Porosität im Guss: Wie winzige Löcher große Probleme verursachen können

Porosität beim Guss ist eines der häufigsten und schwierigsten Probleme im Metallgussprozess. Porosität beeinflusst die Leistung und Qualität von Gussteilen. Diese Probleme müssen gelöst werden, um langlebige und zuverlässige Teile zu erhalten, die mit verschiedenen Gussverfahren hergestellt werden. Durch effektive Porositätskontrolle erreichen Gussteile in verschiedenen Branchen die erforderliche Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

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Porosität im Guss

Porosität im Guss entsteht, wenn die glatte Formgebung durch Gas, Schrumpfung oder Verfestigung beeinträchtigt wird. Zahlreiche Faktoren, darunter Formdesign, Abkühlgeschwindigkeit und sogar die Porosität eines Materials, beeinflussen das Endergebnis. Hersteller haben häufig Schwierigkeiten, porenfreie Gussteile zu erreichen.

In diesem Artikel werden Arten, Erkennungstechniken und Präventionsmaßnahmen gegen Porosität untersucht und gezeigt, wie durch einen ordnungsgemäßen Gussprozess zwischen einer defekten Komponente und einem fehlerfreien Produkt unterschieden werden kann.

Was genau ist Porosität beim Guss?

Porosität im Guss ist die Bildung von Poren, Löchern oder Hohlräumen auf der Oberfläche oder im Inneren eines Metallgussteils. Diese Veränderung mindert die strukturelle Integrität des Druckgussteils und führt in einigen Bereichen zu Korrosion oder Undichtigkeiten. Um die Gussleistung zu erhalten, ist es wichtig, die Porosität zu verringern. 

 Um die Gussleistung aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, die Porosität zu beseitigen.

Druckgussfehler 

Mit anderen Worten: Der Guss erzeugt winzige Löcher, schwächt das Bauteil und verkürzt seine Lebensdauer. Dies kann dazu führen, Metallgussfehler, einschließlich Lecks, Risse oder verminderter Festigkeit.

Eines der häufigsten Probleme beim Gießprozess ist die Porosität. Diese muss kontrolliert werden, um einen porenfreien Guss zu erreichen und Metallkomponenten von höchster Qualität herzustellen.

Lernen Sie die Übeltäter kennen: Die verschiedenen Arten von Porosität beim Druckguss

Porosität im Guss sieht nie gleich aus. Sie kann viele Formen annehmen und im Metall in unterschiedlichen Gestalten auftreten. Porosität lässt sich besser verstehen, indem man sie auf zwei Arten klassifiziert:

• Nach Ursache → warum es auftritt (Erstarrungsprobleme, Schrumpfung oder Gaseinschlüsse).
• Nach Geometrie/Verteilung → Wie die Löcher bilden sich und verbinden sich im Inneren des Gussteils.
• Nach Ursache:

• Blasenproblem: Gasporosität

• Gasporosität ist eine der häufigsten Porositätsformen im Metallguss. Eingeschlossenes Gas bildet Poren wie Oberflächenblasen, die sich auf dem Gussstück als blasenartige Schwellungen zeigen. Diese Poren entstehen, wenn Gase während der Erstarrung in der Form oder im geschmolzenen Material eingeschlossen werden. Fehler bei der Schmierung, Entlüftung, Anschnitt oder Langzeitlagerung des Formteils können zu Gaseinschlüssen in der Form führen. 

Gasporosität

• Hohlräume: Schrumpfporosität

Schrumpfung im Metallguss erzeugt Poren, wenn der Guss von dicken zu dünnen Teilen schrumpft. Dies Schrumpfung beim Gießen In der Mitte des Teils kann sich ein Hohlraum bilden. Dies geschieht, wenn die Wandstärke der Matrize und die Eigenschaften des Metalls dazu führen, dass das geschmolzene Metall während der Erstarrungsphase ungleichmäßig schrumpft. 

• Der versteckte Feind: Mikroporosität

Mikroporosität besteht aus winzigen, manchmal mikroskopisch kleinen Hohlräumen im Gussmaterial. Mikroporosität kann die Oberflächenbeschaffenheit und die mechanischen Eigenschaften des Gussteils beeinträchtigen. Solche Gussfehler beeinträchtigen die Funktionalität und die Optik.

• Nach Geometrie: 

Betrachten wir sie anhand der Geometrie:

Arten von Porosität

• Versteckte Löcher: Blinde Porosität

Die Pore beginnt an der Oberfläche eines Bauteils und endet irgendwo im Metallkörper. Diese Art von Poren kann Korrosion fördern, hat aber oft wenig Einfluss auf die mechanische Festigkeit.

• Undichte Tunnel: Durch Porosität

Die Pore bildet einen Kanal, der an der Oberfläche beginnt, sich durch das Merkmal hindurch bis zur gegenüberliegenden Wand erstreckt. Diese Porosität im Metall führt zu einem Leck, das eine Abdichtung beider Seiten erfordert.

• Eingeschlossene Blasen: Eingeschlossene Porosität

Diese Poren befinden sich im Metallkörper und sind von außen nicht sichtbar. Es sei denn, sie werden bei der Nachbearbeitung durchstochen. Das Vorhandensein solcher Poren ist oft nicht erkennbar, es sei denn, das Teil wird zu Diagnosezwecken aufgebrochen oder nach dem Gießen einer Computertomographie (CT) unterzogen. 

Die folgende Tabelle hilft beim Verständnis eines klaren Vergleichs der Porositätsarten mit Beispielen und Auswirkungen:

Warum Porosität entsteht (und warum sie so häufig vorkommt)

Porosität beim Guss gehört trotz modernster Technologien immer noch zu den am schwersten zu vermeidenden Fehlern. Zahlreiche Faktoren im Gussprozess können Porenbildung verursachen. Deshalb kommt sie so häufig vor. Sehen wir uns die Hauptursachen genauer an:

1. Gaseinschluss

Beim Gießen in eine Form neigt geschmolzenes Metall dazu, Gase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff zu lösen. Die Fähigkeit des Metalls, Gase zu speichern, nimmt mit der Abkühlung ab. Die Gase bleiben im Metall eingeschlossen und bilden Poren, wenn sie nicht rechtzeitig entweichen können. Stellen Sie sich das wie die Blasen in einer Limonadenflasche vor: Beim Öffnen sinkt der Druck und das Gas entweicht. Dies äußert sich in Hohlräumen im Inneren oder oberflächlichen Nadellöchern in Gussteilen.

Auswahlprozess

2. Schrumpfung während der Erstarrung

Alle Metalle ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Hohlräume bilden sich, wenn kein zusätzliches geschmolzenes Metall die schrumpfenden Bereiche „füttert“. Dies wird als Schrumpfporosität bezeichnet. Sie tritt häufig an Kreuzungspunkten mit ungleichmäßiger Abkühlung oder in dichten Abschnitten auf. Ohne geeignete Speiser oder Zuführsysteme sind diese Hohlräume unvermeidlich.

3. Turbulenzen im Gießprozess

Es hängt stark davon ab, wie das geschmolzene Metall gegossen wird. Spritzt es oder fließt es zu unregelmäßig, werden Luft und Oxide in der Form eingeschlossen. Später bilden diese eingeschlossenen Gase Poren. Obwohl sich Turbulenzen in realen Gießereien, insbesondere bei komplexen Formen, nur schwer verhindern lassen, ist ein gleichmäßiges und kontrolliertes Füllen unerlässlich.

4. Feuchtigkeit und Verunreinigungen

Feuchtigkeit in der Form oder im Kern kann ein erhebliches Problem darstellen. Wasser verwandelt sich bei Kontakt mit geschmolzenem Metall schnell in Dampf. Dieser Dampf kann nicht entweichen und erzeugt Druckstellen im Gussteil. Schon geringe Mengen Feuchtigkeit können große Porositätsansammlungen bilden. Deshalb legen Gießereien beim Vorwärmen und bei der Vorbereitung der Sandformen so große Wert auf Präzision.

5. Materialeigenschaften 

Metalle reagieren unterschiedlich. Bestimmte Legierungen neigen eher zur Bildung von Mikroporosität, lösen Gase auf und schrumpfen beim Abkühlen. Andererseits bestimmen die chemischen Eigenschaften, der Schmelzpunkt und die Erstarrungseigenschaften eines Materials seine Porosität. Gusseisen ist beispielsweise anfälliger für Schrumpfungsporosität, während Aluminiumlegierungen häufig Wasserstoffporosität aufweisen.

6. Ungleichmäßige Kühlung

Die Fehlerentwicklung wird maßgeblich von der Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst. Mikroporosität kann durch Spannungsaufbau und Hohlräume zwischen den Körnern entstehen. Gase können bei zu schneller Bewegung nicht entweichen. Bei zu langsamer Bewegung verschlimmern sich Schrumpfungshohlräume. In der Gießereitechnik ist die Suche nach der idealen Kühlbalance eine ständige Aufgabe. 

Wie Porosität die Qualität Ihres Gussteils beeinträchtigt

Porosität schwächt das Teil. Diese versteckten Poren können die Qualität mindern und Leckagen verursachen. Daher spielt Porosität eine entscheidende Rolle in der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie, wo ein Ausfall keine Option ist. Im Gegensatz zu den Bearbeitungsteilen besteht beim Gießen das Risiko von Porosität, wenn der Prozess nicht richtig kontrolliert wird. Daher ist der Kompromiss zwischen Bearbeitung und Gießen ins Spiel. Das Gießen bietet Flexibilität bei Kosten und Form, während die maschinelle Bearbeitung für Zuverlässigkeit sorgt.

Hier sind einige Gründe, warum die Qualität Ihres Gusses nachlässt: 

• Mechanische Eigenschaften: Porosität im Guss kann Teile schwächen, indem sie die Zugfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Duktilität der Gusskomponenten verringert.
• Auswirkungen der Oberflächenbeschaffenheit: Porosität verändert das Aussehen der Gussoberfläche und verleiht ihr ein raues, ungleichmäßiges Aussehen.
• Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit: Porosität kann korrosiven Elementen Wege bieten, was die Korrosionsbeständigkeit des Materials verringert.
• Verminderte Kraft: Hohlräume beeinträchtigen die Gesamtstruktur des Gussteils und verringern seine Tragfähigkeit.
• Reduzierte Haltbarkeit: Porosität erhöht die Anfälligkeit des Gussteils gegenüber Ermüdung und Versagen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Beanspruchung. 
• Oberflächenfehler: Aufgrund der Porosität der Oberfläche ist der Guss möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, bei denen Sichtbarkeit oder ästhetisches Erscheinungsbild erforderlich sind.

So erkennen Sie Porosität, bevor es zu spät ist

Porosität in Metallgussteilen lässt sich mithilfe verschiedener Prüfmethoden erkennen. Bei der Wahl des Verfahrens spielen die Art des zu gießenden Metalls, die Art des Fehlers und die erforderliche Prüfpräzision eine Rolle. Jedes dieser Verfahren bietet seine Vorteile.

Inspektionstechniken

Sehen heißt glauben: Visuelle Kontrollen

Die erste Maßnahme zur Risserkennung ist eine regelmäßige Sichtprüfung. Dabei wird die Oberfläche der porösen Gussteile sorgfältig auf Risse und Poren untersucht. Obwohl diese Methode einfach und kostengünstig ist, beschränkt sie sich häufig auf oberflächliche Probleme und kann innere Porosität oder Risse unter der Oberfläche möglicherweise nicht genau identifizieren.

Auf den Punkt gebracht: Ultraschallprüfung

Eine der besten zerstörungsfreien Prüftechniken (ZfP) zum Aufspüren innerer Fehler wie Brüche und Porosität ist die Ultraschallprüfung (UT). Bei dieser Methode werden hochfrequente Schallwellen verwendet, um den Metallguss zu durchdringen. Die Schallwellen werden zurückgeworfen und von Sensoren erfasst, wenn sie auf einen porösen Gussfehler wie ein Vakuum oder einen Riss treffen. Durch die Analyse der Daten werden Position, Ausmaß und Art des Fehlers ermittelt.

NDT-Prüfung der Gasporosität

Tiefer gehen: Röntgen und Radiographie

Eine weitere effektive Methode zum Aufspüren innerer Porosität in Metallgussteilen ist die Röntgenuntersuchung. Bei dieser Methode durchdringen Röntgenstrahlen die Substanz und werden von einem Detektor auf der anderen Seite erfasst, ähnlich wie bei einer medizinischen Röntgenaufnahme. Risse oder Porosität verändern die Übertragung der Röntgenstrahlen und erzeugen ein Bild, das auf Fehler untersucht werden kann.

Diese Technik eignet sich ideal für die Untersuchung komplizierter Gussteile, bei denen Fehler in komplexen Geometrien verborgen sein könnten. Sie ist jedoch möglicherweise teurer als andere Ansätze und erfordert bestimmte Werkzeuge und Kenntnisse.

Klar sehen: Farbeindringprüfung (DPT)

Eine beliebte Methode zur Feststellung von Oberflächenporosität in Metallgussteilen ist die Farbeindringprüfung. Dabei wird ein flüssiger Farbstoff auf die Oberfläche des Gussteils aufgetragen, der alle Poren und Risse durchdringt. Nach einer Wartezeit wird überschüssiger Farbstoff abgekratzt und mit einem Entwickler aus den Rissen extrahiert und freigelegt.

Dies ist eine kostengünstige Methode zum Auffinden von Defekten, auch wenn mit der Farbeindringprüfung nur oberflächliche Porosität festgestellt werden kann, insbesondere bei Metallgussteilen, die mit anderen Methoden nur schwer zu untersuchen sind.

Die Fehler spüren: Magnetpulverprüfung (MPI)

Die Magnetpulverprüfung dient zum Aufspüren von Oberflächenrissen und oberflächennahen Rissen in ferromagnetischen Werkstoffen. Bei dieser Technik wird ein Magnetfeld auf das Gussteil angewendet und die Oberfläche mit magnetischen Partikeln bestreut. Das Magnetfeld verformt das Gussteil, und die Partikel sammeln sich um den Fehler herum, falls ein Bruch oder eine Porosität vorliegt, sodass der Prüfer diese erkennen kann.

MPI eignet sich gut zum Erkennen von Rissen in Eisengussteilen, wie Stahl- oder Eisenkomponenten. Damit dieses Verfahren funktioniert, muss die Substanz magnetisch sein, dennoch ist es zuverlässig und schnell.

Um versteckte Porosität zu erkennen, werden bei Automobil- und Luftfahrtkomponenten häufig Röntgen- oder Ultraschallprüfungen eingesetzt. Bei einfacheren Komponenten können optische Prüfungen auf Oberflächenfehler (DPT oder MPI) eingesetzt werden. Die Wahl des richtigen Verfahrens garantiert eine frühzeitige Fehlererkennung, was Zeit, Kosten und Nacharbeit reduziert.

Gegenwehr: Bewährte Methoden zur Vermeidung von Porosität beim Druckguss 

Um einen porenfreien Guss zu verhindern, ist eine Kombination aus geeigneten Methoden und sorgfältiger Beachtung aller Details während des gesamten Gussprozesses erforderlich:

• Formendesign optimieren: Sorgen Sie für ausreichende Belüftung, um Gase entweichen zu lassen. Reduzieren Sie die Gefahr von Schwindungsporosität und Lunkerbildung in Gussteilen, indem Sie die Form so gestalten, dass eine gleichmäßige Abkühlung und Erstarrung gewährleistet ist. Um den Erstarrungsprozess zu steuern, setzen Sie gezielt Steigleitungen oder Kühler ein. Niederdruck Druckguss wird in einigen Branchen zum Füllen von Formen mit weniger Turbulenzen verwendet, wodurch die Möglichkeit von eingeschlossenem Gas und Oberflächenporosität verringert wird.

Massive Entlüftungstechnik

• Gießtemperatur kontrollieren: Um einen gleichmäßigen Fluss und eine ordnungsgemäße Formfüllung zu gewährleisten, muss die Schmelze auf der idealen Temperatur gehalten werden. Vermeiden Sie Überhitzung, da dies die Gefahr der Gasaufnahme erhöht. Eine äußerst präzise Kühlung ist jedoch für Prozesse wie Hochdruckguss um Schwindungsporositäten vorzubeugen und eine konstante Teilefestigkeit zu gewährleisten.
• Verwenden Sie hochwertige Materialien: Um die Menge an Verunreinigungen zu reduzieren, die zur Gasbildung führen können, verwenden Sie hochreine Metalle und Legierungen. Halten Sie schimmelgefährdende Gegenstände sauber und trocken.
• Entgasen: Vor dem Gießvorgang müssen Entgasungsmethoden wie Vakuumentgasung oder die Verwendung von Entgasungstabletten angewendet werden, um gelöste Gase aus der Metallschmelze zu entfernen.
• Geeignete Formbeschichtungen: Verwenden Sie Formbeschichtungen, die die Oberflächenpolitur des Gussteils verbessern und die Möglichkeit einer Gasentwicklung verringern.
• Häufige Tests und Inspektionen: Um Porositätsprobleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben, führen Sie regelmäßige Tests an Formen, Materialien und fertigen Gussteilen durch. Um innere Porosität zu erkennen, ohne das Gussteil zu beschädigen, verwenden Sie zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) wie Röntgen- oder Ultraschallprüfungen.

Beispiel aus der Praxis: Wenn Porosität teuer wird

Porosität scheint ein kleiner Fehler zu sein, kann aber zu katastrophalen Ausfällen und enormen Verlusten führen. Ein bemerkenswertes Beispiel aus der Automobilbranche ist die Entwicklung von Schrumpfporosität in Motorblöcken von Hochdruckguss. Während des Betriebs begann Kühlmittel in die Ölkanäle zu sickern. Diese Lücken waren zunächst unsichtbar. Die Folge waren kostspielige Rückrufe, Garantieansprüche und Rufschäden in Millionenhöhe.

Porosität hat schwerwiegende Folgen in der Luft- und Raumfahrt. Beispielsweise ist Gasporosität in Turbinenschaufeln ein Problem für Flugzeughersteller. Um die Füllung zu kontrollieren und Turbulenzen in diesen Teilen zu minimieren, wurde Niederdruckguss eingesetzt. Unregelmäßiges Entgasen führte jedoch zu Mikroporosität. Ganze Chargen müssen vernichtet werden, da selbst kleine Löcher Hochleistungs-Triebwerke beeinträchtigen können.

Diese Vorfälle zeigen, dass Porosität ein Geschäftsrisiko darstellt und nicht nur ein „Gussfehler“. Aus diesem Grund prüfen viele Hersteller nun Optionen wie Druckguss vs. Spritzguss basierend auf den Anforderungen des Artikels oder sogar Bearbeitung vs. Gießen für wichtige Anwendungen. Der Erfolg eines Produkts hängt von der Auswahl des geeigneten Verfahrens und der Sicherstellung robuster Maßnahmen zur Porositätsvermeidung ab.

Abschließende Gedanken: Gießen ohne Löcher

Porosität in Druckguss stellt aufgrund seiner Auswirkungen auf die Bauteilqualität ein großes Problem dar. Die Hauptursachen für Porosität in Druckgussteilen sind asymmetrische Schrumpfung oder eingeschlossene Gase, die Poren erzeugen.

Unabhängig von der Legierung (Stahl, Aluminium oder anderen Werkstoffen) ist die Kontrolle der Porosität entscheidend für die Herstellung zuverlässiger und langlebiger Gussteile. Für hochwertige Teile ist eine strenge Prozesskontrolle erforderlich, um Fehler zu reduzieren und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.

Um Fehler zu reduzieren und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, wenden sich viele Unternehmen an seriöse Lieferanten wie Casting-Dienste, die technisches Know-how mit modernsten Verfahren verbinden. Denn das ultimative Ziel sind robuste, fehlerfreie und langlebige Gussteile.

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Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Was ist Porosität beim Guss?
Unter Porosität beim Guss versteht man die Bildung von Poren, Löchern oder Hohlräumen auf der Oberfläche oder im Inneren eines Metallgussteils aufgrund von eingeschlossenem Gas oder Schrumpfung. 

F2. Warum ist Porosität beim Metallguss ein Problem?
Porosität kann zu Brüchen, Lecks oder sogar einem Totalausfall führen, indem sie Gusskomponenten schwächt und die Zuverlässigkeit verringert.

F3. Was verursacht Porosität in Metall?
Eingeschlossene Gase, Schrumpfung während der Erstarrung, unzureichende Entgasung und unsachgemäße Formkonstruktion sind die häufigsten Ursachen für Porosität. 

Frage 4: Wie kann Porosität im Gussteil erkannt werden?
Porosität Die Beschaffenheit der Teile kann vor der Verwendung durch Methoden wie Ultraschallprüfung, Röntgen und Radiologie festgestellt werden.

F5. Wie verhindern Sie Porosität beim Guss?
Vakuumentgasung, geeignete Formbeschichtungen, optimales Kühlmanagement und modernste Verfahren wie Niederdruckguss sind Beispiele für Präventionsstrategien.