Zusammenfassung

Die Auswahl der richtigen Materialien für den Druckguss umfasst zwei unterschiedliche Kategorien. Die Formen, auch Gießformen genannt, werden aus hochfesten, hitzebeständigen Werkzeugstählen wie H13 und P20 hergestellt, um extremen Temperaturen und Drücken standzuhalten. Die Bauteile selbst entstehen durch das Einspritzen geschmolzener, nichteiserner Legierungen – vorwiegend Aluminium, Zink und Magnesium – in diese Formen. Das Verständnis dieses Unterschieds ist entscheidend für eine erfolgreiche Fertigung.

Formmaterialien vs. Gussmaterialien: Ein entscheidender Unterschied

Ein häufiger Punkt der Verwirrung beim Druckgießen ist der Unterschied zwischen dem Material, das zur Herstellung der Form verwendet wird, und dem Material, das zur Herstellung des Endteils verwendet wird. Die Klarstellung hierbei ist der erste Schritt, um fundierte ingenieurtechnische Entscheidungen zu treffen. Beide erfüllen völlig unterschiedliche Funktionen und weisen grundlegend verschiedene Eigenschaften auf. Die Gießform ist ein langlebiges, wiederverwendbares Werkzeug, während das Gussmaterial der Rohstoff ist, aus dem das fertige Produkt entsteht.

Das Formmaterial muss außergewöhnlich robust sein. Seine Hauptaufgabe besteht darin, geschmolzenes Metall unter hohem Druck zu enthalten und Tausende von thermischen Zyklen ohne Verformung, Rissbildung oder Abnutzung zu überstehen. Aus diesem Grund setzen Hersteller auf spezialisierte Warmarbeits-Werkzeugstähle. Diese Stähle sind für hohe Härte, hervorragende Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelegt. Wie in Leitfäden von HLC Metal Parts detailliert beschrieben, hängen Langlebigkeit und Präzision des gesamten Druckgussverfahrens von der Qualität des Formstahls ab.

Im Gegensatz dazu wird das Gussmaterial anhand der gewünschten Eigenschaften des fertigen Bauteils ausgewählt. Dabei handelt es sich typischerweise um Nichteisenlegierungen, die bekannt sind für Eigenschaften wie hervorragende Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand, niedrige Schmelzpunkte, geringes Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. Ziel ist es, eine Legierung zu wählen, die problemlos in komplexe Formhohlräume fließt, um ein maßgenaues Bauteil mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit und Oberflächenqualität herzustellen. Die Leistungsanforderungen an das Gussmaterial richten sich ausschließlich nach der Anwendung des Endprodukts und nicht nach der Haltbarkeit des Fertigungswerkzeugs.

Die Verwechslung beider kann zu erheblichen Fehlern in Design und Produktion führen. Beispielsweise würde die Spezifizierung einer gängigen Gusslegierung für eine Form sofortigen Ausfall bedeuten, da sie beim Kontakt mit dem Gussmaterial schmelzen würde. Die untenstehende Tabelle veranschaulicht diesen grundlegenden Unterschied anhand gebräuchlicher Beispiele.

Tiefgang: Hochleistungsstähle für Druckgussformen

Die Materialien, aus denen Druckgussformen hergestellt werden, sind die unscheinbaren Helden des Fertigungsprozesses. Sie müssen unter extrem anspruchsvollen industriellen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Die Hauptkategorie dieser Materialien ist der Warmarbeitsstahl, eine Klasse von Legierungen, die speziell dafür entwickelt wurde, bei sehr hohen Temperaturen ihre Festigkeit, Härte und Maßhaltigkeit beizubehalten. Diese Stähle sind entscheidend, um eine lange Lebensdauer der Form zu gewährleisten und über zehntausende von Zyklen hinweg konsistente, hochwertige Teile zu produzieren.

Das am häufigsten verwendete Material für Druckgussformen ist H13-Werkzeugstahl. Laut einer detaillierten Aufschlüsselung durch Neway Precision , bietet H13 eine außergewöhnliche Balance aus Härte, Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung. Seine Zusammensetzung, die Chrom, Molybdän und Vanadium enthält, ermöglicht es, dem thermischen Schock standzuhalten, der entsteht, wenn es wiederholt mit flüssigem Metall befüllt wird. Dadurch ist es die bevorzugte Wahl für das Gießen von Aluminium- und Zinklegierungen. Ein weiteres gebräuchliches Material ist P20-Stahl, der oft vorgehärtet geliefert wird. Obwohl P20 nicht so beständig gegenüber hohen Temperaturen wie H13 ist, lässt es sich leichter bearbeiten und stellt eine kostengünstige Option für Formen dar, die bei niedrigeren Temperaturen oder für kürzere Produktionszyklen eingesetzt werden.

Die Auswahl eines bestimmten Werkzeugstahls hängt stark von der Anwendung ab. Für extrem anspruchsvolle Aufgaben, die komplexe Geometrien oder hohe Produktionsmengen beinhalten, greifen Hersteller möglicherweise auf noch fortschrittlichere Materialien wie Maraging-Stähle oder Nickelbasis-Superlegierungen zurück, die bei höheren Kosten eine überlegene Festigkeit und Langlebigkeit bieten. Im Automobilsektor, wo Präzision und Haltbarkeit von größter Bedeutung sind, ist die Materialauswahl entscheidend. Spezialisierte Hersteller wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. zeigen Expertise bei der Herstellung von hochpräzisen Automobil-Stanzwerkzeugen, ein Prozess, der auf ähnlich robuste Werkzeugstähle angewiesen ist, um die Teilekonsistenz und Werkzeuglebensdauer für OEMs und Zulieferer der ersten Tier-Stufe sicherzustellen.

Um die Leistung weiter zu verbessern, werden Formoberflächen häufig speziellen Behandlungen unterzogen. Das Nitrieren erzeugt beispielsweise eine sehr harte Oberflächenschicht, die gegen Verschleiß und Erosion durch das strömende flüssige Metall widerstandsfähig ist. Hartverchromung kann ebenfalls aufgebracht werden, um die Oberflächenhärte zu erhöhen und die Teileentnahme zu erleichtern. Diese Behandlungen können die Nutzungsdauer einer Form deutlich verlängern und somit die erhebliche Investition in ihre Herstellung schützen. Im Folgenden finden Sie einen Vergleich gängiger Werkzeugstähle für Druckgussformen.

Leitfaden zu gängigen Legierungen für druckgegossene Teile

Während die Formgebung durch die Gießform erfolgt, verleiht die Gusslegierung dem fertigen Bauteil seine Substanz und Funktion. Der überwiegende Teil der Druckgussteile wird aus drei Hauptgruppen von nichteisernen Legierungen hergestellt: Aluminium, Zink und Magnesium. Jede dieser Legierungen weist ein einzigartiges Eigenschaftsprofil auf und eignet sich daher für unterschiedliche Anwendungen. Die Wahl der Legierung ist eine entscheidende Konstruktionsentscheidung, die das Gewicht, die Festigkeit, Haltbarkeit und die Kosten des Bauteils beeinflusst.

Aluminiumlegierungen

Aluminium ist das gebräuchlichste Material im Druckgussverfahren und zeichnet sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus. Wie in einem Leitfaden von Xometrie beschrieben, sind Legierungen wie A380 äußerst vielseitig einsetzbar und werden in einer breiten Palette von Produkten verwendet – von Automotorenblöcken über Gehäuse für Elektronik bis hin zu Elektrowerkzeugen. Eine weitere gängige Sorte, ADC12, zeichnet sich durch hervorragende Gießbarkeit aus und kann komplexe Formen mit dünnen Wänden problemlos ausfüllen. Aluminiumlegierungen bieten eine kostengünstige Lösung zur Herstellung leichter, aber fester Bauteile.

Zinklegierungen

Zinklegierungen, insbesondere jene der Zamak-Familie (z. B. Zamak 3 und Zamak 5), sind eine weitere Schlüsselkomponente der Druckgussindustrie. Zu ihren wichtigsten Vorteilen zählen ein sehr niedriger Schmelzpunkt, der die Energiekosten senkt und die Standzeit der Formen verlängert, sowie eine außergewöhnliche Fließfähigkeit. Diese ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit äußerst feinen Details und sehr dünnen Wänden, oft mit einer hervorragenden Oberflächenqualität, die nur geringe Nachbearbeitung erfordert. Zinklegierungen sind dichter als Aluminium, doch ihre Festigkeit und Härte machen sie ideal für Anwendungen wie Autotürgriffe, Zierbeschläge, Zahnräder und elektronische Steckverbinder.

Magnesiumlegierungen

Wenn das absolut minimale Gewicht erforderlich ist, greifen Konstrukteure auf Magnesiumlegierungen zurück. Als leichtestes aller Konstruktionsmetalle bietet Magnesium das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Legierungen wie AZ91D werden umfangreich in Anwendungen eingesetzt, bei denen Gewichtsreduzierung entscheidend ist, wie beispielsweise in Luftfahrtkomponenten, hochwertigen Automobilteilen und tragbaren Elektronikgeräten wie Laptop-Gehäusen und Kameragehäusen. Obwohl teurer als Aluminium oder Zink, rechtfertigen die einzigartigen Eigenschaften von Magnesium den Einsatz in Premium-Anwendungen, bei denen Leistung und geringes Gewicht unabdingbar sind.

Wesentliche Auswahlkriterien: Das richtige Material für Ihre Anwendung wählen

Die Auswahl des optimalen Materials sowohl für die Druckgussform als auch für das Endprodukt erfordert eine sorgfältige Analyse mechanischer, thermischer und wirtschaftlicher Faktoren. Dieser Entscheidungsprozess zielt nicht darauf ab, ein einziges „bestes“ Material zu finden, sondern vielmehr das am besten geeignete Material für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Ein ausgewogener Ansatz stellt sicher, dass das Endprodukt die geforderten Leistungsmerkmale erfüllt und gleichzeitig kosteneffizient herzustellen ist.

Faktoren bei der Werkzeugstahlauswahl

Die Wahl des Werkzeugstahls für die Form hängt in erster Linie von den Gussbedingungen und den Produktionsanforderungen ab. Zu den wichtigsten Aspekten, die von Experten bei Ace Mold einschließen:

• Gusslegierungstemperatur: Je höher der Schmelzpunkt der Gusslegierung (z. B. Aluminium gegenüber Zink) ist, desto hitzebeständiger muss das Formmaterial sein. Aus diesem Grund wird H13 bei Aluminium üblicherweise verwendet, während P20 für Zink ausreicht.
• Produktionsvolumen: Für Großserien im Bereich von mehreren hunderttausend Stück ist eine langlebigere und teurere Werkzeugstahllegierung eine sinnvolle Investition, da sie eine längere Lebensdauer aufweist und Ausfallzeiten reduziert. Für Prototypen oder Kleinserien kann ein weniger langlebiger, aber besser bearbeitbarer Stahl wirtschaftlicher sein.
• Teilkomplexität: Komplexe Geometrien mit dünnen Wänden können Spannungsherde im Formwerkzeug erzeugen. Ein zäherer Stahl mit hoher Ermüdungsfestigkeit ist erforderlich, um vorzeitiges Rissbilden und Versagen zu verhindern.

Faktoren für die Auswahl des Gussmaterials

Bei der Wahl der Legierung für das Bauteil selbst rückt die Einsatzumgebung und die Leistungsanforderungen in den Vordergrund. Die wichtigsten zu berücksichtigenden Faktoren sind:

• Mechanische Eigenschaften: Wird das Bauteil hohen Belastungen, Stößen oder Verschleiß ausgesetzt sein? Zinklegierungen bieten eine ausgezeichnete Härte und Schlagzähigkeit, während Aluminium eine bessere Balance für strukturelle Bauteile liefert.
• Betriebsumfeld: Wird das Bauteil Feuchtigkeit, Chemikalien oder extremen Temperaturen ausgesetzt sein? Die natürliche Korrosionsbeständigkeit von Aluminium macht es ideal für viele Außen- oder anspruchsvolle Umgebungen. Magnesium erfordert möglicherweise Schutzbeschichtungen.
• Gewichtsanforderungen: Ist die Minimierung des Gewichts ein primäres Konstruktionsziel? Magnesium ist klarer Favorit für Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt sowie tragbare Elektronik, gefolgt von Aluminium.
• Budget: Die Kosten pro Bauteil sind ein wesentlicher Faktor. Zink- und Aluminiumlegierungen sind in der Regel kostengünstiger als Magnesium. Die Komplexität des Bauteils und die erforderlichen Nachbearbeitungsschritte spielen ebenfalls eine bedeutende Rolle bei den Endkosten.

Um diesen Prozess zu unterstützen, sollte ein Konstrukteur eine Reihe von Fragen stellen, bevor die Materialwahl endgültig festgelegt wird. Die folgende Checkliste kann als praktischer Ausgangspunkt für jedes Druckgussprojekt dienen.

• Was ist das erwartete Gesamtproduktionsvolumen für dieses Bauteil?
• Welche maximalen und minimalen Betriebstemperaturen muss das Bauteil aushalten?
• Welche strukturellen Belastungen oder Stöße muss das Bauteil während seiner Nutzungsdauer aushalten?
• Ist das Gewicht des Bauteils eine entscheidende Konstruktionsvorgabe?
• Welches Maß an Korrosionsbeständigkeit ist erforderlich?
• Welche Anforderungen gelten hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit und Optik für das Endprodukt?
• Was ist die Zielkosten pro Bauteil?

Häufig gestellte Fragen

1. Welches Material wird für Druckgussformen verwendet?

Druckgussformen werden überwiegend aus hochwertigen Werkzeugstählen hergestellt, insbesondere aus Warmarbeitsstählen. Die am häufigsten verwendete und vielseitigste Wahl ist der Stahl H13, der eine hervorragende Kombination aus Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung bietet. Für Niedrigtemperaturanwendungen oder kürzere Produktionszyklen ist auch P20-Stahl eine gängige Option.

2. Welches Material eignet sich am besten für das Druckgießen?

Das am besten geeignete Material für das Gussteil hängt vollständig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Aluminiumlegierungen wie A380 sind insgesamt am gebräuchlichsten, da sie ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, geringem Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Kosten bieten. Allerdings eignen sich Zinklegierungen besser für Teile, die feine Details und hohe Schlagzähigkeit erfordern, während Magnesium die beste Wahl ist, wenn die Gewichtsreduzierung oberste Priorität hat.

3. Welches der folgenden Materialien wird üblicherweise zur Herstellung von Druckgussformen verwendet?

Unter den gebräuchlichen Materialien sind Werkzeugstähle der Standard für die Herstellung von Druckgussformen. Sorten wie H13 und P20 sind speziell dafür entwickelt, den hohen Drücken und thermischen Schocks standzuhalten, die beim Druckgussverfahren auftreten. Diese Materialien gewährleisten die Haltbarkeit und Maßgenauigkeit der Form über mehrere Tausend Gusszyklen hinweg.