Forschung und Innovation

Einfluss der Kokillentemperierung auf die Erstarrung beim Dauerformgießprozess
Thomas Vossel, Nino Wolff, Björn Pustal und Andreas Bührig-Polaczek, Aachen

Das Durchströmen mit Öl, Wasser oder Luft stellt den Stand der Technik dar, um beim Dauerformgießen eine gezielte Temperierung bestimmter Kokillenbereiche zu erreichen. Ziel dabei ist es, entweder bestimmte Temperaturgradienten zu erzeugen, die zu einer besseren Gussqualität führen oder kritische Hotspots zu kühlen, um Zykluszeiten zu verkürzen oder die Standzeit des Werkzeugs zu erhöhen.

Aufbau des Versuchsstands mit angeschlossener Öltemperierung und Messmimik für Temperatur, Druck und Verzug. BILD: RWTH AACHEN

Um die Auswirkungen einer Temperierung näher zu untersuchen, wird ein Versuchsaufbau mit Messinstrumentierung zur Erfassung der Temperaturen innerhalb von Schmelze und Form genutzt. Zusätzlich wird eine thermomechanische Simulation der Erstarrung durchgeführt, die Informationen über den thermischen Haushalt bietet, die über die lokal gemessenen Daten hinausgehen. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl eine umfassende Bewertung der thermischen Bedingungen innerhalb von Guss, Form und Kern als auch eine Beschreibung des Verhaltens eines größeren Schmelzevolumens und des jeweiligen Temperierungseinflusses für die Fälle einer einseitigen Kühlung sowie einer beidseitigen Kühlung eines kleineren Schmelzevolumens.

Der Gießprozess stellt eine komplexe Interaktion diverser physikalischer Abläufe dar, auf den der Gießer im Wesentlichen über zwei Faktoren Einfluss nehmen kann. Auf der einen Seite besteht die Möglichkeit der metallurgischen Behandlung. Je nach eingesetzter Legierung gibt es dabei unterschiedliche Möglichkeiten, die Gießeigenschaften in Richtung eines fehlerfreien Gussteils zu beeinflussen. Für den Fall des in dieser Arbeit betrachteten AlSi-Legierungstyps sind Kornfeinung und Veredelung als typische Schmelzebehandlungen zu nennen. Neben einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, führt eine erfolgreiche Kornfeinung des primären α-Mischkristalls sowie eine Veredelung des eutektischen Siliziums auch zu verbesserten Gießeigenschaften [1-4]. Auf der anderen Seite bestimmen neben der Wahl des Gießprozesses an sich die zugehörigen Prozessparameter das Ergebnis des Abgusses. Insbesondere haben die thermischen Parameter Einfluss auf Gussqualität und Standzeit der Werkzeuge [5]. Neben der prozessoptimierten Auslegung des Gießsystems ist im Dauerformguss eine Temperierung der Kokillen üblich. Sie kommt sowohl zum Beheizen bestimmter Bereiche einer Gussform zum Einsatz als auch zur Kühlung der Form, um kürzere Taktzeiten in der Produktion zu erreichen. Die Kokillentemperierung führt damit zu einem Eingriff in den thermischen Haushalt des Gießprozesses. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der Kokillentemperierung für den Schwerkraftkokillenguss einer A356-Legierung (Al- Si7Mg0,3) untersucht. Die sich ergebenden Unterschiede bei einer Variation der Kokillentemperierung sollen dazu ermittelt und ausgewertet werden.

Die Einflüsse einer veränderten Abkühlrate auf das Gefüge einer A356-Legierung sowie der Abkühlrate auf Kornfeinung und Veredelung [6] wurden bereits hinreichend dokumentiert. Forschungsbedarf bestand hingegen noch bei den prozessseitigen Einflüssen und Auswirkungen, die hier eingehend untersucht wurden. Eine thermische Analyse der Abkühlkurven wird durchgeführt, um die Beeinflussung der charakteristischen Temperaturen während der Erstarrung zu untersuchen [4, 7, 8]. So lassen sich die auf andere Gussteile und Prozesse übertragbaren Einflussmöglichkeiten und charakteristischen Effekte herausstellen. Es wird sowohl ein experimenteller Aufbau genutzt, an dem eine physikalische Messwertaufnahme stattfindet als auch eine thermomechanische Prozesssimulation mit der Software Abaqus durchgeführt, um Rückschlüsse ziehen zu können, die über die begrenzte Lokalität der Messungen und mangelnde Messmöglichkeiten der experimentellen Daten hinausgehen.

Die vorgestellten Untersuchungen wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB1120-236616214 „Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in Produktionsprozessen“ an der RWTH Aachen durchgeführt und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG) gefördert. Für die Förderung und Unterstützung sei an dieser Stelle gedankt.

Thomas Vossel M.Sc., Dipl.-Ing. Nino Wolff, Dr.-Ing. Björn Pustal und Univ. Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek, Gießerei- Institut der RWTH Aachen, Aachen


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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 2/2019 Seite 34-45
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Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie, Redaktion kug.bdguss.de 2019
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