Einfluss einer strukturierten Kokillenoberfläche auf das Fließ- und Formfüllungsvermögen beim Aluminiumgießen

Abstract

Oberflächenstrukturierte Gießwerkzeuge zählen zum Stand der Technik und werden seit mehreren Jahrzehnten gezielt eingesetzt, um die gießtechnologischen Eigenschaften von Schmelzen positiv zu beeinflussen. Ziel ist stets die Sicherstellung der Prozesssicherheit und die Erreichung einer nachhal-tigen Wirtschaftlichkeit. Der Leichtbau bei Gussteilen nimmt in der Automobilbranche eine zentrale Rolle ein. Ein Ansatz zur Reduzierung der fertigungsbedingten Gussteilwandstärke ist der gezielte Einsatz von Oberflächenstrukturen. Nachweislich kann somit die Wandstärke partiell um bis zu 30 % reduziert werden, wodurch sich Masseeinsparungen von mehr als 10 % pro Gussteil ergeben können. Aufbauend auf einer Potenzialanalyse der Oberflächenstrukturen auf das Fließ- und Formfüllungsver-mögen, werden drei aus dem Stand der Technik recherchierte Wirkmechanismen analysiert. Die wär-meisolierende Wirkung der Oberflächenstrukturen auf die Schmelze wird mittels Thermographie- und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen während des Formfüllvorganges analysiert. Der wärmeabführende Effekt von Oberflächenstrukturen wird mittels Gefügeanalysen an ansprechend hergestellten Gusstei-len mit Oberflächenstruktur näher untersucht. Zur Analyse des Effektes der aufreißenden Oxidhaut an der Schmelzefront werden Schutzgasuntersuchungen unter Agon-Atmosphäre durchgeführt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen über die Wirkmechanismen von Oberflächenstrukturen wird ein Ansatz zur mathematischen Berechnung der Fließlänge abgeleitet sowie eine verbesserte Oberflächenstruk-tur entwickelt. Als Ansatz dient die Berechnung des Wärmedurchlasskoeffizienten durch einen struktu-rierten, oberflächennahen Bereich der Kokille. Die Arbeit schließt mit der Ableitung von Strukturemp-fehlungen ab, um zukünftig eine wissensbasierte, auf den Gießprozess abgestimmte, Oberflächenstrukturierung bei Gießwerkzeugen vornehmen zu können. Hierbei wird die ideale, pro-zessspezifische Strukturauslegung thematisiert. Des Weiteren werden die Themen Lebensdauer der Oberflächenstrukturen im Gießbetrieb und der Einfluss strukturierter Gussteiloberflächen auf die Dau-erfestigkeit der Gussbauteile angeschnitten.

Surface structured casting tools are part of the state of the art and are used for several decades in order to positively influence the casting technological properties of metal melts. The aim is always to ensure process reliability and to achieve sustainable economic efficiency. Lightweight construction at castings plays a central role in the automotive sector. One approach to reduce the production related casting wall thickness is the targeted use of surface structures. It is proved that the wall thickness can partially be reduced by up to 30 %, which results in possible weight savings of more than 10 % per casting. Based on a potential analysis of the surface structures on the flow and shape filling capacity, three physical effects are analyzed. The heat insulating effect of the surface structures on the alumi-num melt is analyzed by means of thermography and high speed recording during the mold filling pro-cess. The heat dissipating effect of surface structured tools is investigated by microstructural analysis on castings with surface structure. The analysis of the effect of the breaking oxide skin on the front of the melt is investigated with the help of protective gas tests. An approach for the mathematical calcula-tion of the flow length is derived by the knowledge about the physical effects of surface structured casting tools. An improved surface structure is also developed. The development is based on the cal-culation of the heat transmission coefficient through a structured area of the mold close to the surface. The work concludes with the derivation of structural recommendations for casting tools and further, a knowledge-based surface structuring for casting tools can be carried out. The ideal surface structure design, the durability of the surface structures in the casting process and the effects on the durability of the structured castings are discussed.