Zink und die Druckguss-Technologie: Eine ideale Kombination

Zink ist aufgrund seiner vielfältigen Werkstoffeigenschaften das nach Eisen, Kupfer und Aluminium am häufigsten verarbeitete Metall. Zur Herstellung von Teilen aus Zink und seinen Legierungen ist Druckgießen optimal geeignet. Dieses Formgebungsverfahren, eines der wirtschaftlichsten überhaupt, besteht darin, dass schmelzflüssiges Metall in einer Druckgießmaschine unter hohem Druck mit hoher Geschwindigkeit in eine teilbare Gießform strömt, deren Innenkonturen annimmt und nach dem Erstarren als fast einbaufertiges Teil der Gießform entnommen werden kann. Die hierfür vorgesehenen Zinklegierungen haben einen bei relativ niedrigen Temperaturen liegenden Schmelzbereich (380°C bis 390°C) und ein sehr gutes Fließverhalten. Es ist daher möglich, dünnwandige Teile zu gießen – wodurch Kriterien wie Ressourceneffizienz und Gewichtsersparnis erfüllt werden – und dabei feine Oberflächenstrukturen zu erzeugen. Teile aus Zinkdruckguss haben auch günstige mechanische Eigenschaften: Die Legierung ZP0410 (ZnAl4Cu1) weist zum Beispiel eine Zugfestigkeit von 330 MPa auf, was an die Festigkeit von Baustahl herankommt (ab 340 MPa), und ist mit ihrer spezifischen Dichte von 6,7 kg/dm³ leichter als Stahl (7,9 kg/dm³). Zinkdruckgussteile sind außerdem korrosionsbeständig, schirmen gegen elektromagnetische Strahlung ab und können durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungsverfahren veredelt werden. Und letztlich lässt sich Zinkdruckguss auch zu 100% und ohne Qualitätsverlust recyceln.

Überall gefragt
Zinkdruckgussteile sind aus dem täglichen Leben nicht wegzudenken. Sie werden in der Automobilindustrie, im Maschinen-, Apparate- und Gerätebau, in der Elektrotechnik und der Elektronik, in der Haushaltsgeräte-Industrie, in der Sanitärindustrie, in der Medizintechnik sowie im Bauwesen, im Möbelbau und in der Spielzeugindustrie eingesetzt. Das Potential, das der Werkstoff Zink zur Anwendung bereithält, ist aber noch längst nicht ausgeschöpft, wie der jüngste Zinkdruckguss-Wettbewerb zeigte.

Ausgezeichnete Druckgussteile
Diese Veranstaltung ist Teil der alle zwei Jahre in Nürnberg abgehaltenen Druckguss-Fachmesse EUROGUSS und fand im Januar 2020 zum achten Mal statt. Verliehen wurde der Zinkdruckguss-Preis in den Produktgruppen „Automotive“, „Sanitärtechnik“, „Lifestyle“, „Elektrotechnik & Maschinenbau“, „Medizintechnik“, „Sicherheits- & Schließtechnik“. Eine Jury aus Fachleuten, die in der Zinkmetallurgie, dem Druckgießmaschinenbau sowie in Forschung und Fachverbänden zuhause sind, begutachtete mehr als 20 Teile, die von Druckgießereien eingereicht worden waren. Beurteilt wurden Kriterien wie Innovationsgrad, Konstruktion und Design, Komplexität, Schwierigkeitsgrad, Oberflächenoptik sowie Umsetzung im Formenbau und Herstellung.

Kombinationsmöglichkeiten
Die prämierten Werkstücke zeigen, wie sich unterschiedliche Anforderungen an Werkstücke durch die Kombination von Werkstoffeigenschaften und Formgebungsmöglichkeiten, die das Druckgießen bietet, lösen lassen. So können Teile hergestellt werden, die großflächig, dünn und formstabil zugleich sind. Ein Beispiel hierfür ist die in der Kategorie „Sanitärtechnik“ ausgezeichnete Abdeckrosette für eine Kopfbrause. Das Teil ersetzt ein Messingteil, das aus Vollmaterial diamantgefräst wird, und erfüllt trotz seines Gewichts von mehr als 2 kg alle Anforderungen an Oberflächenplanheit, Funktionalität und Optik. Das Druckgussteil ist galvanisierfähig, so dass diverse Oberflächenfarben erzeugt werden können (Bild 1). Durch Druckgießen lassen sich aber auch filigrane Teile herstellen, die fest, formstabil und maßhaltig sind. Dies ist der Fall bei einer Ventilator-Stromschiene mit Steckerbereich, die eine konventionelle Verkabelung ersetzt. Das Teil, Preisträger in der Kategorie „Elektrotechnik & Maschinenbau“, enthält einen im Querschnitt etwa 1 cm² großen Längskanal, in dem vier Stromleiter mit einem Durchmesser im Zehntelmillimeter-Bereich untergebracht werden müssen. Durch Umspritzen mit Kunststoff erhält das Teil eine Isolierung, die die Stabilität verstärkt und vor Feuchtigkeit schützt (Bild 2). Die hier genutzte Kombination von Zinkdruckguss mit einem anderen Werkstoff dürfte den Weg zu weiteren Anwendungsmöglichkeiten öffnen.
Dass mit der Zinkdruckguss-Technologie sehr fein strukturierte Oberflächen erzeugt werden können, belegt ein etwa 5 cm großes Figürchen, Preisträger in der Kategorie „Lifestyle“. Es trägt einen Koffer aus Zinkdruckguss (Bild 3), der präzise sein Vorbild imitiert, einen Lederkoffer mit aufgesetzten Lederecken als Kantenschutz, wie er vor Jahrzehnten gebräuchlich war. Die Kofferecken ragen maßstabsgetreu 0,2 mm vom Kofferkörper hervor, der Deckel steht umlaufend 0,5 mm ab.
Teile aus Zinkdruckguss können gleichzeitig eine technische Funktion erfüllen und eine ästhetische Wirkung vermitteln. Der in der Kategorie „Automotive“ prämierte Basisträger für den Schaltknauf eines Pkw-Automatikgetriebes hat eine hohe Festigkeit und wirkt edel, kühl und belastbar. Außerdem fühlt sich das nur 150 g schwere Teil in der Hand des Fahrers angenehm an (Bild 4).
Manche Teile müssen eine hohe Werkstofffestigkeit und hohe Passgenauigkeit aufweisen und deshalb mechanisch bearbeitet werden. Diese kostspielige Bearbeitung lässt sich einsparen, wie der Preisträger in der Kategorie „Sicherheits- & Schließtechnik“ beweist, ein Set aus den Gehäuseschalen und der Kopfkappe für einen ABUS-ECO-Schließzylinder (Bild 5). Ein weiterer Vorteil der Druckguss-Technologie ist, dass große Stückzahlen mit reproduzierbar hoher Qualität wirtschaftlich und ressourcenschonend gefertigt werden können.
Während bei manchen Druckgussteilen Filigranität und Dünnwandigkeit im Vordergrund stehen, gibt es andere Teile, die hohe Anforderungen hinsichtlich Masse, Volumen, Dickwandigkeit, Dichtigkeit und Präzision erfüllen müssen. Hierzu gehört das Druckgussgehäuse für ein zahnmedizinisches Röntgengerät (Bild 6). Das Gehäuse, Preisträger der Kategorie „Medizintechnik“, ist als Behälter vorgesehen, der die Röntgenröhre mitsamt Transformatorenöl aufnimmt. Das Gussteil garantiert Dichtigkeit und schirmt gegen elektromagnetische Strahlung ab. Deshalb kann bei der Verwendung dieses Gussteils auf eine Blei-Ummantelung weitgehend verzichtet werden. Da die Gesamtbaugruppe noch weitere Anbauteile aus Zinkdruckguss erhält, mussten bereits im Gießprozess die Befestigungsstellen am Gehäuse berücksichtigt werden.

Know-how und Werkzeugtechnik
Damit einwandfreie Druckgussteile entstehen, ist auch die Rolle der Druckgießmaschinen und Gießformen zu beachten. Deren Konstruktion erfordert ein hohes Maß an Fachwissen und den Einsatz von rechnergestützten Simulationsverfahren, weil viele Einflussgrößen zu berücksichtigen sind, die überdies in Wechselwirkung zueinanderstehen.

Der Zinkdruckguss-Wettbewerb und die Initiative Zink
Organisiert wird der Zinkdruckguss-Wettbewerb unter anderem von der Initiative Zink, die Hersteller von Zink, Zinklegierungen und Halbzeug auf Zinkbasis, Hersteller und Verarbeiter von Zinkverbindungen sowie Zink-Recycler vereint und dem Netzwerk der Wirtschaftsvereinigung Metalle und des Gesamtverbandes der Buntmetallindustrie (WVMetalle/GDB) angehört. Die Initiative Zink arbeitet mit nationalen und internationalen Zinkverbänden zusammen und ist Ansprechpartner für Behörden, Anwender, Presse und Einzelpersonen in allen Fragen, die mit Zink zu tun haben.