Großgussteile Fertigungstechnische Bauteilanpassung als Basis für eine hohe Gussqualität

Autor / Redakteur: Herbert Werner und Ingo Lappat / Josef-Martin Kraus

Nicht nur die Fertigung von Großgussteilen erfordert Spezialisten, sondern auch für die konstruktive, gießtechnische Bauteilanpassung. Dazu kommt die logistische Ausstattung aufgrund der großen Abmessungen und des hohen Gewichts der Teile. Erst diese Kombination ermöglicht, die geforderte Qualität zu erreichen, wie sich anhand eines 30 t schweren Pressenbauteils und eines Querbalkens mit 50 t Stückgewicht für Werkzeugmaschinen zeigen lässt.

Anbieter zum Thema

Die Gießereibranche in Deutschland boomt seit mehreren Jahren. So hat sie 2007 bei Eisen-, Stahl- und Temperguss den Produktionsrekord auf rund 4,8 Mio. t erhöht. Mit einem Anteil von etwa 31% an der europäischen Gesamtproduktion ist Deutschland weiter führend in der europäischen Gießereiindustrie. Das Ergebnis dieser dynamischen Entwicklung: Die deutschen Gießereien arbeiten an der Kapazitätsgrenze, die im Vergleich zu 2006 aufgrund eines Investitionszuwachses von 20% im vergangenen Jahr weiter „nach oben“ verschoben wird. Damit ist der Investitionsaufwand 2007 auf rund 700 Mio. Euro gestiegen.

An dieser Entwicklung hat der deutsche Maschinenbau als Exportweltmeister einen hohen Anteil. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der steigenden Nachfrage nach Großmaschinen. Dazu gehören Pressen, Spritzgießmaschinen und Walzstraßen, aber auch große Bearbeitungszentren, auf denen Großgussteile auf Endmaß bearbeitet werden. Dabei reicht Gussteilspektrum von 50 t schweren Komponenten für Windenergieanlagen bis 6 MW Leistung bis zu Propellern mit 150 t Gewicht und 11,5 m Durchmesser für ständig wachsende Containerschiffe, von Platten und Gestelle mit bis zu 40 t Stückgewicht für Spritzgießmaschinen und Pressen bis zu 120 t schweren Walzen für Walzstraßen, die den „Welthunger“ an Stahl befriedigen.

Gießereikapazitäten für schwere Teile sind begrenzt

Gemessen an den derzeitigen Lieferterminen sind die Gießereikapazitäten für diese Gewichtsgruppe begrenzt. Demzufolge lässt in diesem Gewichtssegment der Wettbewerbsdruck mit zunehmenden Stückgewichten nach. Vor diesem Hintergrund hat zum Beispiel Meuselwitz Guss verstärkt in Hallen, Krane und Schmelzöfen für Großgussteile investiert. Weitere Ausbaustufen wie Formereihalle, Großputzerei und Erweiterung des Schmelzbetriebs befinden sich dabei mit einem Gesamtaufwand von 20 Mio. Euro in der Umsetzung. Ein Hallenanbau von 90 m Länge, inklusive zweier Formgruben, wurde bereits in den vergangenen drei Jahren erstellt.

Daher wird Meuselwitz für künftige Anforderungen in der Großgussfertigung gerüstet sein. Exemplarisch lässt sich dabei die Vorgehensweise in der Produktion anhand eines Pressenbauteils aus ferritischem Sphäroguss (GJS, duktiles Gusseisen mit Kugelgraphit) mit 30 t Stückgewicht sowie eines Querbalkens für eine Werkzeugmaschine aus perlitischem GJS mit 50 t Stückgewicht zeigen (Bilder 1 und 2).

Beide Teile zeichnen sich durch spezifische Kundenanforderungen aus, denen während der Produktion mit darauf abgestimmten Maßnahmen entgegnet werden muss. So muss der Querbalken nicht nur frei von Lunkern und Einschlüssen sein, sondern im Bereich der Führungsbahnen auch eine Härte von 200±20 HB haben. Eine weitere wesentliche Forderung ist die maximal zulässige Durchbiegung von höchstens 20 mm auf einer Gesamtlänge von 12000 mm.

Pressenbauteile aus Guss haben große Wanddicken

Im Gegensatz zum Werkzeugmaschinenguss, der mit Ausnahme der Führungsbahnen recht dünnwandig ausfällt, haben kompakte Pressenbauteile große Wanddicken. Das erfordert beim Gießen lange Erstarrungszeiten. Um diese Teile porösitätsfrei zu erzeugen und dabei die geforderten mechanischen Kennwerte zu realisieren, ist große Aufmerksamkeit auf den metallurgischen Aspekt in Verbindung mit der Formfüll- und Erstarrungstechnik zu richten.

Aus letztgenanntem Grund werden über Simulationsprogramme in mehreren Iterationsschritten die günstigsten technischen Parameter des Anschnittsystems ermittelt: zum Beispiel die Anordnung und Größe der Ausläufe, die Möglichkeit der Schlackenabscheidung, ein möglichst turbulenzarmes Gießen, die Festlegung von Gießtemperatur und Formfüllzeit sowie der Einfluss des Anschnittsystems auf die Erstarrungslenkung.

In Kombination zur Formfüllung wird stets auch der Erstarrungsablauf durch das Anlegen von Kühlelementen und gegebenenfalls das Setzen von Speisern beeinflusst. Die Dimensionierung der Kokillen oder Speiser erfolgt dabei in erster Linie modulorientiert (Bild 3). Besondere Beachtung finden dabei stets die kundenseitig benannten Bereiche an denen sich im späteren Einsatz die höchsten Anforderungen richten. Daher ist es eminent wichtig im Vorfeld klärende Gespräche zu dieser Thematik zu führen. Durch konsequente Nutzung des innerbetrieblichen Know-hows und moderner Simulationstechniken wurde für die beiden Teile ein speiserloses Gießen ermöglicht.

Parallel zu den Simulationsergebnissen erfolgt die Überprüfung der technischen Umsetzbarkeit in Hinblick auf verschiedene Parameter:

  • So wird die Machbarkeit des Gießens von einer oder zwei Seiten geprüft, außerdem die Erreichbarkeit der Eingusstümpel infolge der Krananfahrmaße beim Gießen von zwei Seiten.
  • Die Manipulierbarkeit der Formhälften sowie der abgegossenen Formkästen (Freiräumen der Gießgruben) ist auszuloten.
  • Die Gewichte der Gussteile mit anhaftenden Formsand und eingeschlossenen Kernformstoff muss errechnet werden.
  • Es ist zu prüfen, ob bei langen schmalen Oberkästen mit einem geschlossenen Formkasten oder mit einem geteilten Formelement infolge der Durchbiegung des am Kran hängenden Oberkastens gearbeitet wird.
  • Die Abkühlzeit und die daraus resultierende Grubenbelegung sind zu ermitteln. Außerdem ist zu prüfen, ob eventuell noch weitere Teile im Restbereich der Grube mit abgegossen werden können. Dadurch lässt sich die Grubenfläche optimal belegen.

Im Gegensatz zum Pressenbauteil, das im Kasten geformt und nur in der Grube abgegossen wird (Bild 4a), ist der Querbalken als Herdmodell ausgelegt (Bild 4b) und wird somit komplett in der abgetrennten Grube eingeformt (Bild 5a). Nach dem Einbringen des Herdes werden die einzelnen Modellteile eingebracht und ausgerichtet (Bild 5b).

Die Ausrichtung geschieht dabei unter dem Gesichtspunkt des zu erwartenden Verzuges des Bauteils während der Abkühlung und unterliegt viel betrieblicher Erfahrung. Danach folgt das eigentliche Füllen der Grube – in Verbindung mit dem Anlegen von Kühlelementen und dem Aufbau des Anschnittsystems – sowie das spätere Füllen der Oberkästen mit Formsand (Bilder 5c und 5d). Der kaltharzgebundene Formsand wird mit Hilfe eines an der Grubenlängsseite verfahrbaren Durchlaufmischers (Kapazität 60 t/h) eingebracht.

Auswahl und Dosierung der Binder legt Dauer der Formstoffverarbeitung fest

Erwähnenswert ist, dass die Dauer der Formstoffverarbeitung über die Auswahl der Binder und deren Dosierung – in Abhängigkeit von der jeweiligen Formfüllzeit – festgelegt wird. Nach entsprechender Aushärtung des Formstoffs können die Modellteile gezogen und die Formkonturen an Modellteilstößen und den Kühlkörpern nachgearbeitet werden. Im Anschluss an das Schlichten der Formen beginnt das Einlegen der Kerne. Auch dabei zeigen sich die grundlegenden Unterschiede der beiden Typenvertreter: Die eher kompakten, massiven Pressenteile weisen in der Regel keine allzu hohe Kernanzahl auf, weil viele Konturen über Ballen abgeformt werden können (Bild 6).

Im Vergleich dazu gehört der Werkzeugmaschinenguss zum kernintensiven Gussteilspektrum. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Gesamtanzahl von 96 Kernen in den Formhohlraum eingebaut. Weil eine stabile Kernlagerung über die Kernmarken nicht vollständig gegeben war, mussten die Kerne über Kernstützen abgefangen werden. Die Position der Stützen wurde dabei im Vorfeld mit dem Kunden abgestimmt, weil in Funktionsbereichen des Bauteiles die Anwesenheit von Stützen nicht erwünscht wurde. Besondere Beachtung musste beim Kerneinlegen der Abfuhr der Kerngase gezollt werden, weil sich in diesem konkreten Fall die in der unteren Kernlage entstehenden Gase nur durch darüber liegende Kerne zum Oberkasten hin ableiten ließen (Bild 7).

An das Kerneinlegen schließt sich das Zulegen der Form und das Gießfertigmachen an. Darunter ist der Aufbau der Eingusskästen, das Einsetzen der Verschlussstopfen sowie das Belasten des Oberkastens zu verstehen. In Abhängigkeit von der Konfiguration der Gussteile ergab sich am Pressenbauteil bei einem Stückgewicht von 30 t ein Belastungsgewicht von 220 t und am Querbalken bei 50 t Stückgewicht eine Belastung vom 410 t.

Flüssigeisenbedarf des Pressenbauteils lag bei 35 t

Ausgehend von der zu vergießenden Werkstoffqualität – spezielle Kundenvereinbarungen – sowie der Wanddicken der Bauteile wird die Gattierung und gegebenenfalls der Anteil der Legierungselemente festgelegt. Härteanforderungen am Bauteil begegnet man zum Beispiel mit einer Anpassung der Gehalte der Elemente Kupfer, Mangan und Zinn an die Kühleisenbelegung und zu erwartende Abkühlgeschwindigkeit.

Der Flüssigeisenbedarf des Pressenbauteils lag bei 35 t und der des Querbalkens bei 63 t. Das bedeutet: Es war ein Schmelzen in mehreren Induktionsöfen erforderlich und das Sammeln des Materials über mehrere Pfannen. Die Schwierigkeit bei dieser Arbeitsweise liegt nicht nur in der Einhaltung der Zielanalyse, sondern auch im Temperatur-Zeit-Schema.

Das genaue Einhalten der Abstichtemperatur, der Zeitpunkt der Behandlung auf Kugelgraphitbildung, das Umgießen aus mehreren Behandlungspfannen in die Gießpfannen bei gleichzeitiger erster Impfung und das Erreichen einer möglichst gleichmäßigen Flüssigeisentemperatur in beiden Gießpfannen erfordert viel betriebliche Erfahrung. Unmittelbar vor Ort – nach erreichen der gesetzten Gießtemperatur – erfolgt ein nochmaliges Abschlacken vor der Form (Bild 8a), bevor der Gießvorgang beginnt (Bild 8b).

Die Fertigungsparameter für beide Großgussteile sind in der Tabelle aufgeführt. Die Auswahl der Gießtemperatur bestimmte sich dabei aus den Wanddicken der Bauteile und den Fließwegen der Schmelze. Zur Einstellung der geforderten Gefügeausprägung wurden im Vorfeld konkrete Vorgaben zur Abkühlzeit erstellt. Die Werte unterlagen sowohl Simulationsrechnungen als auch innerbetrieblichen Erfahrungen. (Bild 9). Über Thermoelemente wurden an erreichbaren Stellen der abgegossenen Formen in festgelegten zeitlichen Abständen Kontrollmessungen vorgenommen. Mit dem Erreichen der Ausleertemperatur erfolgte das Auspacken des Abgusses und die Übergabe an den Nacharbeitsprozess (Bild 10).

Im Zuge der Qualitätsüberprüfung wurden nicht nur die mechanischen Werkstoffeigenschaften und Abmessungen überprüft, auch die verschiedenen Funktionsbereiche der Gussteile hat man einer Ultraschallprüfung unterzogen und mit den in der Spezifikation geregelten Anforderungen abgeglichen. Nach der Qualitätssicherung folgten Fertigungsschritte wie die spanende Bearbeitung. In Bild 11 ist der 12 m lange Querbalken, eingebaut in der Bearbeitungsmaschine, zu sehen. Sehr deutlich ist dabei noch einmal die Größe des Bauteils zu erkennen.

Dipl.-Ing. Herbert Werner ist Geschäftsführer der Meuselwitz Guss Eisengießerei GmbH in Meuselwitz. Dipl.-Ing. Ingo Lappat ist dort Leiter der Arbeitsvorbereitung.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

(ID:263735)