Projekt 11826/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Vermeidung von Formtrennmitteln beim Aluminium-Druckguß durch Applikation tribologischer Hartstoffbeschichtungen in Dünnschichttechnik

Projektträger

G. A. Röders GmbH & Co.KG
Unter den Linden 6 - 8
29614 Soltau
Telefon: 05191/809-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war, mit optimierten Schichten aus einem Vorprojekt (BMBF 13N6204) und unter Verwendung neuartiger Ti(B, N) und TiB2 Duplex-Schichten eine Reduktion von Formtrennmitteln und Formschrägen zu erreichen. Hieraus sollte sich eine Entlastung der Umwelt, insbesondere des Abwassers und der Arbeitsplatzbedingungen der Mitarbeiter ergeben.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVon vorrangiger Bedeutung war es, neben der Weiterentwicklung geeigneter Schichten aus vorherigen Projekten auch neuartige Ti(B, N) und TiB2 Duplex-Schichten bzw. Schichtvarianten zu erforschen und optimal an die Bedürfnisse des Aluminiumdruckgusses anzupassen. Dafür wurden das Belastungsprofil der Druckwerkzeuge im Einsatz analysiert und die Schichteigenschaften herausgearbeitet, die für Werkzeugoberflächen essentiell sind, um eine Verbesserung der Lebensdauer und des umweltverträglichen Einsatzes zu gewährleisten. Für das Forschungsvorhaben wurde ein Druckgusswerkzeug angefertigt. Dieses entspricht einer sehr einfachen aber durchaus üblichen Druckgussform, die durch Drehen hergestellt werden konnte. Dem Druckgussmassenverfahren entsprechend wurden 6 Kavitäten in die Form eingearbeitet. Somit konnten die verschiedenen Beschichtungen in einem Gießprozess variiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Es stellte sich heraus, dass die aus dem ersten Druckgussforschungsvorhaben zum Beschichten von Druckgussformen ermittelten guten Kernbeschichtungstypen auch für die gesamten Formen sehr gute Ergebnisse erzielten, so dass diese heute als druckgusstauglich eingesetzt und verstanden werden kön-nen. Alle Beschichtungen erlaubten eine Verminderung der Konizität auf 1° bis 0,8°. Hier waren die Ver-suche mit CVD-TiC,- CVD-TiN-, CVD-TiN-TiC- und PACVD Duplex TiN- bzw. Ti(B; N)-Schichten unter Berücksichtigung eines neu definierten Ausfallkriteriums am erfolgreichsten.
Man kann davon ausgehen, dass eine Beschichtung dazu führt, dass das Sprühmittel um mindestens 40% reduziert werden kann. Unberührt davon bleibt jedoch die Kühlung der Form mittels Wasser, so dass zum Schluss die Aussage der Trennwirkung im Verhältnis Stahl zu beschichteter Form zumindest fraglich erscheint. Weiterhin ist bei einem sogenannten Ankleben von Restaluminium an den beschichteten Formen darauf zu achten, dass dieses nicht durch das sonst übliche Abschmirgeln des Metalls vorgenommen wird. Es stellte sich heraus, dass für die Druckgießerei ein Reinigen von verschmutzten oder angeklebten Kernen nicht möglich ist. Es wurden erste Versuche unternommen, ein einfaches Reinigungsbad mittels Ultraschall in 5%iger Natronlauge aufzustellen, um die Kerne zu reinigen. Jedoch konnten hier keine abschließenden Ergebnisse erzielt werden. Weiterhin wurde die Oberfläche der Beschichtung intensiv diskutiert. Die zunächst angestrebte hochglatte Oberfläche führt dazu, dass kein Formtrennmittel oder Sprühmittel auf dieser Oberfläche haften bleibt und somit eine verminderte Außenkühlung eintritt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Einstellung einer etwas angerauten Oberfläche durchaus im Ergebnis zu einem positiveren Effekt führen könnte. Als Ergebnis bleibt festzuhalten:
1. Durch Beschichten der Formen kann das Formtrennmittel um 40% in den Nichtwasserbestandteilen reduziert werden. Dies führt zu einer erheblichen Entlastung der Umwelt.
2. Der Wasseranteil kann reduziert werden, jedoch abhängig von den Konturen und der Kühlbarkeit des Werkzeuges.
3. Die Ausformschräge kann erheblich vermindert werden


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichung in Fachzeitschriften und auf internationalen Kongressen.
Teilergebnisse PSE 2002; AEPSE 2003.


Fazit

Die Ergebnisse zeigen die Schwäche des heutigen Formsprühens auf. Die Formsprühanlagen sind für den recht rauen Industriegebrauch ausgerichtet. So wird aus sämtlichen Düsen gleichzeitig ein vorher gemischtes Formtrennmittel mit Wasser auf die Form flächig gesprüht. Dabei kann nur bedingt durch ein Zudrehen oder Ausrichten der Düsen auf bestimmte Formpartien Einfluss genommen werden. Eine beschichtete Form kann aber an vielen Stellen komplett ohne Sprühen auskommen. So muss nur noch bei dünnen Kernen, die nicht innen gekühlt werden können oder dicken Wandstärken ein Auftrag mit Wasser und u. U. einer nur sehr geringen Trennmittelmenge erfolgen. Hierzu laufen in Zusammenarbeit mit der Universität Braunschweig und den Sprühmittelherstellern weitere Forschungen. Zurzeit werden zwei Prototyp-Varianten von Sprühgeräten gebaut, zum einen ein Sprühgerät mit der Trennung von Formtrennmitteln und Wasserzyklus, zum anderen ein Sprühgerät mit einer düsengenauen Einstellung und Steuerung je Düse. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass ein Verzicht auf die Kühlung mittels Wasser durch ein Sprühgerät nicht komplett möglich ist. Das Ziel, auf das Sprühen gänzlich zu verzichten, konnte nicht erreicht werden. Das liegt zum großen Teil auch an der mangelhaften Kühlung der Form durch Kühlkanäle und Formheiz/Kühlgeräte. Es wird ein weiteres Forschungsvorhaben angedacht, um den sehr schlechten Effekt der Formheiz/Kühlgeräte zu verbessern. Dazu müsste der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden und Grundsatzuntersuchungen über den Wärmeübertrag dieser Geräte im Druckgusswerkzeug vorgenommen werden. Im Rahmen dieser bereits vorgenommenen und angedachten Forschung kann so der Energiehaushalt der Druckgussform, der noch weitgehendst unerforscht ist, genauer untersucht und optimiert werden. Weiterhin kann im Ergebnis dieser Forschung das Ziel hochwertiger Druckguss, der schweißbar ist und höhere Dehnung erfüllt, weiter vorangetrieben werden.