Der Schwerkraftdruckguss wird häufig zur Herstellung von Bauteilen aus Aluminium und anderen Nichteisenmetallen eingesetzt. Er eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen stabile Abmessungen, gute mechanische Eigenschaften und eine gleichbleibende Qualität über wiederholte Produktionsläufe hinweg erforderlich sind. Konstrukteure ziehen dieses Verfahren oft in Betracht, wenn sie eine höhere Genauigkeit und Leistungsfähigkeit benötigen, als sie der Sandguss bieten kann, aber die höheren Werkzeugkosten vermeiden möchten, die mit dem Hochdruckdruckguss verbunden sind.
Anstatt geschmolzenes Metall mit hoher Geschwindigkeit in eine Form zu spritzen, lässt man beim Schwerkraftguss das Metall auf natürliche Weise in eine wiederverwendbare Metallform fließen. Mit diesem langsameren und kontrollierteren Füllverfahren lassen sich dichte, wärmebehandelbare Gussteile mit gleichbleibender Qualität bei mittleren Produktionsmengen herstellen.
In diesem Artikel wird erläutert, was Schwerkraftdruckguss ist, wie das Verfahren funktioniert, wo es üblicherweise zum Einsatz kommt und wie es sich im Vergleich zu anderen Gussverfahren darstellt.
Was ist Schwerkraftgießen?
Der Schwerkraftdruckguss, auch als GDC bekannt, ist ein Permanentformgussverfahren, bei dem geschmolzenes Metall aus einer Gießpfanne oder einem Behälter in eine wiederverwendbare Metallform gegossen wird. Die Form besteht in der Regel aus Gusseisen oder hitzebeständigem Stahl.
Im Gegensatz zum Hochdruckguss wird beim Schwerkraftguss kein äußerer Druck eingesetzt, um die Metallschmelze in den Formhohlraum zu drücken. Das Metall füllt die Form hauptsächlich durch sein eigenes Gewicht.
Da das Metall mit einer relativ kontrollierten Geschwindigkeit fließt und an einer Metallform erstarrt, lassen sich mit diesem Verfahren Gussteile mit einer dichten inneren Struktur, stabilen Abmessungen und guten mechanischen Eigenschaften herstellen. Es wird häufig für Industrieteile eingesetzt, die eine Serienfertigung und eine höhere Gleichmäßigkeit erfordern als Sandgussteile.
Wie funktioniert der Schwerkraftdruckguss?
Das Schwerkraftdruckgussverfahren umfasst mehrere grundlegende Schritte. Die genauen Parameter hängen von der Legierung, der Bauteilgeometrie, der Wandstärke, der Formkonstruktion und den Produktionsanforderungen ab.
1. Das Vorheizen der Form
Vor Beginn des Gießvorgangs wird die Metallform vorgewärmt. Die Betriebstemperatur liegt häufig zwischen 150 °C und 300 °C, wobei der tatsächliche Bereich von der Legierung und der Formkonstruktion abhängt.
Durch das Vorheizen wird verhindert, dass die Metallschmelze beim Einfüllen in den Formhohlraum zu schnell abkühlt. Ist die Form zu kalt, kann das Metall bereits erstarren, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist, was zu Fehlern wie Kaltnähten oder Läufern führen kann.
Das Vorheizen verringert zudem den Thermoschock und trägt dazu bei, während des gesamten Produktionsprozesses stabilere Gussbedingungen aufrechtzuerhalten.
2. Die-Beschichtung
Auf die Innenfläche der Form wird eine feuerfeste Beschichtung oder ein Trennmittel aufgetragen.
Die Beschichtung erfüllt mehrere Funktionen. Sie schützt die Gussform vor direktem Kontakt mit geschmolzenem Metall, trägt zur Regulierung der lokalen Abkühlgeschwindigkeit bei und erleichtert das Entformen des erstarrten Gussteils, ohne dass es festklebt.
Es können auch unterschiedliche Schichtdicken verwendet werden, um die Erstarrung in bestimmten Bereichen des Gussteils zu beeinflussen.
3. Gießen und Füllen
Die Metallschmelze wird über ein Angusssystem in die Form gegossen. Der Formhohlraum wird hauptsächlich durch das Eigengewicht der Metallschmelze und weniger durch eine externe Einspritzkraft gefüllt.
Dieser relativ ruhige Füllvorgang kann im Vergleich zum Hochgeschwindigkeits-Druckguss Turbulenzen und Lufteinschlüsse reduzieren. Allerdings müssen das Angusssystem, die Gießgeschwindigkeit, die Metalltemperatur und die Entlüftung weiterhin kontrolliert werden, um unvollständige Füllung, Oxidschichten und andere Gussfehler zu vermeiden.
4. Erstarrung und Fütterung
Sobald der Hohlraum gefüllt ist, beginnt das geschmolzene Metall von den Formwänden aus nach innen abzukühlen und zu erstarren.
Angusskanäle und andere Zuführbereiche sorgen für eine zusätzliche Zufuhr von geschmolzenem Metall, wenn sich der Guss beim Erstarren zusammenzieht. Eine ordnungsgemäße Zuführung trägt dazu bei, Schrumpfhohlräume und innere Porosität zu verringern, insbesondere im Bereich dicker Wandstärken und anderer thermischer Hotspots.
Die Formkonstruktion und die Kühlbedingungen müssen eine gerichtete Erstarrung in Richtung der Angusskanäle gewährleisten.
5. Öffnen und Auswerfen der Form
Nachdem das Metall erstarrt ist und eine ausreichende Festigkeit erreicht hat, wird die Form mechanisch geöffnet.
Auswerferstifte oder ein anderes Auswerfersystem entfernen das Gussteil aus dem Formhohlraum. Der Zeitpunkt muss sorgfältig gesteuert werden. Ein zu frühes Öffnen der Form kann zu einer Verformung des Gussteils führen, während ein zu langes Warten die Zykluszeit verlängert und das Entnehmen erschwert.
6. Zuschneiden und Prüfung
Das Gussteil weist nach dem Entformen aus der Form normalerweise Angüsse, Verteilerkanäle, Speiser und geringe Mengen an Grat auf. Diese Bereiche werden durch Schneiden, Sägen, Schleifen oder Beschneiden entfernt.
Je nach den Anforderungen an das Bauteil kann das Gussteil anschließend einer Maßprüfung, einer Druckprüfung, einer Röntgenprüfung, einer mechanischen Bearbeitung, einer Wärmebehandlung oder anderen Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden.
Welche Werkstoffe eignen sich für den Schwerkraftdruckguss?
Das Schwerkraftdruckgießen wird hauptsächlich für Nichteisenlegierungen mit Schmelztemperaturen eingesetzt, die mit wiederverwendbaren Metallformen verarbeitet werden können.
Aluminium-Legierungen
Aluminium ist das am häufigsten verwendete Material für den Schwerkraftdruckguss. Legierungen wie A356 und AC4C zeichnen sich durch gute Gießbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Zerspanbarkeit und ein vorteilhaftes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus.
Einige Aluminium-Schwerkraftgussteile können auch einer T6-Wärmebehandlung unterzogen werden, wenn höhere mechanische Eigenschaften erforderlich sind.
Kupfer-Legierungen
Ausgewählte Kupferlegierungen, darunter Messing und Bronze, können im Schwerkraftgussverfahren zu Bauteilen verarbeitet werden, die Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit oder elektrische und thermische Leitfähigkeit erfordern.
Aufgrund ihrer höheren Gießtemperaturen sind geeignete Formwerkstoffe und eine sorgfältige Steuerung der Gießbedingungen erforderlich.
Magnesium-Legierungen
Magnesiumlegierungen können für Leichtbaukomponenten in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in Industrieanlagen verwendet werden. Die Handhabung von geschmolzenem Magnesium erfordert jedoch aufgrund seiner hohen chemischen Reaktivität spezielle Prozesssteuerungen.
Vorteile des Schwerkraftgießens
Gute mechanische Eigenschaften
Die Metallform leitet Wärme schneller ab als eine Sandform, wodurch bei vielen Anwendungen eine feinere Kornstruktur entsteht. Dies kann zu besseren mechanischen Eigenschaften führen als bei vergleichbaren Sandgussteilen.
Geeignete Aluminiumlegierungen können zudem einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die erforderliche Kombination aus Festigkeit, Härte und Duktilität zu erreichen.
Gute Druckdichtheit
Der kontrollierte Füllvorgang kann im Vergleich zu Hochgeschwindigkeits-Spritzgussverfahren den Gaseinschluss verringern. Wenn die Anguss-, Zuführ- und Erstarrungssysteme richtig ausgelegt sind, Kokillenguss kann relativ dichte Bauteile herstellen, die für druckführende Anwendungen geeignet sind.
Typische Beispiele hierfür sind Pumpengehäuse, Ventilkörper, Hydraulikkomponenten und Pneumatikgehäuse.
Wiederverwendbare Metallstempel
Eine Schwerkraftform kann wiederholt verwendet werden, wodurch sich das Verfahren für Projekte mit mittleren Stückzahlen und Serienfertigung eignet.
Zwar sind die anfänglichen Werkzeugkosten höher als beim Sandguss, doch durch die wiederverwendbare Form lassen sich die Werkzeugkosten pro Teil mit steigendem Produktionsvolumen senken.
Unterstützung für komplexe interne Merkmale
Sandkerne können in die Metallform eingelegt werden, um Innenkanäle, Hohlräume und andere Strukturen zu erzeugen, die sich mit der Form allein nicht herstellen lassen.
Dank dieser Eigenschaft eignet sich der Schwerkraftdruckguss für Bauteile wie Verteiler, Pumpengehäuse, Zylinderköpfe und Gehäuse für die Fluidtechnik.
Gleichbleibende Abmessungen und Oberflächenqualität
Wiederverwendbare Metallformen gewährleisten stabilere Formhohlraumabmessungen als Einweg-Sandformen. Daher zeichnen sich Schwerkraftdruckgussteile im Allgemeinen durch eine bessere Wiederholgenauigkeit, eine glattere Oberfläche und besser vorhersehbare Bearbeitungszugaben aus als Sandgussteile.
Einschränkungen des Schwerkraftdruckgusses
Beschränkungen hinsichtlich der Wandstärke
Da sich die Metallschmelze hauptsächlich unter dem Einfluss der Schwerkraft in den Formhohlraum füllt, können sehr dünne Bereiche bereits erstarren, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist.
Eine Mindestwandstärke von etwa 3 mm oder mehr ist üblich, doch hängt der erreichbare Wert von der Legierung, der Fließlänge, der Bauteilgeometrie, der Gießtemperatur und der Formkonstruktion ab.
Langsamere Produktion
Beim Schwerkraftdruckguss sind die Füll- und Erstarrungszyklen in der Regel länger als beim Hochdruckguss. Dies führt zu einer geringeren Stundenleistung.
Es eignet sich daher eher für die Fertigung mittlerer Stückzahlen als für Teile mit extrem hohen Stückzahlen, bei denen kurze Taktzeiten die wichtigste Anforderung sind.
Höhere Werkzeugkosten als beim Sandguss
Die Konstruktion und Herstellung einer Metallform ist teurer als die eines herkömmlichen Sandgussmodells.
Bei Prototypen, sehr kleinen Stückzahlen, sehr großen Bauteilen oder Konstruktionen, die sich häufig ändern, ist die Investition in Werkzeuge unter Umständen nicht wirtschaftlich.
Begrenzte Oberflächendetails
Der Schwerkraftdruckguss liefert in der Regel eine bessere Oberflächengüte als der Sandguss, kann jedoch nicht immer die sehr dünnen Wandstärken und feinen äußeren Details reproduzieren, die beim Hochdruckguss erzielt werden können.
Für Dichtflächen, Lagersitze, Gewinde, Bohrungen und andere funktionale Merkmale kann dennoch eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich sein.
Häufige Anwendungsbereiche des Schwerkraftdruckgusses
Der Schwerkraftdruckguss wird üblicherweise für Bauteile eingesetzt, die reproduzierbare Abmessungen, gute mechanische Eigenschaften und mittlere Produktionsmengen erfordern.
Kfz-Komponenten
Zu den typischen Anwendungen im Automobilbereich gehören:
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Zylinderköpfe
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Kolben
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Bremssättel
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Achsschenkel
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Komponenten des Fahrwerks
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Getriebegehäuse
Diese Bauteile erfordern häufig eine Kombination aus Festigkeit, Formstabilität, Bearbeitbarkeit und kontrollierter innerer Qualität.
Maschinen und Energieanlagen
Das Schwerkraftdruckgussverfahren wird auch zur Herstellung folgender Produkte eingesetzt:
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Pumpengehäuse und Laufräder
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Hydraulikventilgehäuse
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Pneumatikkomponenten
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Elektrogehäuse
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Schaltanlagengehäuse
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Kühlkörper
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Industriehalterungen und Abdeckungen
Viele dieser Teile erfordern bearbeitete Montageflächen, druckdichte Abschnitte oder interne Strömungskanäle.
Konsum- und gewerbliche Produkte
Zu den weiteren Anwendungsbereichen zählen Kochgeschirr aus Aluminiumguss, Leuchtengehäuse, Gerätegehäuse und langlebige Beschlagteile.
Dieses Verfahren wird in der Regel gewählt, wenn das Produkt eine bessere Konsistenz und Oberflächenqualität erfordert, als sie beim Sandguss erzielt werden können.
Schwerkraftdruckguss im Vergleich zum Sandguss
Beim Schwerkraftdruckguss wird eine wiederverwendbare Metallform verwendet, während beim Sandguss für jedes Gussteil eine Einweg-Sandform zum Einsatz kommt.
Die Metallform bietet in der Regel eine höhere Maßgenauigkeit, eine glattere Oberflächenbeschaffenheit und gleichmäßigere mechanische Eigenschaften. Diese Eigenschaften erleichtern die Kontrolle des Bearbeitungsaufmaßes und gewährleisten eine gleichbleibende Qualität über wiederholte Produktionsläufe hinweg.
Das Sandgussverfahren zeichnet sich durch geringere anfängliche Werkzeugkosten und eine größere Flexibilität bei sehr großen Bauteilen, komplexen inneren Kanälen und häufig wechselnden Konstruktionen aus. Es wird häufig für Prototypen, kleine Stückzahlen und überdimensionale Gussteile bevorzugt.
Der Schwerkraftdruckguss eignet sich in der Regel besser, wenn die Produktionsmengen den Einsatz von Metallformen rechtfertigen und das Projekt eine höhere Wiederholgenauigkeit, Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit erfordert.
Schwerkraftdruckguss im Vergleich zum Hochdruckguss
Beim Schwerkraftdruckguss wird der Formhohlraum hauptsächlich durch das Eigengewicht der Metallschmelze gefüllt. Beim Hochdruckguss wird das Metall mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in die Form eingespritzt.
Der langsamere Füllvorgang beim Schwerkraftguss kann Turbulenzen und den Einschluss von Gasen verringern. Dadurch eignet sich dieses Verfahren für Bauteile, die eine Wärmebehandlung, Druckdichtheit oder relativ dichte innere Strukturen erfordern.
Der Hochdruckguss ist schneller und ermöglicht dünnere Wandstärken, feine Oberflächendetails und komplexe Außenformen. Er wird häufig für Bauteile in Großserien eingesetzt, bei denen kurze Zykluszeiten und niedrige Stückkosten im Vordergrund stehen.
Allerdings erfordert der Hochdruckguss in der Regel teurere Werkzeuge und Anlagen. Der schnelle Füllvorgang kann zudem das Risiko von Gasblasen erhöhen, was bestimmte Möglichkeiten der Wärmebehandlung und des Schweißens einschränken kann.
Welche Alternativen gibt es zum Schwerkraftdruckguss?
Welches Gussverfahren am besten geeignet ist, hängt von der Legierung, der Bauteilgröße, der Wandstärke, dem Jahresvolumen, dem Budget für Werkzeuge und den internen Qualitätsanforderungen ab.
Squeeze Casting
Beim Druckguss wird während der Erstarrung des Metalls Druck ausgeübt. Dadurch lassen sich eine dichte Struktur und hohe mechanische Eigenschaften erzielen.
Das Verfahren kann für sicherheitskritische oder stark beanspruchte Bauteile eingesetzt werden, allerdings sind die Anforderungen an Werkzeuge, Anlagen und Prozesssteuerung in der Regel höher als beim Schwerkraftdruckguss.
Feinguss
Beim Feinguss werden Wachsmodelle und Keramikschalen verwendet, um komplexe Formen und feine Details herzustellen.
Es eignet sich für relativ kleine und komplexe Teile, allerdings sind die Produktionszyklen länger und die Stückkosten in der Regel höher als beim Schwerkraftdruckguss.
Sandgießen
Der Sandguss zeichnet sich durch niedrige Werkzeugkosten und eine erhebliche Konstruktionsflexibilität aus. Er eignet sich für große Bauteile, Prototypen, kleine Stückzahlen und Gussteile mit komplexen inneren Kanälen.
Die wichtigsten Nachteile sind im Vergleich zum Gießen in Metallformen eine geringere Maßgenauigkeit, rauere Oberflächen und weniger gleichmäßige mechanische Eigenschaften.
Druckgießen
Der Hochdruckguss eignet sich für dünnwandige Teile, komplexe Außenformen und hohe jährliche Produktionsmengen.
Es ermöglicht kurze Zykluszeiten, erfordert jedoch erhebliche Investitionen in Werkzeuge und Maschinen. Die Gasporosität kann zudem die Wärmebehandlung, das Schweißen und den Einsatz in druckdichten Anwendungen einschränken.
Niederdruckgießen
Niederdruck-Druckguss nutzt einen geregelten Gasdruck, um geschmolzenes Metall nach oben in die Form zu drücken.
Das Verfahren gewährleistet eine gleichmäßige, kontrollierte Befüllung und eine gute innere Qualität. Es wird häufig für Aluminiumfelgen, Fahrwerksteile und andere Strukturbauteile eingesetzt.
Im Vergleich zum Schwerkraftdruckguss erfordert der Niederdruckdruckguss spezialisiertere Anlagen und ist in der Regel mit höheren Prozesskosten verbunden. Er wird in der Regel dann gewählt, wenn das erforderliche Produktionsvolumen und die Qualitätsanforderungen die zusätzlichen Investitionen rechtfertigen.
Schlussfolgerung
Der Schwerkraftdruckguss bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Teilequalität, Maßhaltigkeit, Werkzeuginvestitionen und Produktionsvolumen. Er eignet sich besonders für Bauteile aus Nichteisenmetallen, die eine höhere Wiederholgenauigkeit und Oberflächenqualität erfordern als beim Sandguss, bei denen jedoch weder die Produktionsgeschwindigkeit noch die Fähigkeit zur Herstellung dünnwandiger Teile wie beim Hochdruckguss erforderlich sind.
Das Endergebnis hängt nach wie vor von der Wahl der Legierung, der Formgestaltung, der Anguss- und Speisung, der Erstarrungssteuerung, der Wärmebehandlung, der Bearbeitung und der Prüfung ab.
Wenn Sie ein Projekt im Bereich des Schwerkraftdruckgusses haben, können Sie Schicken Sie uns Ihre Zeichnungen, Materialanforderungen, voraussichtliche Produktionsmenge und Anwendungsdetails. Unser Team kann das Bauteil prüfen und dabei helfen, festzustellen, ob sich der Schwerkraftdruckguss für das Projekt eignet.
