Druckguss ist ein industrielles Gussverfahren zur Herstellung von Teilen und Produkten.

Beim Druckguss wird die flüssige Schmelze einer Nichteisenmetall-Legierung 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 der Aufwand der Formherstellung nur einmal an und es 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 befindet (nur bei sehr niedrigschmelzenden Metallen möglich).

Die am häufigsten verwendeten Werkstoffe sind

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

Die im Druckgussverfahren benötigten Werkzeuge 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

Eigenschaften

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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 Außnahmefällen 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 500 000 Schüsse.

Bei Aluminium werden Standzeiten von ca. 100.000 Schuß erreicht. Lange galt Aluminium-Druckguss als nicht schweißgeeignet und nicht wärmebehandelbar. Inzwischen ist es in aufwendigen Untersuchungen gelungen, Aluminium-Druckguss jedoch schweißgeeignet und wärmebehandelbar herzustellen. Jedoch ist es für diese Eigenschaften notwendig, bei der Konstruktion die Anforderungen des Verfahrens zu berücksichtigen.

Geschichte

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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 Firmen, welche Druckgussmaschinen herstellen sind unter anderem die Müller Weingarten AG, Oskar Frech GmbH oder Bühler AG. Druckgussteile für Kunden werden zum Beispiel von der Eisenmann Druckguß GmbH, DGS Druckguss Systeme AG oder der G.W.P. AG G.W.P. AG hergestellt. Verchromungsfähiger Guss wird unter anderen von der Fa. Druckguss Westfalen Hergestellt.

Druckgießmaschine

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Druckgießmaschinen bestehen aus einer Formschließeinheit, welche dem Öffnen und Schließen der Druckgießform dient. Weitere Bestandteile sind eine feste Maschinenplatte zur Aufnahme der feststehenden Eingießformhälfte und der Gießgarnitur, eine bewegliche Maschinenplatte zur Aufnahme der Auswerferformhälfte und vier Führungssäule, welche die Formschließeinheit aufnimmt, die Zuhaltekraft erzeugt und für die Führung der beweglichen Maschinenplatte sorgt.

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 durch einen Druckspeicher.

Das vakuumunterstützte Druckgießverfahren ermöglicht Werkstücke mit geringen oder keinen Gaseinschlüssen. Bei diesem Verfahren wird die Aluminium- oder Magnesiumschmelze mit Hilfe eines Vakuums, welches in der Form und Füllkammer erzeugt wird, dosiert. Die Dosierung wird hierbei über eine definierte Zeit bestimmt.

Gießdruck

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

Der Querschnitt $A\_1$ 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 $A\_0$ des Gießkolbens. Dabei gilt

$p\_g\; \backslash cdot\; A\_0\; =\; p\_b\; \backslash cdot\; A\_1$ (Kräftegleichgewicht)

Bei kreisförmigem Kolbenquerschnitt gilt zudem für Antriebskolbendurchmesser $d\_1$ und Gießkolbendurchmesser $d\_0$

$p\_g\; \backslash cdot\; \backslash frac\{\backslash pi\}\{4\}\backslash ,\{d\_0\}^2\; =\; p\_b\; \backslash cdot\; \backslash frac\{\backslash pi\}\{4\}\backslash ,\{d\_1\}^2$

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

$d\_0\; =\; d\_1\; \backslash cdot\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{p\_b\}\{p\_g\}\}$

Schwindungsverhalten von Aluminium-Silizium-Schmelzen

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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 13%. Von diesem Gesamtwert entfallen 0,5% auf die Flüssigkeits-, 7.5% auf die Erstarrungs- und 5% auf die Festkörperkonzentration.

Dieses Volumendefizit von 13%, 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 dem selben Gussteil für viele Maße das heute allgemein übliche Schwindmaß von 0,5% anwenden kann, während für andere Bereiche 0,4% noch zuviel 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

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Silizium (Si)

Gefüge

Aluminium bildet mit 12,5 % Silizium ein Eutektikum1, das bei 577 ° C schmilzt. Im Zweistoffsystem gibt es keine Verbindung zwischen Aluminium und Silizium. Die Löslichkeit von Silizium 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 Silizium als der Löslichkeit entspricht, so enthält das Gefüge neben Aluminium-Mischkristallen auch Silizium-Kristalle. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit nicht besonders groß ist, erstarrt das Silizium 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 Silizium 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 Silizium, Kupfer oder Zink führt Magnesium zu einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit infolge von Härtesteigerung. Magnesium hat keinen nachteiligen Einfluss auf das Korrosionsverhalten.

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.

Siehe auch

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• Spritzguss
• Thixo

Urformen