Kokillenguss

Der Kokillenguss wird in der Gruppe der Dauerformen geführt. Mit diesem Verfahren lassen sich maßgenaue Gussstücke mit komplexen Innen-Geometrien und einer guten Oberflächenqualität herstellen. Der Kokillenguss ist ideal bei mittleren Losgrößen.

Die Kokillen / Formen bestehen aus Stählen oder Gusseisen. Wird die gesamte Form aus Metall hergestellt, so wird diese als Vollkokille bezeichnet. Alternativ besteht die Möglichkeit, nur eine Form-Hälfte aus Metall und die andere Hälfte aus einer Sandform herzustellen.

Dann spricht man von einer Halbkokille. Eine solche Teilkokille wird aber selten verwendet. Häufiger kommt die Gemischtkokille zum Einsatz, die aus metallischen Formen besteht, aber mit Sandkernen bestückt wird.

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Die einzelnen Formteile, die aus zwei oder mehr Teilen bestehen können, werden zusammengesetzt und bei Bedarf mit Kernen versehen. Kerne sind Elemente, die in den späteren Gussteilen einen Hohlraum erzeugen. Nur die Bereiche, die innerhalb der Kokille frei sind, ergeben letztendlich das spätere Gussteil.

Vor dem ersten Vergießen wird die Kokille vorgewärmt. Im Nachgang ist ein weiteres Erwärmen normalerweise nicht mehr erforderlich, da der bei jedem Gießvorgang stattfindende Wärmeaustausch die Form weiterhin auf Temperatur hält.

Damit das Gussteil nicht an der Kokille haften bleibt, wird die Form vor dem Gießen mit einer Schlichte überzogen. Diese hält mehrere Gießzyklen, bevor sie wieder erneuert werden muss.

Nach dem Schließen der Formteile wird die Kokille durch einen Einguss mit dem gewünschten Gusswerkstoff befüllt. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der Kokille wird eine schnelle Abkühlung der Schmelze erzeugt. Die rasche Erstarrung erzeugt ein feinkörniges und dichtes Gefüge im Bauteil, mit sehr guten Festigkeitseigenschaften.

Sobald der Gusswerkstoff fest ist wird die Kokille geöffnet und das Gussteil kann entnommen werden.

Vornehmlich kommen beim Kokillenguss Aluminium- und Magnesiumlegierungen zum Einsatz. Außerdem werden auch Schwermetalle, hauptsächlich Messing, und Gusseisen in Kokillen vergossen.

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Die Gussstücke können nach dem Gießen noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die mechanischen Eigenschaften des Gussteils zu verbessern.

Meistens ist bei Kokillenguss-Teilen noch eine Bearbeitung erforderlich. Der Aufwand hält sich aber in Grenzen, da die Teile nach dem Gießen bereits sehr maßgetreu sind.

Das Kokillenguss-Verfahren lässt sich in verschiedene Unterformen gliedern. Diese Unterformen unterscheiden sich in der Art der Formfüllung.

Die bekanntesten Arten sind die folgenden:

  • Schwerkraft-Kokillenguss
  • Niederdruck-Kokillenguss
  • Kipp-Kokillenguss
  • Gegendruckguss
Des Weiteren gibt es noch Sondergießverfahren und Abarten, wie das Precocast-Verfahren, Flüssigpressen, Schleudergießen und das Druck-Kokillengießen.

Der Schwerkraft-Kokillenguss ist am weitesten verbreitet. Das Gussmaterial fließt mittels Schwerkraft in die Form, in der Regel im steigenden Guss. Das bedeutet, dass der Zufluss der Schmelze in die Kokille von unten erfolgt und das Gussmaterial langsam nach oben steigend den Hohlraum füllt.

Das hat den Vorteil, dass sich der Gusswerkstoff „ruhig“ bewegt. Eine Oxid- und Schaumbildung, die wiederum das Einwirbeln von Luft und die Bildung von Lufteinschlüssen und Poren zur Folge hat, wird dadurch verringert.

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Beim Kippkokillenguss wird die Kokille zu Beginn des Gießprozesses zur Eingussseite hin geneigt. Dadurch strömt der Gusswerkstoff nur mit geringer Fallhöhe und mäßiger Geschwindigkeit in den Formhohlraum und verringert noch einmal das Risiko einer Lunker- und Porenbildung.

Mit fortschreitender Formfüllung wird die Kokille in ihre Normallage aufgerichtet / gekippt, bis die Form ausgefüllt ist.

Vornehmlich beim Aluminium-Kokillenguss und aluminiumhaltigen Kupferlegierungen, vor allem Messingkokillenguss, wird dieses Verfahren angewandt.

Beim Niederdruck-Kokillenguss erfolgt die Formfüllung mittels eines geringen Überdrucks. Die Schmelze fließt aus einem Gießofen, der mit einem geringen Druck von circa 0,3 – 0,7 bar beaufschlagt wird, über ein Steigrohr in die Kokille. Die Form befindet sich über dem Gießofen. Damit wird eine ruhige Formfüllung erzielt, mit geringen Turbulenzen und daraus resultierend Reduzierung von Lufteinschlüssen und Poren. Diese Art des Kokillengusses wird vornehmlich für die Herstellung von Rädern aus Aluminium verwendet.

Das Prinzip des Gegendruck-Kokillenverfahrens, auch „CPC-Verfahren“ (Counter Pressure Casting) genannt, wurde aus dem Niederdruckgießen entwickelt. Der Unterschied zum Niederdruckverfahren liegt darin, dass nicht nur der Gießofen mit einem Druck beaufschlagt wird, sondern auch die Kokille.

Beide Behälter, Gießofen sowie Kokille, werden unter einen Druck von circa 4 – 5 bar gesetzt. Die Druckbeaufschlagung auf den Gießofen ist dabei etwas höher, so dass die Schmelze über das Steigrohr in die Kokille fließt. Bis zur Erstarrung des Gussteils wird der Druck noch aufrechterhalten.

Der Vorteil dieser Variante ist, dass der Speisungsdruck gegenüber dem normalen Niederdruck-Kokillenguss erhöht ist. Dadurch lässt sich ein porenärmeres Gefüge und damit verbundene bessere mechanische Eigenschaften erzeugen.

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Beim Precocast-Verfahren werden die Drücke im Vergleich zum Gegendruck-Verfahren erhöht, auf bis zu 15 bar.

Dadurch wird noch einmal die Speisung der Form verbessert und die Ausbildung von Poren wird auf ein Mindestmaß reduziert. Dieses Verfahren eignet sich besonders für dickwandige Aluminium-Gussteile.

Das Schleuder-Kokillengießverfahren ist besonders für rotationssymmetrische Bauteile geeignet. Vor allem für die Herstellung von dickwandigen Büchsen und Rohren aus Aluminiumlegierungen wird dieses Verfahren verwendet.

Das flüssige Metall wird in eine sich drehende, rohrförmige Kokille eingefüllt. Durch die Zentrifugalkraft wird die Schmelze an die Innenwand der Form gepresst, wo sie erstarrt. Dadurch wird ein sehr dichtes, porenarmes Gefüge erzeugt.