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GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) HEFT 11/12 Neukonstruktionen für den Automobilbau fordern von der Gießerei innovative Konzepte Lightweight Design for Automotive Parts with innovative Casting Concepts Dr.-Ing. Wolfgang Knothe, Studium und Dr.-Ing. Promotion an der Bergakademie Freiberg 1978. Eintritt in die Walter Hundhausen GmbH & Co.KG, Schwerte, dort Tätigkeiten als Betriebsleiter für die Giessereibereiche Gusseisen mit Kugelgraphit und Aluminium; 1995 Berufung in die Geschäftsführung der Walter Hundhausen GmbH, später Mitglied der Georgsmarienhütte Holding, Hamburg; hier zuständig für Prozess- und Produktentwicklung. Seit 2009 Leiter Technologiezentrum Eisenguss der Frankenguss GmbH & Co. KG, Kitzingen. Schlüsselwörter: Gusseisen mit Kugelgraphit, innovative Konzepte, Poralguss 1. Überblick Die Zeiten sind vorüber, in denen die Herstellung eines Gussstückes nach der Zeichnung des Bestellers die Dienstleistung der Gießerei war. Moderne Gusskonstruktionen im Automobilbau müssen hochbelastbar sein und dabei vielfältige Funktionen in einem Bauteil erfüllen. Gerade die Formgebung durch Gießen kennt technisch keine Einschränkungen und ist deshalb ein besonders geeignetes Fertigungsverfahren. Schon die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Gusswerkstoffe und Verfahrenstechniken mit ihrem Einfluss auf die Bauteilfestigkeit erfordert die gießtechnische Begleitung der Bauteilentwicklung von Anfang an. Bild 1 Leichtbau - Werkstoff - Auslegung - Werkstoffverbund - Pressschweißen Lastfall - Betriebslast - Arten, Frequenzen - Überlastfälle - Verschleiß - Korrosion Konstruktionsteil Prozessfähigkeit - Werkstoff (Schmelztechnik) - Formgebung (Formtechn.) - verdeckte Fehler - Eigenspannungen Hochfester Werkstoff „perlitisch“ Gusseisen mit Kugelgraphit GJS 700-440-8 Auslegung - Funktion - Bauraum - Maße - mechan. Eigenschaften - Oberflächensituation - mechan. Bearbeitung - Korrosion Prüftechnik - Serienprüfung - Einzelprüfung - Prüfverfahren 2. Bauteileigenschaften Die Bauteilanforderungen im Automobilbau sind immer komplex. Bild 1 zeigt in einer Übersicht das Anforderungsprofil. Aus den einzelnen Einflussfaktoren muss eine Übereinstimmung zwischen konstruktiver Auslegung und der Werkstoffauswahl getroffen werden. Gerade bei Leichtbaukonstruktionen hat sich gezeigt, dass das Versagen von Bauteilen nicht allein mit höheren Werkstofffestigkeiten behoben werden kann. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Werkstoff, Auslegung und Verfahrenstechnik, Bild 2. Im Entwurf des Bauteils müssen der Werkstoff und das Fertigungsverfahren gleichberechtigt in die Auslegung des Bauteils eingebracht werden. 3. Auswahlkriterien 3.1 Werkstoff In der Tabelle 1 werden Gusseisenwerkstoffe mit der in der Automobilindustrie klassischen Aluminium Gusslegierung EN-AC 46000 verglichen. Hier wird deutlich, dass die Bauteilfestigkeit nur mittelbar von der Werkstofffestigkeit bestimmt wird. Der E-Modul der Aluminiumgusswerkstoffe liegt etwa bei nur 30% von Stahl; auch die Dehnung liegt erheblich unter der von Gusseisen mit Kugelgraphit. Außerordentlich tragfähige Komponenten gegossener Aluminiumbauteile, z. B. im Werkstoff EN AC- AlSi10Mg(Fe), zeigen den bedeutenden Einfluss der Steifigkeit der Auslegung auf die Bauteilfestigkeit. Dort, wo der Auslegung Grenzen gesetzt sind, stehen heute hoch feste Gusseisenwerkstoffe nach Bild 3 zur Verfügung [1]. Dieses Spektrum von Werkstoffen im Fertigungsprofil einer Gießerei ist eine Voraussetzung zur Erfüllung innovativer Entscheidungen für Neukonstruktionen. Zugfestigkeit R m ≥ 700 N/mm² Streckgrenze R p 0,2 ≥ 440 N/ mm² Bruchdehnung ≥ 8% Brinellhärte HB 30/5 220-270 HB Schlagzähigkeit (ungekerbt)≥ 40 J Gefüge: perlitisch Verfahren: Franken Guss Kitzingen GmbH & Co. KG Bild 2 Bild 3 Werkstoff -Mechanische Eigenschaften im Gusstück - Eigenspannung -Temperatureinflüsse -Verschleißverhalten -Korrosion Bauteilfestigkeit Verfahrenstechnik Auslegung - Steifigkeit - elastisches Verhalten - Kerbradien - Topologieoptimierung - Nutzung garantierter Werkstoffkennwerte -Übertragung der Werkstoffeigenschaften in das Gussstück - Gestaltung des Bauteils (innen und außen) - Sandguss - Kokillenguss - Druckguss - Druckguss mit laminarer Füllung - Sonderverfahren 278
HEFT 11/12 GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) Werkstoff Gusseisen mit Lamellengraphit Gusseisen mit Vermiculargraphit Gusseisen mit Kugelgraphit Aluminium GJL 250 GJV 400 GJS 400 G-AlSi9Cu3 Zugfestigkeit [N/mm²] 250 - 350 >400 >400 160-200 Streckgrenze [N/mm²] 160 - 230 >240 >280 100 - 150 Bruchdehnung [%] 0,8 - 0,3 2,5 - 1 >15 3-1 Biegefestigkeit [N/mm²] 340 700 - - Druckfestigkeit [N/mm²] 840 600-1200 600-1200 - Härte HB 30 180 - 250 190 - 250 140 - 180 65 - 90 Schlagarbeit (20°C) [J] - 6 - 10 >40 - Kerbschlagarbeit ISO-V (-20°C) [J] - bis 3 >15 - Elastizitätsmodul [kN / mm²] 103 - 118 150 - 160 160 - 185 65 - 72 Biegewechselfestigkeit [N/mm²] 120 190 - 210 160 - 400 50 - 70 Zug-Druck-Wechselfestigkeit [N/mm²] 60 150 280 - Warmzugfestigkeit (400°C) [N/mm²] - 380 380 - Dichte [kg/dm³] 7,2 7,1 7,1 2,75 Wärmeleitfähigkeit (20°C) [W/(K * m) 48,5/45 40 36 - Linearer Ausdehnungskoeffizient [μm /(m*K)] 11,7 11 - 13 12 22,5 Spezifische Wärmekapazität [J / (kg*K)] 0,46 0,5 - 0,9 Tabelle 1 Die Franken Guss Kitzingen GmbH & Co. KG hat sich deshalb auf diese Fertigungsbreite eingestellt und neben den Gusseisenwerkstoffen noch die Aluminiumgusswerkstoffe nach Bild 4 im Programm. 3.2 Gießverfahren Die Gießverfahren haben für alle Werkstoffe einen bedeutenden Einfluss auf die Übertragung der Werkstoffeigenschaften in das Gussstück. Während für die Eisengusswerkstoffe die kastengebundene oder kastenlose Grünsandformtechnik dominiert, ist es bei den Aluminiumwerkstoffen die Druckgusstechnik. Bild 5 zeigt in einer Übersicht die angewendeten Gießverfahren. Die gießtechnische Auslegung des Bauteils muss unabhängig, ob Sand-, Kokillen-, oder für alle Arten der verschiedenen Druckgussvarianten so gestaltet sein, dass Kriterien erfüllt werden, wie • Angussfläche (Querschnitt) • Speiserbereiche; die Lage der Speiser ist besonders sensibel, da die Erstarrungsschrumpfung der Aluminiumgusslegierungen 4,5 – 5% betragen. • Gestaltungen von Entlüftungen • Vermeiden von Hinterschneidungen • Größtmögliche Radien • Vermeidung von Einschnürungen, die die Nachspeisung blockieren Gießverfahren für Al-Bauteile Standardverfahren Sonderverfahren 3.3 Auswirkung der Al-Gießverfahren auf die Produkteigenschaften Die Druckgusstechnik hat eine rasante Entwicklung durchlaufen und ist für die Großserienfertigung die meist angewendete Fertigungstechnik. Die Anlagen sind mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad gestaltet. Durch eine besondere Auslegung des Angusssystems kann eine laminare Füllung der Kavität erreicht werden und damit die für Druckguss typische Porosität, die durch das Einspritzen des Metalls entsteht, vermieden werden. Die dadurch verbesserten mechanischen Werkstoffeigenschaften (Bild 6) erweitern den Einsatz gegossener Aluminiumbauteile erheblich! Sandguss Kokillenguss Druckguss HWS- Verfahren Kernpaket-Verfahren Vollformguss Lost-Foam Feinguss Niederdrucksandguss Schwerkraftkokillenguss Niederdruckkokillenguss Gegendruckkokillenguss Horizontaler Kalt-/ Warmkammerguss Gussschmiedeverfahren PORAL-GUSS ® Flüssigpressverfahren Squeeze Casting Vakuum-Druckguss Bild 4 279
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