Impfmitteleinschlüsse

Der Fehler kommt bei allen grau erstarrenden Guswerkstoffen vor. Infolge der Notwendigkeit einer zweiten, späten, kurz vor oder während des Gießens durchzuführenden Impfung bei hochwertigen Gusseisen mit Kugelgrafit.

Der Fehler tritt im Inneren des Gussstückes auf, unabhängig vom Formverfahren, und ist am metallographischen Schliff im Gefüge sichtbar. Eine genaue Quantifizierung erfolgt mit Rasterelektronenmikroskopie und EDX-Analyse (Bilder 1 bis 3).

Impfmitteleinschlüsse sind ihrer Zusammensetzung nach Schlacken und/oder harte Stellen (Silicoferrit). Sie liegen in schlierenähnlicher Form vor, und in unmittelbarer Nähe können Grafitentartungen und Gasblase bzw. unter der Oberfläche auch Pinholes auftreten. Teilweise werden diese Gefügeanomalien auch als Schlackeneinschlüsse ähnlich dem Dross bezeichnet, EDX-Analysen zeigen aber deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung.

Diese Einschlüsse schwächen den Gefügeverbund und können damit die mechanischen und dynamischen Eigenschaften des Werkstoffes sehr stark verschlechtern. Problematisch erscheint bei diesem Fehler die Tatsache, dass er erst nach der Bearbeitung oder schlimmstenfalls nach einer Bauteilschädigung sichtbar wird.

Folgende Entstehungsmechanismen sind denkbar:

Unter Impfen versteht man im Allgemeinen einen Zusatz keimwirksamer Stoffe zur Schmelze, um das Erstarrungsverhalten bzw. die Gefügeausbildung im Gusszustand gezielt zu beeinflussen. Das Impfen wird vor allem bei Gusseisenschmelzen kurz vor oder während des Gießens zur Förderung der Grauerstarrung und Verhinderung einer ledeburitischen Weißeinstrahlung (Kantenhärte) vorgenommen. Die größte Wirkung haben Impflegierungen, wenn sie bei möglichst niedriger Temperatur zugegeben werden (hier liegt oft auch die hauptsächlichste Entstehungsursache des Fehlers).

Der Impfzusatz bewirkt in erster Linie eine Erhöhung der Keimzahl und damit eine Vermehrung der eutektischer Körner, so dass eine Unterkühlung unter die metastabile Gleichgewichtstemperatur und damit die Bildung von Unterkühlungsgrafit und ledeburitischer Karbide unterbleibt.

Bei Gusseisen mit Kugelgrafit hat der Impfzusatz noch eine weitere Bedeutung:

Da er die Keimzahl erhöht, also möglichst viele Keimbildungszentren für die Grafitausbildung schafft, entstehen bei der Erstarrung viele kleine Grafitkugeln von entsprechend kleinem Durchmesser und ziemlich gleichmäßiger Verteilung, was hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von Vorteil ist.

Sind in der Regel Legierungen, Verbindungen oder Gemische auf Siliziumbasis und/oder Kohlenstoff, wobei je nach Wirkrichtung bestimmte Zusatzstoffe zugegeben werden. Allen Bestandteilen der Impfmittel ist gemein, dass sie sauerstoffaffin sind und durch eine örtliche Übersättigung die Kohlenstofflöslichkeit im Eisen verringern können. Bei ordnungsgemäßer Handhabung sollen sich die Impfmittel gleichmäßig in der Schmelze verteilen, die chemische Zusammensetzung der Schmelze nicht verändern und keine Nebenwirkungen, z. B. auf die Grafitausbildung, haben.

Die laufend vom Impfmittel abgegebene Impfmittelmenge ist eine Funktion der Eisentemperatur, der Impfmittelmenge und der chemischen Zusammensetzung, die den Schmelzpunkt bzw. das Schmelzintervall des Impfmittels und die Wärmetönung der Lösung des Impfmittels bestimmt, z. B. dessen Al-, Sr-, Zr-Gehalte usw. Demzufolge und auch infolge von Reoxidationsvorgängen ist die Impfwirkung vor allem zeit- und temperaturabhängig, so dass Impfmittelart, Impfmittelmenge, Zeitpunkt des Impfens, Temperatur der zu impfenden Schmelze und die Zugabetechnik des Impfmittels gut aufeinander abgestimmt sein müssen.

Schlechtes Auflöseverhalten (Impfmittelart), zu niedrige Schmelzetemperatur, falsche Zugabetechnik (ungleichmäßige Verteilung), ungeeignetes Gießsystem, zu grobe Körnung sind häufige Ursachen für die Entstehung dieses Fehlers. Auch ein Überimpfen, Verschlackung des Impfmittels (Impfmittelart) und zu frühe Oxidation des Impfmittels können zu diesem Fehler führen.

Zu starke Zusätze an sauerstoffaffinen Elementen im Impfmittel (z. B. Al, Mg, Ca, Zr, Ti), Kohlenmonoxidbildung (vor allem bei Grünsandformen in Verbindung mit Feuchtigkeit) und Stickstoffverbindungen in C-haltigen Impfmitteln verstärken die Neigung zu Pinholes und Gasblasenbildung.

Maßnahmen zur Vermeidung:

1. Ausreichend hohe Temperatur der zu impfenden Schmelze sicherstellen, heißes Gießen bewirkt eine sofortige und rasche Lösung des Impfmittels.

2. Impfmittelmenge, Gießgewicht und Gießtemperatur aufeinander abstimmen, damit die Impfwirkung bis zur letzten zu gießenden Form (bei Pannenimpfung) oder bis zum letzten zu gießenden Eisen aus der jeweiligen Pfanne (bei Formimpfung).

3. Auswahl der richtigen Impfmittelzusammensetzung, durch produktspezifisch wirksame Zusätze wird u. a. die Lösungsgeschwindigkeit (Schmelzpunkt und Schmelzintervall) beeinflusst. So verzögern beispielsweise niedrige Siliziumgehalte die Lösung von Formimpflingen und verlängern dadurch ihre "Lebensdauer".

4. Durchführung von Mehrfachimpfungen, dadurch sind die jeweiligen Einzelimpfmengen kleiner, und ein sicheres Auflösen kann somit gewährleistet werden. Außerdem kann eine Mehrfachimpfung erforderlich werden, wenn Zielgrößen erreicht werden sollen, die an sich konträr sind: Grauerstarrung, hohe Kornzahl, Porositätsfreiheit.

5. Sachgemäße, vom Hersteller empfohlene Anwendung des Impfmittels sowie der Impftechnik.

Zurück zur Übersicht