GRUNDPRAKTIKUM H1 - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe

GRUNDPRAKTIKUM H1
U R - UND U MFORMEN: G IESSEN UND B LECHUMFORMUNG
1 GIESSEN
1.1 EINLEITUNG
1.1.1 DEFINITION
Gießen gehört zu den Urformverfahren, d.h. ein fester Körper wird aus formlosem Stoff durch
Schaffen eines Zusammenhalts gefertigt. Das Gießen selbst ist das Urformen aus dem
flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand. Der Vorteil des Gießens besteht darin,
dass sich - von Einzelteilen bis zu Großserien - Werkstücke nahezu jeden Gewichts und
nahezu jeder Form relativ kostengünstig herstellen lassen.
1.1.2 EINTEILUNG DER G IEßVERFAHREN NACH A RT UND F ORMEN DER
M ODELLE
verlorene Formen
Dauermodelle verlorene Modelle
Handformen
Maschinenformen
Maskenformen
Vakuumformen
1.2 BEGRIFFE ZUM G IESSEN
Feingießen
Vollformgießen
Dauerformen
ohne Modelle
Druckgießen
Kokillengießen
Schleudergießen
Stranggießen
Modell … ist eine Abbildung des Werkstückes mit Aufmaß. Verlorene Modelle werden
nach dem Einformen zerstört; Dauermodelle werden nach dem Einformen
herausgenommen.
Form … bildet den Hohlraum zur Aufnahme der Schmelze. Verlorene Formen
werden zum Entformen des Gussstücks zerstört; Dauerformen bleiben für
weitere Gießvorgänge erhalten. Material: toniger Sand mit Zusätzen bzw. aus
keramischen Stoffen (z.B. Schamotte).
Formstoff … muss folgenden Eigenschaften genügen:
- Festigkeit und Maßhaltigkeit
- Hohe Abbildungsgenauigkeit
- Feuerbeständigkeit
- Geringe Wärmeleitfähigkeit
- Keine Wechselwirkungen mit der Schmelze
- Problemlose Wiederverwendbarkeit.
Kerne … sind das Abbild der Hohlräume des Gussstücks.

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1.3 GIESSVERFAHREN
1.3.1 KONVENTIONELLE V ERFAHREN
1.3.1.1 SANDGUSS
Das klassische Sandgießverfahren ist eine Technik
mit verlorenen Formen und Dauermodellen. Für die
Gussformen wird entweder tongebundener
Formsand oder chemisch gebundener Quarzsand
verwendet. Große Einzelstücke (Abb. 1.1), die
Stückgewichte bis zu 800 kg und mehr haben
können, und kleinere Serien lassen sich nach dem
Handformverfahren herstellen. Zunehmende
Bedeutung haben die maschinellen
Sandformverfahren. Hier erfolgen die
Sandverdichtung und die Trennung des Modells von
der Sandform maschinell. Eine hohe Sandverdichtung
ermöglicht sehr genaue Formen mit guter
Oberflächenbeschaffenheit.
1.3.1.2 KOKILLENGUSS
Die Vorteile des Kokillengießverfahrens (Abb. 1.2)
sind die Wiederverwendbarkeit der Form und die
gute Oberflächenbeschaffenheit bei
uneingeschränkter Anwendbarkeit von Sandkernen.
Während früher fast ausschließlich Gusseisen als
Kokillenwerkstoff verwendet wurde, findet heute in
zunehmendem Maße Warmarbeitsstahl Anwendung.
Ein weiterer Vorteil ist das im Vergleich zum
Sandguss feinere Gefüge und die damit verbundene
höhere Festigkeit und Dehnung. Diese
Eigenschaften sind eine Folge der höheren
Erstarrungsgeschwindigkeit gegenüber Sandguss.
Die große Menge der Kokillengussstücke hat in der
Regel ein Gewicht von ca. 0,05 kg bis ca. 40 kg.
1.3.1.3 STRANGGUSS
Mithilfe der Stranggussverfahren (Abb. 1.3) werden
vielerlei Profile als auch Wanddicken hergestellt.
Eine wichtige Entwicklungslinie ist die des Gießens
immer dünnerer Bleche. Das bedeutet, dass
aufwendige Walzverfahren durch das Gießen
eingespart werden können, wodurch nicht nur eine
schnellere Realisierung endabmessungsnaher Halbzeuge
ermöglicht, sondern auch die Produktivität
erhöht wird. Strangguss ist in wirtschaftlichen
Längen, theoretisch unbegrenzt, herstellbar und
besonders für die Serien- und Automatenfertigung
geeignet.
Abb. 1.1: Gestellwand aus
Sandguss.
Abb. 1.2: Kokillenguss.
Abb. 1.3: Schematische Darstellung
des Stranggießprozesses.

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1.3.2 INNOVATIVE VERFAHREN
1.3.2.1 DRUCKGIESSEN (PRESSGIESSEN)
Der beträchtliche Kostendruck in der Kfz-Industrie
fordert auch die Forschung und Entwicklung heraus,
neue innovative Lösungen zu suchen, um insbesondere
die Produktionskosten der Systemkomponenten
zu reduzieren. Für die Produktion von Stahlschmiedebauteilen
im Fahrwerksbereich, sowie die
Herstellung von Stahlzahnrädern mittels mechanischer
Bearbeitung, stellt das Pressgießen
(Squeeze Casting) von ADI- (Austempered Ductile
Iron) Werkstoffen mit gekoppelter Wärmebehandlung
(Abb. 1.4) eine Alternative dar. Die daraus folgende
gießtechnische Herstellung von "near-net-shape"
Bauteilen mit hoher Zugfestigkeit und Duktilität des
preiswerten Gusseisenwerkstoffs gegenüber Stahl
bietet darüber hinaus einige weitere werkstoffspezifische
Vorteile durch den eingelagerten Graphit
wie: höhere Dämpfung (Geräuschemissionen),
geringeres Bauteilgewicht (niedrigere Dichte) und
bessere mechanische Bearbeitbarkeit.
1.3.2.2 THIXOGIESSEN
Derzeitige Forderungen der Industrie an die
Leichtbautechnik bedingen neben der Erforschung
neuer Werkstoffklassen auch die Entwicklung
entsprechender, innovativer Herstellungsverfahren.
Das Thixogießen ist ein mit dem Druckgießen
verwandtes Formgebungsverfahren, bei dem die
Verarbeitung des Metalls im teilflüssigen Zustand
erfolgt (Abb. 1.5). Neben den sehr guten mechanischen
Kennwerten sind thixogegossene Bauteile im
Gegensatz zu herkömmlichen Druckgussbauteilen
durch die Eigenschaften Schweißbarkeit, Druckdichtigkeit
und Wärmebehandelbarkeit charakterisiert.
Ein Ziel des Verfahrens ist die Substitution
hochwertiger Schmiedebauteile durch Gussteile aus
Aluminiumwerkstoffen.
1.3.2.3 GERICHTETE ERSTARRUNG
Die Forderung nach ständiger Verbesserung der
Gasturbinenwirkungsgrade führte zu intensivem
Einsatz gegossener einkristalliner Turbinenschaufeln
aus neu entwickelten Superlegierungen. Einkristalline
Flugzeugturbinenschaufeln sind Stand der
Technik. Wegen ihrer überlegenen mechanischen
Eigenschaften werden einkristalline Turbinenschaufeln
zunehmend auch in Industriegasturbinen
Abb. 1.4: ZTU-Diagramm des
Pressgieß-Verfahrens mit gekoppelter
Wärmebehandlung.
Abb. 1.5: Teilschritte des Thixogieß-
prozesses: Vormaterialherstellung-
Wiedererwärmung-Formgebung.
Abb. 1.6: Herstellung einer
Turbinenschaufel durch gerichtete
Erstarrung.

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eingesetzt. Die überragenden Hochtemperatureigenschaften einkristalliner Mikrostruktur,
welche die hohen Herstellungskosten rechtfertigen, basieren auf der Vermeidung
struktureller Inhomogenitäten während der einkristallinen Erstarrung in einem künstlich
aufgebauten Temperaturfeld mit einem gerichteten Temperaturgradienten.
1.3.2.4 FEINGUSS VON SPEZIELLEN
LEGIERUNGEN
Um den Wirkungsgrad moderner Gasturbinen zur
Energiewandlung bei gleichzeitig abnehmender
Umweltbelastung zu verbessern, sind höhere Materialbeanspruchungen
unumgänglich. Diese gestiegenen
Anforderungen werden heutzutage durch den
Einsatz gerichtet bzw. einkristallin erstarrter Ni-
Basis-Superlegierungen erfüllt. Verglichen mit
diesen Werkstoffen liefern einige der
intermetallischen Phasen vielversprechende
Vorteile. Aus dem geordneten Gitteraufbau ergeben
sich für diese Werkstoffe besondere Eigenschaften
in Form hoher Festigkeit im Bereich der
Einsatztemperatur, großem Widerstand gegen
Kriechen sowie guter Oxidationsbeständigkeit. Die
intermetallische Phase NiAI hat eine deutlich
verbesserte thermische Leitfähigkeit, einen niedrigen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine
deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Somit
stellen NiAI-Legierungen bei erhöhten
Einsatztemperaturen (oberhalb 600-800°C) einen interessanten Alternativwerkstoff zu den
konventionellen Superlegierungen und anderen Hochleistungswerkstoffen dar. Aus der
Gruppe der intermetallischen Phasen bieten sich speziell die Titanaluminide (γ-TiAI) wegen
ihrer geringen Dichte an.
Bestrebungen nach Gewichtsreduzierung, vor allem im Bereich Transport und Verkehr,
münden in die Forderung nach hochfesten Leichtbauwerkstoffen. Hier zeigen Legierungen
auf Aluminium-Lithium-Basis ein großes Potential, besonders für Anwendungen im
Flugzeugbau. Gegenüber konventionellem Aluminium zeigt dieser Legierungstyp bei
geringer Dichte bessere mechanische Eigenschaften, wie höhere Steifigkeit, Zugfestigkeit,
und Härte. Diese guten Eigenschaften entfalten sich erst nach einer Wärmebehandlung
(vorwiegend Aushärtung) in vollem Umfang. Die Problematik in der Herstellung von AI-Li-
Gussstücken liegt insbesondere in der hohen Reaktivität des Lithiums.
Magnesium gehört zu den Leichtmetallen und stellt
von diesen den leichtesten Konstruktionswerkstoff
dar. Aus der hexagonalen Gitterstruktur des Magnesiums
resultiert eine geringe Duktilität, was die
Kaltumformung schwer möglich macht. Somit ist das
Gießen der wichtigste Formgebungsprozess für
Magnesium (Abb. 1.8). Aus der Gruppe der Gießverfahren
bietet sich insbesondere der Feingießprozess
als Herstellungsverfahren für Mg-Gussteile an. Der
Feinguss ermöglicht eine endabmessungsnahe
Fertigung und bietet im Vergleich zum Druckguss
eine deutlich größere Gestaltungsfreiheit. Die hohe
Reaktivität des flüssigen Magnesiums stellt besondere
Anforderungen sowohl an den Schmelz- und
Abb. 1.7: Festigkeit unterschiedlicher
Legierungen in Abhängigkeit von
der Temperatur.
Abb. 1.8: Potentielle Einsatzgebiete
für Magnesium-Gussteile.

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Gießprozess als auch an die zu verwendenden keramische Formstoffe.
1.3.2.5 FEINGUSS VON METALL-MATRIX-VERBUNDWERKSTOFFEN
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit keramischen Langfasern stellen in Anwendungsgebieten
mit höchsten Anforderungen an mechanische und physikalische Eigenschaften in
Kombination mit niedrigem Bauteilgewicht eine Alternative zu konventionellen Leichtmetalllegierungen
dar. Durch eine selektive Verstärkung der am stärksten belasteten Bauteilbereiche
besteht die Möglichkeit einer Kostenreduktion durch Materialeinsparung und einer
anwendungsgerechten Bauteilauslegung.
1.3.2.6 GIESSEN VON WERKSTOFFEN MIT GRADIENTENGEFÜGE
Aufgrund steigender Komplexität moderner Maschinen
und Anlagen kommt es zu immer höheren
Anforderungen an einzelne Bauteile. Hier sind
mehrere, teilweise sogar gegensätzliche Anforderungen
innerhalb eines Werkstücks gefordert, wie
z.B. bei Walzen, Schneidwerkzeugen, Bremsscheiben
mit sehr harten, verschleißfesten Rand-
bzw. Oberflächenbereichen und zähfestem, druckbeanspruchbarem
Innenbereich. Da dies meist von
einem Werkstoff nicht erfüllt werden kann, kommen
hier Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Oft stellen
unterschiedliche physikalische Eigenschaften der
verwendeten Werkstoffpaarungen bei konventionellen
Verbunden im Einsatzbereich (z.B. erhöhte
Temperatur) ein Problem dar, das zur Schwächung
oder auch Zerstörung des Gefügeverbundes führen
kann. Durch eine gezielt eingesetzte Gradierung der
Werkstoffe innerhalb eines Bauteils, durch Vergießen
von zwei unterschiedlichen Schmelzen, kann
das Werkstoffprofil dem Anforderungsprofil
angepasst und somit optimiert werden (Abb. 1.9).
1.3.2.7 GIESSEN VON GITTERNETZSTRUKTUREN UND
METALLISCHEN SCHÄUMEN
Metallische "Schäume" (Abb. 1.10) weisen ein
enormes Anwendungspotential auf. Besonderes
Interesse gilt den offenporigen Strukturen, die mit
Gasen, Flüssigkeiten oder festen Stoffen durchström-
oder infiltrierbar sind. Die regelmäßigen, dreidimensionalen
Gitternetzstrukturen mit ihren besonderen,
strukturspezifischen physikalischen, chemischen
und mechanischen Eigenschaften definieren
einen innovativen Funktionswerkstoff. Elementare
Strukturparameter sind Volumenanteil und Porosität.
Die extrem hohen Verhältnisse von Oberflächen zu
Volumina prädestinieren offenporige Gitternetzstrukturen
für Komponenten in Wärmetauschern,
Leichtbaukonstruktionen, Crash-Absorbern, als
Katalysator-Oberflächen und Filter.
Abb. 1.9: Gradientengefüge: eine
geringe Si-Konzentration im
Plattenbereich im Vergleich zum
Trapezbereich des Zahnes eines
Zahnrads aus einer AI-Si-
Legierung.
Abb. 1.10: Offenporige metallische
Gitternetzstruktur.

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1.4 THEORETISCHER HINTERGRUND
1.4.1 FEST-FLÜSSIG-
PHASENÜBERGANG
Der fest-flüssig-Phasenübergang (Erstarrung) liegt
jedem Gießprozess zugrunde und lässt sich thermodynamisch
beschreiben. Die Grenzen des Existenzbereiches
eines Aggregatzustandes (fest oder
flüssig) findet man, indem man die thermodynamischen
Potentiale der verschiedenen Phasen
betrachtet. Wählt man Temperatur und Druck als
Zustandsvariablen, so stellt diejenige Phase mit der
niedrigsten freien Enthalpie G den Gleichgewichtszustand
dar (Abb. 1.11). Bei der Gleichgewichtsschmelztemperatur
Tm, die vom Druck p0 abhängt,
fällt die Kurve für die flüssige unter diejenige für den
festen Zustand. Am Schmelzpunkt koexistieren
beide Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht.
KEIMBILDUNG (HOMOGEN /HETEROGEN)
Zu Beginn des Erstarrungsphänomens steht die
Keimbildung. Man unterscheidet die homogene und
die heterogene Keimbildung. Die homogene Keimbildung
stellt eine spontane Bildung von Clustern der
stabilen Phase in der Ausgangsphase dar
(Abb. 1.12). Bei der homogenen Keimbildung sind
ausschließlich Keim und Schmelze aber keine
fremden Phasen beteiligt. Die Keimbildung dieser Art
wird jedoch in der Praxis kaum erreicht, da in der
Regel Fremdphasen der festen Phase am
Keimbildungsprozess beteiligt sind. Durch Schmelze,
Kokillenwände oder Oxide, mit denen sich eine
Schmelze in Kontakt befindet, wird die Bildung von
Keimen katalysiert. Man spricht dann von heterogener
Keimbildung. Abb. 1.13 zeigt ein Beispiel der
heterogenen Keimbildung, in dem ein Cluster in
Form einer Kugelkalotte auf einer Fremdphase,
welche auch die Behälterwand sein kann, wächst.
1.4.2 KRISTALLWACHSTUM / ERSTARRUNGSMORPHOLOGIEN
Der einer Keimbildung folgende Prozess ist das Wachstum. Die Wachstumskinetik wird
dabei in erster Linie von zwei Parametern bestimmt: Erstarrungsgeschwindigkeit v und
Temperaturgradient an der Erstarrungsfront G. Für die Charakterisierung der Erstarrungsbedingungen
wird häufig die Abkühlgeschwindigkeit verwendet, welche sich als Produkt der
Erstarrungsgeschwindigkeit und des Temperaturgradienten darstellen lässt:
∂T
= G ⋅ v
∂t
Abb. 1.11: Die freie Enthalpie G als
Funktion der Temperatur für die flüssige
(L) und die feste (S) Phase bei
konstantem Druck. Der Schnittpunkt
markiert die Schmelztemperatur Tm(p0).
Abb. 1.12: Homogene Keimbildung
der festen Phase in einer
Schmelze.
Abb. 1.12: Heterogene Keimbildung
auf einer Fremdphase.

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Abhängig von diesem Parameter ändert sich auch die Erstarrungsmorphologie, d.h. die
Erscheinungsform der festen Phase. Sie kann in vier
unterschiedlichen Formen auftreten (Abb. 1.14):
planare Front, Zellen, gerichtete Dendriten,
gleichachsige Dendriten (Globulas).
Durch die unterschiedlichen Erstarrungsbedingungen
bilden sich Bereiche unterschiedlicher
Morphologien (Strukturbereiche) in einem Barren
aus (Abb. 1.15). An der kalten Kokillenwand wird der
Schmelze schnell Wärme entzogen, so dass eine
beträchtliche Unterkühlung eintritt, welche die
Bildung zahlreicher Keime bewirkt. Daher entsteht
an der Kokillenwand eine Schicht sehr kleiner
gleichachsiger globulitischer Kristalle. Bei ihrem
Wachstum verhalten sich die Kristalle bezüglich ihrer
Wachstumsrate anisotrop. Im weiteren Verlauf der
Erstarrung werden solche Kristalle bevorzugt, deren
Gitter zufällig so orientiert ist, dass sie mit der
Richtung des Temperaturgradienten, d.h. der Richtung
des größten Wärmegefälles, zusammenfällt.
Diese Kristalle überwachsen die nicht so günstig
zum Temperaturgradienten orientierten Nachbarkristalle.
So ergibt sich der Vorgang der Kornselektion.
Durch diesen Vorgang wird der zweite
Strukturbereich, der Bereich der Stengelkristalle,
ausgebildet.
Abb. 1.14: Erstarrungsmorphologien
und ihre Abhängigkeit vom Temperaturgradienten
G und der Er-
starrungsgeschwindigkeit v
Abb. 1.15: Ausbildung der Strukturbereiche eines Barrens.
Weiter nach innen macht sich die einseitig gerichtete Wärmeabfuhr nicht mehr so stark
bemerkbar. Es entstehen regellos orientierte gleichachsige Kristalle aus Keimen, deren
Bildung durch die vor den Stengelkristallen her zur Mitte hin gedrängten Verunreinigungen
gefördert wird. Daher bildet sich der zentrale Strukturbereich der globulitischen Kristalle.

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1.5 GIESSBARKEIT
Fließfähigkeit … ist ein Maß, wie weit das Metall in einer Form fließen kann,
bis der Metallfluss durch die fortschreitende Erstarrung stockt.
Formfüllungsvermögen … ist die Fähigkeit des Gießmaterials, die Konturen der Form
wiederzugeben.
Die Fließfähigkeit und das Formfüllungsvermögen können mit einer Gießspirale ermittelt
werden.
1.6 EINIGE TYPISCHE GUSSFEHLER
1.6.1 LUNKER
Die meisten Metalle weisen eine sprunghafte Volumenverringerung während des Erstarrens
auf. Für Aluminium beträgt diese Verringerung 6%, für Eisen und Kupfer 4%. Indem die
Kristalle von der Wand der Kokille nach innen wachsen und dabei ihr Volumen verringern,
sinkt der Flüssigkeitsspiegel der Restschmelze stetig ab. So entsteht im Kopf des Blocks ein
Schwindungshohlraum, der Blocklunker.
Die gleiche Ursache, Volumenverringerung, führt zu Mikrolunkern, wenn mehrere Kristalle so
zusammenstoßen, dass die zwischen ihnen eingeschlossene Flüssigkeit keine Verbindung
zur Restschmelze hat.
1.6.2 GASBLASEN
Bei der Erstarrung nimmt das Lösungsvermögen eines Metalls für Gase sprunghaft ab. Dies
kann zur Bildung von Gasbläschen an der fest-flüssigen Grenze führen. Ein Teil der
Gasbläschen kann zwischen den wachsenden Kristallen festgehalten werden.
1.6.3 SEIGERUNGEN
Bei schneller Abkühlung können die naturgemäß entstehenden Konzentrationsunterschiede
in den einzelnen Erstarrungsbereichen nicht mehr durch Diffusion ausgeglichen werden. Es
entstehen damit Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung im Werkstoff. Solche
Schwankungen werden auf Kornmaßstab Mikro- und auf Werkstücksmaßstab
Makroseigerungen (Blockseigerungen) genannt.
1.6.4 EINSCHLÜSSE
Beim Gießen kann Schlacke aus dem Ofen mitgerissen werden (Schlackeeinschlüsse).
Unter Einwirkung von Sauerstoff während des Gießprozesses kann es außerdem zur
Bildung von Oxidhäuten kommen, die dann im Werkstück eingegossen werden.
1.6.5 RISSE
Aufgrund konstruktiver Fehler können Spannungsrisse im Werkstück auftreten.

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1.7 AUFGABENSTELLUNG
1.7.1 STRANGGUSS
1. Wiegen Sie ca. 500 g Zinn in den Schmelztiegel der Stanggießanlage ein.
2. Gießen Sie einen Strang mit folgenden Gießparametern:
Tiegeltemperatur: 350 °C
Kokillentemperatur: 50 °C
3. Diskutieren Sie das Makrogefüge durch Ätzen mit Salzsäure.
4. Diskutieren Sie das Mikrogefüge anhand der vorgefertigten Schliffe.
Hinweise zum Protokoll:
- Beschreiben Sie das angewandte Verfahren (Prinzip, Vor-/Nachteile, Einsatzgebiete…)!
- Notieren Sie alle Versuchsparameter und begründen Sie deren Wahl!
- Welche Möglichkeiten hat man, das Gefüge zu beeinflussen?
1.7.2 F ORMGUSS
1. Erschmelzen Sie ca. 250 g Zinn in einem Tiegel im Umluftofen bei 350 °C.
2. Gießen Sie einen Formkörper in eine Kokille (Gießspirale) von Raumtemperatur.
3. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit den vorbereiteten Gussstücken. Bestimmen Sie
qualitativ den Einfluss von Gießtemperatur und Kokillentemperatur auf das
Formfüllungsvermögen von Zinn und verschiedenen Zinnlegierungen.
4. Diskutieren Sie das Mikrogefüge verschiedener Legierungen anhand der
vorgefertigten Schliffe.
Hinweise zum Protokoll:
- Notieren Sie alle Versuchsparameter!
- Beschreiben Sie das Gießverhalten (Oberflächenbeschaffenheit, Fließfähigkeit,
-
Formfüllungsvermögen, Gießfehler etc.) von Zinn und verschiedenen Zinnlegierungen
und bestimmen Sie qualitativ den Einfluss von Gießtemperatur und Kokillentemperatur!
Worin unterscheiden sich die verschiedenen Erstarrungsgefüge? Wie lassen sie sich
beeinflussen?
- Worauf ist bei der Gestaltung einer Gießform zu achten?
1.8 F RAGEN ZUR VORBEREITUNG
Welche Möglichkeiten eröffnen Urformverfahren gegenüber anderen Fertigungsverfahren?
Welche Gießverfahren kennen Sie? Wann werden diese jeweils eingesetzt?
Welche Vorteile/Nachteile besitzt der Kokillenguss gegenüber dem Sandguss?

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Welche technologischen Eigenschaften sollte eine Legierung besitzen, damit sie als
Gusswerkstoff geeignet ist?
Nennen Sie Werkstoffeigenschaften, die eine positive Wirkung auf die Gießbarkeit haben!
Welche Gussfehler kennen Sie und wie können diese vermieden werden?
Was kann mit einer Gießspirale ermittelt werden und wie?
Welche Einflussgrößen spielen bei der Erstarrung eine große Rolle?
Welche Erstarrungsmorphologien kennen Sie? Beschreiben Sie deren Entstehung!
Wie kann ein feinkörniges Gefüge eingestellt werden?
Was versteht man unter dem Zinnschrei bzw. unter der Zinnpest?
1.9 LITERATUR
[1] W. König, F. Klocke: “Fertigungsverfahren”, Band 4 (Massivumformung), VDI Verlag
1996
[2] P.R. Sahm, I. Egry: "Schmelze, Erstarrung, Grenzflächen", Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1999
[3] W. Kurz, D.J. Fisher: "Fundamentals of Solidification", Trans Tech Publications Ltd,
1998

GRUNDPRAKTIKUM H1
U R - UND U MFORMEN: G IESSEN UND B LECHUMFORMUNG
2 BLECHUMFORMUNG
2.1 GRUNDLAGEN DER U MFORMTECHNIK
2.1.1 PRODUKTIONSTECHNISCHE G RUNDLAGEN
Die Fertigungstechnik unterscheidet generell zwischen Urformen und Umformen. Die
zentrale Definition der Umformtechnik lautet:
"Überführen eines Körpers in eine andere Form unter Beibehaltung von Masse und
Stoffzusammenhang"
Eine Verfahrensunterteilung erfolgt nach DIN 8582-Fertigungsverfahren Umformen, gemäß
den „Wirksamen Spannungen in der Umformzone":
Druck -
umformen
Walzen
Freiformen
Gesenkformen
Eindrücken
Durchdrücken
Zug-Druckumformen
Tiefziehen
Kragenziehen
Drücken
Knickbauchen
Umformen
Zug-
umformen
Durchziehen Längen
Weiten
Tiefen
Abb. 2.1 : Einteilung der Umformverfahren
Biegeumformen
Biegen mit
geradlinieger
Werkzeugbewegung
Biegen mit
drehender
Werkzeugbewegung
Schubumformen
Verschieben
Verdrehen
(DIN 8582)
Die Untergruppen der Norm werden jeweils noch weiter unterteilt z.B. nach der
Werkzeuggeometrie. Weitere Unterscheidungskriterien für Umformverfahren sind:
- die Art der Krafteinleitung:
Bei unmittelbarer oder direkter Krafteinleitung entspricht die Krafteinleitungszone der
Umformzone. (z.B. Stauchen) im Gegensatz zu mittelbarer oder indirekter Krafteinleitung
(z.B. Durchziehen – Abbildung 2.1)
- die geometrische Beschaffenheit der Halbzeuge:
Drahtumformung 1-dimensional
Blechumformung 2-dimensional, flächig
Massivumformung 3-dimensional
- der Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Bauteile, nach:
Keiner Festigkeitsänderung
Vorübergehende Festigkeitsänderung
Bleibende Festigkeitsänderung
- die Temperatur während der Verformung:
Kaltformgebung: Das Werkstück wird vor der Umformung nicht erwärmt ( T = RT )
Warmformgebung: Das Werkstück wird vor der Umformung erwärmt ( T > RT )
Weitere Unterteilung: Umformung oberhalb oder unterhalb der
Rekristallisationstemperatur.

VERSUCH: BLECHUMFORMUNG Seite 12
Abb. 2.2: allgemeines System zur Betrachtung von Umformvorgängen
In Abbildung 2.2 sind beispielhaft die grundlegende Begriffe bei Umformvorgängen
dargestellt. Soll solch ein Umformvorgang industriell realisiert werden muss neben den
metallkundliche und produktionstechnische Fragen auch die Plastizitätstheorie mit
einbezogen werden.
2.2 UMFORMVERFAHREN: T IEFZIEHEN
Tiefziehen zählt zu den Verfahren der Zug-Druckumformung, da im Gegensatz zum reinen
Tiefen oder Streckziehen am Werkstück auch örtlich Zug- und Druckspannungen vorliegen
(z.B. Flansch am Näpfchen). In der Praxis bestehen viele Prozesse, insbesondere bei der
Herstellung von komplexen Geometrien wie Karosserieteilen aus einer
Verfahrenskombination. Generell wird jedoch jeweils aus einem Blechzuschnitt ein ohlkörper
geformt. Zu beachten ist, dass in der Praxis aufgrund der vorherrschenden Geometrievielfalt
keine generelle Vorhersage über die Tiefzieheignung mit Hilfe eines einzigen Prüfverfahrens
möglich ist. Daher werden im Versuch die prinzipiellen Vorgänge am Beispiel des
Näpfchenziehens aus ebenen Blechronden demonstriert.
2.2.1 VERFAHRENSPRINZIP
Ein Tiefziehwerkzeug besteht immer aus einer Matrize (hier dem Ziehring) und einem
Stempel, in der Regel findet zusätzlich ein Niederhalter Verwendung (Abb.2.3). Durch die
Stempelbewegung wird die Ronde durch die Öffnung des Ziehrings gezogen, wodurch sich
die Geometrie der Werkzeughälften auf das Ziehteil abbildet. Je nach Verfahrensart löst sich
das fertige Ziehteil durch die elastische Auffederung vom Stempel oder benötigt einen
separaten Auswerfer. Letzterer Fall tritt dann ein, wenn z.B. kein vollständiger Durchzug
durch das Werkzeug erfolgt.
Die eigentliche Hauptumformarbeit findet im Flansch, d.h. am Eingang des Ziehrings statt.
Der Werkstoff durchläuft hier eine zweifache Biegung. Dabei treten in diesem Bereich radiale
Zugspannungen und tangentiale Druckspannungen auf. Überschreiten letztere die
Knicksteifigkeit des Blechs, kommt es zur Faltenbildung am Flansch. Die vom Niederhalter
ausgeübte axiale Druckspannung wirkt dem entgegen. Sie darf aufgrund des mit dem
Einsatz des Niederhalters erhöhten Reibverlustes einen Maximalwert nicht überschreiten,
um ein Reißen des Blechs zu verhindern.

VERSUCH: BLECHUMFORMUNG Seite 13
Abb. 2.3: Prinzipschema des Tiefziehens
In der Napfwand herrschen Zugspannungen in axialer Richtung vor (siehe Abb. 2.4). Die
Formänderung der Zugwand verläuft entsprechend den Spannungsrichtungen. Aufgrund der
Volumenkonstanz bedeutet dies eine Verringerung der Wandstärke des Näpfchens. Der
Boden hingegen behält, da hier keine Umformung stattfindet, seine ursprüngliche
Wandstärke bei.
Die eigentliche Kraftübertragung erfolgt am Übergang Boden zu Wand (Zarge). Hier treten
dementsprechend nur radiale Zugspannungen auf. Damit begrenzt sich die maximale
Ziehkraft auf die Zugfestigkeit des Materials.
Tiefziehverhältnis und Grenzziehverhältnis
Das Tiefziehverhältnis errechnet sich für Näpfchen aus dem Quotienten
Rondendurchmesser d0 und dem Stempeldurchmesser dS.
β =
Da mit größer werdendem Ziehverhältnis die maximale Ziehkraft steigt, ergibt sich für einen
einzelnen Zug ein Grenzziehverhältnis, oberhalb dem Versagen durch Bodenreißer eintritt.
Diese Grenze liegt für die meisten Metalle bei β≈2,0 im Erstzug, bei β≈1,6 im Weiterzug.
Größere Umformtiefen können daher nur über mehrere Züge mit eventuell
zwischengeschalteten Entfestigungsglühungen erreicht werden. Das Gesamtziehverhältnis
ergibt sich durch Multiplikation der Einzelschritte:
womit
β
ges
1
2
n
d 0
d S
= β ⋅ β ⋅...
β =
β
ges
d
=
d
0 ≤
n
d 0 d1
d n−1
d
Abb. 2.4: Umformung beim Ziehen;
Werkstoff durchläuft zweifache Biegung
Dieser Wert hat sich in der Praxis als oberes Limit herausgestellt.
Eine Abschätzung, ob ein Umformvorgang bereits im kritischen Bereich der Formänderung
liegt, ist anhand des Grenzformänderungsschaubildes möglich.
1
6,
5
⋅
d
2
⋅...
d
n

VERSUCH: BLECHUMFORMUNG Seite 14
Abb. 2.5: Grenzformänderungsschaubild in Abhängigkeit von den Umformgraden
Die im Schaubild angegebenen Umformgrade ergeben sich aus der Deformation eines
Ringrasters (nach Erichsen), dass vor dem Ziehen auf ein Probeblech aufgebracht wurde.
Die Deformation der Ringe variiert dabei lokal auf der Probe.
Grundlegende Aspekte der Werkzeugauslegung
Die vorhergehenden Abschnitte beschrieben den Werkstofffluss und die dabei auftretenden
Spannungszustände. Unter Einbeziehung der Verfahrensgrenzen, die der Werkstoff durch
die Materialeigenschaften setzt, ergeben sich einige grundlegende Randbedingungen für die
Gestaltung von Umformwerkzeugen (vgl. Abb.2.3).
Aufgrund der Spannungsverhältnisse im Ziehspalt liegt nahe dem Boden die dünnste
Wandstärke vor. Diese nimmt zum Flansch hin auf einen Wert zu, der die ursprüngliche
Blechdicke überschreiten kann. Daher muß der Ziehspalt breiter als die Blechdicke sein.
Der Stempel bildet aufgrund des Formschlusses zum Werkstück exakt seine Oberfläche ab.
Daneben stellt er das kraftübertragende Element dar. Daraus resultiert zum einen
hinsichtlich der Tribologie und der Vermeidung von Abbildungsfehlern eine sehr gute
Maßtoleranz und Oberflächengüte. Zum zweiten muß die Stempelkante einen Radius
aufweisen, um das mögliche Grenzziehverhältnis nicht durch die Schneidwirkung einer
scharfen Kante zu reduzieren.
Beim Ziehen komplexer, nicht-rotationssymmetrischer Geometrien (z.B. Vierecke) führt ein
gleichmäßiger Werkstofffluß in die Matrize zu Ziehfehlern, da in die Ecken mehr Material
einfließen muß als in gerade Teile. In der Praxis wird der Werkstofffluß hier durch den
Einbau von Bremswülsten zwischen Unterstempel und Niederhalter realisiert.
Die Notwendigkeit des Einsatzes eines Niederhalters zur Vermeidung von Falten am Flansch
ist abhängig vom Verhältnis Ausgangsdurchmesser d0 der Ronde zu Ausgangsblechstärke
s0. Ein Niederhalter ist erforderlich, wenn
d 0
> 25 − 40
s0
Wählt man die Niederhaltekraft so hoch, dass kein Nachfließen des Werkstoffs möglich ist,
so spricht man vom Streckziehen.
Tribologie
Anders als beim Walzen stellen sich ortsabhängig verschiedene Anforderungen an die
Reibung im Gesenk. Gutes Gleiten im Bereich des Flansches, der Ziehringrundung und an
den Wänden vermeidet Ziehfehler durch z. B. Kaltverschweißung und setzt den

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Ziehkraftbedarf herab. Im Bereich der Kraftübertragung am Stempel dagegen fördert erhöhte
Reibung die Kraftübertragung und setz die am Radius auftretenden Zugspannungen herab.
Das in der Praxis eingesetzte Spektrum von Schmierstoffen reicht von flüssigen Medien
(Suspensionen, Öle) über Festschmierstoffe (Graphit) bis zu metallischen Überzügen oder
Reaktionsschichten (Phosphatierung) und Polymerfolien (Teflon).
2.2.2 TIEFUNGSVERSUCH NACH E RICHSEN
Der Erichsen-Tiefungsversuch dient der Beurteilung der Umformbarkeit von Blechen und
Bändern ist nach DIN 50 101 genormt [4].
Abb. 2.6: Aufbau Erichsonveruch nach DIN 50 101
Der Umformvorgang bei diesem Versuch erfasst im Wesentlichen die Dehnungsfähigkeit des
Blechwerkstoffs, direkt vergleichbar mit einem Streckzieh- und Ausbeulvorgang, bei dem die
Randzonen festgehalten werden und somit nicht oder nur wenig an der Umformung
teilnehmen können. Im Versuch ermittelt man die Eindringtiefe eines Stempels in mm sowie
die Kraft im Augenblick des Einreißens. Damit sind diese Tiefungswerte ein Maß für die
Umformbarkeit eines Bleches durch Streckziehen und geben Hinweise auf den
Verfestigungsexponenten n.
2.3 AUFGABENSTELLUNG
Beurteilung der Tiefzieheigenschaften von Blechwerkstoffen
• Führen Sie den „Tiefungsversuch nach Erichsen (DIN 50101)“ an verschiedenen
Blechwerkstoffen durch:
- Aluminium
- E-Kupfer
- Messing
- austenitischer CrNi-Stahl
- Tiefziehstahl
• Bestimmen Sie dabei jeweils den entsprechenden Tiefungsweg sowie die erforderliche
Maximalkraft.
• Nehmen Sie ein Kraft-Tiefungsweg-Diagramm für jeden Tiefungsversuch und
Blechwerkstoff auf. Diskutieren Sie ausführlich die Unterschiede der aufgenommenen
Kurven.

VERSUCH: BLECHUMFORMUNG Seite 16
• Beschreiben Sie die auftretenden Veränderungen der Probenoberfläche und die
Ausbildung des Risses. Diskutieren Sie anhand dieser Beobachtungen die
Tiefzieheignung der betreffenden Blechwerkstoffe.( Radialer Riß – faseriger Gefüge,
schlecht geeignet; Ringförmiger Riß – gut geeignet; Glatte Oberfläche feines Korn, gut
geeignet; Rauhe Oberfläche, Orangenhaut – grobes Korn – schlecht geeignet)
2.4 FRAGEN ZUR U MFORMUNG
Wie grenzen sich per Definition Umformtechnik und spanende Formgebungsverfahren
voneinander ab?
Erläutern Sie die Funktionsweise des Niederhalters beim Tiefziehen.
Woraus resultiert die Notwendigkeit des schrittweisen Umformens bei großen
Ziehverhältnissen?
Grenzen Sie das Tiefziehen vom Streckziehen ab.
2.5 LITERATUR ZUR V ORBEREITUNG
[1] E. Macherauch: Praktikum in Werkstoffkunde; Vieweg, Braunschweig, 1992
[2] K. Lange: Umformtechnik Bd. 1 Grundlagen; Springer; Berlin; 1984
[3] K. Lange: Umformtechnik Bd. 3 Massivumformung; Springer; Berlin; 1988
[4] K. Lange: Umformtechnik Bd. 3 Blechbearbeitung; Springer; Berlin; 1990
[5] Umformende Fertigungsverfahren, Fachhochschule Heilbronn Dr. A. Birkert
http://www.mbstud.fh-heilbronn.de/download.php?id=877202,70,2