Konstruktive Auslegung von Leichtmetallgussteilen

Die Forderungen der Industrie an die Leichtbautechnik bringen neben der Erforschung neuer Werkstoffe auch die Entwicklung neuer und innovativer Herstellungsverfahren mit sich. Das Thixogießen ist so...

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Die Forderungen der Industrie an die Leichtbautechnik bringen neben der Erforschung neuer Werkstoffe auch die Entwicklung neuer und innovativer Herstellungsverfahren mit sich. Das Thixogießen ist so ein neues Verfahren und mit dem Druckgießen verwandt. Dabei erfolgt die Verarbeitung des Metalls im teilflüssigen Zustand.Die Verarbeitung von Leichtmetalllegierungen im halbflüssigen Zustand hat in den letzten zehn Jahren ein verstärktes Interesse von industrieller Seite erfahren. Einzelne Verfahren wie das Thixocasting und - insbesondere im asiatischen Raum - das Thixomolding werden inzwischen in verschiedenen Serienfertigungen eingesetzt. Die Ansätze der einzelnen Verfahren zur Einstellung der halbflüssigen Legierungsmasse sind unterschiedlich, was dementsprechend zu verschiedenen Maschinenkonzeptionen und Anwendungsbereichen führt.So werden beim Thixocasting kompakte Vormaterialbolzen in speziellen Stationen induktiv in den Bereich zwischen Solidus und Liquidus erhitzt, beim "New Rheocasting" flüssige Schmelze unter verstärkten Keimbildungsbedingungen kontrolliert abgekühlt, beim "Vexocasting" Schmelze unter Zugabe von Pulvermaterial abgekühlt und beim "Thixomolding" Legierungsgranulat in einer MIM-ähnlichen Anordnung aufgeschmolzen. Prinzipiell erwartet man bei der Verarbeitung halbflüssiger Legierungen im Vergleich zu anderen (im Allgemeinen Dauerform-) Gießverfahren eine stärker laminar ausgebildete Formfüllung aufgrund der höheren Viskosität des Metalls mit folglich verringertem Gaseinschluss im Bauteil, eine geringere thermische Belastung der Form aufgrund der niedrigeren Prozesstemperatur, kürzere Zykluszeiten aufgrund der verringerten abzuführenden Wärme und eine verringerte Erstarrungsschrumpfung mit Vorteilen hinsichtlich Lunkerbildung und gießtechnisch notwendigen Maßzugaben. Dementsprechend werden diese Verfahren für die Herstellung hochwertiger, dickwandiger, druckdichter, wärmebehandelbarer und schweißbarer Bauteile mit maßlichen Einschränkungen bezüglich Aushebschrägen und Kernabmessungen sowie hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität eingesetzt [1],[2],[3].Es ist einzuschätzen, dass alle Verfahren der Verarbeitung von Legierungen im halbflüssigen Zustand durch die Materialauswahl, erhöhten Aufwand für die Prozesskontrolle und anfallende Investitionen und Lizenzen höhere Kosten aufweisen als konventionelle Gießverfahren. Für ihren sinnvollen Produktionseinsatz kommt es daher neben einer genauen Evaluierung der Anforderungen an das Bauteil insbesondere auf eine dem jeweiligen Gießverfahren entsprechende Auslegung des Bauteils und der Gießform an. Im Folgenden wird für den Thixocasting-Prozess hierauf näher eingegangen.Thixocasting - Verfahren und WerkstoffeigenschaftenVon den oben erwähnten Gießverfahren ist das Thixocasting der wissenschaftlich am stärksten untersuchte Prozess, welcher auch als Erster Anwendung im Serieneinsatz fand und heute in Europa am weitesten verbreitet ist. Bild 1 zeigt ein Thixocasting-Bauteil, welches in Serie hergestellt wird.Beim Thixocasting werden Bolzen mit einem speziell eingestellten Gefüge in einer Aufheizstation in horizontaler oder vertikaler Lage induktiv in den halbflüssigen Zustand aufgeheizt. Anschließend werden die immer noch formstabilen Bolzen in die Gießkammer einer Kaltkammerdruckgießmaschine überführt und in die Druckgießform gedrückt, wobei die auf der Oberfläche der Bolzen während der Erwärmung entstandene Oxidhaut durch bestimmte Rückhaltevorrichtungen am Eindringen in die Bauteilkavität gehindert wird. Detaillierte Beschreibungen des Verfahrens und der wesentlichen Prozessgrößen sind beispielsweise in [4] und [5] zu finden. Eine Voraussetzung für das Thixogießen ist die Verwendung von Legierungen mit einem breiten Erstarrungsintervall, um den Festphasenanteil - üblicherweise 40 bis 60% - sicher und reproduzierbar einstellen zu können.Des Weiteren wird für eine kontrollierte laminare Formfüllung eine echtzeitgeregelte Druckgießmaschine benötigt. Für die Verhinderung von Mikrolunkerung müssen relativ hohe Nachverdichtungsdrücke aufgebracht werden[5]. Die Vorteile des Thixocastings liegen insbesondere in der Anwendung des hochproduktiven Druckgießverfahrens auf Bauteile mit einem hochwertigen Eigenschaftsspektrum (porenarm, schweißbar, wärmebehandelbar). Als weiterer Vorteil ist eine erhöhte Formstandzeit zu nennen, nach [6] konnte durch den Einsatz von Thixocasting die Formstandzeit zum Teil verdoppelt werden.Hinsichtlich des Klebeverhaltens von Thixolegierungen sind die Aussagen in der Literatur uneinheitlich [1],[7]. Die gegenüber konventionellen Druckgießverfahren deutlich verringerte Gießtemperatur hat eine Verringerung der Klebneigung zur Folge, weshalb Thixolegierungen einen verringerten Fe-Gehalt aufweisen können [1]. Allerdings kann es bei diesem geringen Fe-Gehalt bei den für dünnwandige Thixoteile üblichen hohen Formtemperaturen (Gefahr des vorzeitigen Einfrierens während der Formfüllung) wieder zu einer Verstärkung der Klebneigung kommen [7].Für dünnwandige Bauteile soll an dieser Stelle weiterhin angemerkt werden, dass diese wegen der Einfriergefahr häufig eine Füllgeschwindigkeit des Metalls erfordern, bei welcher eine laminare Formfüllung nicht mehr gewährleistet werden kann. In diesem Fall und bei sehr komplexen Bauteilen mit sich verzweigenden und wiederzusammenfließenden Füllfronten kann eine Zwangsentlüftung der Form für die Herstellung porenfreier Bauteile notwendig werden. Nachteilig ist beim Thixogießverfahren neben den hohen Investitionskosten für die Aufheizstation insbesondere die Verwendung von speziell herzustellendem Vormaterial, was zu erhöhten Materialkosten (etwa 1,50 DM/kg für Al-Legierungen) führt.Üblicherweise werden in der Serienproduktion die Legierungen AlSi7Mg0,3 und AlSi7Mg0,6 eingesetzt. Diese untereutektischen Legierungen weisen das erforderliche breite Erstarrungsintervall sowie ein gutes Fließverhalten im thixotropen Zustand auf. Weitere standardmäßig vertriebene, aber noch nicht in Serieneinsatz befindliche Legierungen sind AlSi17Cu4Mg, AlSi6Cu1Mg, und AlSi6Cu3Mg. Der Bolzendurchmesser reicht hierbei im Allgemeinen von etwa 70 mm bis 150 mm [8],[9]. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl weiterer in Entwicklung befindlicher beziehungsweise im Labormaßstab vergossener Thixolegierungen auf Al- ,Mg-, Cu- und Fe-Basis sowie Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe. An dieser Stelle sollen nur die Knetlegierungen 6061, 6012, 6082, 7075 und 2024 hervorgehoben werden [8], wobei festzuhalten ist, dass Probleme wie die Warmrissbildung durch den Einsatz des Thixocasting-Verfahrens nur bedingt aufgehoben werden können.Bauteile aus AlSi7Mg-Thixolegierungen weisen sehr abgerundete a-Körner sowie ein sehr feines Eutektikum zwischen den Körnern auf. Das Gefüge ist im gesamten Bauteilbereich sehr gleichmäßig. Charakteristische Werkstoffkennwerte für die Legierung AlSi7Mg0,6 sind in Bild 2 für verschiedene Wärmebehandlungen dargestellt. Weitere Angaben zu statischen mechanischen Kennwerten sowie ihrer Abhängigkeit von Gießparametern sind zum Beispiel in [5] und [10] zu finden. In [11] werden die Ermüdungseigenschaften, die Zeitstandfestigkeit und die Warmfestigkeit der Legierung AlSi7Mg0,3 sowie die Eigenschaften von Schweißverbindungen thixogegossener Bauteile behandelt. Seit geraumer Zeit gibt es Bemühungen, auch Magnesiumlegierungen im Thixocasting zu verarbeiten, die mechanischen Kennwerte betragen beispielsweise für die Legierung AZ91 Rp0,2 = 135 N/mm2, Rm = 233 N/mm2 und A5 = 7,2%[12].Die Auslegung von Thixocasting-BauteilenBei der Auslegung thixogegossener Bauteile müssen neben den spezifischen Materialkennwerten auch die Besonderheiten des Thixocasting-Verfahrens berücksichtigt werden. Innerhalb des ,,Thixotec'-Projektes wurde hierfür ein Katalog mit Konstruktionshinweisen erarbeitet und anhand verschiedener Demonstrationsbauteile das Vorgehen bei der Bauteil- und Formauslegung aufgezeigt [7]. Hinsichtlich der mit Hilfe des Thixocasting erzeugbaren Wanddicke gilt die Regel, dass diese den zehn-fachen Wert des Durchmessers der a-Globuliten (bis zu 100 mm) nicht unterschreiten sollte, da es sonst zu einer gegenseitigen Bewegungsbehinderung der Globuliten und einer Entmischung von Primärphase und eutektischer Phase kommen kann.Als Richtwert für die minimale Wanddicke kann somit zirka 1,5 mm angegeben werden. Die maximal realisierbare Wanddicke wird weniger durch prinzipielle Verfahrensaspekte als durch die ökonomisch noch akzeptable Zykluszeit der Druckgießmaschine bestimmt (Erstarrungs- und Kühlzeiten). Das Thixocasting-Verfahren erlaubt größere Wanddickenunterschiede als konventionelle Druckgießverfahren, allerdings muss bei der Formauslegung darauf geachtet werden, dass möglichst eine gerichtete Erstarrung bis zum Pressrest eingestellt wird. Hiervon hängt der im Bauteil erreichbare Nachverdichtungsdruck ab, welcher wesentlich das Auftreten von Mikroporositäten und somit die Bruchdehnung der entsprechenden Bauteilbereiche bestimmt [5].Totfließzonen sind nach Möglichkeit zu vermeidenDes Weiteren sollte bei der Formauslegung das Auftreten von Totfließzonen - soweit möglich - eingeschränkt werden. Aufgrund des spezifischen Fließverhaltens des halbflüssigen Materials kann es in diesen Bereichen zu lokalen Entmischungen mit negativen Folgen für die Bauteileigenschaften kommen. Ein kritischer Punkt des Thixocasting-Verfahrens ist die sichere Funktion der Rückhaltung der Oxide bei der Formfüllung, hierbei ist man noch weitgehend auf Erfahrungswerte angewiesen. Die Rückhaltefunktion kann mit Hilfe von Blei- oder Kupfertracern auf der Bolzenoberfläche und Röntgendurchleuchtung getestet werden.Für die gießtechnische Auslegung thixogegossener Bauteile stehen inzwischen mehrere unterschiedliche Simulationspakete als Hilfsmittel zur Verfügung [7], welche allerdings aufgrund des komplexen Fließverhaltens der thixotropen Legierungen und schwierig zu bestimmender Materialparameter in ihrer Aussagekraft zu dieser Zeit noch eingeschränkt sind.Literatur[1] Wendinger, B., Schindelbacher, G.: Verarbeitung und Eigenschaften von thixotropen Aluminiumlegierungen Giesserei-Praxis Nr. 11/12, (1994), S. 317-326.[2] Dworog, A., Huppertz, R., Hartmann, D.: Magnesiumspritzgießen KU Kunststoffe, 89 (1999), S. 75-78.[3] Kaufmann, H., Mundl, A., Uggowitzer, P.J.: Wärmebehandlungsuntersuchungen an New Rheocasting-Versuchsteilen aus Al- und Mg-Legierungen Gießerei-Praxis 01 (2001), S. 27-32.[4] Loué, W. R., Brimont, M., Pluchon, C., Menet, P.Y., Garat, M.: Metallurgische Aspekte des Thixogießens der Aluminiumlegierungen AlSi7Mg0,3 und AlSi7Mg0,6 Gießerei-Praxis 13/14 (1996), S. 251-260.[5] Bredenbreuker, U.: Beitrag zur Prozeßentwicklung des Thixocastings Dissertation Universität Bremen, Juli 2000.[6] Niedermann, B.: Thixo-Casting - Zukunft oder Sackgasse?, Vortrag, 1. Internationaler Deutscher Druckgußtag 12./13.03.2001, Düsseldorf-Neuss[7] Niedeck, I. (Hrsg.): Simultane Entwicklung und Integration von Thixoformingtechnologie für Leichtbauteile ,,Thixotec' Verbundprojekt im Rahmen des ,,Produktion 2000'-Programms des BMBF, Abschlussbericht, Aachen, Mainz, 2000.[8] Aluminium Pechiney, Angaben Sept. 2000.[9] SAG, Angaben Februar 2000.[10] Garat, M., Maenner, L.: Thixogießen - Erweiterung der Legierungsreihen und Anwendungen Gießerei 89 (1999) Nr. 5, S. 76-81.[11] Gabathuler, J.-P., Huber, H., Ditzler, C.: Thixoforming-Aluminiumbauteile mit hoher Beanspruchbarkeit und komplexer Gestalt Aluminium 71 (1995) Nr. 4, 1-10.[12] Bredenbreuker, U., Özcan, K., Weber, M., Kunze, H.-D.: Thixogießen der Magnesiumlegierung MgAl9Zn1 Gießerei-Praxis 10 (2000), S. 440-444.