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Für die Massenproduktion von Aluminium, die enge Toleranzen und dünne Wände erfordert, ist Druckguss die bessere Wahl. Bei geringeren Stückzahlen, dickwandigeren Teilen oder für den Druckguss ungeeigneten Legierungen bietet Kokillenguss eine bessere Wirtschaftlichkeit und Flexibilität. Wenn Hersteller wissen, wo die einzelnen Prozesse besonders gut sind und wo sie schwächeln, können sie erhebliche Werkzeuginvestitionen und Kosten pro Teil einsparen.
Sowohl beim Druckguss als auch beim Dauerformguss werden wiederverwendbare Metallformen anstelle von Einweg-Sandformen verwendet, was sie hinsichtlich der Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit sofort vom Sandguss unterscheidet. Sie unterscheiden sich jedoch erheblich in Bezug auf Einspritzdruck, Zyklusgeschwindigkeit, Werkzeugkosten und die Art der Teile, mit denen sie am besten umgehen können.
Beim Aluminiumdruckguss wird geschmolzenes Aluminium in eine Stahlform (die Matrize) bei Drücken in einem typischen Bereich zwischen 1.500 bis 25.000 psi . Dieser extreme Druck drückt das Metall in jedes Detail des Hohlraums, bevor es erstarrt. Die Zykluszeiten können so schnell sein wie 15 bis 60 Sekunden für die meisten Automobil- und Verbraucherteile, was es zu einem der schnellsten verfügbaren Metallumformverfahren macht.
Es gibt zwei Varianten: Warmkammer-Druckguss (für niedriger schmelzende Legierungen) und Kaltkammer-Druckguss. Aluminium mit seinem höheren Schmelzpunkt (~660 °C) wird immer verwendet Kaltkammermaschinen , bei dem geschmolzenes Metall separat in die Einspritzkammer geschöpft wird.
Beim Dauerformguss (in manchen Märkten auch Kokillenguss genannt) werden wiederverwendbare Stahl- oder Eisenformen mithilfe der Schwerkraft oder eines niedrigen Drucks – normalerweise unter – gefüllt 15 psi . Ohne den extremen Druck beim Druckguss sind die Zykluszeiten im Allgemeinen langsamer 1 bis 5 Minuten pro Zyklus. Durch die sanftere Füllung werden jedoch Turbulenzen reduziert, was häufig zu Teilen mit besserer innerer Integrität und weniger Problemen mit der Gasporosität führt.
| Parameter | Aluminium-Druckguss | Kokillenguss |
|---|---|---|
| Einspritzdruck | 1.500–25.000 psi | Schwerkraft bis ~15 psi |
| Typische Zykluszeit | 15–60 Sekunden | 1–5 Minuten |
| Mindestwandstärke | 0,5–1,5 mm | 3–5 mm |
| Maßtoleranz | ±0,1–0,3 mm | ±0,3–0,8 mm |
| Oberflächenbeschaffenheit (Ra) | 0,8–3,2 µm | 2,5–6,3 µm |
| Werkzeugkosten | 10.000–100.000 US-Dollar | 2.000–25.000 US-Dollar |
| Mold Life (Aufnahmen) | 100.000–1.000.000 | 10.000–150.000 |
| Sparsames Volumen | 10.000 Teile/Jahr | 500–10.000 Teile/Jahr |
| Teilegewichtsbereich | Gramm bis ~25 kg | Gramm bis ~150 kg |
| Porositätsgrad | Höher (Gaseinschlussrisiko) | Niedriger (sanftere Füllung) |
| Wärmebehandelbarkeit | Begrenzt (Porositätsblasenbildung) | Generell ja |
Aluminium-Druckgussformen werden fast überall daraus hergestellt H13-Warmarbeitsstahl , eine Chrom-Molybdän-Legierung, die den wiederholten Temperaturwechseln beim Einspritzen von geschmolzenem Aluminium bei ~680 °C in eine Form standhält, die auf 150–250 °C gehalten werden kann. Das Formendesign ist komplex und umfasst typischerweise Folgendes:
Eine komplexe Automobil-Druckgussform mit mehreren Schiebern kann kostenintensiv sein 80.000 bis 200.000 US-Dollar oder mehr. Die Vorlaufzeit vom Entwurf bis zum ersten Schuss beträgt in der Regel einige Zeit 8 bis 16 Wochen . Gerade deshalb ist Druckguss erst ab bestimmten Produktionsgrenzen wirtschaftlich sinnvoll.
Hochwertige H13-Stahlformen für den Aluminiumguss können erreicht werden 500.000 bis über 1.000.000 Schüsse bei richtiger Wartung. Thermische Ermüdungsrisse (sogenannte „Wärmerisse“) sind die primäre Fehlerursache. Zu den geplanten Wartungsintervallen – typischerweise alle 50.000 bis 100.000 Schüsse – gehören Polieren, Schweißreparaturen an abgenutzten Stellen und eine Neubeschichtung mit PVD- oder Nitrierbehandlungen zur Verlängerung der Lebensdauer.
Dauerformwerkzeuge werden aus Grauguss oder Stahl gefertigt, wobei Grauguss für Anwendungen mit geringerem Volumen üblich ist, da die Bearbeitung kostengünstiger ist und eine angemessene Wärmeleitfähigkeit aufweist. Formbeschichtungen (feuerfeste Schlichten, die vor jedem Guss aufgetragen werden) sind unerlässlich – sie dienen als Wärmebarriere, verhindern, dass Aluminium mit der Form verlötet, und helfen, die Erstarrungsgeschwindigkeit zu kontrollieren.
Da der Fülldruck niedrig ist, erfordern Dauerformen nicht die gleiche strukturelle Robustheit wie Druckgussformen. A Eine einfache Zwei-Platten-Dauerform kann zwischen 3.000 und 8.000 US-Dollar kosten , während ein komplexes Werkzeug mit Kernen und Nebenfunktionen 20.000 bis 25.000 US-Dollar kosten kann – immer noch deutlich weniger als ein entsprechendes Druckgusswerkzeug.
Die Lebensdauer der Schimmelpilze ist kürzer: 15.000 bis 80.000 Zyklen ist typisch für das Gießen von Aluminium in Gusseisenformen, wobei Stahlformen etwas länger halten. Dies schränkt den wirtschaftlichen Vorteil des Kokillengusses bei sehr hohen Stückzahlen ein.
Nicht alle Aluminiumlegierungen sind mit Druckguss kompatibel. Die hohen Einspritzgeschwindigkeiten und die schnelle Erstarrung begünstigen Legierungen mit guter Fließfähigkeit und geringer Erstarrungsschrumpfung. Zu den am häufigsten verwendeten Aluminium-Druckgusslegierungen gehören:
Im Gegensatz dazu ermöglicht der Kokillenguss eine größere Auswahl an Legierungen einschließlich wärmebehandelbarer Legierungen der 3xx.x-Serie wie A356 und A357. Diese Legierungen können einer T6-Wärmebehandlung (Lösungsglühen, künstliches Altern) unterzogen werden, um Zugfestigkeiten von zu erreichen 260–310 MPa mit Dehnungen von 6–12 % – mechanische Eigenschaften, die Druckgussteile normalerweise nicht erreichen können, weil Porosität bei der Wärmebehandlung zu Blasenbildung führt.
Dies ist einer der praktisch wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Verfahren. Da beim Druckguss beim Hochgeschwindigkeitseinspritzen Gas eingeschlossen wird, ist der Prozess mit Porosität verbunden. Vakuumunterstützte Druckguss- und Squeeze-Casting-Varianten reduzieren diese Porosität, beseitigen sie jedoch selten. Das Ergebnis:
| Eigentum | Druckguss A380 (F-Temper) | Dauerwelle. Form A356-T6 |
|---|---|---|
| Ultimative Zugfestigkeit | ~324 MPa | ~262 MPa |
| Streckgrenze | ~160 MPa | ~207 MPa |
| Bruchdehnung | 3,5 % | 5–12 % |
| Hitzebehandelbar? | Nein (Standard) | Ja (T6 möglich) |
| Druckdichtigkeit | Erfordert Imprägnierung | Generell besser |
Bei Strukturteilen, die dynamischen Belastungen standhalten müssen – Aufhängungshalterungen, Hydraulikgehäuse, Gehäuse für medizinische Geräte –, übertreffen Dauerformgussteile aus A356-T6 häufig Druckgussteile in Bezug auf Ermüdungslebensdauer und Duktilität, selbst wenn die UTS im Gusszustand niedriger ist.
Die Wirtschaftlichkeit der beiden Prozesse hängt vollständig vom Produktionsvolumen ab. Die hohen Werkzeugkosten beim Druckguss amortisieren sich bei großen Auflagen; Die geringeren Werkzeugkosten der Dauerform machen kleine Auflagen realisierbar.
Betrachten Sie ein repräsentatives Aluminiumteil mit einem Gewicht von 500 Gramm und mittlerer Komplexität:
Druckgusswerkzeuge mit mehreren Kavitäten – bei denen 2, 4 oder sogar 8 identische Teile pro Schuss hergestellt werden – reduzieren die Kosten pro Teil in großem Maßstab drastisch. Dauerformwerkzeuge werden aufgrund der langsameren Fülldynamik seltener für die Produktion mit mehreren Kavitäten entwickelt.
Die Auswahlmuster in der realen Industrie spiegeln die oben diskutierten Prozessstärken wider:
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