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Warmkammer und Kaltkammer im Druckguss

Aluminium und Zinkdruckguss

Die Wahl der Verfahrensvariante ist abhängig von der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Werkstoffs. Im Folgenden werden die zwei Hauptvarianten des Druckgusses beschrieben, die möglichen Legierungen zugeordnet und deren Vorzüge und Nachteile gegenübergestellt.

Druckgussmaschinen können in den Bauformen Kaltkammer und Warmkammer konstruiert bzw. erworben werden. Wie der Name es bereits vermuten lässt, liegt der entscheidende Unterschied im Speisesystem, mit dem die flüssige Metallschmelze dem eigentlichen Gussprozess zur Verfügung gestellt wird.

 Warmkammerverfahren: Prozess, Vorteile und Nachteile

Die wichtigsten im Warmkammerverfahren verarbeiteten Legierungen sind auf Basis von Zink.

Warmkammerdruckgussmaschinen bestehen prinzipiell aus einer Presse, auf der die Gussform, mit den darin enthaltenen Kavitäten (negatives Abbild des herzustellenden Gussteils), aufgespannt ist und einem direkt angebundenen Ofen mit Dosiereinheit. Das Material lagert dabei flüssig als Schmelze in einem Tiegel. Beim Schussprozess fährt der Druckkolben in der Druckeinheit herunter und verdrängt die Schmelze aus der Druckkammer über den Steigkanal und Düse in die Kavitäten der Gussform. Nach dem Schuss kehrt der Druckkolben in seine Ausgangsstellung zurück. Gleichzeitig öffnet sich die Kavität und das Werkstück wird mit Hilfe von Auswerfern aus der beweglichen Formhälfte gedrückt. Ein Zyklus dauert, je nach Werkstückgröße (~Erstarrungszeit), zwischen 3 und 9 Sekunden.

Die Gießeinheit steht in ständigem Kontakt mit der flüssigen Schmelze. Um die Formteile der Gießeinheit nicht über die technischen Grenzen zu belasten, ist die Prozesstemperatur im Warmkammerverfahren auf < 500° C beschränkt. Dies bedeutet, dass nur niederschmelzende Metalllegierungen verarbeitet werden können, wobei Zink- und Zinnbasislegierungen zu den relevantesten Vertretern zählen. Bei höheren Temperaturen ist ein Dauerkontakt von Schmelze und Gießeinheit nicht mehr möglich, da der Verschleiß stark beschleunigt würde, die Prozesssicherheit aufgrund von Schlackebildung und Anklebungen nicht mehr gegeben wäre und die Schmelze zudem durch Diffusionsprozesse aus den Formteilen der Gießeinheit chemisch verunreinigt würde.

Aufgrund der geringen Prozesstemperatur werden hervorragende Standzeiten der Dauerformen, die sich im Bereich zwischen 750.000 bis 1.250.000 Schuss bewegen, erreicht.

Unreine Zinklegierungen neigen zur Zinkpest, einer Art der Korrosion. Eine strenge Kontrolle des Verunreinigungsgrades ist daher nötig.

Die Vor- und Nachteile des Warmkammerverfahrens sind nachfolgend zusammengetragen.

Vorteile: Nachteile:
kurze Taktzeiten (3-9 Sekunden) limitiert auf niederschmelzende Legierungen (Zink, Zinn und Magnesium)
geringe thermische Belastung und somit lange Standzeiten des Werkzeugs (>1.000.000 Schuss) beschränkte Bauteilgröße (< 5 kg)
kompakte Bauweise der Maschinen und wenig Peripherie hohe Schussgeschwindigkeit bedeutet turbulente Strömung und Gaseinschlüsse
hohe Oberflächengüte  (Ra< 0,6µm)
enge Toleranzen (<0,025mm)
Vergleichsweise geringe Zuhaltekraft der Gießmaschine
hohe Energieeffizienz
hoher Automatisierungsgrad (Mittel-, Großserien)
Wandstärke > 1mm möglich

 

Kaltkammerverfahren: Prozess, Vorteile und Nachteile

Die wichtigsten im Kaltkammerverfahren verarbeiten Legierungen sind auf Basis von Aluminium.

Kaltkammerdruckgussmaschinen bestehen streng genommen nur aus dem Pressaggregat, in dem die Dauerform verbaut ist, und müssen extern mit dem flüssigen Metall gespeist werden. Die Dosierung vor jedem Schuss geschieht manuell oder (gängige moderne Ausführung) über einen Schmelzofen mit Dosierroboter. Vor jedem Schuss wird dazu die benötigte Menge an flüssigen Material in die Gießkammer gefüllt. Anschließend wird die Schmelze bei geschlossener Dauerform mit Geschwindigkeiten bis 200 m/s in die Kavität gepresst. Nach der raschen Abkühlung wird das Werkzeug geöffnet und das Werkstück herausgepresst. Beim Kaltkammerverfahren kann mit Zykluszeiten > 30 Sekunden gerechnet werden. Zu den verarbeiteten Legierungen zählen überwiegend Aluminium-, Kupfer- und Magnesiumbasislegierungen. Da anders als beim Warmkammerverfahren die Gießeinheit (Kammer, Kolben) von dem Schmelzereservoir entkoppelt vorliegt, wird die thermische Belastung,  zyklisch unterbrochen. Jedoch liegen die Prozesstemperaturen insgesamt auf einem höheren Niveau, wodurch die Standzeiten auf etwa 50.000 bis 200.000 Schüsse (Aluminium) eingeschränkt sind. Neben Aluminium gehören auch Kupferbasiswerkstoffe (Siliziumtombak) zu den wichtigsten Metallen, die im Kaltkammerverfahren hergestellt werden. Eine wichtige Unterteilung des Verfahrens leitet sich außerdem aus der Ausrichtung der Gießkammer ab. Diese kann horizontal oder vertikal in der Maschine verbaut werden. In der Regel ist die vertikale Bauweise die gießtechnisch günstigere, da der Schmelzefluss einheitlich von unten in die Gussform geleitet werden kann und die Kavität uniform gefüllt wird.

Die Vor- und Nachteile des Kaltkammerverfahrens sind nachfolgend zusammengetragen.

Vorteile: Nachteile:
Taktzeiten < 30 Sekunden Schmelzetransport von dem Schmelzofen in die Gießkammer ist vor jedem Schuss nötig
alle relevanten Druckgussmetalle bearbeitbar relativ große Bauweise der Maschinen
hohe Oberflächengüte (Ra< 0,6 µm) hohe Schussgeschwindigkeit bedeutet turbulente Strömung und Gaseinschlüsse
enge Toleranzen (<0,4mm)
Wandstärke <1,4mm
hoher Automatisierungsgrad
Bauteilgewicht in der Regel  < 10kg

 

Turbulente Füllung

Sowohl das Kalt- als auch das Warmkammerverfahren haben den Nachteil, dass die Dauerform turbulent gefüllt, da mit einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit abgegossen wird. Turbulente Strömungen bedeuten immer einen gewissen Grad an Gaseinschlüssen in der flüssigen Schmelze. Gaseinschüsse führen zu Fehlern im Gefüge und somit zur Senkung der mechanischen Güte. Jedoch ist der Grad an Poren und Einschlüssen in der Regel vertretbar und kann mit geeigneter Prozessführung und vorangegangener Simulation kontrolliert in Bereiche gelenkt werden, in denen sie nicht störend sind.


Festigkeit beim Zinkdruck- und Aluminiumdruckguss

Reines Aluminium und reines Zink weisen so wie viele andere Metalle als Gusswerkstoffe eher ungenügende Festigkeitseigenschaften auf. Daher werden meist Legierungen verwendet, die diese Eigenschaft deutlich verbessern.

Trotzdem weisen sowohl Zink- als auch Aluminiumdruckguss eine für viele Anwendungsfälle nicht ausreichende Festigkeit auf.

Für Anwendungsfälle bei denen eine hohe Festigkeit gefordert ist, muss meistens Stahl oder ein vergleichbar Gusswerkstoff verwendet werden, wie zum Beispiel Siliziumtombak im Druckgussverfahren.

Neben den gängigen Verfahren mittels Kaltkammer und Warmkammer gibt es noch weitere Möglichkeiten zum Zink- und Aluminiumdruckguss:

Acurad-Verfahren

Das Acurad-Verfahren wurde von General Motors Company in den USA entwickelt und wird bei dickwandigen Werkstücken verwendet, bei denen Gaseinschlüsse kritisch sind. Anders als beim konventionellen Druckguss wird die Schmelze mit geringen Druck und durch einen Anguss mit einem relativ großen Durchmesser geleitet. Dadurch wird das flüssige Material laminar in die Dauerform geleitet und die Kavität wird gleichmäßig entgast, wodurch weniger Gaseinschlüsse im Material auftreten. Nach der Füllung der Dauerform drückt ein zweiter Zylinder auf die erstarrende Schmelze nach, sodass verbleibende Porosität reduziert wird. Für dünnwandige Werkstücke ist das Verfahren aufgrund der langsamen Formfüllung ungeeignet.

Vakuum- und Hochvakuumdruckguss

Im Vakuumdruckguss wird die Dauerform vor jedem Schuss evakuiert. Das flüssige Material wird dann in die luftleere Kavität geschossen und erstarrt zeitnah. Die Evakuierung bewirkt eine deutliche Senkung des Gasgehaltes in der eingeleiteten Schmelze. Der Vakuumdruckguss ermöglicht es, Aluminiumdruckgussteile schweißbar und wärmebehandelbar herzustellen, da der störende Sauerstoff auf einem Minimum gehalten wird.

Thixotroper Druckguss

Unter dem Thixotropen Druckguss versteht man das Gießen des Materials im teilflüssigen Zustand. Im teilflüssigen Zustand verhalten sich Werkstoffe ohne Fremdeinwirkung wie ein Feststoff. Erfährt das Material jedoch eine Scherspannung, fließt es und wird verformbar. Dieser Zustand lässt sich in verschiedenen Maßen bei Legierungen in bestimmten engen Temperaturintervallen erreichen. Während des thixotropen Zustands weist das Material ein besonders vorteilhaftes Gefüge auf. Das Korn ist besonders fein und beim Gießen wird der Werkstoff nicht verflüssigt, sodass sich sein Volumen nicht drastisch ändert, was Schwindungsporosität verhindert.

Nachteilig sind bei dem Verfahren jedoch die hohen Kosten für das Rohmaterial, da dieses eine bestimmte Legierung aufweisen muss, um es prozesssicher verarbeiten zu können. Auch ist die genaue Einstellung des Temperaturniveaus im Serienprozess sehr aufwendig.