Was ist Schwerkraft-Druckguss und wie können seine Vorteile in der Fertigung genutzt werden??

Kokillenguss (auch Kokillenguss genannt) ist ein zentraler Metallumformprozess, der auf der natürlichen Schwerkraft beruht, um Formhohlräume mit geschmolzenem Metall zu füllen. Im Gegensatz zum Hochdruck-Kokillenguss, es vermeidet komplexe Drucksysteme, making it a cost-effective and reliable choice for specific industrial scenarios—especially for thick-walled parts requiring heat treatment and structural stability. Jedoch, to maximize its value, manufacturers must understand its core principles, Schlüsselvorteile, application boundaries, and technical innovations. This article systematically breaks down gravity die casting to help you solve practical problems like process selection, Fehlervermeidung, and efficiency improvement.

1. Kernprinzipien & Process Flow of Gravity Die Casting

Den Schwerkraft-Kokillenguss beherrschen, Es ist wichtig, zunächst den Arbeitsmechanismus und den standardisierten Arbeitsablauf zu verstehen. In diesem Abschnitt wird a verwendet Gesamtpunktzahl + lineare Erzählung Struktur, Zur Verdeutlichung sind wichtige Schritte und Parameter hervorgehoben.

1.1 Fundamental Principle

Der Kokillenguss funktioniert nach einer einfachen, aber präzisen Logik: Die Metallschmelze fließt allein durch ihr Eigengewicht in den Formhohlraum, ohne Druck von außen (Z.B., hydraulic or mechanical force). The mold—typically made of heat-resistant alloy steel (Z.B., H13 or HT300)—is reusable and designed with a “oben nach unten” filling path. This natural flow minimizes turbulence, reducing the risk of air entrainment and ensuring uniform metal distribution in thick-walled areas (>8mm)—a key advantage over high-pressure die casting, which often traps gas in thick sections.

1.2 Standard Process Flow

The workflow of gravity die casting follows 6 sequential steps, each with strict operational requirements:

1. Schimmelpilzvorbereitung:

• Preheat the mold to 150-300°C (variiert je nach Legierung: 150-200°C für Aluminium, 250-300°C for cast iron) um zu verhindern, dass geschmolzenes Metall vorzeitig erstarrt.
• Apply a thin layer of release agent (Z.B., graphite-based or water-based) to the cavity surface—this reduces mold sticking and extends mold life by 20-30%.

2. Molten Metal Melting:

• Heat the metal (Z.B., Aluminiumlegierung A356, cast iron HT250) to its liquid state: 670-720°C für Aluminium, 1400-1450°C for cast iron.
• Degas the molten metal (für Aluminium, use argon purging for 10-15 Minuten) to reduce hydrogen content to <0.15ml/100g—this prevents porosity after solidification.

3. Controlled Pouring:

• Use a ladle to pour the molten metal into the mold’s sprue at a steady speed (0.5-1.0 L/min for aluminum). Avoid fast pouring, which causes splashing and oxide inclusions.
• Ensure the metal fills the cavity gradually, starting from the bottom and rising to the top—this pushes air out through dedicated vent channels (1-2mm breit, 50-100mm lang).

4. Natural Exhaust & Erstarrung:

• Rely on the mold’s vent channels and parting surface gaps for exhaust—no complex vacuum systems are needed.
• Let the metal solidify naturally: 5-30 Minuten (Abhängig von der Teildicke: 5 minutes for 10mm walls, 30 minutes for 50mm walls). Slow solidification forms a uniform grain structure, supporting subsequent heat treatment.

5. Formenöffnung & Teilentfernung:

• Once the metal is fully solidified (verified by temperature sensors: <200°C für Aluminium), open the mold using hydraulic or manual actuators.
• Use ejector pins (spaced 50-80mm apart) to gently remove the part—avoid excessive force, which can cause deformation in thin-walled features.

6. Nachbearbeitung:

• Überschüssiges Material (Z.B., sprue, Riser) using a bandsaw or CNC router.
• For parts requiring high precision, perform machining (Z.B., Mahlen, Bohren) to achieve dimensional tolerance of ±0.1mm.
• Wärmebehandlung durchführen (Z.B., T6 für Aluminium: solution treatment at 530°C + aging at 120°C) zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften – dieser Schritt ist bei den meisten Hochdruckgussteilen aufgrund der Porosität nicht möglich.

2. Key Advantages of Gravity Die Casting: Why It’s Irreplaceable

Der einzigartige Wert des Schwerkraft-Druckgusses ergibt sich aus seiner Fähigkeit, Schwachstellen zu lösen, mit denen andere Prozesse zu kämpfen haben – wie etwa die Qualität dickwandiger Teile, Wärmebehandlungskompatibilität, und Kostenkontrolle. In diesem Abschnitt wird a verwendet Problemlösung + bestimmte Nummer Struktur, um seine Kernvorteile hervorzuheben.

2.1 Superior Quality for Thick-Walled Parts

• Problem: Beim Hochdruck-Druckguss wird Luft in dickwandigen Bereichen eingeschlossen (>8mm), Dies führt zu Porosität und macht Teile für drucktragende Anwendungen ungeeignet (Z.B., Motorblöcke).
• Lösung: Der natürliche Fluss des Kokillengusses eliminiert Turbulenzen, Reduzierung der Porosität auf <1% (vs. 5-10% im Druckgussverfahren). Zum Beispiel, Ein 20 mm dicker Motorblock aus Aluminium, der im Kokillengussverfahren hergestellt wird, weist eine Leckrate von auf <1×10⁻⁶ mbar·L/s – entspricht den Standards für Kfz-Hydrauliksysteme.
• Datenunterstützung: Laut QYResearch, Kokillengussteile haben eine 60% lower defect rate than high-pressure die cast parts for components with wall thicknesses >15mm.

2.2 Compatibility with Heat Treatment

• Problem: Hochdruckgussteile enthalten versteckte Poren, which expand during heat treatment and cause cracking or deformation.
• Lösung: Gravity die casting’s low porosity enables full heat treatment. For aluminum alloy A356 parts:
• Tensile strength increases from 220MPa (as-cast) to 320MPa after T6 heat treatment.
• Elongation rises from 3% Zu 8%, improving toughness for high-load applications (Z.B., heavy machinery brackets).
• Anwendungsbeispiel: Volvo uses gravity die cast aluminum cylinder heads (heat-treated to T7) for its heavy-duty trucks—these heads withstand 300°C+ temperatures and 10MPa combustion pressure without failure.

2.3 Cost-Effectiveness for Medium Batches

• Problem: High-pressure die casting requires expensive molds (\(50,000-\)500,000), making it uneconomical for small-to-medium batches (1,000-10,000 Teile/Jahr).
• Lösung: Gravity die casting molds cost 70-90% weniger (\(1,000-\)50,000) and have a lifespan of 10,000-50,000 Schüsse. For a 5,000-unit order of cast iron machine tool beds:
• Gravity die casting total cost: \(80,000 (Schimmel: \)15,000 + pro Stückkosten: $13).
• High-pressure die casting total cost: \(250,000 (Schimmel: \)200,000 + pro Stückkosten: $10).
• Schlüsseleinsicht: Gravity die casting achieves the “Sweet Spot” between low upfront cost (Sandguss) and high efficiency (Hochdruck-Kokillenguss).

2.4 Breite Materialkompatibilität

• Problem: High-pressure die casting is limited to low-melting-point non-ferrous metals (Aluminium, Zink, Magnesium) and cannot process ferrous metals (Gusseisen, Stahl) or high-temperature alloys.
• Lösung: Gravity die casting works with:
• Ferrous metals: Gusseisen (HT200, HT300), Kohlenstoffstahl (Q235), and alloy steel (40Cr).
• High-temperature alloys: Superalloys auf Nickelbasis (Inconel 625) Für Luft- und Raumfahrtkomponenten.
• Anwendung: GE uses gravity die casting to produce Inconel 625 turbine blades for gas turbines—these blades operate at 800°C and withstand 500MPa centrifugal force.

3. Gravity Die Casting vs. Other Casting Processes: A Comparative Guide

To help you select the right process for your project, the table below compares gravity die casting with high-pressure die casting and sand casting across 7 kritische Dimensionen:

4. Anwendungsszenarien & Technical Innovations

Gravity die casting is not a “Einheitliche Fits-All” solution—it excels in specific industries and is evolving with automation and new materials. Dieser Abschnitt verwendet Anwendung + Innovation segmentation to provide practical guidance.

4.1 Key Application Industries

• Automobil (Hochleistungs & Nevs):
• Teile: Motorblöcke, Zylinderköpfe, EV -Batterierahmen (thick-walled, pressure-bearing).
• Beispiel: Daimler uses gravity die cast aluminum battery frames for its eActros electric trucks—these frames (20mm-thick walls) weigh 15% less than steel frames and withstand 200kN crash loads.
• Schwere Maschinen:
• Teile: Hydraulische Ventilkörper, Getriebegehäuse (require heat treatment and low leakage).
• Daten: 70% of hydraulic valve bodies for excavators are produced via gravity die casting—due to its <1% porosity and dimensional accuracy of ±0.15mm.
• Luft- und Raumfahrt (Low-Volume High-Performance):
• Teile: Brennkammern aus Superlegierung auf Nickelbasis, Strukturhalterungen aus Titanlegierung (Hochtemperaturbeständigkeit).
• Vorteil: Beim Schwerkraft-Kokillenguss entfallen die hohen Schmiedekosten für kleine Serien in der Luft- und Raumfahrtindustrie (100-500 Teile/Jahr).

4.2 Latest Technical Innovations

• Automatisierungs-Upgrades:
• SPS-gesteuerte Gießroboter: Ersetzen Sie das manuelle Schöpfen durch automatisierte Systeme (Z.B., Kochroboter) um die Schwankung der Gießgeschwindigkeit von ±20 % auf ±5 % zu reduzieren. Dadurch werden Oxideinschlussdefekte reduziert 40%.
• Echtzeit-Temperaturüberwachung: Embed thermocouples in the mold to maintain cavity temperature at ±10°C—ensuring consistent solidification and reducing part-to-part variation by 30%.
• New Material Compatibility:
• Low-Flow Aluminum Alloys: Developed alloys like AlSi10MgMn (low fluidity) perform well in gravity die casting—they reduce shrinkage by 25% compared to traditional ADC12, making them ideal for complex thick-walled parts.
• Composite Material Integration: Embed carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) Einsätze in Kokillenguss-Aluminiumteilen – dies erhöht die Steifigkeit um 50% bei gleichzeitig niedrigem Gewicht (Z.B., für Sitzgestelle in der Luft- und Raumfahrt).
• Marktwachstum: Laut QYResearch, Der weltweite Markt für Kokillenguss wird um ein Jahr wachsen 3.5% CAGR von 2024 Zu 2031, erreichen $31.14 Milliarden – getrieben durch die Nachfrage nach Leichtbauprodukten, wärmebehandelbare Teile in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

5. Häufige Mängel & Troubleshooting in Gravity Die Casting

Trotz seiner Vorteile, Beim Schwerkraft-Kokillenguss können aufgrund unsachgemäßer Bedienung oder Formkonstruktion Mängel auftreten. In der folgenden Tabelle wird a verwendet Fehler-Ursache-Lösung Struktur, die Ihnen hilft, Probleme schnell zu lösen:

6. Yigu Technology’s Perspective on Gravity Die Casting

Bei Yigu Technology, we believe gravity die casting is a “strategic complementary process”—it fills the gap between high-pressure die casting (Massenproduktion) and sand casting (Kleine Chargen) and is irreplaceable for thick-walled, heat-treatable parts. Many manufacturers underestimate its potential, focusing only on high-pressure die casting’s speed while ignoring gravity die casting’s cost and quality advantages for medium batches.

Wir empfehlen a process-material synergy approach: Zum Beispiel, use gravity die casting with AlSi10MgMn alloy for EV battery frames—this combination achieves 320MPa tensile strength (after T6) Und 15% Gewichtsreduzierung, while keeping costs 40% lower than high-pressure die casting. We also advocate integrating automation (Z.B., PLC-controlled pouring robots) to reduce cycle time by 30% Ohne Kompromissqualität.

Blick nach vorn, as new energy vehicles and aerospace demand more lightweight, Hochleistungs-Teile, gravity die casting—paired with new alloys and real-time monitoring—will play a larger role in high-end manufacturing.

7. FAQ: Common Questions About Gravity Die Casting

Q1: Can gravity die casting produce thin-walled parts (<8mm) wie Telefonhüllen?

Technisch ja ja, Aber es ist nicht kostengünstig. Thin-walled parts require fast filling to avoid cold shuts, which gravity die casting struggles with (natural flow is too slow). Für <8mm Teile, high-pressure die casting is better—its 5-50 m/s injection speed ensures complete filling, and its low per-part cost (\(0.5-\)5) offsets high mold costs for mass production. Gravity die casting is more suitable for parts >8mm where quality (keine Geschwindigkeit) ist kritisch.

Q2: Was ist die maximale Teilegröße, die durch Kokillenguss verarbeitet werden kann??

Gravity die casting has no strict size limits— it can produce parts from small brackets (100G) to large machine tool beds (5,000kg+). The key constraint is mold design and handling equipment: For parts >1,000kg, Verwenden Sie geteilte Formen (easy to open/close) and overhead cranes for mold handling. Zum Beispiel, Siemens uses gravity die casting to produce 3,000kg cast iron stator housings for wind turbines—these housings are 2m in diameter and 1.5m tall.

Q3: So verbessern Sie die Oberflächenbeschaffenheit von Kokillengussteilen (Ra = 6.3-12.5 μm)?

Three effective steps: 1. Polish the mold cavity to Ra = 0.8 μm (use diamond grinding wheels) —this transfers a smoother surface to the part. 2. Use a water-based release agent (vs. graphite-based) —it leaves less residue, reducing surface roughness by 30%. 3. Perform post-processing: Sandblast with 200# alumina powder (smoothens to Ra = 3.2 μm) or conduct light machining (Z.B., face milling) for critical surfaces (Ra = 1.6 μm).