch einen hydraulischen Druckspeicher. In einzelnen Fällen wird der Gießkolben elektrisch angetrieben (Stand 2006).

Peripherie

Im Umfeld der Druckgießmaschine arbeiten die Peripherieeinheiten. Dabei handelt es sich um prozesstechnische Vorrichtungen, die zum Ablauf des automatischen Prozesses notwendig sind.

• Formsprühmaschine oder Manipulator zu Formsprühung bzw. feste Düsen
• Heiz- und Kühlgeräte
• Entnahmevorrichtungen
• Dosierofen oder Schöpflöffel

Gußteil-Optimierung

Vakuum Verfahren

Das vakuumunterstützte Druckgießverfahren ( Zwangsentlüftung ) ermöglicht Werkstücke mit geringen oder keinen Gaseinschlüssen. Dabei wird die Kavität und die Füllkammer bei Gießbeginn evakuiert, so dass die sich darin befindliche Luft und entstehende Gase beim Gießen abgesaugt werden und sich so weniger bis gar keine Lufteinschlüsse in der Schmelze bilden können.

Nachverdichtung (Squeeze Pin, …)

Hier wird durch hohe Verdichtung in der Phase vor der endgültigen Erstarrung des Werkstücks ein ähnlicher Effekt erreicht. Poren und Lufteinschlüsse werden deutlich reduziert. Da während der Erstarrung der Schmelze, d. h. beim Übergang von flüssig nach fest ein Volumensprung stattfindet, kommt es zwangsläufig zu Volumendefiziten im Inneren von dickwandigen Bauteilen. Um diesen Effekt der flüssigen Schwindung zu kompensieren kann bei den sogenannten Squeeze Verfahren eine Nachverdichtung der erstarrenden Schmelze erreicht werden. Dazu wird in der Druckgussform in Bereichen, in denen ein Volumendefizit erwartet wird, mittels eines Squeeze Pins die breiige Schmelze komprimiert.

Druckgußform / Druckgusswerkzeug

Die im Druckgussverfahren benötigten Druckgusswerkzeuge werden im Werkzeugbau respektive im Formenbau hergestellt.

Als Werkstoff für die Gussformen verwendet man meistens Sonderwerkstoffe oder hochfeste Warmarbeitsstähle nach DIN EN ISO 4957, wie z. B.

Werkstoffkurzname	Werkstoffnummer
32CrMoV 12-28	1.2365
X37CrMoV 5-1	1.2343
X40CrMoV 5-1	1.2344

Phasenfolge beim Druckgießen

Beim Druckgießen wird eine zuvor temperierte (100 bis 300 Grad Celsius) Dauerform (zwei- oder mehrteilig) unter Druck mit hoher Geschwindigkeit mit Metallschmelze befüllt. Der eigentliche Gießprozess kann in drei Phasen gegliedert werden.

Die Vorfüllphase dient dazu, die Schmelze in der Gießkammer bis zum Anschnitt zu fördern. Die bei der ersten Phase im Anguss-system komprimierte Luft kann aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit des Kolbens (0,05 m/s – 0,7 m/s) über Entlüftungskanäle und durch die Formteilungsebene entweichen.

Bei der Formfüllphase presst der Gießkolben mit sehr hoher Geschwindigkeit (0,4 m/s – 6 m/s) die Schmelze in die Form. Die Formfüllzeit ist mit 5 bis 60 ms außerordentlich kurz. Eine Entlüftung der Form ist deshalb praktisch nicht möglich.

In der Nachdruckphase am Ende der Formfüllung wird ein sehr hoher statischer Enddruck aufgebaut. Dabei wird die bei der Formfüllung eingeschlossene Luft komprimiert und die Nachspeisung des Gussteils gewährleistet.

Gießdruck

Verschiedene Gusswerkstoffe erfordern jeweils einen anderen Gießdruck. Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden mit 300 bis 1200 bar, Zink mit 130 bis 250 bar und Messing mit 300 bis 1000 bar vergossen. Die Festigkeit eines Werkstückes ist bei hohem Gießdruck größer.

Der Querschnitt A₁ des Antriebskolbens und der Betriebsdruck p_b des Druckspeichers sind nicht veränderbar. Um einen bestimmten Gießdruck p_g zu erreichen, variiert man also den Querschnitt A₀ des Gießkolbens. Dabei gilt

$p_g \cdot A_0 = p_b \cdot A_1$ (Kräftegleichgewicht)

Bei kreisförmigem Kolbenquerschnitt gilt zudem für Antriebskolbendurchmesser d₁ und Gießkolbendurchmesser d₀

$p_g \cdot \frac{\pi}{4}\,{d_0}^2 = p_b \cdot \frac{\pi}{4}\,{d_1}^2$

Durch Umstellen dieser Gleichung erhält man für den gewünschten Gießdruck den erforderlichen Gießkolbendurchmesser

$d_0 = d_1 \cdot \sqrt{\frac{p_b}{p_g}}$

Schwindungsverhalten von Aluminium-Silicium-Schmelzen

Wenn man flüssiges Aluminium von etwa 700 °C so in einen Formhohlraum gießt, dass die Form genau ausgefüllt ist, dann verringert sich das Volumen des Metalls bis auf Raumtemperatur aufgrund seiner Kontraktion um insgesamt etwa 1,3 %. Von diesem Gesamtwert entfallen 0,05 % auf die Flüssigkeits-, 0,75 % auf die Erstarrungs- und 0,5 % auf die Festkörperkontraktion.

Dieses Volumendefizit von 1,3 %, das bei Aluminium-Legierungen nicht viel geringer ist als bei Reinst-Metall, macht sich am erstarrenden Gussteil in Form vom Volumenfehlern bemerkbar. Diese Fehler treten neben der normalen Schwindung teils als Einfallstellen, teils als Makro-Lunker oder als Schwindungsporen auf.

Die Schwindung kann sich in einer Druckgießform nicht so ungehindert vollziehen wie z. B. in einer Sandgussform. Der Ausdruck „Schwindung“ bedeutet in der Gießereitechnik außer einem Vorgang eine Maßgröße und zwar die prozentuale Maßabweichung des erkalteten Gussteils von den Abmessungen der Formfasson bei Betriebstemperatur. Ob nun eine Schwindung frei oder behindert erfolgen kann, hängt fast ausschließlich von der geometrischen Gestalt des Gussteiles ab. Es ist also möglich, dass man an ein und demselben Gussteil für viele Maße das heute allgemein übliche Schwindmaß von 0,5 % anwenden kann, während für andere Bereiche 0,4 % noch zu viel sein könnte. Die Formabmessungen sind unter Berücksichtigung anhand einer Schwindmaßzeichnung der betreffenden Druckgießlegierungen festzulegen.

Schwindmaße für Druckguss

Druckgusslegierung	Schwindmaß in %
Aluminiumlegierungen	0,5–0,7
Magnesiumlegierungen	0,5–0,8
Zinklegierungen	0,4–0,6

Einfluss der Legierungselemente in Aluminium-Gusslegierungen

Silicium (Si)

Gefüge

Aluminium bildet mit 12,5 % Silicium ein Eutektikum1, das bei 577 °C schmilzt. Im Zweistoffsystem gibt es keine Verbindung zwischen Aluminium und Silicium. Die Löslichkeit von Silicium im festen Aluminium beträgt im Gleichgewicht bei 577 °C 1,65 %, fällt bei 300 °C auf 0,22 % und bei tieferen Temperaturen noch weiter ab. Hat eine Legierung mehr Silicium als der Löslichkeit entspricht, so enthält das Gefüge neben Aluminium-Mischkristallen auch Silicium-Kristalle. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit nicht besonders groß ist, erstarrt das Silicium im eutektischen Gemisch in Form von kantigen Kristallen, Nadeln und Platten. Diese Ausbildungsformen werden durch kleine Beimengungen von z. B.: Natrium, Strontium, Antimon oder Phosphor beeinflusst. Ähnliche Effekte bewirkt das Druckgießen aufgrund der schnellen Erstarrung.

Eutektikum1 ist ein Gemisch von Legierungselementen, welches von allen möglichen Zusammensetzungen den niedrigsten Schmelzpunkt besitzt. Der eutektische Punkt, z. B.: einer Al-Si-Legierung, liegt bei 12,5 % und 577 °C.

Gießeigenschaften

Je höher der Si-Gehalt, desto vorteilhafter wirkt er sich auf das Fließ- und Formfüllungsvermögen aus. Mit sinkendem Si-Gehalt wird das Fließvermögen schlechter.

Einfluss von Silicium auf das Speisungsverhalten

Mit steigendem Si-Gehalt, über 11 %, nimmt das Makro-Lunkervolumen stark zu. Das Einfallvolumen verläuft zum Makro-Lunkervolumen entgegengesetzt. Unter 9 % Si kommt es bei starkwandigen Teilen bevorzugt zu Sauglunkern. Die Speisungsmöglichkeiten von Makro-Lunkern sind bei Druckguss beschränkt (Vom Anschnitt liegende, dickwandige Gussteilbereiche bereiten einige Probleme, da Materialanhäufungen beim Schuss zuletzt gefüllt und zuletzt erstarren). Bei untereutektischen Legierungen macht sich Grobkorn infolge von Überhitzung durch Saugstellen bemerkbar.

Eine naheutektische Schmelze (um ca. 11 % Si) verursacht stärkere Makro-Lunker. Eutektische und naheutektische Al Si-Schmelzen, die zu einem “körnigen“ oder “veredelten" Gefüge führen, erstarren unter Bildung einer Randschale (exogene Erstarrung), so dass diese Schmelzen nicht für Sauglunker anfällig sind.

Eisen (Fe)

Bei Druckguss wirkt sich ein höherer Fe-Gehalt positiv aus (z. B., Leg. EN AC-AlSi9Cu3(Fe) max. 1,2 %), da es die Klebeneigung des Metalls an der Formoberfläche vermindert. Innerhalb der Toleranzgrenzen hat Eisen normalerweise keinen Einfluss auf die Gießeigenschaften. Unbeabsichtigte Erhöhung durch unsachgemäße Schmelz- oder Arbeitsweise in der Gießerei können zu Versprödung der Gussteile sowie zu unerwünschter Lunker-, Warmriss- oder Einfallstellenbildung führen. Bei niedrigen Warmhalte- und Gießtemperaturen treten oftmals Schwereseigerungen auf, die sich auf dem Boden des Ofens sammeln. Die Seigerungsprodukte bestehen aus Eisen, Mangan und Silizium. Die Härte von Seigerungsprodukten beträgt 500–1000 Vickers.

Kupfer (Cu)

Kupferzusätze vermindern die Erstarrungsschrumpfung. Dies hat zur Folge, dass kupferhaltige Al-Legierungen leichter druckdichte Gussstücke erlauben. Positiven Einfluss haben Cu-Zusätze auf Festigkeit und Bearbeitbarkeit. Kupfer vermindert die Korrosionsbeständigkeit.

Mangan (Mn)

Mangan-Zusatz von einigen zehntel % vermindert den nachteiligen Einfluss des Eisens auf Dehnung und Schlagfestigkeit. Treten jedoch Eisen und Mangan in höherem Gehalt auf, so können diese bei ungünstigen Schmelzbedingungen, z. B.: durch niedrige Warmhaltetemperaturen, zu harten Ausseigerungen führen.

Magnesium (Mg)

Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Silicium, Kupfer oder Zink führt Magnesium zu einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit infolge von Härtesteigerung. Magnesium hat keinen nachteiligen Einfluss auf das Korrosionsverhalten. Magnesium wird auch immer interessanter in der Automobilbranche, besonders wegen seines geringeren Gewichts.

Nickel (Ni)

Wichtigster Vorteil der Nickel-Zusätze ist die Erhöhung der Warmfestigkeit. Insbesondere Kolben und Zylinderköpfe sind die Haupteinsatzgebiete der nickelhaltigen Al-Legierungen.

Zink (Zn)

Unterschiedlicher Gehalt an Zink im Rahmen der Toleranzgrenzen sind im allgemeinen ohne Einfluss. Im Druckguss wird der Zn-Gehalt zusammen mit Magnesium bei warmrissanfälligen Teilen gelegentlich eingeengt.

Titan (Ti)

Titan wird den Al-Legierungen hauptsächlich als Kornfeinungsmittel bis max. 0,15 % zugesetzt. Bei Sand- und Kokillengusslegierungen ist es kornfeinender Legierungsbestandteil.

Blei (Pb)

Blei liegt im festen Zustand ungelöst in Form feiner Tropfen vor. Innerhalb der Toleranzgrenzen (< 0,1 %) beeinflusst Pb die Legierungseigenschaften nicht merklich.

Zinn (Sn)

Sn scheidet sich bei einem Gehalt über 0,02 % entlang der Korngrenzen aus und hat bei Überschreitung der Normaltoleranz eine sehr nachteilige Auswirkung auf das Warmrissverhalten – vor allem bei Druckguss.

Vergleich Druckguss - Spritzguss

Die Investitionskosten für Gießmaschinen und die hohen Fertigungskosten für die Form sind in etwa vergleichbar. Bei beiden Verfahren müssen hohe Stückzahlen diese hohen Investitionskosten rechtfertigen. Danach sind die Rohmaterialkosten vorrangig.

• Vorteile spritzgegossene Bauteile:

bei Verwendung von Standardmaterialien preiswerter

können farbig gegossen werden

geringeres Gewicht.

• Nachteile spritzgegossene Bauteile:

die Biegefestigkeit (Steifigkeit) ist wesentlich geringer

die Festigkeit und Steifigkeit bei höheren Temperaturen (ab 100 °C) nimmt stark ab (Ausnahme teure Spezialkunststoffe)

viele Kunststoffe "kriechen" bei Belastung

einige Kunststoffe verändern die Form unter klimatischen Bedingungen.

• Vorteile druckgegossene Metallbauteile:

bis zu 20fache Biegefestigkeit/Steifigkeit

auch bei höheren Temperaturen (Aluminium bis ca. 450°C) noch belastbar

elektromagnetische Abschirmung

kein "Kriechen" (Ausnahme Zink)

wesentlich bessere Gestaltsfestigkeit, d.h. eine mechanisch bearbeitete Fläche bleibt eine Fläche wobei sich die Fläche eines Kunststoffteiles wesentlich leichter verformt

Beständigkeit gegen organische Lösungen

Recycling ohne Qualitätsverlust.

• Nachteile druckgegossene Metallbauteile:

höheres Gewicht

schlechtere Korrosionseigenschaften

Herstellung aufwändiger

Herstellung von "komplizierten" Geometrien teilweise nicht möglich.

Siehe auch

• Spritzguss
• Squeeze Casting (Pressgießen)
• Thixoforming

Weblinks

• Animation: Druckguss-Verfahren
• Toleranzen für Druckguss
• Aluminiumlegierungen für Druckguss entsprechend der japanischen, chinesischen, amerikanischen und deutschen/europäischen Industrienorm
• Zinklegierungen für Druckguss entsprechend der japanischen, chinesischen, amerikanischen und deutschen/europäischen Industrienorm