Giesserei Verlag 3/2009

GIESSEREI
EXKLUSIV
Marktübersicht
Roboter und Handhabungssysteme
ab S. 26
F a c h m a g a z i n F ü r P r a K T i K E r
8,– EUR
3/2009
Erfahrungsaustausch
17. 03. 2009
Automatisches Kerneinlegen:
Weniger ist mehr!
Seite 4
SMErobot – eine neue
Robotergeneration:
Mittelstand stärken!
Seite 10
Warmarbeitsstähle
für das Druckgießen:
Nicht am falschen Ende sparen!
Seite 40
Giesserei-Verlag GmbH · Postfach 10 25 32 · 40016 Düsseldorf · PVST, Deutsche Post AG, Entgelt bezahlt, 66501 Heft 3 / 2009
www.giesserei-verlag.de

Sonderdruck aus „Giesserei-Erfarhungsaustausch“ 53 (2009), Heft 3, Seiten 40–44
Nachdruck verboten. Giesserei-Verlag GmbH, Düsseldorf
FORUM
Autor: Georg Zwick, Fotos: Uddeholm Tooling AB
Nicht am falschen Ende sparen
Warmarbeitsstähle für das Druckgießen, Teil 2: Lebensdauer und
Wirtschaftlichkeit von Druckgießformen, Anforderungen an die Stähle
Genauso wie die Materialkosten des
Formenstahls sind die Kosten für die
Wärmebehandlung relativ gering und
betragen nur 5 bis 10% der Kosten einer
Druckgießform. Trotzdem hat die Wärmebehandlung
große Auswirkungen
auf die Standzeit einer Form. Einwandfreies
Vorwärmen der Form und Spannungsarmglühen
tragen ebenfalls zu
einer besseren Wirtschaftlichkeit bei.
Anwendungsgerechte Oberflächenbehandlungen
ergeben einen Schutz der
Formoberfläche gegen Metallkorrosion,
Erosion und Brandrisse.
Die Lebensdauer von Druckgießformen
ist weitgehend abhängig von der Größe
und Gestalt des Gussteils, der Gießlegierung
sowie der Pflege und Wartung
der Druckgießform. Durch entsprechende
Maßnahmen vor und während des Gießvorgangs
kann die Lebensdauer der
Druckgießform verlängert werden:
– sorgfältiges Vorwärmen,
– vorschriftsmäßiges Kühlen,
– Oberflächenbehandlung,
– Spannungsarmglühen.
Der erste Kontakt zwischen der kalten
Druckgießform und dem heißen Gießmetall
setzt den Formenstahl einem
schweren Thermoschock aus. Schon
beim ersten Schuss können Warmrisse
auftreten und schnell zum Totalausfall
führen. Die Temperatur an der Oberfläche
der Gießform darf deshalb nicht zu
stark von der des flüssigen Metalls abweichen.
Auch ist zu beachten, dass die
Kerbschlagzähigkeit, d.h. die Fähigkeit
des Materials, thermischem und mechanischem
Schock zu widerstehen, durch
ordnungsgemäßes Vorwärmen des Werkzeugs
erheblich erhöht wird. Demzufolge
ist immer ein Vorwärmen zu empfehlen.
Die optimale Vorwärmtemperatur hängt
vom Legierungstyp ab, sie liegt aber normalerweise
im Bereich von 150 bis 350°C.
Es sollte nicht auf eine übermäßig hohe
Temperatur vorgewärmt werden, da andernfalls
die Form beim Gießen zu heiß
und dadurch teilweise weicher werden
kann. Außerdem sollte beachtet werden,
dass dünne Rippen sehr schnell überhitzt
werden können.
Die Form muss gleichmäßig, nicht zu
schnell und ohne Überhitzung von Teilbereichen
erwärmt werden. Thermostatisch
gesteuerte Heizsysteme sind zu
empfehlen. Während des Vorwärmens
sollte durch Einsatz eines Kühlmittels
für thermisches Gleichgewicht gesorgt
werden. Außerdem muss jede Schockkühlung
vermieden werden. Druckgießformen
mit Einsätzen müssen so langsam
erwärmt werden, dass sich die Einsätze
und Halter gleichmäßig erwärmen und
ausdehnen können.
Die Temperatur der Druckgießform wird
mit Hilfe von Kühlkanälen und durch das
Aufsprühen eines Trennmittels geregelt.
Zur Verringerung der Brandrissgefahr
kann das Kühlmittel auf etwa 50°C vorgewärmt
werden. Thermostatisch geregelte
Kühlsysteme kommen auch zum Einsatz.
Kühlmitteltemperaturen unter 20°C
sind ungeeignet. Findet eine Unterbrechung
statt, die länger als ein paar Minuten
dauert, sollte der Kühlmitteldurchsatz
so angeglichen werden, dass die Druckgießform
nicht zu sehr abkühlt.
Anwendungsgerechte Oberflächenbehandlung
Das Trennmittel muss gut an der Formoberfläche
anhaften, damit der Kontakt
zwischen dem Gießmetall und der Form
verhindert wird. Eine neue oder neu reparierte
Gießform sollte deshalb keine blanken
Metallflächen aufweisen. Daher ist es
ratsam, auf der Formoberfläche eine dünne
Oxidschicht aufzubringen, wodurch
ein gutes Anhaften des Trennmittels erzielt
wird.
Die Formoberfläche kann durch einstündiges
Erhitzen auf etwa 500°C und
anschließendes Abkühlen an der Luft
oxydiert werden. Auch durch dreißigminütiges
Erhitzen in Wasserdampfumgebung,
ebenfalls bei 500°C, kann eine
gute Oxidschicht von geeigneter Dicke
erzeugt werden.
Zur Beseitigung von Trennmittelrückständen,
die sich nach einer gewissen
Einsatzzeit abgelagert haben, empfiehlt
sich ein Kugelstrahlen der Formraumoberfläche.
Diese Behandlung entfernt
auch einige der Warmrisse. Außerdem
werden Druckspannungen in die Oberflächenschicht
eingebracht, die teilweise
die durch den Thermoschock verursachten
Zugspannungen ausgleichen.
Auswerferstifte und Eingießbuchsen sowie
andere Teile, die Abnutzung und
Reibung ausgesetzt sind, können nitriert
Bild 1: Netzförmige Oberflächenrisse
in einer
Druckgießform durch
thermische Ermüdung

42 FORUM
GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 3 / 2009
oder teniferbehandelt werden, um eine
längere Lebensdauer zu erzielen.
Durch die beim Gießen auftretenden
Temperaturschwankungen kommt es
an der Formoberfläche zu wiederholten
thermischen Dehnungen, durch die
sich Spannungen im Oberflächenbereich
aufbauen. Meistens handelt es sich hierbei
um Zugspannungen, wodurch sich
Brandrisse bilden. Durch Spannungsarmglühen
lassen sich diese Restspannungen
vermindern und die Lebensdauer
der Druckgießform verlängern. Deshalb
empfiehlt sich ein Spannungsarmglühen
im Anschluss an die Einfahrperiode
und dann nach 1000 bis 2000 bzw.
5000 bis 10 000 Schuss. Anschließend
ist dieser Vorgang nach jeweils 10 000
bis 20000 Schuss zu wiederholen, solange
die Druckgießform nur eine geringe
Brandrissbildung aufweist.
Ein Spannungsarmglühen ist wenig sinnvoll,
wenn die Druckgießform bereits umfangreiche
Brandrisse hat, da die Rissbildung
die Spannungen abbaut. Die
Druckgießform ist beim „Anfahren“ hohen
Belastungen ausgesetzt. Daher wird
das Spannungsarmglühen in der Regel
zwischen den einzelnen Gießserien
durchgeführt. Das Spannungsarmglühen
wird vorzugsweise bei einer Temperatur
durchgeführt, die etwa 25°C unter der
zuletzt angewandten höchsten Anlasstemperatur
liegt. Eine Haltezeit von zwei
Stunden reicht normalerweise aus.
Thermische und mechanische
Beanspruchungen
Druckgießformen sind großen thermischen
und mechanischen Beanspruchungen
ausgesetzt, die zyklisch
auftreten. Dies stellt natürlich hohe Anforderungen
an den Formenstahl. Die Lebensdauer
der Form wird von mehreren
Faktoren eingeschränkt. Die wichtigsten
sind:
– thermische Ermüdung (Brandrisse),
– Korrosion, Erosion,
– Risse (vollständiger Bruch),
– Eindrücke.
Die erreichbare Gesamtschusszahl wird
sehr stark beeinflusst von der Arbeitstemperatur,
d.h. der Temperatur der Gusslegierung.
Die Lebensdauer der Gießformen
hängt bei gleicher Legierung
von verschieden Faktoren ab. Dazu gehören
Produktgestaltung, Oberflächengüte,
Produktionsrate, Prozessregelung,
Formenkonstruktion, Qualität des Formenstahls,
seine Wärmebehandlung,
Toleranzgrenzen der Maße und Oberflächengüte
des Druckgussteils. Diese
können zu großen Schwankungen der
Lebensdauer beitragen.
Thermische Ermüdung, eine schrittweise
Rissbildung infolge einer hohen Anzahl
von Temperaturzyklen, bezeichnet ein
Mikrophänomen, das nur in einer dünnen
Randschicht des Werkstoffes vorkommt.
Bei Betrieb wird die Druckgießform
abwechselnd erhitzt und abgekühlt.
Hierdurch werden hohe Spannungen in
der Randschicht der Form aufgebaut,
die nach und nach zu thermischen Ermüdungsrissen
führen. Typische thermische
Ermüdungsschäden zeigen sich
als netzförmige Oberflächenrisse, wie sie
in Bild 1 deutlich zu erkennen sind.
In den letzten 15 Jahren wurde intensiv
nach Erklärungen für die thermischen
Ermüdungen und nach Zusammenhängen
zwischen einer Brandrissbildung und
den wichtigsten Werkstoffeigenschaften
gesucht. Der Anbieter Uddeholm, Düsseldorf,
hat eine spezielle Anlage zur
Simulation des Schadensverlaufes bei
thermischer Ermüdung entwickelt. Die
Untersuchungen dienen der Verbesserung
und Weiterentwicklung der Druckgießform-Werkstoffe
und führten bereits
zur Herstellung der Hochleistungsstähle
Dievar, Vidar Superior, Orvar Supreme
und QRO 90 Supreme.
Brandrisse entstehen nur bei gleichzeitigem
Vorliegen von thermischen Spannungszyklen,
Zugspannungen und plastischer
Dehnung. Sollte einer dieser
Faktoren fehlen, können Brandrisse weder
auftreten noch sich fortpflanzen. Die
plastische Dehnung leitet den Riss ein,
die Zugspannungen bewirken seine Fortpflanzung.
Folgende Faktoren beeinflussen
den Umfang einer Brandrissbildung:
– Temperaturzyklus in der Form
Vorwärmtemperatur, Oberflächentemperatur
der Form, Haltezeit bei Höchsttemperatur,
Abkühlgeschwindigkeit,
– Grundlegende Werkstoffeigenschaften
Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit,
Warmstreckgrenze,
Anlassbeständigkeit, Kriechfestigkeit,
Dehnbarkeit,
– Kerbwirkung
Stege, Nuten, Bohrungen und Ecken,
Oberflächenrauheit.
Temperaturzyklus in der Form. Sehr
wichtig ist, dass der Temperaturunterschied
zwischen der Formoberfläche
und dem flüssigen Metall nicht zu groß
Bild 2: Gießmetall klebt an einem Kernstift
ist. Deshalb ist ein Vorwärmen immer
zu empfehlen. Die Vorwärmtemperatur
sollte für Aluminium mindestens 180°C
betragen, weil dann die Bruchzähigkeit
annähernd doppelt so hoch ist wie bei
Raumtemperatur.
Auch die Oberflächentemperatur der
Druckgießform hat Bedeutung für das
etwaige Auftreten von Warmrissen. Bis
zu 600°C halten sich bei einem normalen
Warmarbeitsstahl Wärmeausdehnung
und Spannungen in Grenzen. Darüber
steigt die Gefahr einer Warmrissbildung
erheblich an. Maßgeblich für die Oberflächentemperatur
der Form sind Vorwärmtemperatur,
Gießtemperatur, Gestaltung
des Gussteils, Gestaltung und Größe der
Form sowie thermische Eigenschaften des
Formenstahls.
Mit längeren Haltezeiten erhöht sich beim
Formwerkstoff die Gefahr eines Überanlassens
und Kriechens. Dies führt dann
zu einer Herabsetzung der mechanischen
Festigkeit und demzufolge zu einer geringeren
Widerstandsfähigkeit gegen mechanische
und/oder thermische Beanspruchungen.
Die Abkühlgeschwindigkeit der Randschicht
ist von erheblicher Bedeutung.
Ein schnelleres Abkühlen führt zu größeren
Spannungen und lässt Warmrisse
früher eintreffen. Bei der Wahl des Trennmittels
wird normalerweise ein Kompromiss
zwischen der angestrebten Formlebensdauer
und der Produktionsleistung
getroffen. Aus Umweltgründen verwenden
die meisten Druckgießer nunmehr
wasserlösliche anstatt ölhaltige Trennmittel.
Grundlegende Werkstoffeigenschaften.
Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
ist gleichbedeutend mit niedrigen
thermischen Spannungen. Stähle mit ho-

GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 3 / 2009
FORUM
43
her Wärmeleitfähigkeit weisen geringere
Temperaturgradienten und dadurch
auch geringere thermische Spannungen
auf. Allerdings lässt sich schwer voraussagen
oder durch Versuche feststellen, in
welchem Ausmaß die Wärmeleitfähigkeit
in diesem Zusammenhang von Bedeutung
ist.
Eine hohe Warmstreckgrenze reduziert die
plastische Verformung und ist in Bezug
auf die Warmrissgefahr von Vorteil.
Die Warmrissschäden nehmen ein größeres
Ausmaß an, wenn ein Formenstahl
mit ursprünglich hoher Warmstreckgrenze
während des Betriebs aufgrund der hohen
Wärmebeanspruchung an Härte verliert.
Deshalb sollte der Stahl eine gute
Anlassbeständigkeit bei hohen Temperaturen
aufweisen.
Die mit der Anlassbeständigkeit verbundene
Festigkeitsverminderung wird
durch mechanische Beanspruchung beschleunigt,
da der Stahl sowohl hoher
Temperatur als auch mechanischer Beanspruchung
ausgesetzt wird. Ein guter
Formenstahl ist somit beständig gegen
die vereinte Wirkung von hoher Temperatur
und mechanischer Beanspruchung,
d. h., er muss eine hohe Kriechfestigkeit
aufweisen. Bei Experimenten hat sich sogar
gezeigt, dass Warmrisse auch durch
zyklische mechanische Beanspruchung
bei konstanter Temperatur auftreten können.
Die Duktilität ist ein Maß für die plastische
Verformbarkeit eines Werkstoffs,
ohne dass ein Riss eingeleitet wird. Bei
gegebener Warmfestigkeit und vorgegebenen
Temperaturzyklen bestimmt die
Duktilität den Widerstand gegen die Einleitung
der Brandrisse. Sie ist daher maßgeblich
für die Schusszahl ohne bzw. mit
wenigen Brandrissen. Wenn die Brandrisse
größer werden, nimmt der Einfluss
der Dehnbarkeit ab.
Die Duktilität des Werkstoffs wird weitgehend
von Schlackeneinschlüssen, Primärkarbiden
und Seigerungen, d.h. von
der Reinheit und Homogenität des Stahls,
beeinflusst. Aus dieser Erkenntnis heraus
werden Stähle für Druckgießformen des
Anbieters Uddeholm nach einem besonderen
Verfahren hergestellt.
Spezielle Schmelz- und Verfeinerungstechniken,
ein geregelter Schmiedevorgang
und eine besondere Mikrogefügebehandlung
haben eine wesentliche
Anhebung der Duktilität ermöglicht. Dies
kommt vor allem im Kernbereich dicker
Abschnitte von größeren Werkzeugen
zum Tragen.
Kerbwirkung. Konstruktiv bedingte
Spannungsspitzen und erhöhte Temperaturgradienten
erhöhen die Spannungen
und die Belastung an Stegen, Nuten, Bohrungen
und Ecken. Deshalb treten an solchen
Stellen frühzeitiger Warmrisse auf
als auf ebenen Flächen. Durch das Zusammenwirken
von Warmrissen mit Nuten
und Kerben erhöht sich die Gefahr
eines vollständigen Bruchs.
Oberflächenfehler, z.B. Schleifriefen, fördern
die Brandrissbildung ähnlich wie
Nuten, Stege, Bohrungen und Ecken. Solange
die Schleifkorngröße jedoch im Bereich
von 220 bis 600 liegt, besteht keine
Brandrissgefahr aufgrund der Oberflächenrauheit.
Eine nicht übermäßig stark
polierte Oberfläche ist vorzuziehen, da
das Trennmittel besser an dieser anhaftet
und sich gleichmäßiger verteilt. Deshalb
ist z. B. Sandstrahlen oder Oxidieren zu
empfehlen. Außerdem besteht dann eine
geringere Klebneigung (Bild 2), und das
Gussteil lässt sich leichter herausnehmen.
Dies ist besonders wichtig beim Einfahren
einer neuen Druckgießform.
Korrosion durch die Metallschmelze
Beim Druckgießen wird das flüssige Metall
in die Form eingespritzt. Wenn der
Formraum keine Schutzschicht aufweist,
findet eine Reaktion zwischen
dem flüssigen Metall und dem Formenstahl
statt. Das Gießmetall diffundiert in
die Formoberfläche und bildet intermetallische
Phasen. Legierungsbestandteile
(vor allem Eisen) aus der Formoberfläche
diffundieren in das Gießmetall, wodurch
sich die Form auflöst. Wenn starke intermetallische
Verbindungen gebildet werden,
verschmilzt das Gießmetall mit der
Formenoberfläche.
Uddeholm hat die Korrosionsneigung
verschiedener Druckgießlegierungen untersucht
und festgestellt, dass sie von
mehreren Faktoren beeinflusst wird.
Einflussfaktoren auf die Korrosion sind
– Temperatur des Gießmetalls,
– Zusammensetzung des Gießmetalls,
– Gestaltung der Druckgießform,
– Oberflächenbehandlung des Formenstahls.
Temperatur des Gießmetalls. Bei den
Druckgießlegierungen nimmt ab einer
bestimmten Temperatur die Korrosionsgefahr
zu. Zink reagiert mit Stahl ab etwa
480°C, Aluminium ab etwa 720°C.
Bei Kupferlegierungen scheint es keine
kritische Temperatur zu geben, aber die
Korrosionsgefahr erhöht sich langsam
mit ansteigender Temperatur.
Zusammensetzung des Gießmetalls.
Reinmetalle greifen den Werkzeugstahl
weit stärker an als handelsübliche Legierungen.
Dies gilt sowohl für Zink (Zn)
als auch für Aluminium (Al). Die Korrosionsgefahr
nimmt auch zu, wenn Aluminiumschmelzen
einen geringen Eisengehalt
enthalten.
Gestaltung der Druckgießform. Auch die
Gestaltung der Druckgießform beeinflusst
die Korrosionsneigung. Wenn das flüssige
Metall zu schnell eingespritzt wird,
kann das Trennmittel von der Formoberfläche
weggespült werden. Eine zu hohe
Einspritzgeschwindigkeit ist in der Regel
die Folge eines fehlerhaft konstruierten
Eingusssystems.
Oberflächenbehandlung des Formenstahls.
Die Oberflächenbehandlung des
Stahls ist von großer Bedeutung. Wenn
ein metallischer Kontakt zwischen dem
Formenstahl und dem flüssigen Metall
vermieden werden kann, besteht eine erheblich
geringere Korrosionsgefahr. Eine
Oxidschicht auf der Oberfläche bietet
einen guten Schutz. Auch nitrierte oder
teniferbehandelte Oberflächen sind in gewissem
Ausmaß geschützt.
Erosion durch geschmolzenes
Gießmaterial
Erosion ist eine Art von warmmechanischem
Verschleiß auf der Formoberfläche,
der hauptsächlich durch die
Strömung der Schmelze verursacht
wird. Sie hängt in erster Linie von der
Strömungsgeschwindigkeit (besonders
im Anschnitt), der Temperatur und der
Zusammensetzung des Gießmetalls
ab.
Einspritzgeschwindigkeiten von über
55 m/s erhöhen die Erosionsgefahr beträchtlich.
Auch eine hohe Temperatur
beeinflusst die Situation, da die Formoberfläche
weicher wird. Harte Partikel,
wie Einschlüsse und/oder harte Siliciumteilchen
von übereutektischen Aluminiumschmelzen
(mehr als 12,7% Silicium)
erhöhen die Gefahr von Erosionsschäden
weiter.
Meistens tritt eine Kombination von Korrosions-
und Erosionsschäden auf der
Formoberfläche auf. Welcher Schaden dominiert,
hängt hauptsächlich von der Einspritzgeschwindigkeit
des flüssigen Materials
ab. Bei hohen Geschwindigkeiten ist

44 FORUM
GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 3 / 2009
Bild 3: Erosionsschaden an einer Druckgießform
gewöhnlich der Erosionsschaden dominant
(Bild 3). Der Druckgussstahl muss
eine hohe Anlassbeständigkeit sowie eine
hohe Warmfestigkeit aufweisen.
Die Zähigkeit ist die Fähigkeit eines
Werkstoffs, Zugspannungen an scharfen
Kerben oder auch Rissen (z.B. Brandrisse)
ohne Rissbildung bzw. Risswachstum
aufzunehmen. Bei Druckgießformen
ist die Zähigkeit abhängig von der Stahlsorte
und von deren Wärmebehandlung.
Da sich die mechanischen und
thermischen Spannungen in allen Richtungen
in der Form ausbreiten, muss die
Zähigkeit des Stahls sowohl in Längs-,
Quer- und Dickenrichtung berücksichtigt
werden.
Dievar, Vidar Superior, Orvar Supreme
und QRO 90 Supreme werden in einem
speziellen Verfahren hergestellt, das annähernd
isotrope mechanische Eigenschaften
ergibt.
Die Temperaturwechsel in der Oberfläche
lösen hohe Spannungen aus. Diese
führen zu Thermoschockrissen (Brandrissen).
Die Thermoschockrisse können
aufgrund der Spannungen zum Bruch
führen.
Eindrücke an den Trennflächen oder ein
Absenken der Form beruhen gewöhnlich
auf einer zu niedrigen Warmfestigkeit.
Bei erhöhter Temperatur nimmt die
Festigkeit des Stahls und damit auch seine
Härte ab. Entsprechend erhöht sich
bei einer Druckgießform mit der Betriebstemperatur
auch die Neigung zu
Eindrücken. Sowohl der auf die Formhälften
wirkende Schließdruck als auch
der Einspritzdruck des Gießmetalls sind
so hoch, dass eine bestimmte Mindestwarmfestigkeit
erforderlich ist. Besonders
wichtig ist dies beim Druckgießen
von Aluminium-, Magnesium- und
Kupferlegierungen.
Georg Zwick, Technischer Berater, Uddeholm,
Düsseldorf
Weitere Informationen:
www.uddeholm.de