Penetrationen

Penetrationen sind Sandanhaftungen am Gussteil und führen zu rauen Gussoberflächen, zu erhöhtem Putzaufwand bzw. zu Ausschuss. Die Rautiefen sind größer als der mittlere Kornradius des verwendeten Formgrundstoffes (im Gegensatz zur Rauheit, bei der die Rautiefen kleiner als der mittlere Kornradius des Formgrundstoffes sind).

Dieser Fehler kann bei allen im Sandformverfahren (vorzugsweise im Grünsandverfahren) hergestellten Gussteilen auftreten, unabhängig vom Werkstoff. Penetrationen treten besonders an Stellen starker Aufheizung der Formteile wie an Kanten oder in Anschnittnähe, an Stellen schwacher Verdichtung des Formstoffes sowie bei dickwandigen Gussstücken auf. Der Gussfehler befällt häufig ganze Gussstückpartien und ist am Gussstück mit bloßem Auge erkennbar.

Von Penetration spricht man dann, wenn der Formstoff mit dem eingedrungenen Metall nicht chemisch reagiert. Sie wird auch als echte Penetration bezeichnet. Im Falle einer chemischen Reaktion des eingedrungenen Metalls mit dem Formstoff spricht man von Anbrand (angebrannter Sand), Ansinterung oder meistens von Vererzung.

Prinzipielle Ursachen für die echte (mechanische/physikalische) Penetration sind der metallostatische Druck, der dynamische Druck beim Gießen, der Kristallisationsdruck beim Erstarren.

Mögliche Entstehungsmechanismen

Sandformen weisen entsprechend ihrer vorliegenden Packungsdichte ein bestimmtes Porensystem auf. An der Grenzfläche zwischen Metall und Formstoff besteht ein Gleichgewicht zwischen dem metallostatischen Druck, den Kapillarkräften des Formstoffes, der Benetzbarkeit und der Oberflächenspannung des Metalls. Beim Gießen trifft die Schmelze auf die Körner der Formoberfläche und kann so lange unter der Wirkung des metallostatischen Druckes in die Poren der Formoberfläche eindringen, bis sich zwischen der Grenzflächenspannung an der Formoberfläche und dem Penetrationsdruck (kritische Druckgröße, bei der die Schmelze durch die oberste Kornschicht hindurchdringt) ein Gleichgewicht eingestellt hat. Die Folge ist eine Rauheit der Gussstückoberfläche.

Die dem Penetrationsdruck entgegenwirkende Grenzflächenspannung wird durch die Kapillarkräfte des Formstoffes (in erster Linie von der Porosität), von der Benetzbarkeit der Formoberfläche und der Oberflächenspannung beeinflusst. Die Grenzflächenspannung von Gusswerkstoffen auf der Basis Fe-C erreicht relativ hohe Werte. Die Höhe dieser Spannung wird vor allem von der chemischen Zusammensetzung der Hauptlegierungselemente und von dem Vorhandensein grenzflächenaktiver Elemente wie Wismut, Blei, Phosphor, Silizium u.a. beeinflusst. Eine starke Erhöhung der Grenzflächenspannung wird auch durch Zusätze von Cer, Natrium und Zirkon erreicht.

Die Schmelze bildet die von ihr benetzte Sandstruktur der Formoberfläche mit unterschiedlicher Intensität (Rauheit, Benetzungstiefe) ab. Die Benetzungstiefe erreicht umso höhere Werte, je größer der Penetrationsdruck, der Kornradius des Formstoffes, sein Porenradius, die Dichte der Körner und je kleiner die Grenzflächenspannungen sind. Der Benetzungswinkel und damit die Benetzbarkeit einer Formoberfläche kann durch die Ausbildung einer Glanzkohlenstoffschicht wesentlich beeinflusst werden.

Für ein verfestigtes Formteil ist die Größe des Porenradius in erster Linie vom Kornaufbau (Korngröße, Kornverteilung), von den Zusätzen (Binderanteil, Schlämmstoffe), von der Verdichtungsintensität (Packungsdichte) und vom Sinterverhalten des Formstoffes abhängig.

Man spricht dann von Penetration, wenn die Rautiefe größer bzw. gleich dem Kornradius der Formstoffkörner ist. Das bedeutet, dass eine Abgrenzung zwischen Rauheit und Penetration nur unter Berücksichtigung der Korngröße des Formstoffes möglich ist.

Somit kann Penetration in Abhängigkeit von folgenden Einflussfaktoren auftreten:

  • Zu große Korngröße und breite Kornverteilung des Formstoffes
  • Zu geringe Binder- und Schlämmstoffanteile
  • Anteil an glanzkohlenstoffbildenden Stoffen ist zu niedrig
  • Ungünstige chemische Zusammensetzung des Gusswerkstoffes in Verbindung mit zu hohen Gießtemperaturen und zu hohem metallostatischem Druck
  • Ungenügende und ungleichmäßige Verdichtung der Formen bzw. Kerne
  • Ungenügendes Anschnittsystem und dadurch zu starke Überhitzung von Formen und Kernpartien

Zur Vermeidung von Penetrationen stehen eine Reihe von Maßnahmen zur Verfügung.