Gussfehler

Ein Gussfehler ist eine unerwünschte Unregelmäßigkeit im Metallgussverfahren . Einige Fehler sind tolerierbar, andere können repariert werden, andernfalls müssen sie beseitigt werden. Sie werden in fünf Hauptkategorien unterteilt: Gasporosität , Schwindungsfehler , Formmaterialfehler , Gießmetallfehler und metallurgische Fehler . ^{[ 1 ]}

Die Begriffe „Mangel“ und „Der Begriff „ Diskontinuität “ bezeichnet zwei spezifische und voneinander unabhängige Phänomene bei Gussteilen. Defekte sind Zustände in einem Gussteil, die korrigiert oder beseitigt werden müssen, andernfalls muss das Gussteil verworfen werden. Diskontinuitäten, auch als „Imperfektionen“ bekannt, sind Unterbrechungen der physikalischen Kontinuität des Gussteils. Ist das Gussteil also nicht perfekt, aber dennoch brauchbar und innerhalb der Toleranz, so sind die Imperfektionen als „Diskontinuitäten“ zu betrachten. ^{[ 2 ]}

Es gibt viele Arten von Defekten, die auf viele verschiedene Ursachen zurückzuführen sind. Manche Lösungen für bestimmte Defekte können wiederum die Ursache für andere Defekte sein. ^{[ 3 ]}

Folgende Fehler können bei Sandgussteilen auftreten . Die meisten davon treten auch bei anderen Gießverfahren auf.

Lunker können auftreten, wenn nicht genügend Speisemetall zur Verfügung steht, um den Lunker beim Erstarren des dicken Metalls auszugleichen . Lunker weisen ein zackiges oder lineares Erscheinungsbild auf. Sie treten üblicherweise im Ober- oder Unterteil des Gussstücks auf. ^{[ 4 ]} Lunker lassen sich in zwei Typen unterteilen: offene und geschlossene Lunker . Offene Lunker sind der Atmosphäre ausgesetzt ; beim Entstehen des Lunkers kompensiert die Luft den Lunker. Es gibt zwei Arten von offenen Lunkerfehlern: Hohlräume und Hohlflächen . Hohlräume bilden sich an der Oberfläche des Gussstücks und dringen in das Gussstück ein, während Hohlflächen flache, quer über die Oberfläche verlaufende Hohlräume darstellen. ^{[ 5 ]}

Geschlossene Schwindungsfehler, auch Schwindungsporosität genannt , sind Defekte, die sich im Gussteil bilden. Dabei entstehen isolierte Flüssigkeitsansammlungen im erstarrten Metall, sogenannte Hotspots . Der Schwindungsfehler bildet sich üblicherweise an der Spitze dieser Hotspots. Da sie einen Keimbildungspunkt benötigen , können Verunreinigungen und gelöste Gase geschlossene Schwindungsfehler verursachen. Man unterscheidet zwischen Makroporosität und Mikroporosität (bzw. Mikroschwindung ), wobei Makroporosität mit bloßem Auge sichtbar ist, Mikroporosität hingegen nicht. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Gasporosität bezeichnet die Bildung von Blasen im Gussteil nach dessen Abkühlung. Dies liegt daran, dass die meisten flüssigen Materialien große Mengen gelösten Gases aufnehmen können, der feste Zustand desselben Materials jedoch nicht. Daher bilden sich beim Abkühlen Gasblasen im Inneren des Materials. ^{[ 7 ]} Gasporosität kann sich an der Oberfläche des Gussteils als Poren zeigen oder im Inneren des Metalls eingeschlossen sein, ^{[ 8 ]} was die Festigkeit in diesem Bereich verringert. Stickstoff , Sauerstoff und Wasserstoff sind die am häufigsten auftretenden Gase bei Gasporosität. ^{[ 6 ]} In Aluminiumgussteilen ist Wasserstoff das einzige Gas, das sich in nennenswerter Menge löst, was zu Wasserstoffgasporosität führen kann . ^{[ 9 ]} Bei Gussteilen mit einem Gewicht von wenigen Kilogramm sind die Poren üblicherweise 0,01 bis 0,5 mm groß. Bei größeren Gussteilen können sie einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter erreichen. ^{[ 8 ]}

^{Um Gasporosität zu vermeiden ,} kann das Material im Vakuum, in einer Atmosphäre schwerlöslicher Gase wie Argon ^{[ 10 ]} oder Kohlendioxid [ ^{11 ]} oder unter einem Flussmittel, das den Kontakt mit der Luft verhindert, geschmolzen werden. Um die Gaslöslichkeit zu minimieren, können die Überhitzungstemperaturen niedrig gehalten werden. Turbulenzen beim Eingießen des flüssigen Metalls in die Form können Gase einbringen, daher sind die Formen oft strömungsgünstig gestaltet, um diese Turbulenzen zu minimieren. Weitere Methoden sind Vakuumentgasung , Gasspülung oder Fällung. Bei der Fällung reagiert das Gas mit einem anderen Element zu einer Verbindung, die eine Schlacke bildet, die an die Oberfläche steigt. Beispielsweise kann Sauerstoff aus Kupfer durch Zugabe von Phosphor entfernt werden ; Aluminium oder Silizium können Stahl zugesetzt werden, um Sauerstoff zu entfernen. ^{[ 7 ]} Eine dritte Ursache sind Reaktionen des geschmolzenen Metalls mit Fett oder anderen Rückständen in der Form.

Wasserstoff entsteht durch die Reaktion des Metalls mit Feuchtigkeit oder Restfeuchtigkeit in der Form. Durch Trocknen der Form kann diese Quelle der Wasserstoffbildung beseitigt werden. ^{[ 12 ]}

Gasporosität lässt sich mitunter schwer von Mikroschrumpfung unterscheiden, da auch Mikroschrumpfungshohlräume Gase enthalten können. Im Allgemeinen entsteht Mikroporosität, wenn das Gussteil nicht ordnungsgemäß gesponnen wurde oder wenn ein Werkstoff mit einem breiten Erstarrungsbereich verarbeitet wird. Trifft beides nicht zu, ist die Porosität höchstwahrscheinlich auf Gasbildung zurückzuführen. ^{[ 13 ]}

Winzige Gasbläschen werden als Porositäten bezeichnet, größere hingegen als Lunker ^{[ 14 ]} oder Blasen . Solche Defekte können durch in der Schmelze eingeschlossene Luft, Wasserdampf oder Rauch aus dem Gießsand oder andere Gase aus der Schmelze oder der Form verursacht werden. (Vakuumlöcher, die durch Metallschrumpfung entstehen (siehe oben), werden mitunter auch als „Lunker“ bezeichnet.) Durch geeignete Gießereiverfahren, einschließlich Schmelzvorbereitung und Formkonstruktion, lässt sich das Auftreten dieser Defekte reduzieren. Da Lunker oft von einer Schicht aus intaktem Metall umgeben sind, können sie schwer zu erkennen sein und erfordern daher Analysen mittels harmonischer, Ultraschall- , Magnet- oder Röntgentechnik (z. B. industrielle Computertomographie ).

Zu den Gießfehlern zählen Fehlgüsse , Kaltverbindungen und Einschlüsse . Ein Fehlgüsse entstehen, wenn das flüssige Metall den Formhohlraum nicht vollständig ausfüllt und eine ungefüllte Stelle zurückbleibt. Kaltverbindungen treten auf, wenn zwei Fronten des flüssigen Metalls im Formhohlraum nicht richtig verschmelzen und eine Schwachstelle hinterlassen. Beide Fehler werden entweder durch mangelnde Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls oder durch zu enge Querschnitte verursacht. Die Fließfähigkeit kann durch Änderung der chemischen Zusammensetzung des Metalls oder durch Erhöhung der Gießtemperatur verbessert werden. Eine weitere mögliche Ursache ist Gegendruck aufgrund unzureichend entlüfteter Formhohlräume. ^{[ 15 ]}

Fehlgüsse und Kaltfließfehler hängen eng zusammen und entstehen beide dadurch, dass das Material erstarrt, bevor es den Formhohlraum vollständig ausfüllt. Diese Fehlerarten sind gravierend, da der Bereich um den Fehler herum deutlich schwächer ist als beabsichtigt. ^{[ 16 ]} Gießbarkeit und Viskosität des Materials spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Fließfähigkeit beeinflusst die minimale Wandstärke, die gegossen werden kann, die maximale Länge dünner Bereiche, die Feinheit realisierbarer Details und die Genauigkeit der Formfüllung. Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Fließfähigkeit eines Materials, üblicherweise wird jedoch eine Standardform verwendet und die Fließstrecke des Materials gemessen. Die Fließfähigkeit wird von der Materialzusammensetzung, der Erstarrungstemperatur bzw. dem Erstarrungsbereich, der Oberflächenspannung von Oxidschichten und vor allem der Gießtemperatur beeinflusst. Je höher die Gießtemperatur, desto besser die Fließfähigkeit; zu hohe Temperaturen können jedoch schädlich sein und zu einer Reaktion zwischen Material und Form führen; bei Gießverfahren mit porösem Formmaterial kann das Material sogar in das Formmaterial eindringen. ^{[ 17 ]}

Der Punkt, an dem das Material nicht mehr fließen kann, wird als Kohärenzpunkt bezeichnet . Dieser Punkt ist bei der Werkzeugkonstruktion schwer vorherzusagen, da er vom Feststoffanteil, der Struktur der erstarrten Partikel und der lokalen Scherverformungsrate des Fluids abhängt. Üblicherweise liegt dieser Wert zwischen 0,4 und 0,8. ^{[ 18 ]}

Einschluss ist eine metallische Verunreinigung von Schlacke (bei festem Material) oder Krätze (bei flüssigem Material). Dabei handelt es sich üblicherweise um Verunreinigungen im Gussmetall (meist Oxide , seltener Nitride , Carbide oder Sulfide ), um Materialablagerungen von Ofen- oder Pfannenauskleidungen oder um Verunreinigungen aus der Kokille. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen ist es wichtig, die Konzentration der Einschlüsse im flüssigen Aluminium zu kontrollieren und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, um sie auf dem erforderlichen Niveau zu halten.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Konzentration von Einschlüssen zu reduzieren. Um die Oxidbildung zu verringern, kann das Metall mit einem Flussmittel , im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre geschmolzen werden . Der Mischung können weitere Zusätze beigemischt werden, damit die Schlacke an die Oberfläche steigt und abgeschöpft werden kann, bevor das Metall in die Form gegossen wird. Ist dies nicht praktikabel, kann eine spezielle Gießpfanne verwendet werden, die das Metall von unten gießt. Eine weitere Möglichkeit ist der Einbau von Keramikfiltern in das Gießsystem. Alternativ können Wirbelanschnitte verwendet werden, die das flüssige Metall beim Eingießen verwirbeln und so die leichteren Einschlüsse in die Mitte drücken und vom Guss fernhalten. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Gelangt ein Teil der Schlacke in das flüssige Metall, entsteht ein Einschlussfehler .

In dieser Kategorie gibt es zwei Defekte: heiße Tränen und Hotspots . Heiße Tränen, auch bekannt alsHeißrisse [ ^{21 ]} sind Gussfehler, die beim Abkühlen des Gussteils auftreten. Dies geschieht, weil das Metall im heißen Zustand schwach ist und die Eigenspannungen im Material beim Abkühlen zum Versagen des Gussteils führen können. Eine geeignete Formkonstruktion verhindert diese Art von Defekt ^{. [ 3 ]}

Heißstellen sind Bereiche im Gussteil, die aufgrund ihres größeren Volumens langsamer abkühlen als das umgebende Material. Dies führt zu abnormaler Schwindung in diesen Bereichen, was wiederum Porosität und Risse zur Folge haben kann. Solche Defekte lassen sich durch geeignete Kühlverfahren oder durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Metalls vermeiden. ^{[ 3 ]} Weitere Methoden zur Minimierung von Heißrissen sind die Vermeidung von Überhitzung des Gussmaterials und die Erhöhung der Formtemperatur. ^{[ 22 ]}

Beim Druckgießen sind die häufigsten Fehler Fehlgüsse und Kaltfließstellen . Diese Fehler können durch kalte Werkzeuge, zu niedrige Metalltemperatur, verunreinigtes Metall, unzureichende Entlüftung oder übermäßiges Schmiermittel verursacht werden. Weitere mögliche Fehler sind Gasporosität, Schwindungsporosität, Heißrisse und Fließmarken. Fließmarken sind Spuren auf der Oberfläche des Gussteils, die durch mangelhafte Anschnitte, scharfe Kanten oder übermäßiges Schmiermittel entstehen. ^{[ 23 ]}

Ein Längsriss an der Oberfläche ist ein spezieller Fehlertyp, der ausschließlich beim Stranggießen auftritt . Dieser Fehler entsteht durch ungleichmäßige Abkühlung, sowohl der Primär- als auch der Sekundärkühlung , und hängt von verschiedenen Eigenschaften des flüssigen Stahls ab, wie beispielsweise einer nicht spezifikationsgemäßen chemischen Zusammensetzung, mangelnder Reinheit und Homogenität .

Beim Sandguss treten zahlreiche Defekte auf, die durch Formversagen entstehen können. Die Form versagt üblicherweise aus einem von zwei Gründen: Es wird das falsche Material verwendet oder sie wird nicht ordnungsgemäß verdichtet . ^{[ 24 ]}

Die erste Art von Gussfehlern ist die Formerosion, bei der sich die Form durch das flüssige Metall abnutzt. Dieser Fehler tritt üblicherweise nur bei Sandguss auf , da die meisten anderen Gießverfahren robustere Formen verwenden. Die hergestellten Gussteile weisen raue Stellen und Materialüberschüsse auf. Der Formsand vermischt sich mit dem Gussmetall und verringert dessen Duktilität , Dauerfestigkeit und Bruchzähigkeit . Dies kann durch zu wenig festen Sand oder eine zu hohe Gießgeschwindigkeit verursacht werden. Die Gießgeschwindigkeit lässt sich durch eine Umgestaltung des Angusssystems mit größeren Angusskanälen oder mehreren Angüssen reduzieren. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Eine weitere Fehlerquelle sind Tropfenbildungen , bei denen ein Teil des Formsandes aus dem Oberkasten in das noch flüssige Gussteil tropft. Auch dies tritt auf, wenn die Form nicht ausreichend verdichtet wird. ^{[ 26 ]}

Der zweite Fehlertyp ist das Eindringen von Metall in die Formmasse. Dies tritt auf, wenn flüssiges Metall in den Formsand eindringt und dadurch eine raue Oberfläche entsteht. Ursachen hierfür sind zu grobe Sandkörner, unzureichende Formspülung oder zu hohe Gießtemperaturen. ^{[ 26 ]} Eine alternative Form des Metalleindringens in die Form, die sogenannte Aderbildung, entsteht durch Risse im Sand.

Ist die Gießtemperatur zu hoch oder wird ein Sand mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet, kann der Sand mit dem Gussteil verschmelzen. In diesem Fall weist die Oberfläche des Gussteils ein sprödes, glasartiges Aussehen auf. ^{[ 26 ]}

Ein Auslaufen tritt auf, wenn flüssiges Metall aufgrund einer fehlerhaften Form oder eines fehlerhaften Formkastens aus der Gussform austritt . ^{[ 26 ]}

Schorf ist eine dünne Metallschicht, die über das Gussteil hinausragt. Er lässt sich leicht entfernen und gibt immer den Blick auf ein anderes Bauteil frei.Die darunterliegende Ausbeulung ist eine Vertiefung in der Gussoberfläche.Rattenschwanzartige Eindellungenähneln Schnallen, sind jedoch dünne Linien und nicht mit Schorf verbunden. Ein weiterer ähnlicher Defekt istEinbuchtungen sind Ausbeulungen, die an der Oberkante von Sandgussteilen auftreten. Alle diese Defekte sind rein optischer Natur und stellen keinen Grund dar, das Werkstück zu verschrotten.[ ^{27 ] Diese} Defekte werden durch zu hohe Gießtemperaturen oder einen Mangel ankohlenstoffhaltigemMaterial verursacht. ^{[ 26 ]}

Eine Ausbeulung entsteht, wenn die Schalungswand über eine ganze Fläche nachgibt; Ursache ist eine unsachgemäß verdichtete Schalung. ^{[ 26 ]}

Einbrennen entsteht, wenn Metalloxide mit Verunreinigungen in Quarzsand reagieren. Dadurch werden Sandpartikel in die Oberfläche des fertigen Gussteils eingebettet. Dieser Defekt lässt sich vermeiden, indem die Temperatur des flüssigen Metalls gesenkt, die Form vorgespült und verschiedeneAdditivein die Sandmischung gegeben werden. ^{[ 28 ]}

• Wasserstoffgasporosität
• Einschlüsse in Aluminiumlegierungen
• Nichtmetallische Einschlüsse für Einschlüsse in Stahl
• Porositätsabdichtung

• Avedesian, M. M.; Baker, Hugh; ASM International (1999). Magnesium und Magnesiumlegierungen (2. Aufl.). ASM International. ISBN 978-0-87170-657-7DieDie
• Campbell, John (2003). Gussformen . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4790-8DieDie
• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003). Werkstoffe und Prozesse in der Fertigung (9. Aufl.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4DieDie
• Rao, Posinasetti Nageswara (1999). Fertigungstechnik: Gießerei, Umformung und Schweißen (2. Aufl.). Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-463180-5DieDie
• Stefanescu, Doru Michael (2008). Wissenschaft und Technik der Guss-Erstarrung (2. Aufl.). Springer. ISBN 978-0-387-74609-8DieDie
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