Fehlbildungen bei Güssen und Schmelzen: Lunker

Lunker bedeutet „Einsenkung“. In der Metallurgie sind Lunker unerwünschte Hohlräume, die beim Erstarren von Metall entstehen. Die so entstehenden Gießfehler können den Ausschuss für das ganze Bauteil bedeuten. Lunker eindeutig zu identifizieren und die Ursachen ihrer Entstehung abzustellen sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Qualitätssicherung.

lunker metall

Entstehung von Lunkern

Die Hohlräume entstehen durch spezifische Eigenschaften, die ein Werkstoff im Punkt Erstarrungsverhalten besitzt. Je dickwandiger und massiver ein Bauteil wird, desto schwieriger ist es, die Lunkerfreiheit herzustellen.
Grundsätzlich ist es so, dass das Volumen von jedem metallischen Werkstoff beim Erstarren schwindet. Das Ausmaß dieses Schwundes ist jedoch höchst unterschiedlich: Gusseisen mit Kugelgraphit verliert lediglich 0-4% seines Volumens bei der Erstarrung. Bei Magnesium-Aluminium Legierungen kann der Schwund jedoch bis zu sieben Prozent betragen. Je höher die Neigung eines Werkstoffs zum Schwund ausgeprägt ist, desto wahrscheinlicher ist auch seine Lunkerbildung.
Der eigentliche Lunker beschreibt nur dieses eine Phänomen: Die Bildung eines Hohlraums in einem Gussteil durch den Schwund bei seiner Erstarrung. Alle weiteren Ursachen für die Bildung von Hohlräumen in geschmolzenen Metallen zählen nicht zu den Lunkern oder werden als „unechte Lunker“ bezeichnet.

Verhindern von Lunkerbildung

Zu jedem Guss gehört der Speiser und die Steiger. Der Speiser führt die Metallschmelze in die Kavität ein. Die Steiger lassen die Luft aus dem Hohlraum entweichen. Ihren Namen haben die Steiger, weil das flüssige Metall in ihnen aufsteigt. Das wirksamste Verfahren, um eine Lunkerbildung zu vermeiden besteht darin, einen Guss mit ausreichend vielen Steigern auszustatten und eine ausreichende, unterbrechungsfreie und angemessen schnelle Zuführung von Schmelze zu gewährleisten.

Mit einem gut konstruierten Gießverfahren entstehen zwar auch Lunker – sie bilden sich jedoch im Idealfall nur in den Steigern. Da diese ohnehin abgetrennt werden, sind sie dort für die Qualität des Gussteils unerheblich.

Varianten der echten Lunker

Diese Fehlstellen werden in „offene“ und „geschlossene“ Lunker unterschieden. „Offene“ Lunker entstehen an der Übergangsstelle zwischen Speiser oder Steiger zum Werkstück. Die schlagartige Erstarrung und dabei entstehende Schwindung des Metalls kann sich an diesen Stellen in das Grundmaterial fortsetzen. Dies führt zu der charakteristischen Einsenkung rings um die Ein- und Austrittsstellen der Schmelze. Neben diesen Ein- und Austrittsstellen sind Versätze, Kanten und Änderungen im Querschnitt vom Gussteil für die Lunkerbildung anfällig.
Offene Lunker lassen sich durch eine ausreichende Auslegung des Gussteils recht gut in den Griff bekommen. Entweder muss das Gussteil an den kritischen Stellen nachgefräst werden oder die Lunkerbildung wird technisch tolerabel in das Design des Gussstücks mit einkalkuliert.
Geschlossene Lunker treten nicht sichtbar im Innern einer Wandung auf. Sie sind wesentlich schwerer zu lokalisieren. Zu ihrer Feststellung sind bildgebende Verfahren notwendig, wie sie die Röntgenoder Ultraschallprüfung sind. Je nach Ausprägung kann mit einem einfachen Soll/Ist Vergleich der spezifischen Dichte auf das Vorhandensein von Lunkern geschlossen werden. Da das exakte Volumen eines Gussteils bekannt ist, genügt hierzu bereits der Einsatz einer hochpräzisen Waage. Damit lässt sich Ausschuss leichter identifizieren.

Ausprägung der Lunkerbildung

Die Einsenkungen und Hohlräume der Lunkerbildung müssen nicht immer sofort erkennbar sein. Neben den charakteristischen Fehlstellen ist auch eine Porosität des Werkstoffs nach dem Erstarren eine typische Folge dieses Phänomens. Diese Schwindungsporosität kann sich im mikroskopischen Bereich auftreten und ist entsprechend schwer zu lokalisieren.

Unechte und falsche Lunker

Nicht jeder Hohlraum, der in geschmolzenem Metall entsteht, ist ein Lunker. Schweißfehler mit Hohlraumbildung sind keine klassischen Lunker, wenngleich sie auch schwere Qualitätsfehler sind bei denen sofort gegen gesteuert werden muss. Unechte Lunker in Güssen sind alle Hohlräume, die durch den Einschluss von Gasen entstehen.

Dies sind meist ausgeprägte Blasen, die sich mit entsprechend scharfkantiger Kontur an den Rändern eines Gussteils zeigen können. Besonders fatal sind diese Einschlüsse, wenn sie im Innern entstehen und erst nach dem Abfräsen oder Abdrehen der Oberfläche zu Tage treten. Umgangssprachlich werden diese unechten Lunker auch als „Blaslunker“ bezeichnet. Ursachen für die Blasenbildung können sein:

  • Restfeuchte in der Kavität
  • Ausfällung von Wasserstoff aus der Luftfeuchtigkeit
  • Ausfällung von gelöstem Wasserstoff aus der Schmelze

Besonders die durch Wasserstoff verursachten Hohlräume treten als schwer feststellbare Porosität auf. 

Maßnamen gegen Lunker

Die Lunkerbildung kann auf zwei Arten unterstützt werden:Anpassungen an Form und Gießtechnik.
Die formtechnischen Maßnahmen sehen vor, den Speiser ausreichend dick und lang zu dimensionieren.
Ein großer Durchmesser im Speiser unterstützt folgende, Lunker verhindernde Eigenschaften des Gusses:

  • Ausreichender Druck während dem Gießvorgang
  • Bewahrung der Schmelztemperatur

Dies wird dadurch unterstützt, indem der Steiger dicker ist, als die dickste Wandung des geplanten Gussteils. So wird verhindert, dass der Guss „verhungert“. Dies geschieht, wenn die Schmelze im Speiser schon zu erstarren beginnt, während die Form noch nicht vollständig gefüllt ist.
Daraus folgt auch, dass der Speiser stets an die starkwandigste Kavität der Gussform angeschlossen wird. So kann die Schmelze von außen nach innen erstarren und während des Erstarrungsprozesses flüssiges Metall nachsaugen. Wenn notwendig, können auch mehrere Speiser eingebaut werden. Dies ist zwar eine große Herausforderung für den synchronen Gießprozess. Bei manchen Formteilen ist dieses Verfahren jedoch unumgänglich.
Zu den gusstechnischen Maßnahmen gehört beispielsweise, die Form vor und während dem Guss zu temperieren.

Dies ist jedoch nur bei Metallpaarungen von Gussform-Metall und Werkstück-Metall möglich, bei welchen die Schmelzpunkte ausreichend weit auseinander liegen. Ein Beispiel dazu ist Aluminium-Druckguss in Stahlformen. Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 600 °C, Stahl hingegen einen Schmelzpunkt von 1400 °C. Ein zusätzliches Aufheizen der Stahlform ist in diesem Fall jedoch nur bei Kleinserien oder bei Einzelstücken notwendig.

Hierzu würde man jedoch aus wirtschaftlichen Gründen keine gefräste Stahlform, sondern ein Sand-Guss-Verfahren wählen. Das hierzu etablierte Hot-Box-Verfahren wurde genau aus diesem Grund entwickelt. Dabei wird die Kavität in einem Formsand gebildet, der seinerseits in einer Metallkiste eingebracht ist. Metallbox und Sand können anschließend wie gewünscht erhitzt und sehr kontrolliert abgekühlt werden.

Dies verhindert die Bildung von Lunker recht zuverlässig, ist jedoch auch sehr aufwändig. Im normalen Druckguss-Verfahren kann auf eine zusätzliche Aufwärmung der Stahlform meistens verzichtet werden, da sich die Form durch die Schmelze von alleine aufwärmt. Allerdings sind die ersten Schüsse, welche mit der noch kalte Form durchgeführt werden, aufgrund ihrer hohen Schwindungsporosität meistens Ausschuss.

Probleme durch Porosität

Die Porosität, welche durch Gasblasen oder Schwindungsporosität entstehen kann, setzt die Festigkeit eines Werkstücks herab. Jeder Bereich, in dem eine hohe Porosität vorliegt, kann nicht mehr die berechneten Scher-, Druck-, oder Biegekräfte aufnehmen.

Außerdem erzeugt die Schwindungsporosität unter Umständen eine raue Oberfläche, die nur durch Behelfsmaßnahmen wie Spachteln und Überlackieren wieder aufgefüllt werden kann. In den meisten Fällen werden die durch Schwindungsporosität verursachten optischen Mängel von den Abnehmern nicht akzeptiert.
Der einzige Weg, mit Porosität und vor allem Schwindungsporosität umzugehen besteht darin, sie zu verhindern oder sie in Bereiche zu verlagern, in denen sie unkritisch sind. Wenn ein Gussteil ohnehin nachbearbeitet werden muss, kann dabei eine Porosität an der Oberfläche gleich mit entfernt werden. Hierzu genügen unter Umständen bereits Strahlverfahren. In der Regel sind zum Abtrag der Schwindungsporosität jedoch zerspanende Verfahren wie Schleifen, Drehen oder Fräsen notwendig.

3D-Messtechnik in der Behandlung von Lunkern

Die 3D-Messtechnik kann durch ein hochpräzises Abtasten der Oberflächen eine Porosität feststellen, die ggf. mit dem bloßen Auge kaum sichtbar ist.

Die heute verfügbaren Laserscan-Verfahren erlauben die ausreichend hohen Auflösungen. Zudem sind die 3D-Scanverfahren wesentlich schneller und zuverlässiger als die manuelle Begutachtung. Das macht eine leistungsstarke 3D-Messtechnik vor allem bei der Serienproduktion von Gussteilen zu einem leistugsstarken Werkzeug für die Qualitätssicherung.

100% Prüfungen auf Geometrie und Schwindungsporosität machen Trends zur Lunkerbildung schnell feststellbar, so dass durch Angleichen der Gießprozesse früh genug gegen gesteuert werden kann. Dies vehindert die Bildung von Fehlteilen, Ausschuss und Verschwendung von Rohstoffen und Energie.


Daniel Wilhelm

Daniel Wilhelm

CEO

Ihr 3D-Messtechnik Spezialist für taktile Messtechnik.

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