Verbesserung der Trennleistung von Trennstoffen durch innovative Oberflächenbeschichtung mit dem Heinz-Gilbert Klußmann, Hüttenes-Albertus Düsseldorf Zur Herstellung von Gussteilen aus Nichteisen-Metalllegierungen im Druckgießverfahren müssen zur Trennung von Form und Gussteil geeignete Trennstoffe eingesetzt werden. Diese Stoffe erfüllen notwendige Anforderungen, wie die Bildung eines Trennfilms zwischen Form und Gussteil, die Bildung eines Schmierfilms auf beweglichen Formteilen und die Unterstützung der Schmelzeströmung in der Formkavität. Und dabei darf der Trennstoff die Gussteilqualität nicht negativ beeinflussen. Die in den frühen Jahren der Druckgussfertigung generell hierfür eingesetzten Öle sind heute meist nur noch für die Herstellung von Gussteilen aus niedrig schmelzenden Nichteisen-Metalllegierungen, wie zum Beispiel Blei, Zink oder Zinn im Einsatz. Für die höher schmelzenden Legierungen auf Basis von Aluminium und Magnesium werden hauptsächlich wasserbasierte Produkte eingesetzt. Bei diesen modernen Trennstoffen handelt es sich um wässrige Emulsionen, wobei durch die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel gleichzeitig ein Kühleffekt beim Aufsprühen auf die Formkavität erreicht wird. Trotz der gegebenen Funktionalität lassen sich Beschädigungen der Gießform durch die einströmende Schmelze, Metallanklebungen an exponierten Stellen oder auch Beschädigungen an Gussteilen durch das Hängenbleiben in der Form und umgekehrt, nicht vollständig vermeiden. In den vergangenen Jahren sind einige Oberflächenbeschichtungen auf den Markt gekommen, welche diese Probleme zum Teil erheblich verringern können, aber einen großen Kostenfaktor in der Herstellung der Werkzeuge darstellen. Herkömmliche Trennstoffe in der Anwendung Bild 1: Aluminiumanhaftungen an einem Gießwerkzeug Bei den heute eingesetzten, modernen Trennstoffen handelt es sich um wässrige Emulsionen aus speziellen Wachsen, Kohlenwasserstoffen, Siliconverbindungen und anderen Additiven zur Stabilisierung der Emulsion, zum Korrosionsschutz, etc. Diese Trennstoffe werden auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt und gewährleisten so die höchst mögliche Funktionalität bei geringst möglichen Einsatzmengen. Die Wirksamkeit des Trennstoffs ist auch abhängig von verschiedenen anderen Einflussfaktoren der Peripherie [1], wie der Werkzeugtemperatur, dem Trennstoffdruck, der Sprühzeit, dem Abstand zwischen Düse und Form, dem Auftreffwinkel des Sprühstrahls, der eingesetzten Düse (konstruktive Ausführung). Wenn auch nur einer der oben genannten Parameter außerhalb des Prozessfensters liegt, wird der Trennstoffauftrag negativ beeinflusst. Die Filmbildung ist schlechter, wodurch auch alle geforderten Eigenschaften, wie z. B. Schmier- und Trennleistung, reduziert sind. Besonders kritisch sind exponierte Werkzeugpartien, wie dünne Kerne, dünnwandige Rippen oder tiefe Taschen. 1/6
Bei Einhaltung des Prozessfensters erfüllen die im Druckguss eingesetzten, wassermischbaren Trennstoffe die für die Herstellung der Gussteile relevanten Anforderungen auch bei extrem hoher Verdünnung (Wirksubstanzanteil von 0,02 bis 0,03 % in der aufgesprühten, verdünnten Emulsion). Wechselwirkung zwischen Gießwerkzeug und Schmelze Trotz der Verwendung dieser extrem effizienten, wassermischbaren Trennstoffe kommt es bei der Produktion von NE-Metallgussteilen im Druckgießverfahren immer wieder zu Metallanschweißungen am Werkzeug (Bild 1) durch Legieren des flüssigen Aluminiums mit dem Werkzeugstahl und Bildung der intermetallischen Verbindung FeAl 3 mit nachfolgender Umwandlung zu Fe 2 Al 5 und FeAl 2 [2], Metallanklebungen von Magnesiumlegierungen am Werkzeug, Metallanklebungen von Zinklegierungen am Werkzeug, Zieh- oder Schmierstellen an den Gussteilen, welche eine rauere Oberfläche in diesem Bereich ergeben (Bild 2), Ausschuss durch gerissene oder verformte Gussteile, abgerissenen Formpartien. Zusätzliche Kosten für die Beseitigung der Fehlstellen Die verwendeten Trennstoffe erfüllen also nicht in allen Fällen ihre Aufgaben ausreichend. Dadurch entstehen zusätzliche Kosten, um die genannten Probleme am Gießwerkzeug oder an den Gussteilen zu beheben: Maschinenstundensatzkosten. Auf Grund des Maschinenstillstandes können durch einen Produktionsausfall Kosten für die Reinigung der Werkzeugoberfläche entstehen. Bild 2: Al-Ziehstelle an einem Gussteil (Al-Ziehstelle) Stundensatzkosten. Bei der Beseitigung der Fehlstelle treten Kosten für den Mitarbeiter auf. Werkzeug- und Instandhaltungskosten. Das manuelle Entfernen der NE-Metallanhaftungen an der Form führt immer zu kleinen Beschädigungen an der Oberfläche der Druckgießform, deren Beseitigung ebenfalls zusätzliche Kosten verursacht. Zudem unterliegen gereinigte Formpartien häufig einem erhöhten Verschleiß und müssen deshalb nach einer kürzeren Standzeit durch Aufschweißen, Kontur wiederherstellen oder Polieren nachgearbeitet bzw., wenn es sich um Einsätze handelt, sogar komplett ausgetauscht werden. Materialkosten. Die von Anhaftungen gereinigte Werkzeugoberfläche muss mit einer Trennpaste versehen werden, um ein schnelles, erneutes Anhaften durch fehlende Trenn- und Schmierwirkung bei der Entformung zu verhindern. Dies erfordert den Kauf und Einsatz eines zusätzlichen Produktes, z. B. Trennstoff FTp62 von Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Düsseldorf. Diese Trennpaste enthält meist schwefelhaltige Verbindungen, wobei der Schwefel daraus unter Temperatureinwirkung an den Korngrenzen abgelagert werden kann, wodurch ein erhöhtes Risiko zur Bildung von Korngrenzenrissen in der Stahloberfläche entsteht. 2/6
Diese verringern die Lebensdauer der Werkzeuge, weil dadurch die Bildung von Brandrissen begünstigt wird. Anfahrkosten. Weitere Kosten fallen beim Wiederanfahren der Druckgießmaschine nach dem Stillstand durch den sogenannten Anfahrausschuss von etwa ein bis drei Gussteilen an. Qualitätssicherungskosten. Die schon mit vorhandenen Anhaftungen hergestellten Gussteile weisen meist Fehler, wie z. B. Ziehstellen, Deformationen, sogar bis hin zu Rissen, auf, die dann zu Gussausschuss führen. In jedem Fall entstehen aber zusätzliche Kosten durch die notwendige Begutachtung der Gussteile mit nachfolgender Selektion. Werkzeugkosten. In besonders schweren Fällen kommt es auch zum Hängenbleiben der Gussteile in der offenen Form oder sogar zu Abrissen von Werkzeugpartien (z. B. Kerne, Pinolen), die zu Reparaturen der entsprechenden Kontur der Druckgießform führen. Ursachen für die Entstehung der Fehlstellen Die Ursachen für das Entstehen der oben genannten Fehlstellen lassen sich unter den Begriffen schlechte Werkzeuggeometrie, schlechtes Sprühen, zu heiß an der Stelle und schlechte Oberfläche zusammenfassen. Ursachen für die Metallschweißungen bzw. -anklebungen sind u. a. eine schlechte Beschaffenheit der Formoberfläche, eine hohe Werkzeugtemperatur, eine hohe Schmelzetemperatur, die ungünstige Lage des Anschnittes. Ziehriefen oder Schmierstellen entstehen u. a. durch Aufschrumpfen der Gussteile auf die Formkontur, unzureichenden Trennstoffauftrag, Formbeschädigung durch Erosion. In [3-5] sind die häufigsten Ursachen für die Entstehung der Fehlstellen an Aluminium-, Magnesium- und Zink-Druckgussteilen ausführlich beschrieben. Zusätzliche Oberflächenbehandlung Neben den seit langer Zeit bekannten Gegenmaßnahmen, wie verbessertes Trennstoffsprühen (Auftreffwinkel, Effizienz des eingesetzten Trennstoffs), Vermeiden des direkten Anströmens von kleinen Kernen, etc. und ausreichende Formtemperierung durch die inneren Kühlungen sind seit einigen Jahren auch gegen die Gießmetalle inerte Werkzeugoberflächen im Einsatz. Hierbei handelt es sich um Materialien, welche keine chemische oder metallurgische Reaktion mit der eingesetzten Aluminium- oder Magnesiumlegierung eingehen. Werkzeugoberflächen und Kerne werden mit einer entsprechenden Beschichtung aus TiN, TiC, TiCN oder TiBN versehen. Als weitere Möglichkeit steht das Nitrieren oder auch Karbonitrieren für Kerne und kleinere Werkzeuge zur Verfügung. Hierbei wird die Beschichtung auf die komplette Oberfläche des Werkzeuges aufgebracht, also auch auf nichtkonturgebenden Formteile [6, 7]. Bei der Verwendung von inerten Metallen wie Molybdän oder Wolfram sollten hieraus nur Kerne hergestellt werden, da diese aus einem gesinterten Basismaterial sehr aufwendig und damit 3/6
kostenintensiv herausgearbeitet werden müssen. Ein Verschweißen von Wolfram- oder Molybdänkernen mit dem Standard-Werkzeugstahl (z. B. W.-Nr. 1.2343) ist gegenwärtig nicht möglich. Alle diese Verfahren haben den Nachteil, dass das Werkzeug einer sehr aufwendigen Prozedur unterzogen werden muss und für mehrere Tage der Gießerei nicht zur Verfügung steht, da die Beschichtung des Druckgießwerkzeuges bei externen Firmen erfolgt. Oberflächenbehandlung mit dem Ein von Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Düsseldorf, entwickeltes Verfahren gestattet die Behandlung des Werkzeuges mit dem aus gleicher Firma bei dem Kunden vor Ort. Damit kann das Auftragen der Beschichtung auf die tatsächlich betroffene Gussteilkontur und auf darüber hinaus ausgewählte Bereiche, welche als erforderlich erscheinen, wie z. B. Dichtflächen um die Kontur, begrenzt werden. Welche Voraussetzungen muss das Werkzeug bzw. die Werkzeugkontur dabei erfüllen? Bei allen genannten Beschichtungsverfahren muss die zu behandelnde Werkzeugoberfläche vor der Beschichtung vollständig von Gießmetallanhaftungen, Rückständen der Trennstoff, anderen oberflächenaktiven Substanzen, wie z. B. Trennölen, Staub und Rost gereinigt sein. Das Entfernen von staubigen Rückständen, Flugrost oder leichten Trennölen erfolgt bei dem auf Grund des eingebauten Reinigers auch ohne Vorreinigung. a) b) c) Bild 3: Unbehandelte (a), einmal behandelte (b) und dreimal behandelte (c) Oberfläche einer geschliffenen Platte aus Werkzeugstahl 1.2343 4/6
Das Aufbringen einer DPw 222B-Beschichtung erfolgt im Gegensatz zu den anderen oben genannten Verfahren im kalten Zustand bei einer Werkzeugtemperatur zwischen 20 und 40 C. Für das Auftragen einer Schicht auf die Werkzeugkontur wird der Trennstoff unverdünnt, gleichmäßig mit einem Pinsel, einem Lappen oder einer Sprüheinrichtung auf die Oberfläche aufgebracht. Nach einer von der Werkzeugtemperatur abhängigen Einwirkzeit von 3 bis 15 Minuten wird der überschüssige Trennstoff mit Wasser abgespült und die Oberfläche sofort mit Druckluft trocken geblasen. Man erkennt gegenüber der unbehandelten Oberfläche eine deutliche Verfärbung und Mattierung. Das Auftragen muss so oft wiederholt werden, bis eine einheitlich dunkel gefärbte, matte Oberfläche entsteht. Dies ist essentiell für die Erzeugung einer dichten, fest haftenden Schicht. Das selbstregelnde System lässt die Beschichtung nur an den Stellen auf der Werkzeugoberfläche zu, welche ausreichend gereinigt sind und an denen noch keine Beschichtung erfolgt ist. Bei dem als Beispiel ausgewählten Werkzeugstahl 1.2343 zeigt sich dann eine dunkelgraue, matte Oberfläche (Bild 3 a bis c). Um eine fest haftende, inerte Beschichtung zu erzeugen, muss die behandelte Werkzeugkontur auf eine Temperatur von 220 bis 250 C aufgeheizt und 4 h bei dieser Temperatur gehalten werden. Nach diesem Temperschritt kann sofort mit der Produktion begonnen werden. Die aufgebrachte Beschichtung ist nur wenige Mikrometer dick und hat keinen Einfluss auf die Maßhaltigkeit der später damit hergestellten Gussteile. Sie folgt der Oberflächenstruktur des Werkzeuges und hat keine Funktion als Ausgleichs- oder Füllmedium für Brandrisse o. ä. in der Werkzeugoberfläche. Auf eine mechanische Nachbehandlung sollte aus Gründen des selbsterzeugten, gleichmäßigen Schichtaufbaus verzichtet werden. Die bei korrekter Verarbeitung mit dem erstellte Schicht ist temperaturschockbeständig, temperaturwechselbeständig, thermisch stabil bis 800 C. Die Schicht selbst hat keinen nennenswerten Einfluss auf den Wärmeübergang zwischen Gussteil und Werkzeug. Beispiele In Bild 4 ist ein Ausschnitt eines Aluminium- Druckguss-Trägers dargestellt. Die Ziehstellen treten schon nach 1500 Abgüssen auf. Nach dem Auftragen des Trennstoffs DPw 222B konnten 15 000 Abgüsse ohne Ziehstellen produziert werden. An einem Aluminium-Spannrahmen traten in der Serienproduktion schon nach 2000 Abgüssen Klebestellen an einem rechtwinkligen Übergang auf. Nach dem Beschichten von drei der sechs Werkzeugeinsätze war ein direkter Vergleich möglich. Hier zeigte sich, dass die unbeschichteten Einsätze wieder nach ca. 2000 Abgüssen Klebestellen aufwiesen, die beschichteten Einsätze jedoch erst nach Bild 4: Ziehstellen an einem Träger aus Aluminiumdruckguss 10 000 Abgüssen leichte Anhaftungen zeigten, die erst nach 35 000 Schuss zu nicht mehr tolerierbaren Klebestellen anwuchsen. 5/6
Solche Stufenkerne, wie in Bild 5 gezeigt, sind allgemein recht kritisch für das Entformungsverhalten. Es ist meist nach wenigen Gussteilen schon eine Anhaftung vorhanden. Mit dem beschichteten Werkzeug konnten 2500 Schuss ohne die Andeutung einer Anhaftung gefertigt werden. Bild 5: Beschichteter Stufenkern des Gießwerkzeuges In Bild 6 ist das Werkzeug für den Deckel eines Elektronikgehäuses aus Zn-Druckguss abgebildet. Dieses musste üblicherweise nach 300 Abgüssen von Zn-Anhaftungen gereinigt werden. Mit einer Beschichtung aus dem Trennstoff DPw 222B war ein Entfernen des Zn erst nach 3000 Schuss erforderlich. Zusammenfassung und Ausblick Wie die Beispiele zeigen, erreicht man mit Beschichtungen aus dem eine erhebliche Verlängerung der Werkzeugstandzeit gegenüber dem unbeschichteten Werkzeug. Wesentliche Vorteile dieses Trennstoffauftrages gegenüber den bekannten Beschichtungsverfahren sind die hier mögliche Anwendung bei Raumtemperatur und vor Ort beim Kunden, was die Logistik der Werkzeuge erheblich vereinfacht. Das Aufbringen des Trennstoffs DPw 222B ist auch auf nitrierten oder carbonitrierten Oberflächen möglich. Diese Beschichtung konnte bislang Bild 6: Werkzeug für Elektronikgehäuse aus Zinkdruckguss ihre Vorteile bei Aluminium-, Magnesium- und Zinkdruckguss unter Beweis stellen. Ob diese auch bei höheren Gießtemperaturen voll funktionsfähig ist, wird aktuell überprüft. Literatur [1] Gießerei-Erfahrungsaustausch 43 (1999) H. 9, S. 459-466. [2] AFS Transactions 98-61 (1998) S. 225-231. [3] Druckguss-Fehlerkatalog Aluminium, 3. Auflage 2008, Herausgeber: Arbeitsgemeinschaft Metallguss, Steinbeis Transferzentrum an der HTW Aalen. [4] Druckguss-Fehlerkatalog Magnesium, 1. Auflage 1999, Herausgeber: Arbeitsgemeinschaft Metallguss, Steinbeis Transferzentrum an der HTW Aalen. [5] Druckguss-Fehlerkatalog Zink, 1. Auflage 1996, Herausgeber: Arbeitsgemeinschaft Metallguss, Steinbeis Transferzentrum an der HTW Aalen. [6] Gießerei 88 (2001) H. 3, S. 33-39. [7] Druckgusspraxis (2004) H. 1, S. 47-55. Sämtliche Produktinformationen oder sonstige Informationen in diesem Text werden nach bestem Wissen zur Verfügung gestellt. Es wird jedoch keine Garantie für die Vollständigkeit oder Richtigkeit der Informationen übernommen. Bitte wenden Sie sich direkt an uns, wenn Sie weitere Informationen oder eine Beratung bezüglich unserer Produkte und Dienstleistungen wünschen. 2010 Hüttenes-Albertus. All rights reserved. 6/6