Vergleich mit alternativen Materialen

Zinklegierungen stehen mit anderen Werkstoffen im Wettbewerb.

Das Druckgussverfahren konkurriert auch mit anderen Produktionsverfahren, um für eine Vielzahl von Bauteilen die jeweils technisch optimale und wirtschaftlich kostengünstigste Lösung anzubieten.

Es gibt viele Beispiele von Druckgussteilen aus Zinklegierungen, die als Ersatz für Aluminiumgussteile (Druck- und Schwerkraftguss), Kunststoffspritzteile, Messing und Stahl (maschinell bearbeitet), gepresste Stahlbauteile sowie für verschiedene Eisengüsse zum Einsatz kommen.

Diese Werkstoffsubstitutionen haben ihre Ursache in den Vorteilen, die Druckgussteile aus Zinklegierungen im Vergleich zu anderen (Guss-)werkstoffen und Prozessen aufweisen.

Allerdings sind Werkstoffsubstitutionen nicht in jedem Fall möglich.

Jeder der genannten Werkstoffe besitzt charakteristische Eigenschaften, die ihn für den einen oder anderen Einsatzbereich besonders prädestinieren.

Druckgussteile aus Zinklegierungen im Vergleich mit Aluminiumdruckgussteilen

• Höhere Präzision/Maßhaltigkeit
• Kleinere Entformungsschrägen
• Geringfügige Nachbearbeitung erforderlich nach Giessen
• Einsatz kleinerer und längerer Formkerne
• Erheblich längere Werkzeugstandzeiten
• Geringere gießbare Wanddicke
• höhere mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte)
• Höhere Schlagarbeit
• Bessere und maschinelle Bearbeitbarkeit
• Bessere Verformbarkeit
• Niedrigere Gießkosten
• höhere Druckdichtigkeit, keine Notwendigkeit des Imprägnierens
• Bessere Galvanisierfähigkeit

Aluminiumdruckgussteile können ausschließlich nur im Kaltkammerprozess hergestellt werden.

Kaltkammerdruckgießen hat jedoch eine geringere Produktivität als das Warmkammerverfahren der Zinklegierungen.

Im Ergebnis sind die Fertigungskosten für Druckgussteile aus Zinklegierungen oftmals geringer als Druckgussteile aus Aluminiumlegierungen.Dies gilt insbesondere für kleine Komponenten in der Großserienfertigung.

Werden zudem die weiteren Vorteile von Zinklegierungen mit in die Kalkulation einbezogen, wie z.B. die Fähigkeit Bauteile endkonturgenau zu gießen und dadurch die eventuelle maschinelle Nachbearbeitung einzusparen, sowie die bedeutend längeren Werkzeugstandzeiten (ca. 5-10 mal länger), lässt sich folgern, dass die Wettbewerbsfähigkeit der Zinklegierung hinsichtlich der Gesamtherstellungskosten immer besser wird.

Dies trifft vor allem bei Großserienfertigung (d.h. große Stückzahlen) zu.

Dazu kommen die bessere Verformbarkeit und die geringere erforderliche maschinelle Nachbearbeitung von Zinkdruckgusslegierungen, wodurch den Zinklegierungen weitere signifikante Kostenvorteile erreicht werden können.

Aufgrund der sehr geringen einhaltbaren Toleranzen sind eventuelle Nachbereitungsschritte zur Erreichung des Endmaßes beim Zinkdruckguss unnötig.Dies spiegelt sich in geringeren Produktionskosten wider.

Druckgussteile aus Zinkdruckgusslegierungen haben eine gute Druckdichtigkeit verglichen mit Aluminiumdruckguss.Dies ist vor allem von Vorteil für flüssigkeitsführende Baugruppen, die absolute Leckagefreiheit gewährleisten müssen.

Bei Aluminiumdruckgussteilen ist zudem öfter eine Nachbearbeitung erforderlich, wodurch oftmals Poren, die zu Lecks führen können, freigelegt werden.

Darum ist es manchmal bei Aluminiumdruckgusskomponenten mit besonderen Anforderungen an Druckdichtheit erforderlich Imprägnierungen anzuwenden, wodurch die Herstellungskosten wiederum ansteigen.

Die Neigung von Aluminiumlegierungen zu Funkenschlag im direkten Kontakt mit rostigem Stahl oder Stahlguss, hat zu deren Verbot geführt bei Umgebungen, die einem besonderen Explosionsrisiko ausgesetzt sind.

Zinklegierungen, die weniger als 15% Aluminium enthalten, sind ohne weiteres Explosionsrisiko und daher für Umgebungen in Kohlebergwerken, petrochemischen Betriebsstätten usw. einsetzbar.

Abgesehen von Emaile kann fast jede Beschichtung bei Zinkdruckgusskomponenten angewandt werden.

Dagegen ist ein galvanischer Überzug bei Aluminiumlegierungen schwierig zu realisieren, wodurch dem Einsatz metallischer Beschichtungen bei Aluminiumdruckguss eine engere Grenze gesetzt wird.

Zinkdruckguss- und Eisengussteile im Vergleich

• Niedrigere Gießkosten
• Deutlich bessere Präzision/Maßhaltigkeit erspart in den meisten Fällen die maschinelle Bearbeitung
• bessere thermische und elektrische Leitfähigkeit

Viele Bauteile, die ursprünglich im Eisensand – und Kokillenguss mit anschließender Bearbeitung hergestellt wurden, wurden später aus Zinkdruckgusslegierungen produziert.

Steigende Qualitätsansprüche und ein hoher Kostendruck rechtfertigen in vielen Fällen die Investition in Druckgussmaschinen und Werkzeuge.

Der Begriff „Eisengussteile“ umfasst eine große Bandbreite von Eisenwerkstoffen.

Die Bandbreite schließt den groben Lamellengrafitguss mit einer moderaten Zugfestigkeit und einer geringen Schlagarbeit genauso ein, wie den Kugelgrafitguss, der eine sehr hohe Zugfestigkeit und eine gute Zähigkeit aufweist.

Es ist deshalb schwierig, die mechanischen Eigenschaften von Eisenwerkstoffen direkt mit Zinkdruckgusslegierungen zu vergleichen.

Im Allgemeinen werden jedoch vor allem Bauteile aus Lamellengraphitguss heute durch Zinkdruckgussbauteile ersetzt.

Druckgussteile aus Zinklegierungen sind bestens dazu geeignet, hinsichtlich der meisten Eigenschaften mit diesen Materialen erfolgreich zu konkurrieren, wenngleich beachtet werden muss, dass Eisengussteile aufgrund ihres Grafitanteils einen besonders guten Verschleißwiderstand haben, eine hohe Steifigkeit und eine geringe thermische Ausdehnung aufweisen.

Wenn ein Eisengussteil durch ein Zinkdruckgussteil substituiert werden soll, ist es wichtig, nicht einfach den bereits bestehenden Eisenguss mit einer höheren Genauigkeit zu reproduzieren, sondern das neue Bauteil für den spezifischen Zweck umzukonstruieren und in seiner Form zu optimieren und zusätzliche Funktionen zu integrieren, die den Wert des Produktes erhöhen.

Es ist oft möglich weitere komplexe Funktionen direkt in ein einziges Druckgussteil zu integrieren, die zu einer weiteren Verringerung der Teileanzahl und Montagekosten führen.

Zinkdruckgussteile und maschinell bearbeitetes Messing im Vergleich

Geringere Fertigungskosten (sogar für verhältnismäßig einfache Schraubmaschinenteile)

• Geringere Materialkosten
• Weniger Ausschuss bei der Fertigung
• Äquivalente oder höhere Genauigkeit erreichbar

Der Begriff „Messing“ deckt einen weiten Bereich gehämmerter und gegossener Materialien ab. Sie haben eine große Bandbreite mechanischer Eigenschaften, die von moderat bis hoch reichen. Allerdings sind die gewalzte Halbzeuge für ihre sehr gute maschinelle Bearbeitbarkeit bekannt, die einen schnellen Abtrag ermöglichen sowie gute Oberflächenqualitäten in einem Arbeitsgang. Dies führt zu geringen Fertigungskosten. Allerdings sind die Fertigungskosten üblicherweise, wenn nicht sogar in jedem Fall, günstiger, wenn mit Zinklegierungen eine äquivalente Form gegossen wird, und die Materialkosten sind ausnahmslos beträchtlich niedriger. Darum können die Werkzeugkosten für das Druckgiesen bereits bei kleinen Stückzahlen amortisiert werden.

Zinkdruckgussteile und maschinell bearbeiteter Stahl im Vergleich

• Geringere Fertigungskosten (sogar für verhältnismäßig einfache Formen von Zerspanungskomponenten)[1]
• Geringere Werkstoffkosten
• Weniger Ausschuss bei der Fertigung
• Äquivalente oder höhere Maßgenauigkeit erreichbar

Der Begriff „Messing“ deckt ein weites Spektrum von Schmiede- und Gusslegierungen aus Messing ab. Dementsprechend haben diese naturgemäß eine große Bandbreite mechanischer Eigenschaften. Allerdings sind die gewalzten Halbzeuge aus Messing für ihre sehr gute maschinelle Bearbeitbarkeit bekannt, die einen schnellen Abtrag sowie gute Oberflächenqualitäten und hohe Maßhaltigkeit in einem einzigen Arbeitsgang ermöglichen. Die Material- und Fertigungskosten sind jedoch günstiger, wenn mit Zinklegierungen eine äquivalente Geometrie gegossen wird. Dabei sollte den zinkspezifischen Eigenschaften Rechnung getragen werden. So können sich Werkzeugkosten für das Zinkdruckgießen bereits bei kleinen Stückzahlen amortisieren.

Zinkdruckgussteile und maschinell bearbeiteter Stahl im Vergleich

• Geringere Fertigungskosten
• Besserer Korrosionswiderstand
• Äquivalente oder höhere Genauigkeit erreichbar

Stahl wird langsamer maschinell bearbeitet als Messing. Trotzdem ist Stahl aus Kostengründen eine oft genutzte Alternative zur Bauteilherstellung. Tatsächlich bedeuten die deutlich geringeren Fertigungskosten für Zinkdruckgussbauteile (mit Ausnahme der einfach gestalteten Teile), dass die Gesamtherstellungskosten schon bei einer verhältnismäßig geringen Stückzahl für Zinkdruckguss geringer sind. Der Begriff „Stahl“ deckt einen sehr weiten Bereich von Eisenbasislegierungen mit einer enormen Bandbreite mechanischer Eigenschaften ab. Zinklegierungen werden vor allem für preiswerte, niedrig gekohlte Stähle als Alternative gesehen. Solche Stahlsorten sind nicht besonders fest, wohl aber sehr zäh. Bei der Gestaltung von Zinkdruckgussbauteilen als Ersatz beanspruchter Stahlbauteile ist es darum wichtig, sich zu vergewissern, dass die geometrische Gestaltung zu einer gleichmäßigen Spannungsverteilung führt. Dabei sollten Kerben und Einschnitte verhindert werden, an denen sich die Spannung konzentrieren und sammeln könnte.

Zinkdruckgussteile und gesinterte Stahlbauteile im Vergleich

• Geringere Fertigungskosten
• Geringere Werkzeugkosten
• Viel größerer Gestaltungsspielraum für komplexe Geometrien
• Größere Präzision/Maßhaltigkeit

Stahlsinterteile werden aufgrund des guten Verhältnisses der Herstellungskosten zur hohen Beanspruchbarkeit und Formsteifigkeit weithin genutzt und es ist möglich, exzellente Oberflächenqualitäten zu erzielen. Doch der Gestaltungsspielraum bei Stahlsinterteilen ist stark begrenzt und komplexere Formen werden oft als Baugruppe aus mehreren Teilen hergestellt, üblicherweise durch Schweißen oder Fügeverfahren. Die grundsätzliche geometrische Gestaltung eines gut ausgelegten Zinkdruckgussteils ähnelt oft der Baugruppe aus Sinterteilen. Doch lassen sich bei der Umsetzung in Zinkdruckguss zusätzliche Funktionen und Eigenschaften integrieren, welche Zinkdruckguss vorteilhafter und interessanter machen. Druckgussbauteile aus Zinklegierungen können hinsichtlich der Beanspruchbarkeit und der Formsteifigkeit nicht direkt mit Stahl konkurrieren. Doch führt die Möglichkeit, Bauteile beanspruchungsgerecht zu gestalten oftmals zu geringeren Fertigungs- und Werkzeugkosten.

Zink- und Magnesiumdruckguss im Vergleich

• Geringere Fertigungskosten
• Geringere Entformungsschräge
• Bessere Präzision/Maßhaltigkeit
• Höhere Formsteifigkeit
• Höhere Zugfestigkeit und Bruchdehnung
• Bessere Verformbarkeit
• Günstigere Recyclingkosten
• Besserer Kontaktkorrosionswiderstand
• geringere Wanddicken
• Längere Werkzeugstandzeit
• mehr Beschichtungsmöglichkeiten
• nicht entzündbar

Eine wesentliche Eigenschaft des Magnesiums ist seine sehr niedrige Dichte. Magnesiumdruckgussteile können durch entsprechende sicherheitstechnische Anpassungen des Tiegels (Abdeckung unter Schutzgas wegen möglichen Brandgefahr) und der Druckgussmaschine auch im Warmkammerverfahren hergestellt werden. Die Zykluszeit ist aus diesem Grunde im Vergleich zu Aluminiumdruckguss kürzer. Die Materialkosten pro Volumeneinheit sind denen des Aluminiums ähnlich; darum sind Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen sowohl gegenüber Zink- als auch Aluminiumdruckgusskomponenten hinsichtlich der reinen Materialkosten wettbewerbsfähig. Bezieht man jedoch die Streckgrenze und die Biegesteifheit in die Betrachtung mit ein, werden die Vorteile für Zinkdruckgussbauteile offensichtlich.  Somit ist die Verwendung von Magnesium als Gusswerkstoff nur dann vorteilhaft, wenn Kriterien gegeben sind wie z.B. Gewichtsreduzierung, großen Bauteile oder beschleunigten Massen.

Zinkdruckguss und Kunststoffspritzguss im Vergleich

• Erheblich höhere Formsteifigkeit
• konstantere, gleichbleibende mechanische Eigenschaften
• Höhere Präzision/Maßhaltigkeit
• bedeutend geringere Fertigungskosten bei Komponenten mit dicken Abschnitten/Wanddicken
• Weit überlegene thermische Leitfähigkeit
• Elektrische Leitfähigkeit
• Elektromagnetische Abschirmung
• Bessere Schwindungseigenschaften (insbesondere bei großen Querschnittsveränderungen)
• Haptik
• massive Bauweise
• Recycling

Eine große Bandbreite von Polymeren und Polymergemischen stehen zur Verfügung und jede einzelne weist eine Bandbreite von Eigenschaften auf, die von Faktoren wie dem Grad der Polymerisierung, dem Typus und der Anzahl von Füllstoffen und Pigmenten abhängt. Verglichen mit den Metallen, sind die Eigenschaften der Kunststoffe viel stärker von ihrer Verarbeitung und Quelle abhängig. Kunststoffspritzgießen ist der gebräuchlichste Fertigungsprozess für komplexe Bauteile, die im Betrieb nur sehr geringen mechanischen Spannungen ausgesetzt werden. Das Hauptproblem, wenn Kunststoffteile erhöhten Spannungen ausgesetzt werden, ist ihr relativ geringer Elastizitätsmodul. Selbst mit Glasfasern gefüllte Kunststoffteile haben einen jeweils geringeren Elastizitätsmodul als Druckgussteile aus metallischen Werkstoffen. Sobald auch nur moderate Anforderungen an die Steifigkeit gestellt werden, ist es unvermeidlich, dass Kunststoffteile dicker als entsprechende Metallbauteile ausgeführt sind. Die Verstärkung der Wanddicke eines Kunststoffspritzgussteils führt nicht nur zu einer Erhöhung des Materialanteils und den damit verbundenen Rohstoffkosten, sondern verlängert auch drastisch die Zykluszeit der Spritzgussherstellung. Die Fertigungskosten wachsen im gleichen Maße wie die Durchlaufzeit, wodurch Kunststoffteile zunehmend wettbewerbsunfähig werden, sobald die Anforderungen an die Steifheit wachsen.

Referenz 2

Mechanische und physikalische Eigenschaften

Werkstoff	Zugfestigkeit MPa	Streckgrenze MPa	Bruchdeh-nung %	Elastizitätsmodul GPa	Kriechmodul 1000hrs @ 20°C, GPa	Spezifische Dichte	Wärmedehnung m m/m/°C	Wärmeleitfähigkeit W/m-°K	Wärmekapazität J/g- °C	Elektrische Leitfähgigkeit% IACS	Elektrischer Widerstand mOhm-cm
Zink					>50
ZP3/ZP0400	308	268	5,8	96		6,7	27,4	113	0,4187	27	6,37
ZP5/ZP0410	331	295	3,4	96		6,7	27,4	108,9	0,4187	26	6,54
ZP2/ZP0430	397	361	6,0	96		6,8	27,8	104,7	0,4187	25	6,85
ZP8/ZP0810	387	319	3,4	96		6,3	23,3	114,7	0,4354	27,7	6,20
Aluminium					~70
380 (äquivalent zu EN1706 AC46500)	324	159	3.5	71		2,76	21,1	109	0,963	26,9	6,4
356 T6 Kokillenguss	228 min.	152 min.	3 min.	72,4		2,68	21,4	151	0,963	39	4,4
Messing					97
Zerspanungsmessing, UNS 36000	338 – 469	124 – 310	53 max	97		8,49	20,5	115	0,377	26	6,54
Stahl					200
AISI 1020, 0.2% Karbonstahl	440	345	36	200		7,87	12,1	51,9	0,486	10,8	15,9
Magnesium					~44
AZ91D	230	150	3	44,8		1,81	26	72,7	1,047	12,1	14,3
Kunststoffe/Polymere
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)	30 – 65	29,5 – 65	2 – 110	1,8 – 3,2	<2	1,02 – 1,21	65 – 150	0,128 – 0,19	1,96 – 2,13
Polyamide (PA66)	40 – 85,5	40 – 86	4,8 – 300	0,7 – 3,3	<1	1,03 – 1,16	65 – 150	0,25 – 0,28	1,6 – 2,75
PA66 30% Glasfaser verstärkt	70 – 210	128 – 210	1,9 – 150	3,2 – 11	<6	1,11 – 1,41	17 – 104	0,22 – 0,5	1,2 – 2,35
Polycarbonat (PC)	54 – 72	59 – 70	8 – 135	1,6 – 2,4	<2	1,17 – 1,45	32 – 120	0,19 – 0,21	1 – 1,2
Polycarbonat 30% Glasfaser verstärkt	76 – 138	114 – 128	2 – 4	6,9 – 9,7		1,33 – 1,45	22 – 23,4	0,35
Polypropylen (PP)	19,7 – 80	12 – 43	3 – 887	0,5 – 7,6	<0,5	0,9 – 1,24	25 – 185	0,1 – 0,13	2
Polypropylen 30% Glasfaser verstärkt	42 – 100	55 – 79	1,5 – 16	4,8 – 8,3		1,08 – 1,47	32 – 41	0,32 – 0,33
Polyoxymethylen (POM)	37 – 66	37 – 69	3 – 250	1,4 – 3,2	<1,5	1,29 – 1,43	12 – 162
Polyoxymethylen 30% Glasfaser verstärkt	66 – 140	140	1,5 – 7	6,2 – 10	5,7	1,52 – 1,71	25 – 43,2	0,32 – 0,33
Polyester (Thermoset)	33,5 – 70	70	0,5 – 5	3,1 – 10,6		1,3 – 2,0	135	0,17
Polysulfone (PSU ,PPSU, PES)	70 – 76	69 – 80	10 – 75	2,48 – 2,7	2,3 – 2,5	1,24 – 1,25	55 – 100	0,12 – 0,26	1,2
Polysulfone 30% Glasfaser verstärkt	107 – 125	110	1,8 – 1,3	7,58 – 9,9	8,3	1,46 – 1,49	21 – 29	0,3

 

Die Information über die Kunststoffe in der oben stehenden Tabelle wurde aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen zusammengetragen. Dabei werden große Bandbreiten der Eigenschaften offensichtlich. In der folgenden grafischen Darstellung wird deshalb der Mittelwert zwischen den zitierten Maximal- und Minimal-Werten für jede Eigenschaft gebraucht. Dies hat zu einigen Anomalien geführt, zum Beispiel wird die Streckgrenze des glasgefüllten PA66 beachtlich höher angezeigt als seine Zugfestigkeit, was in der Praxis nicht möglich ist. Die Ursache hierfür ist vermutlich darin zu sehen, dass der Datensatz, der die niedrigsten Werte für die Zugfestigkeit aufwies, keine Werte für die Streckgrenze enthielt.

[1] screw machine shapes = Zerspanungskompenten, Komponenten die zerspant wurden