Was ist Schrumpfung bei Gussfehlern?

Unter Schwindung im Metallguss versteht man innere Hohlräume oder Einfallstellen an der Oberfläche, die entstehen, weil sich geschmolzenes Metall während der Erstarrung um etwa 1–6 % zusammenzieht. Ohne richtig platzierte Speiser zur Zufuhr von zusätzlichem flüssigem Metall kann das erstarrende Metall den Volumenverlust nicht ausgleichen. Dadurch entstehen Hohlräume, die das fertige Teil schwächen.

Was ist Schrumpfung beim Metallguss?

Unter Schrumpfung versteht man die Volumenkontraktion beim Abkühlen und Erstarren von geschmolzenem Metall, die zu einer Volumenreduzierung des festen Metalls führt. Da Metalle in flüssiger Form im Allgemeinen eine geringere Dichte aufweisen als in fester Form, schrumpfen alle Gussmetalle beim Erstarren. Wird diese natürliche Kontraktion nicht ausreichend ausgeglichen (z. B. durch Zufuhr von zusätzlichem geschmolzenem Metall während der Erstarrung), können sich im Gussstück Hohlräume bilden.

Diese schrumpfungsbedingten Hohlräume sind eine häufige Gussfehlerklasse, die sich von Gasporosität. Insbesondere neigen Schrumpfungshohlräume dazu, unregelmäßige, gezackte oder eckige Formen aufzuweisen (aufgrund des Auseinanderziehens des erstarrenden dendritischen Netzwerks), während Gasporositätslöcher typischerweise glatt und abgerundet sind.

Die drei Phasen der Schrumpfung

Stufe 1: Flüssigkeitsschrumpfung

Die Flüssigkeitsschrumpfung beginnt unmittelbar nach dem Eingießen des geschmolzenen Metalls in die Form. Das Metall zieht sich zusammen, während es von der Gießtemperatur auf die Liquidustemperatur (den Punkt, an dem die Erstarrung beginnt) abkühlt. Während dieser Phase bleibt das Metall vollständig flüssig und kann frei fließen, um Volumenänderungen auszugleichen.

Stufe 2: Erstarrungsschrumpfung

Erstarrungsschrumpfung tritt auf, wenn sich das Metall bei Gefriertemperatur vom flüssigen in den festen Zustand verwandelt. In dieser Phase ist die Volumenreduzierung am stärksten, da die Atome in der festen Kristallstruktur dichter angeordnet sind. Nach der Erstarrung kann das Metall nicht mehr fließen und Hohlräume füllen. Dies ist die kritischste Phase für die Bildung von Defekten.

Stufe 3: Festkörperkontraktion

Die Festkörperkontraktion tritt ein, nachdem das Metall vollständig erstarrt ist und weiter auf Raumtemperatur abkühlt. Das feste Metall zieht sich in dieser Phase gleichmäßig in alle Richtungen zusammen. Diese Kontraktion ist im Allgemeinen vorhersehbar und verursacht eher allgemeine Maßänderungen als innere Defekte.

Arten von Schrumpfungsfehlern

Offene Schrumpfung

Offene Schrumpfungsfehler hängen mit der Atmosphäre oder der Gussoberfläche zusammen. Diese Fehler sind bei der Inspektion sichtbar und treten häufig an der Oberfläche von Gussteilen auf. Es gibt zwei Hauptarten offener Schrumpfung:

• Rohre: Tiefe, trichterförmige Hohlräume, die sich von der Gussoberfläche ins Innere erstrecken. Diese entstehen, wenn flüssiges Metall die darunterliegenden schrumpfenden Bereiche nicht versorgen kann.
• Eingefallene Oberflächen: Flache Vertiefungen auf der Gussoberfläche, die dadurch entstehen, dass nicht genügend flüssiges Metall vorhanden ist, um die Erstarrungsschrumpfung auszugleichen. Diese erscheinen als schalenförmige Einkerbungen.

Geschlossene Schrumpfung

Geschlossene Schrumpfungsfehler entstehen vollständig im Gussteil, ohne mit einer Oberfläche verbunden zu sein. Diese inneren Hohlräume sind schwerer zu erkennen und erfordern Röntgen- oder Ultraschallprüfungen. Drei Arten geschlossener Schrumpfung treten häufig auf:

• Makroschrumpfung: Große Hohlräume, die beim Zerteilen des Gussstücks mit bloßem Auge sichtbar sind. Diese bilden sich typischerweise in dicken Abschnitten oder an heißen Stellen.
• Mittellinienhohlräume: Lineare Lunker, die sich entlang der Mittelachse zylindrischer oder symmetrischer Gussteile bilden. Diese entstehen, wenn die Erstarrung gleichmäßig von allen Seiten fortschreitet.
• Mikroschrumpfung: Winzige Hohlräume, die über das gesamte Gussteil verteilt sind, oft zwischen den Dendritenarmen. Diese mikroskopischen Defekte beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften, selbst wenn sie einzeln klein sind.

Der Einfluss von Erstarrungsarten auf das Schwindungsverhalten

Eutektische Erstarrung

Die eutektische Erstarrung erfolgt bei einer einzigen Temperatur, bei der sich Flüssigkeit direkt in Feststoff verwandelt, ohne dass eine breiige Zone entsteht.

Eutektische Legierungen neigen eher zur Bildung röhrenförmiger Schrumpfungsdefekte als zur Bildung verteilter Porosität. Die klare Erstarrungsfront ermöglicht eine bessere Zufuhr von flüssigem Metall, um die Schrumpfung auszugleichen.

Gerichtete Erstarrung

Die gerichtete Erstarrung schreitet kontrolliert von einem Ende des Gussteils zum anderen fort. Dieser Vorgang erzeugt einen Temperaturgradienten, der flüssiges Metall für die Versorgung schrumpfender Bereiche bereitstellt. Richtig konstruierte Gussteile nutzen die gerichtete Erstarrung, um die Schrumpfung in die Speiser und nicht in das Gussteil selbst zu verlagern.

Gleichachsige (breiige) Erstarrung

Bei der gleichachsigen Erstarrung entsteht eine breite, breiige Zone, in der Flüssigkeit und Feststoff über einen Temperaturbereich hinweg koexistieren. Aluminiumlegierungen und viele Stähle erstarren auf diese Weise. Das verteilte Erstarrungsmuster erschwert die Zufuhr von Flüssigmetall.

Dieser Modus erzeugt typischerweise Mikroschrumpfung und verteilte Porosität statt großer Hohlräume. Das miteinander verbundene Netzwerk fester Dendriten blockiert die Flüssigkeitsflusswege schon früh in der Verfestigung.

Ursache der Schrumpfung

Der Einfluss der Gussgeometrie

Die Gussgeometrie bestimmt direkt, wo und wie Schrumpfungsfehler entstehen. Bestimmte geometrische Merkmale schaffen Bedingungen, die die Schrumpfung fördern:

• Hot Spots: Dicke Bereiche, die langsamer abkühlen als die umliegenden Bereiche, bilden isolierte Flüssigkeitsbecken. Diese Bereiche können nach der Verfestigung des umgebenden Metalls keine Flüssigkeit mehr aufnehmen, was zu Lunkerbildung führt.
• Abschnittsdickenvariation: Abrupte Übergänge von dicken zu dünnen Abschnitten stören die gleichmäßige Erstarrung. Die dicken Abschnitte erstarren zuletzt und entwickeln häufig Schrumpfungsfehler an den Übergangszonen.

Legierungszusammensetzung und Gefriereigenschaften

Die spezifische Metalllegierung und ihr Erstarrungsverhalten beeinflussen die Entstehung von Schrumpfungsfehlern stark:

• Volumenschrumpfung: Verschiedene Legierungen ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. Reines Aluminium schrumpft um 6.6 %, während die Zugabe von 12 % Silizium die Schrumpfung auf 3.8 % reduziert.
• Erstarrungsbereich (Gefrierbereich): Legierungen mit großen Gefrierbereichen (Unterschied zwischen Liquidus- und Solidustemperatur) neigen eher zur Mikroschrumpfung. Reine Metalle und eutektische Legierungen mit engen Bereichen bilden sauberere Schrumpfungsmuster.
• Legierungselemente: Bestimmte Elemente beeinflussen das Schrumpfverhalten. Silizium in Aluminium reduziert die Schrumpfung, während Schwefel in Stahl die Warmrissneigung erhöhen kann.

Prozessparameter

Die Art und Weise, wie das Metall gegossen und abgekühlt wird, hat einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung von Schrumpfungsfehlern:

• Gießtemperatur: Höhere Gießtemperaturen erhöhen die Gesamtschrumpfung durch Flüssigkeitskühlung. Übermäßige Überhitzung verlangsamt zudem die Erstarrung und lässt mehr Zeit für die Entstehung von Schrumpfungshohlräumen.
• Gießgeschwindigkeit: Schnelles Gießen hält die Temperatur, kann aber Turbulenzen verursachen. Langsames Gießen führt zu vorzeitiger Verfestigung, die die Zufuhrwege blockiert.
• Kühlrate: Schnelles Abkühlen verkürzt die Zeit für die Flüssigkeitszufuhr, kann aber den Temperaturgradienten erhöhen. Langsames Abkühlen ermöglicht eine vollständigere Zufuhr, kann aber zu größeren Kornstrukturen führen.

Form- und Steigrohrdesign

Die richtige Konstruktion des Formsystems verhindert Schrumpfung durch:

• Formendesign: Die richtige Platzierung von Anschnitten und Gießkanälen fördert günstige Erstarrungsmuster. Die Bodenfüllung reduziert Turbulenzen, während eine ordnungsgemäße Entlüftung Gaseinschlüsse verhindert, die Schrumpfungsprobleme verschlimmern.
• Riser-Design: Speiser müssen nach den von ihnen gespeisten Gussabschnitten erstarren. Das Speiservolumen sollte das 1.2- bis 2-fache des Schrumpfvolumens des gespeisten Abschnitts betragen. Die richtigen Halsabmessungen gewährleisten einen kontinuierlichen Flüssigkeitsfluss und erleichtern gleichzeitig die Speiserentfernung.

Abkühlungsrate und Schüttelfrost

Kontrollierte Kühlung steuert Erstarrungsmuster durch:

• Kühlrate: Eine schnellere Abkühlungsrate (erreicht durch die Verwendung von Kühlkörpern – in der Form platzierte Kühlkörper oder die Verwendung von Metallformen beim Kokillenguss) lässt das Metall schneller und gleichmäßiger erstarren, wodurch die Größe von Schrumpfungshohlräumen verringert oder diese durch die Erzwingung einer gerichteten Erstarrung in Richtung der Speiser eliminiert werden können.
• Kühlende Schüttelfrost: Durch Abkühlung werden Hotspots effektiv verschoben, indem an strategischen Stellen Wärme entzogen wird. Dadurch gefrieren diese Bereiche früher (und werden so von noch geschmolzenen Bereichen an anderer Stelle gespeist). Umgekehrt kann eine sehr langsame Abkühlung (wie bei Isolierformen oder sehr großen Gussteilen) zu einer erheblichen Flüssigkeitsentmischung führen und große Schrumpfungshohlräume fördern.