28.09.2006 | Redakteur: Josef Kraus
Verbesserte Eigenschaften spritzgegossener Magnesiumteile. Zwischen dem Pulvermetall- und Magnesium-Spritzgießen gibt es einen wesentlichen Unterschied: Beim Pulvermetall-Spritzgießen wird dem...
Verbesserte Eigenschaften spritzgegossener MagnesiumteileZwischen dem Pulvermetall- und Magnesium-Spritzgießen gibt es einen wesentlichen Unterschied: Beim Pulvermetall-Spritzgießen wird dem Metallpulver ein Binder zugegeben, der die Werkstoffpartikel und somit das Formteil bis zum Sintern zusammenhält. Bei spritzgegossenen Magnesiumteilen ist dagegen der Verarbeitungsprozess für die Partikelbindung verantwortlich.Unter Scherbelastung und Wärme entsteht eine sehr fließfähige Suspension (thixotrope Masse), die sich in eine Form pressen lässt. Dazu ist jedoch eine Spritzgießmaschine mit starkem hydraulischem Antrieb erforderlich - ähnlich dem einer Metall-Druckgießmaschine. Dagegen lässt sich das Einspritz- und Schmelzaggregat - Schnecke und Zylinder - mit dem zum Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe vergleichen.Auf einer solchen Spritzgießmaschine wurden am Institut für angewandte Forschung (IAF) der Fachhochschule Aalen im Rahmen des Verbundprojekts Madica Magnesiumteile hergestellt (Bild 1). Vierzehn verschiedene Pulvergranulate hat man auf Verarbeitungseigenschaften untersucht. Davon wurden sieben Granulate ausgewählt. Als Werkzeug kam eine Spritzgießform zur Anwendung, in die man acht verschiedene Formeinsätze installierte. Vom Prinzip her können Formen zum Magnesium-Spritzgießen einen ähnlichen Aufbau haben wie in der Kunststoffverarbeitung oder beim Druckgießen. Charakteristische Merkmale sind im Bereich der Angießbuchse zu finden. Ein Beispiel dafür ist der Pfropfenfänger.Acht verschiedene Magnesiumteile wurden mit diesem Werkzeug hergestellt - und die Bauteileigenschaften mit denen serienmäßiger Druckgussteile verglichen. Dabei stellte sich als Vorteil für spritzgegossene Magnesiumteile die verringerte Porosität und Lunkerbildung heraus. Auch die Schwindung ist reduziert, wodurch sich Maßtoleranzen verringern lassen und somit eine Fertigung näher an der Endform möglich ist. Zur Bestimmung der Anteile an Feststoff, Poren und Einschlüssen wurden Proben an verschiedenen Stellen der Bauteile entnommen und metallographisch untersucht. Die Ergebnisse bestätigten die Hypothese, dass aufgrund der verschiedenen Herstellungsprozesse Spritzgieß- und Druckgussteile unterschiedliche Gefüge haben.Bei den Spritzgießteilen schwankte der Feststoffanteil je nach Probe zwischen 2 und 45%. Jedoch lag ein deutlicher Schwerpunkt bei etwa 10 bis 15%. Trotzdem wurden beträchtliche Schwankungen des Feststoffanteils entlang der Bauteilwanddicken gefunden. So stieß man auf oberflächennahe Randschichten mit nahezu keinem Feststoffanteil. Im Innern war er dagegen hoch. Jedoch auch Wandquerschnitte mit gegenteiliger Verteilung wurden ermittelt, so dass sich eine eindeutige Verbindung zu den eingestellten Prozessparametern und Schwankungen nicht herstellen ließ. Was sich bei ausreichend großem Versuchsfeld und entsprechender Mittelwertbildung herauskristallisierte, war die Abhängigkeit von der Temperatur des Schmelzzylinders: Mit steigender Temperatur nimmt der Feststoffanteil ab.Die großen Schwankungen bezüglich des Feststoffanteils wirkten sich natürlich auf die mechanischen Kennwerte der Zugproben aus, die allseitig bearbeitet wurden. Verblieb jedoch die Gusshaut auf den Teilen, stellte man bei allen Proben eine höhere mechanische Zugfestigkeit fest. Auch wirkte sich die Änderung von Maschinen- und Werkzeugparametern positiv auf die Kennwerte aus. Sie waren danach ähnlich hoch wie bei den Druckgussteilen. In der Abteilung Metallguss des IAF sollen nun weitere Versuche zeigen, ob eine erneute Werkzeugänderung die Festigkeitswerte spritzgegossener Magnesiumteile weiter steigen lässt.Zur Berstdruckprüfung wurden Magnesium-Ölfiltergehäuse spritzgegossen und bei Raumtemperatur mit Druck beaufschlagt, bis sie versagten. Als Berstdruckfestigkeit zog man den Druck bei Ausfall der Gehäuse heran. Bei allen Magnesiumteilen waren keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Berstdrucks bei unterschiedlichen Maschineneinstellungen zu erkennen (Bild 2). Wichtigstes Prüfungsergebnis: Kein geprüftes Bauteil fällt wegen Undichtigkeit des Werkstoffs aus. Für Ölfiltermodule sei die statische Festigkeit von spritzgegossenen Magnesiumgehäusen ausreichend, heißt es. Sogar eine höhere Zeitfestigkeit als bei vergleichbaren Gehäusen aus Aluminium-Druckguss werde erreicht. Das sei mit Magnesiumdruckguss nicht möglich. Wie sich der schwankende Feststoffanteil der Magnesiumgehäuse auf das dynamische Druckverhalten auswirkt, ließ sich jedoch nicht ermitteln.Zur Bewertung des Kriechverhaltens wurden an den spritzgegossenen Magnesiumteilen Stahlschrauben befestigt und mit unterschiedlichen Drehmomenten angezogen. Aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten führte eine Klimawechselprüfung bei erhöhten Temperaturen zu einem Spannungsanstieg und somit zur plastischen Verformung der Magnesiumteile in der Nähe des Schraubenkopfs. Die Ergebnisse zeigten, dass nach der Klimawechselprüfung das Drehmoment zum Lösen der Verbindungen um 40 und 85% niedriger als beim ,,Festziehen" ist. Gegenüber Aluminiumteilen erhielt man jedoch bessere Werte.Im Druck- und Spritzgießen wurden Magnesiumteile für einen Bohrhammer hergestellt, an denen man die Außen- und Innenmaße sowie den Bohrungsabstand ermittelte. Diese Messwerte wurden zum Nennmaß in Bezug gesetzt, so dass sich eine Schwindmaßdifferenz zwischen den Teilen ermitteln ließ. Der Vergleich zeigte: Die Bauteilschwindung beim Spritzgießen ist kleiner als beim Druckgießen (Bild 3).Ein wichtiges Hilfsmittel zum Erzielen serientauglicher Ergebnisse ist ein Simulationsprogramm, das die Abbildung von Fließvorgängen in der Spritzgießform ermöglicht. Um die Tauglichkeit der Software zu prüfen, wurden bei der Spritzgießform die Einsätze immer wieder ausgetauscht und somit verschiedene Demonstrationsteile spritzgegossen. Dabei zeigte es sich, dass ein so genanntes Thixotropiemodell besser den Füllvorgang in der Spritzgießform simuliert als andere Rechenmodelle. Der Grund dafür liegt in einer zeitabhängigen Betrachtung der Viskosität der Magnesiumschmelze im halberstarrten Zustand.
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