Welche Materialien werden für Aluminium-Druckgussformen verwendet?

Aluminiumdruckguss ist einer der Eckpfeiler der modernen Fertigung und verantwortlich für die Herstellung von Millionen leichter, hochpräziser Komponenten für Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Telekommunikation. Das Herzstück dieses Prozesses ist die Druckgussform – ein Werkzeug, das extremer Hitze, Druck und wiederholten Temperaturwechseln standhalten muss, wenn geschmolzenes Aluminium (ca. 660 °C / 1220 °F) immer wieder eingespritzt wird.

Daher ist die Wahl des richtigen Formmaterials von entscheidender Bedeutung. Dies wirkt sich direkt auf die Lebensdauer der Gussform, die Gussqualität und die Gesamtproduktionskosten aus.

Der Industriestandard: Warmarbeitsstahl

Nahezu alle Aluminium-Druckgussformen werden aus Warmarbeitsstahl hergestellt, einer Materialklasse, die speziell entwickelt wurde, um Festigkeit, Härte und Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen beizubehalten. Diese Stähle widerstehen den Hauptursachen für Werkzeugausfälle – thermische Ermüdung (Wärmebruch), Erosion und Löten (wobei geschmolzenes Aluminium an der Werkzeugoberfläche haften bleibt).

H13-Werkzeugstahl: Das Benchmark-Material

Unter den Warmarbeitsstählen ist AISI H13 (auch bekannt als DIN 1.2344 oder JIS SKD61) das bevorzugte Material der Branche für Aluminium-Druckgussformen. Seine weit verbreitete Verwendung beruht auf einem idealen Gleichgewicht der wesentlichen Eigenschaften:

• Hervorragende thermische Ermüdungsbeständigkeit:
  Während des Gießens werden die Gussformen wiederholt durch geschmolzenes Aluminium erhitzt und durch Sprüh- oder Wasserkanäle abgekühlt. Diese thermischen Zyklen verursachen Oberflächenspannungen, die zu feinen Rissen (Wärmerissen) führen können. Die Legierungselemente von H13 – Chrom, Molybdän und Vanadium – verleihen ihm eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber diesen thermischen Belastungen.

• Ausgezeichnete Warmfestigkeit und Härte:
  Auch bei hohen Temperaturen behält H13 seine mechanische Integrität und arbeitet typischerweise im Härtebereich von 42–52 HRC. Dies verhindert eine Verformung bei hohen Einspritzdrücken.

• Gute Zähigkeit und Duktilität:
  Diese Eigenschaften stellen sicher, dass die Matrize Stöße und thermische Belastung absorbieren kann, ohne zu brechen – ein Schlüssel zur Vermeidung katastrophaler Ausfälle.

• Zufriedenstellende Bearbeitbarkeit und Polierbarkeit:
  Obwohl H13 nicht besonders einfach zu bearbeiten ist, ermöglicht es eine präzise Formgeometrie und eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit, die für anspruchsvolle Gussanwendungen geeignet ist.

Bei richtiger Wärmebehandlung und Kühlung können H13-Formen eine Lebensdauer von 50.000 bis über 200.000 Schüssen erreichen, was sie zum zuverlässigen Arbeitstier im Druckguss macht.

Über H13 hinaus: Premium- und modifizierte Werkzeugstähle

Während H13 für die meisten Zwecke geeignet ist, erfordern großvolumige oder sehr anspruchsvolle Anwendungen – wie beispielsweise große Automobilstrukturgussteile (Giga Castings) – Stähle mit verbesserten Eigenschaften. Premium-Werkzeugstähle werden oft aus der H13-Chemie abgeleitet, aber durch fortschrittliche Herstellungsverfahren wie Elektroschlacke-Umschmelzen (ESR) verfeinert, um Reinheit, Konsistenz und Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern.

Leistungsstarke H13-Varianten

Proprietäre Qualitäten wie DAC P, ExELL™ H13 PREMIUM oder DAC Magic stellen verbesserte Versionen des Standard-H13 dar. Diese Varianten bieten:

• Höhere Sauberkeit und Strukturgleichmäßigkeit:
  Der ESU-Prozess minimiert Verunreinigungen und Einschlüsse und erhöht so sowohl die Zähigkeit als auch die thermische Ermüdungslebensdauer.

• Verbesserte Wärmeleitfähigkeit:
  Einige Qualitäten sind so konstruiert, dass sie Wärme effizienter ableiten und so Temperaturgradienten reduzieren, die zur Oberflächenrissbildung beitragen.

• Überlegene Anlassbeständigkeit:
  Verbesserte Stabilität bei erhöhten Betriebstemperaturen verlängert die Oberflächenhärte und verlängert die Lebensdauer der Matrize.

Andere Warmarbeitsstähle

Neben H13 werden im Aluminium-Druckguss gelegentlich mehrere verwandte Stähle verwendet:

• H11: Ähnlich wie H13, jedoch mit leicht reduziertem Vanadiumgehalt, bietet gute Zähigkeit, aber etwas geringere thermische Ermüdungsbeständigkeit.

• H10, H19, H21: Enthalten einen höheren Wolfram- oder Molybdängehalt für eine höhere Warmhärte, allerdings normalerweise auf Kosten der Bearbeitbarkeit oder Zähigkeit. Diese kommen bei herkömmlichen Aluminiumanwendungen weniger häufig vor.

Spezialmaterialien für extreme Bedingungen

Da die Hersteller eine höhere Leistung und eine längere Werkzeuglebensdauer anstreben, werden für besonders beanspruchte Werkzeugkomponenten speziellere Materialien verwendet.

Maraging-Stähle

Maraging-Stähle (z. B. Grade 300 oder 350) sind Nickel-Kobalt-Molybdän-Legierungen, die für ihre ultrahohe Festigkeit bekannt sind, die durch Aushärtung erreicht wird.

• Vorteile: Außergewöhnliche Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Ermüdungslebensdauer – manchmal über 500.000 Gießzyklen. Ihre hohe Streckgrenze kann auch die Formmasse reduzieren.

• Nachteile: Hohe Material- und Wärmebehandlungskosten beschränken ihren Einsatz auf Langzeit- oder komplexe, hochbeanspruchte Matrizen, bei denen die Haltbarkeit die Kosten ausgleicht.

Einsätze und Sekundärmaterialien: Wolframkarbid und Kupferlegierungen

Nicht jede Formkomponente muss aus Stahl sein. Kritische Verschleiß- oder Hitzezonen werden oft durch Einlagen aus anderen Materialien verstärkt:

• Wolframkarbid:
  Wird für stark beanspruchte Bereiche wie Anschnitte, Läufer und Ecken verwendet, die aggressivem Metallfluss ausgesetzt sind. Bietet unübertroffene Härte und Erosionsbeständigkeit.

• Kupferlegierungen:
  Legierungen wie CuBe (Kupfer-Beryllium) oder CuNiSiCr (Kupfer-Nickel-Silizium-Chrom) werden für ihre außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit geschätzt. Sie sind ideal für Kernstifte oder Einsätze, bei denen eine schnelle, lokale Kühlung erforderlich ist, um die Zykluszeit zu verbessern und Wärmerückstände zu minimieren.

Oberflächenbehandlungen: Verlängerung der Werkzeuglebensdauer

Selbst Premiumstähle profitieren stark von Oberflächenbehandlungen, die die Formoberfläche härten und vor thermischen und chemischen Angriffen schützen.

• Nitrieren:
  Führt Stickstoff in die Formoberfläche ein, um eine harte, verschleißfeste Schicht zu bilden. Es verbessert die Erosions- und Lötbeständigkeit, muss jedoch sorgfältig kontrolliert werden, um Sprödigkeit zu vermeiden, die die Wärmebeständigkeit verschlechtern kann.

• PVD-Beschichtungen (Physical Vapour Deposition):
  Dünne Beschichtungen wie TiN, TiAlN oder CrN erzeugen eine ultraharte, inerte Oberfläche, die Anhaften und Erosion widersteht.

• Kontrollierte Oxidation:
  Eine feine Oxidschicht kann als Barriere und natürliches Trennmittel dienen und die Haltbarkeit und Oberflächenqualität verbessern.

Die entscheidende Rolle der Wärmebehandlung

Unabhängig vom gewählten Stahl ist die Wärmebehandlung entscheidend für seine endgültige Leistung. Der Prozess umfasst mehrere sorgfältig kontrollierte Stufen – Vorwärmen, Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen – um das optimale Gleichgewicht von Härte, Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen.
Eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann die Lebensdauer der Matrize drastisch verkürzen und selbst bei den besten Stählen zu frühzeitiger Rissbildung oder Verformung führen.

Abschluss

Die Wahl des richtigen Materials für eine Aluminium-Druckgussform ist keine allgemeingültige Entscheidung. Es ist ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Produktionsanforderungen.

Zu den Schlüsselfaktoren gehören:

• Produktionsvolumen: Eine höhere Produktion rechtfertigt hochwertige Stähle oder Maraging-Materialien.

• Teilegeometrie und Komplexität: Komplexe Matrizen erfordern möglicherweise hochleitfähige Kupfereinsätze.

• Budgetbeschränkungen: Die Materialkosten im Voraus müssen gegen die erwartete Langlebigkeit der Form und die Kosten für Ausfallzeiten abgewogen werden.

• Prozessbedingungen: Die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums, der Einspritzdruck und die Zykluszeit beeinflussen alle die Materialbelastung und -auswahl.

Da die metallurgische Wissenschaft und die Oberflächentechnik immer weiter voranschreiten, können Hersteller jetzt langlebigere und leistungsfähigere Formen als je zuvor herstellen – so wird sichergestellt, dass der Aluminiumdruckguss weiterhin eine der effizientesten und präzisesten Massenproduktionsmethoden in der modernen Fertigungswelt bleibt.