Urformen

Fertigungsverfahren, in denen aus formlosem Stoff ein Werkstück hergestellt wird, sind Urformverfahren. In diesem Verfahren wird der Zusammenhalt der Stoffteilchen geschaffen. Man unterscheidet Urformen aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand, aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand, aus dem festen (körnigen oder pulvrigen) Zustand und Urformen durch Gießen, Sintern und elektrolytische Abscheidung.

Schmelzen und Gießen

Das Schmelzen von Kupfer erfolgt entweder in Brennstoff beheizten oder in Induktionsöfen. Für Kupfer wird eine neutrale oder oxidierende Schmelzführung empfohlen. Im letzteren Fall wird eine Wasserstoffaufnahme (hohe Wasserstofflöslichkeit der Schmelze) durch einen Sauerstoffüberschuss verhindert. Anschließend ist mit geeigneten Mitteln, meist mit einer Kupfer- Phosphor-Vorlegierung, zu desoxidieren. Das Gießen ist der schnellste Prozess, um vom Rohmetall zum Fertigprodukt zu gelangen. Für die Formgebung durch Gießen werden bei Kupferwerkstoffe die gleichen Form- und Gießverfahren angewendet, die für Eisen und andere Nichteisenmetalle gelten. Grundsätzlich sind die Kupfergusswerkstoffe für alle herkömmlichen Gießverfahren geeignet. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wird die weitaus größte Anzahl aller Gussstücke aus Kupferwerkstoffen im Sand-, Kokillen-, Schleuder-, Stranggieß- und – in gewissem Umfang – im Druckgießverfahren hergestellt.

Gießen in Dauerformen

Für die Herstellung von Formgussstücken aus Kupfer und Kupferlegierungen werden im großen Umfang Gießverfahren mit Dauerformen aus Metall angewendet. Durch Metallformen wird eine bessere Maßgenauigkeit und bessere Oberfläche der Gussstücke erzielt. Darüber hinaus wird durch die schroffere Abkühlung, durch einen steileren Temperaturgradienten in der Metallform, eine Kornfeinung, und dadurch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, erreicht. Im Vordergrund stehen dabei das Kokillengießverfahren, bei Anwendung von ziehbaren Stahlkernen als Präzisions-Kokillenguss bezeichnet, und das Schleuder- und Stranggießverfahren.

Kokillengießverfahren
Druckgießen
Schleudergießverfahren
Stranggießen

Kokillengießverfahren

Das Kokillengießverfahren ist für Kupfer und Kupferlegierungen neben dem Sandgieß-verfahren das am häufigsten angewandte Gießverfahren. Die Formen bestehen überwiegend aus Stählen mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit. Auch Formen aus Gusseisen und Kupfer-Beryllium werden eingesetzt. Bestehen, wie beim Präzisions-Kokillenguss, die ziehbaren Kerne ebenfalls aus Metall, so spricht man von Voll-Kokillen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass bei ziehbaren Kernen gewisse Hinterschneidungen in der Form nicht möglich sind. Beim Schwerkraft-Kokillengießen wird die Kokille gekippt, um eine geringe Fallhöhe und eine ruhige, turbulenzfreie, das heißt laminare, Formfüllung zu erreichen. Dabei muss das Entweichen der Luft aus der Form gewährleistet sein. Mit zunehmender Formfüllung wird die Kokille aufgerichtet. Die Formfüllung muss möglichst schnell erfolgen, darf aber eine maximale Gießgeschwindigkeit nicht übersteigen. Das Kokillengießverfahren bietet die folgenden Vorteile: Feineres Gefüge und höhere Festigkeit als beim Sandguss, bessere, glatte Gussoberflächen, Maßgenauigkeit und Druckdichtigkeit, Vermeidung mechanischer Nacharbeit und die Möglichkeit, Eingussteile aus anderen Metallen umgießen zu können. Dem stehen als Nachteil nur die höheren Formkosten gegenüber. Wie bei anderen Gusswerkstoffen wird auch das Niederdruck-Kokillengießverfahren angewendet, hat aber wegen der größeren Gussstücke für den Automobilbau keine technische Bedeutung. Geeignet ist das Kokillengießverfahren für alle Kupfer-Gusswerkstoffe mit engem Erstarrungsbereich. Das sind Kupfer, unlegiert und niedriglegiert, Kupfer-Zink- und Kupfer-Aluminium-Gusslegierungen.

Druckgießen

Beim Druckgießverfahren bestehen Form und Kerne ebenfalls aus einem gehärteten Warmarbeitsstahl. Die Formfüllung erfolgt in einer Druckgießmaschine mit hoher Geschwindigkeit und die Erstarrung unter hohem Gießdruck. Da die Kupfer-Gusswerkstoffe verglichen mit anderen NE-Metallen relativ hohe Schmelztemperaturen haben, ist die Temperaturwechselbeanspruchung in der Form extrem hoch und die Formstandzeit bei Einsatz von Kupferlegierungen relativ niedrig. Deshalb hat sich dieses Gießverfahren für Kupfer-Gusswerkstoffe nicht durchsetzen können. Es wird nur in geringem Umfang für die vergleichsweise niedrigschmelzenden Kupfer-Zink-Gusslegierungen eingesetzt. Durch niedrige Formstandzeiten wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in großem Maße beeinträchtigt. Für das Druckgießverfahren sind von den Kupfer-Gusswerkstoffen nur die Werkstoffe CuZn39Pb1Al-C-GP (GD-CuZn37Pb) und CuZn16Si4-C-GP (GD-CuZn16Si4) geeignet.

Schleudergießverfahren

Das Schleudergießverfahren ist verfahrensbedingt nur für die Herstellung rotations-symmetrischer Gussstücke geeignet. Beim Schleudergießverfahren wird eine Drehkokille in Rotation versetzt und die horizontal oder vertikal rotierende Kokille mit flüssigem Metall beschickt. Wanddicke bzw. Innendurchmesser des erstarrenden rohrförmigen Gussstückes wird durch die Menge des zugeführten Metalls bestimmt. Die Abkühlung der Schmelze erfolgt sehr schnell und kann durch zusätzliche Kühlung erhöht werden. Durch Einfluss der Fliehkraft und durch die extrem schnelle Erstarrung wird ein dichtes, feinkörniges Gefüge erzielt. Dieses Gießverfahren ist hervorragend für die Herstellung von Gleitlagerbuchsen geeignet. Für die Herstellung von Ausgangsformen für die Gleitlagerfertigung hat dieses Gießverfahren neben dem Stranggießverfahren herausragende Bedeutung. Geeignet ist das Schleudergießverfahren besonders für Kupfer-Zink-, Kupfer-Zinn und Kupfer-Zinn-Zink-, sowie Kupfer-Aluminium-Gusslegierungen. Bedingt geeignet ist das Gießverfahren wegen möglicher Bleiseigerungen unter dem Einfluss der Fliehkraft für die Kupfer-Blei-Zinn-Gusslegierungen.

Stranggießen

Das Stranggießverfahren gehört auch zu den Gießverfahren in Dauerformen. Es hat jedoch zusätzlich für die Halbzeug-Fertigung zum Gießen bestimmter Gussformate, wie Walzplatten, Pressbolzen usw. eine große technische Bedeutung. Außerdem wird das Stranggießverfahren für die Herstellung von Gussstücken mit Fertigteilcharakter, vor allem als Ausgangsformate für die Fertigung von Gleitlagern, Buchsen und Gleitleisten angewendet. In gießtechnischer Hinsicht ist das Stranggießverfahren anderen Verfahren überlegen, da sowohl beim kontinuierlichen als auch beim halbkontinuierlichen Strangguss stationäre Gieß- und Erstarrungsbedingungen vorliegen. Beim Stranggießverfahren wird in eine kurze, intensiv gekühlte Kokille soviel flüssiges Metall eingegossen wie in der gleichen Zeit in der Kokille erstarrt und abgezogen wird. Die Kokille besteht entweder aus Kupfer, niedriglegiertem Kupfer oder aus Graphit. Der „endlos“ erstarrende Metallstrang, der nur an den äußeren Randzonen erstarrt ist, wird beim Abziehen weiterhin intensiv gekühlt (Sekundärkühlung) und mit einer sogenannten fliegenden Säge in Fixlängen geschnitten. Das Abziehen erfolgt in nicht gleichmäßigen Schritten, unterbrochen von kleinen Stillstands- oder Rückstoßzeiten. Es wird zwischen horizontalem und vertikalem, sowie kontinuierlichem und halbkontinuierlichem Strangguss unterschieden. Beim vertikalen Strangguss sind wegen der erforderlichen hohen Bauhöhe die Investitionskosten höher, beim horizontalen Strangguss besteht bei dickeren Querschnitten die Gefahr, dass sich der heiße, noch nicht völlig abgekühlte Gussstrang unter dem Einfluss der Schwerkraft verformt. Beim halbkontinuierlichen Strangguss wird jeweils nach Erreichen der festgelegten Stranglänge der Guss unterbrochen und dann jeweils erneut angefahren. Durch Dorne, die in der Kokille fixiert werden, ist es möglich, Hohlstränge zu gießen. Hergestellt werden können alle Stränge mit gleichmäßigem Querschnitt, z.B. runde, vier- oder rechteckige Querschnitte, Voll-, Hohl- und Flachprofile. Da ähnlich, wie beim Schleudergießverfahren eine streng gerichtete und schnelle Erstarrung erfolgt, der Gießstrang laufend nachgespeist wird, ergibt sich eine dichte, feinkörnige Gefügestruktur. Die erreichbaren guten mechanischen Werkstoffeigenschaften sind für Strangguss und Schleuderguss-Formate identisch. Das Verfahren ist hervorragend geeignet für die Produktion von Ausgangsformaten für die Gleitlagerfertigung. Das Stranggießverfahren ist für alle Kupfer-Gusswerkstoffe geeignet. Ausgangsformate für die Gleitlagerfertigung werden vor allem aus Kupfer-Zinn-, Kupfer-Zinn-Zink- und aus Kupfer-Blei-Zinn-Gusslegierungen stranggegossen.

Verbundgießen

Beginnend in den 30er Jahren hat sich das Bandgießverfahren für die Herstellung dünn-wandiger gerollter Buchsen mit aufgegossener Kupfer-Blei-Zinn-Gusslegierung für den Verbrennungsmotorenbau durchgesetzt. Dabei werden sogenannte gerollte Dreistofflager mit einer ca. 0,35 mm dicken Bleibronzeschicht aus der Legierung CuSn5Pb20-C-GS (G-CuPb20Sn) hergestellt. Auf diese Schicht wird sodann noch eine sogenannte Lauf- oder Einlaufschicht aus Weißmetall (Blei/Zinn 91/9 %) als „overlay“ aufgebracht. Bei der kontinuierlich arbeitenden Bandgießanlage läuft das später als Stahlstützschale dienende Band aus weichem Kohlenstoffstahl in Dicken von 1,1 bis 3,3 mm und Breiten von 100 bis 150 mm vom Ring mit gleichbleibender Geschwindigkeit in eine Glüh- und Gießstraße ein. Das Band wird an beiden Seiten abgekantet, um das Abfließen der Bleibronze beim Begießen zu verhindern, anschließend blankgeglüht und dann mit Bleibronze begossen. Der Verbundstreifen wird beim Verlassen der Glüh- und Gießstrecke wieder aufgehaspelt. An den Bearbeitungsmaschinen wird das Band gefräst, nachgewalzt, geschliffen und auf die Streifengröße für das zu fertigende Lager , bzw. die zu fertigende Buchse ausgestanzt. Neuerdings werden auch Schneckenradkränze aus Kupfer-Zinn-Legierungen auf Naben aus Grauguss oder Stahl im Schleudergieß-, Maskenform- oder Kokillengießverfahren aufgegossen.

Pulvermetallurgische Formung (Sintern)

Für Sinterformteile aus Kupferwerkstoffen werden geeignete Legierungen durch Mischen der entsprechenden Pulver zusammengestellt. Dabei können vorlegierte Pulver wie z. B. Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn- oder Kupfer-Blei-Zinn-Legierungen verwendet werden. Vorlegierte hochbleihaltige Pulvermischungen haben den Vorteil, dass gute Durchmischung und feine Bleiverteilung das Ausschwitzen von Blei während des Sinterns vermeiden helfen. Die Pulver werden auf mechanischen oder hydraulischen Pressen zu Formteilen verpresst. Das Pressen bei Raumtemperatur wird bevorzugt. Wird eine sehr hohe Verdichtung gewünscht, so muss doppelt gepresst werden. Durch mechanische Verklammerung haben die Formteile bereits eine gewisse Festigkeit. Ihre endgültige Festigkeit erhalten die Formteile durch Sintern. Das heißt sie werden auf Temperaturen erhitzt, die unterhalb des Schmelzpunktes der zu sinternden Legierungen liegen. Dabei begünstigen Legierungsbestandteile mit Schmelztemperaturen unterhalb der Sintertemperatur, wie z.B. Blei, den Sinterprozess, da durch die flüssige Phase die Festigkeit der gesinterten Teile erhöht wird. Nach dem Sintern werden die Teile kalibriert, das heißt im kalten Zustand nachgeformt, da sich beim Pressen und Sintern die Abmessungen der Formteile ändern. Das Hauptanwendungsgebiet für Sinterteile aus Kupferwerkstoffen sind ölgetränkte Sinterlager, sogenannte selbstschmierende Lager, mit einem Porenraum bis zu 30 %. Die Poren können auch mit anderen Schmiermitteln, z. B. mit Graphit, gefüllt werden.

Die pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe lassen sich in konventionelle Sinterwerkstoffe und in dispersionshärtende Kupfersorten, die pulvermetallurgisch hergestellt werden, einteilen. Streng genommen gehört der Werkstoff „GLIDCOP“ in diese Gruppe. Auch für die konventionellen Sinterwerkstoffe existieren bisher keine Werkstoffnormen. Die größte Bedeutung haben PM-Werkstoffe für den hier zu behandelnden Themenkreis für die Herstellung „selbstschmierender Gleitlager“ aus Sinterbronze. Dabei wird von Mischpulver aus 90 % Kupferpulver (elektrolytisch abgeschieden oder verdüst) und 10 % Zinnpulver ausgegangen. Das Pulver wird nur soweit verpresst, dass ein Porenraum von ca. 25 % zurückbleibt. Nach dem Sintern und Kalibrieren werden die Buchsen sodann mit Schmieröl getränkt. Darüber hinaus werden Kupfer- oder Kupferlegierungspulver für Reibbeläge verwendet. Da die hoch bleihaltigen Kupfer-Blei-Zinn-Gusslegierungen zur Bleiseigerung neigen und schwer zu gießen sind, wurden auch Verfahren zur Herstellung von Stahl-Bleibronze-Bändern entwickelt, bei denen die Bleibronze aufgesintert wird. Auch dieses Band wird für die Herstellung gerollter Dreistoff-Gleitlager verwendet. Da aber inzwischen das Bandgieß-verfahren erheblich weiter entwickelt wurde, und zudem Gleitlager mit aufgegossener Blei-Zinn-Gusslegierung höher belastbar sind als die Lager mit aufgesinterter Bleibronze, tritt dieses Verfahren gegenüber dem Bandgießverfahren zunehmend in den Hintergrund.

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