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Einfluss der Formfüllung und des Kippgießens auf die mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen, vergossen in Sandformen

Hagebölling, Hans-Joachim

Die Fähigkeit zur sicheren Herstellung dünnwandiger und gleichzeitig mechanisch hoch belastbarer Gusskomponenten ist vor dem Hintergrund eines stetig zunehmenden Bedarfes nach Leichtbaukomponenten für zahlreiche Einsatzgebiete ein wichtiges Kriterium für die mittel- und langfristige Marktabsicherung von Eisen- und Nichteisen- Gießereien. Typische Anwendungsfälle für derartige Gusskomponenten liegen beispielhaft in den Bereichen der Motor-, Fahrwerks- und Strukturteile für die Automobilindustrie, in hochfesten, großvolumigen Komponenten der Maschinenbau- und Elektroindustrie oder auch in druckdichten gas- oder flüssigkeitsführenden Bauteilen der Gebäudetechnik. Die reproduzierbare Herstellung dünnwandiger Gusskomponenten ist u. a. abhängig von den Eigenschaften des Fließvermögens und des Formfüllungsvermögens der zu verarbeitenden Legierung. Eine Verbesserung dieser Eigenschaften ermöglicht die seriensichere Produktion dünnwandigerer und damit leichterer Gussteile, sofern mit der Optimierung dieser Gießeigenschaften keine negative Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften einhergeht. Verfahrenstechnisch wird im Bereich des Kokillengusses seit vielen Jahren diesen Forderungen nach dünnwandigen und mechanisch hoch beanspruchten Gusskomponenten durch vermehrte Anwendung des Kippgießverfahrens, ausgeführt sowohl mit steigender, wie auch mit fallender Formfüllung Rechnung getragen. Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungsergebnisse und industrielle Erfahrungsberichte über den Einfluss des Kippgießverfahrens im Kokillenguss liegen vor und bestätigen dessen Vorteile gegenüber dem Schwerkraft-Gießverfahren. Dieser Entwicklung im Kokillenguss gegenüber hat sich die Anwendung des Kippgießverfahrens im Sandguss bisher nicht durchgesetzt. Auch im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen wurde dieses Thema bisher nur in geringem Maße bearbeitet. Die vorliegende Arbeit hat es sich zur Aufgabe gestellt, zusätzliche Erkenntnisse über den Einfluss a. der Art der Formfüllung (steigend - fallend) und b. des Kippgießverfahrens auf die gießtechnologischen und die mechanischen Eigenschaften von Sandgussteilen zu erarbeiten. Ziel ist es, aus diesen Ergebnissen konkrete Handlungsempfehlungen zur gezielten Beeinflussung der gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Sandgusskomponenten abzuleiten und deren Einflussnahme zu beschreiben. Untersucht wurde die Beeinflussung der gießtechnischen Eigenschaften - hier: Fließvermögen, Formfüllungsvermögen und Warmrissneigung - und der mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung der Aluminium-Gusslegierungen EN AC-AlSi7Mg0,3 und EN AC-AlCu4Ti bei der steigenden und der fallenden Formfüllung Kunstharz gebundener Sandformen in einer neu entwickelten Probengeometrie. Neben den experimentellen Versuchen wurde für das Schwerkraft-Gießverfahren der Verlauf der Formfüllung und Erstarrung der untersuchten Probengeometrie beider Legierungen zusätzlich mit Hilfe numerischer Simulationsprogramme analysiert. Die Ergebnisse aus den Untersuchungsreihen dieser Arbeit führen zu der Schlussfolgerung, dass die Herstellung mechanisch hoch beanspruchter dünnwandiger Aluminium-Gussteile in Sandformen bevorzugt mittels fallender Formfüllung unter Anwendung des Kippgießverfahrens bei einem Kippwinkel zu Gießbeginn von 30° ≤ αKipp ≤ 70° durchzuführen ist. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse an einem realen Gussteil überprüft und bestätigt.

Against the background of continuously growing demands for light constructional components the ability of reliable production of thin walled castings with high mechanical load capacity is an important criteria to ensure long-term consolidation of the market position of the iron and non-iron foundry industry. Representative examples of such castings are used in the area of e. g. motor components and suspension parts of the automotive industry, mechanically high loaded big sized castings for machine building and electronic industry and pressurised castings for gas and liquid conducting components. Reliable production of such castings depends amongst others on the casting properties of the alloy, such as fluidity and mould filling ability. The improvement of these properties enables the reliable production of thin walled and - by the way - more light castings as far as the optimization of the casting properties will create no negative impact on the mechanical properties. Since many years these demands for light constructional components are carried out in the area of permanent mould casting industry by using the tilt pouring process. Numerous scientific investigations and industrial field reports about the positive influence of tilt pouring on permanent mould castings are published and confirm its advantages compared to the gravity die casting process. This trend of permanent mould casting industry is not followed by the sand casting industry. There are only a few scientific reports about the influence of the pouring process on the mechanical and casting properties using tilt pouring of sand moulds available. Task of this investigation is to acquire additional knowledge about the influence of a. the kind of mould filling (rising - falling) b. the tilt pouring process on the mechanical and casting properties of sand castings. The alloys as well as the processes used in this investigation should guarantee, that the results can be transferred easily to industrial applications. It is target of this report to create recommendations how to take influence on the mechanical and casting properties of Aluminum sand castings and to describe the theoretical background of these effects. These investigations concerning the effect of rising and falling mould filling on the casting properties fluidity, mould filling ability and hot crack affinity as well as on the mechanical properties tensile strength, yield strength and breaking elongation of the aluminum casting alloys EN AC AlSi7Mg0,3 and EN AC-AlCu4Ti took place in resin bounded sand moulds, using a new created kind of sample geometry. Parallel to the experimental trials numerical simulation systems have been used to analyze the gravity mould filling and solidification process of both alloys in the new sample geometry. As a result of these investigations it is recommended to use the falling mould filling process in combination with tilt pouring process at a tilt angle 30° ≤ αtilt ≤ 70° to produce thin walled and mechanically high loaded Aluminum sand castings. Finally the results of these investigations have been confirmed by practical application.

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Hagebölling, Hans-Joachim: Einfluss der Formfüllung und des Kippgießens auf die mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen, vergossen in Sandformen. 2015.

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