Schaumstellen gehören zu den hartnäckigsten Fehlerbildern in der Gießereipraxis. Die Schuld für deren Aufkommen wird zunächst reflexartig beim Formstoff oder der Schlichte gesucht. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass die Ursache für diese Einschlüsse oftmals metallurgischer Natur ist.
Von Ulf Knobloch
In vielen Fällen entstehen Schaumstellen im Eisenguss durch oxidische Phasen der Schmelze, deren Stabilität maßgeblich durch den Temperaturverlauf im Gießprozess beeinflusst wird. Dieser Zusammenhang wird in der Praxis oft unterschätzt. Gemeint ist das Zusammenspiel aus der Schmelzführung im Ofen, der chemischen Zusammensetzung der Schmelze selbst und dem Temperaturverlauf im Gießsystem.
Oxidhautbildung an der Schmelzoberfläche
Flüssiges Eisen reagiert an seiner freien Oberfläche ständig mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft. Dabei entstehen oxidische Phasen aus Eisenoxid sowie Oxiden weiterer Legierungselemente wie Silizium, Mangan, Titan oder Aluminium. Diese Reaktionsprodukte bilden eine dünne oxidische Schicht – die sogenannte Oxidhaut – auf der Schmelzoberfläche.
Solange Temperatur und Strömungsbedingungen günstig sind, bleibt diese Oxidhaut relativ beweglich und kann sich teilweise wieder auflösen oder mit der darüberliegenden Schlacke im Gleichgewicht stehen. Problematisch wird die Situation erst dann, wenn Teile dieser oxidischen Phase mechanisch in die Schmelze eingetragen werden.
Dies kann beispielsweise beim Abstich aus dem Ofen, beim Umfüllen zwischen Ofen und Pfanne oder beim Einlaufen der Schmelze in das Gießsystem geschehen. Zudem können Feuchtigkeit oder bestimmte Bindemittel im Formstoff zu einer sogenannten sekundären Oxidation direkt an der Schmelzfront im Formhohlraum führen. Gelangen solche oxidischen Anteile in den Metallstrom, entscheidet der weitere Temperaturverlauf darüber, ob sie sich wieder auflösen können oder als nichtmetallische Einschlüsse im Gussteil verbleiben.
Bedeutung der Schmelzführung
Bereits im Schmelzaggregat werden wesentliche Voraussetzungen für das spätere Verhalten der Schmelze im Gießprozess geschaffen. Eine stabile Temperaturführung und ausreichende Überhitzung sind entscheidend, um eine homogene Schmelze zu erzeugen und oxidische Phasen möglichst wieder aufzulösen.
In der Praxis orientiert man sich dabei häufig an der Liquidus-Temperatur der Schmelze, also dem Temperaturbereich, bei dem beim Abkühlen die Erstarrung beginnt. Für Eisenschmelzen lässt sich diese Temperatur näherungsweise über den Kohlenstoff- und Siliziumgehalt abschätzen:
TI ≈ 1530 − 80 · (%C) − 30 · (%Si) [1]
Mit dieser Beziehung lässt sich die Liquidus-Temperatur in der Praxis ausreichend genau abschätzen. In vielen Gießereien wird die Schmelze anschließend um etwa 40 bis 50 °C über diese Temperatur hinaus überhitzt [2], um eine ausreichende metallurgische Beruhigung zu erreichen [1].
Eine stabile Schmelzführung wirkt sich zudem unmittelbar auf den Energiebedarf des Schmelzprozesses aus. Untersuchungen zum Betrieb von Induktionstiegelöfen zeigen, dass bereits der thermische Zustand des Ofens einen messbaren Einfluss auf den Schmelzprozess hat. Ein heißer Ofen führt zu stabileren Temperaturverhältnissen und geringeren Wärmeverlusten im Prozess [2].
Temperaturverlauf im Gießsystem
Während des gesamten Prozesses – vom Abstich über das Umfüllen bis zum Gießen – kühlt die Schmelze kontinuierlich ab. Dieser Temperaturverlust entsteht durch Wärmeabgabe an Pfannenwandungen, Strahlungsverluste sowie durch die Wärmeaufnahme des Formstoffs. Deshalb spielt auch die Gießzeit eine wichtige Rolle: Je kürzer und reproduzierbarer sie ist, desto geringer fallen kritische Temperaturverluste aus. Schon wenige Sekunden Verzögerung an der Gießstrecke können hier über guten Guss oder Ausschuss entscheiden.
Im Gießsystem setzt sich diese Abkühlung fort. Entlang von Lauf, Querläufen und Anschnitten sinkt die Temperatur der Schmelze schrittweise. Zusätzlich beeinflussen Strömungsbedingungen und lokale Wärmeabfuhr den Temperaturverlauf. Auch Kerne oder Kühlkörper können lokal erhöhte Wärmeentzüge verursachen.
Solange die Temperatur oberhalb der Stabilitätsgrenze oxidischer Phasen liegt, bleiben oxidische Bestandteile relativ plastisch oder teilweise flüssig. Sinkt die Temperatur jedoch unter diese Grenze, erstarren diese Phasen und werden als Einschlüsse im Gussteil sichtbar. Dieses Verhalten erklärt, warum Schaumstellen bevorzugt in bestimmten Bereichen auftreten – etwa in oberen Gussteilzonen, unter Kernen oder an Stellen mit längeren Fließwegen [3].
Einfluss der chemischen Zusammensetzung
Neben der Temperatur beeinflusst auch die chemische Zusammensetzung der Schmelze die Stabilität oxidischer Phasen. Bestimmte Legierungselemente verändern die Bedingungen, unter denen Oxide stabil bleiben oder erstarren.
Silizium kann beispielsweise die Stabilität oxidischer Phasen erhöhen, während Mangan tendenziell in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Besonders deutlich ist der Einfluss des Schwefelgehalts, da bereits geringe Änderungen die Stabilität oxidischer Phasen verändern können.
Besonderheiten bei der Herstellung von Sphäroguss
Das Fehlerbild der Schaumstellen tritt besonders häufig bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS) auf. Der Grund liegt in der notwendigen Magnesiumbehandlung der Schmelze. Bei der Sphärogussherstellung wird Magnesium zugegeben, um die Grafitausbildung zu verändern und Kugelgrafit zu erzeugen. Magnesium besitzt jedoch eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff und Schwefel. Während der Behandlung entstehen daher zwangsläufig Reaktionsprodukte wie Magnesiumoxid (MgO) und Magnesiumsulfid (MgS).
Diese Reaktionsprodukte bilden in der Schmelze sehr zähe Phasen. Werden solche Phasen in den Gießprozess eingetragen, können sie im weiteren Temperaturverlauf erstarren und als sogenannte Schaumstellen im Gussteil sichtbar werden.
Gerade im Sphäroguss ist daher eine möglichst kurze Haltezeit nach der Behandlung essenziell, um das sogenannte Fading (die fortschreitende Reaktion des Magnesiums mit Luftsauerstoff) zu begrenzen. Zudem spielen nachfolgende Prozessschritte eine wichtige Rolle. Dazu gehören eine wirksame Schlackenabtrennung, eine möglichst ruhige Schmelzführung sowie eine turbulenzarme Gießtechnik.
Filter können das Problem nicht vollständig beheben
In vielen Gießsystemen werden keramische Filter eingesetzt, um nichtmetallische Einschlüsse zurückzuhalten. Diese Maßnahme kann tatsächlich einen Teil der vorhandenen Schlacken- und Oxidpartikel aus der Schmelze entfernen.
Dennoch treten Schaumstellen gelegentlich auch bei gefilterten Gießsystemen auf. Der Grund liegt darin, dass sich oxidische Phasen nicht ausschließlich vor dem Filter bilden. Sinkt die Temperatur der Schmelze erst hinter dem Filter unter die Stabilitätsgrenze der oxidischen Phase, können sich dort neue oxidische Phasen bilden oder zuvor noch plastische Oxidhautanteile erstarren. Die Einschlüsse entstehen in solchen Fällen erst im nachgeschalteten Bereich des Gießsystems oder im Formhohlraum selbst [3].
Bedeutung für die Praxis
Oxidische Phasen entstehen unvermeidlich an der Oberfläche jeder Eisenschmelze. Entscheidend ist daher weniger ihre vollständige Vermeidung als vielmehr ihr kontrollierter Umgang im Prozess.
Eine stabile Schmelzführung mit ausreichender Überhitzung trägt dazu bei, oxidische Phasen wieder aufzulösen oder ihre Stabilisierung zu verzögern. Gleichzeitig spielt die Gestaltung des Gieß- und Anschnittsystems eine wichtige Rolle. Die drucklose Gestaltung der Gießsysteme sowie der Einsatz von Schlackenläufen oder anderen geeigneten Maßnahmen helfen, Turbulenzen zu reduzieren und oxidische Phasen möglichst früh aus dem Schmelzestrom abzutrennen.
Sichtbare Oxidhaut oder Schlacke auf der Schmelze sollte in der Praxis daher nicht als normaler Betriebszustand betrachtet werden, sondern als Hinweis darauf, dass oxidische Phasen in den Gießprozess eingetragen werden können. Schaumstellen sind damit in vielen Fällen kein primäres Formstoffproblem, sondern die Folge des Zusammenspiels von Schmelzzustand, Temperaturverlust und Formfüllung.
Ulf Knobloch ist Dipl.-Ing. Gießereitechnik und selbstständiger Berater mit Fokus auf Prozessstabilisierung und systematische Qualitätsverbesserung in Eisen- und Stahlgießereien. www.gtb-knobloch.de
Literatur
[1] F. Prof. Fr. Neumann, Metallurgische Schmelzführung, BBC Verlag, 1992.
[2] J. A. Horwath, T. Klemp und J. Svoboda, „Einflussgrößen beim optimalen Schmelzen im Induktionstiegelofen“, Gießerei-Praxis, 19/20 1996.
[3] J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design, Butterworth-Heinemann, 2015
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