Pinholes: Fehlerbild & Ursachen

Pinholes, oft auch als Nadelstichporosität oder Randblasen bezeichnet, treten vereinzelt und großflächig auf und können alle Gussstückbereiche befallen. Sie sind in vielen Fällen erst nach der mechanischen Bearbeitung, in jedem Fall aber mit bloßem Auge sichtbar. Vornehmlich findet man sie an der Gussstückaußenseite oder knapp unter der Oberfläche von Gussstücken aus Gusseisen mit Lamellen-, Kugel- und Vermiculargraphit, Temperguss und Stahlguss.

Erscheinungsformen von Pinholes

Die Erscheinungsformen der Pinholes reichen von kugeligen, metallisch blanken oder mit Graphithäutchen belegten Bläschen bis zu größeren, unregelmäßig gestalteten und mit Schlacken oder Oxidationserscheinungen vergesellschafteten Hohlräumen. 

Verstärkung der Pinholebildung bei formgeimpften Gusseisen mit Lamellengraphit durch abnehmende Gießtemperatur.

Man spricht von Wasserstoff-Pinholes und Wasserstoff-Stickstoff-Pinholes, die sich nicht voneinander unterscheiden lassen, sowie von CO-Schlackenreaktion-Pinholes. Als mögliche Entstehungsursachen dieser Fehler sind einerseits spezifische Eigenschaften des Eisens und andererseits solche des Formstoffsystems bekannt. Im konkreten Fall wird die Bildung von Pinholes oft nicht nur durch eine einzige Ursache, sondern durch die Summenwirkung mehrerer sich überlagernder Ursachen bedingt sein. Beeinträchtigungen entstehen durch Pinholes bei Beschichtungen wie Emaillieren, Tauchverzinken, Pulverbeschichtungen usw. Die statische Belastbarkeit wird durch diesen Fehler, insbesondere bei duktilen Gusseisensorten und niedrigem Belastungsniveau, kaum beeinflusst. Bei bearbeiteten Funktionsflächen, die dazu noch dicht sein müssen, führt der Fehler zum Ausschuss. Außerdem wird bei ungünstiger Fehlerlage die Schwingfestigkeit beeinträchtigt, so dass bei schwingend belasteten Sicherheitsteilen Pinholes nicht toleriert werden können.

Ursachen von Pinholes

Die wesentlichen Ursachen von Pinholes können einerseits auf spezifische Eigenschaften des Eisens und andererseits auf solche des Formstoffsystems zurückgeführt werden.

Die Bildung von Wasserstoff- und Wasserstoff-Stickstoff-Pinholes verläuft in drei Stufen:

  • Reaktion des Wasserdampfes mit den Eisenbegleitern. Es bilden sich Metalloxide und atomarer Wasserstoff, der in das flüssige Metall diffundiert. In ähnlicher Weise werden Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen aufgespalten und können ebenfalls in das flüssige Metall diffundieren.
  • Bildung von Mikrogasblasen durch Reaktion der Metalloxide mit dem Kohlenstoff der Schmelze
  • Diffusion von Wasserstoff und eventuell Stickstoff in die Mikrogasblasen und Vergrößerung der Blasen.

Die metallurgisch begründeten Ursachen der Pinholebildung:

  • Überhöhter Wasserstoffgehalt der Schmelze, der durch Wasserstoffträger wie Feuchtigkeit von Einsatzstoffen generell, insbesondere feinkörnige, ungeschützte Ferrolegierungen, die vielfach Wasser anlagern, stark rostige Einsatzmaterialien (angelagerte OH-Gruppen), Öle und Emulsionen, die Kohlenwasserstoffe abgeben, und letztlich durch den Einfluss einer erhöhten Luftfeuchtigkeit selbst auftreten kann.
  • Überhöhter Stickstoffgehalt der Schmelze, der durch Stickstoffträger wie Stahlschrott (bis 130 ppm N, max. 200 ppm N), Schienenstahl (bis 170 ppm N), Roheisen (10 bis 60 ppm N), Aufkohlungsmittel (von 0,11 x 104 ppm bis 1.675 x 104 ppm N) eingebracht werden kann.

Der Stickstoffgehalt im Gusseisen bewegt sich im Bereich zwischen 40 und 140 ppm, so dass bei Fremdanregung der Blasenbildung, z.B. durch induktives Rühren, auch eine Entgasung eintreten kann. Die kritische Grenze zur Bildung von Pinholes wird vielfach mit 80 bis 100 ppm angegeben, obwohl auch niedrigere Gehalte in Verbindung mit CO-Ausscheidungen bereits kritisch sein können.

Gegenüber Stahlguss neigt Gusseisen weniger zur Gasaufnahme, da Kohlenstoff und Silizium die Löslichkeit und daher auch die Bereitschaft, Wasserstoff und Stickstoff aufzunehmen, herabsetzen. Demzufolge ist eine Gusseisenschmelze mit niedrigem Sättigungsgrad weitaus empfindlicher, was sich auch in der Fehlerhäufigkeit bei Temperguss, der naturgemäß einen niedrigen Sättigungsgrad haben muss, widerspiegelt.

Chrom, Molybdän, Mangan, Vanadium und Titan erhöhen die Löslichkeit von Wasserstoff und Stickstoff, während sie durch Aluminium, Phosphor, Silizium und Kohlenstoff vermindert wird. So zeigte ein Untersuchungsfall, dass Gussstücke mit gleichem Gasgehalt bei 70 ppm Al völlig gesund waren, während die gleichen Gussstücke mit 380 ppm Al starke Pinholebildung aufwiesen. Höhere Aluminiumgehalte können eine Umsetzung des Aluminiums im Eisen mit dem Wasserdampf des Formgases zu Aluminiumoxid und Wasserstoff bewirken. Dieser Wasserstoff führt dann zur Blasenbildung. Hier wäre auch die Grenze zwischen rein metallurgisch bedingten Gasblasen und der Grenzflächenreaktion zwischen Form/Kern und Gussstück zu ziehen.

Die formstoffbegründeten Ursachen der Pinholebildung:

  • Zu hohe Stickstoffgehalte im Formsand bei zu hohen Feuchtigkeitsgehalten
  • Ungünstige Gasatmosphäre im Formhohlraum, deren Ursachen in der Art und Zugabemenge an Glanzkohlenstoffbildnern zu suchen sind
  • Zu hoher Stickstoffgehalt in Kernsanden bzw. zu hohe Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen in Kernformstoffbindern
  • Vor allem bei der Pyrolyse von Croning®-Kernbindern werden hohe Gasmengen freigesetzt, bevor sich eine feste Randschale gebildet hat.

Der Mechanismus ist wie folgt zu erklären

Unter reduzierender Atmosphäre zerfällt Ammoniak nach der Gleichung

2NH3 + N2 + 3H2 .

Bei etwa 600 °C und Atmosphärendruck ist der Ammoniak fast vollständig dissoziiert. Dabei verdoppelt sich das Gasvolumen, aus 2 Mol Ammoniak entstehen 1 Mol Stickstoff und 3 Mol Wasserstoff. Dieses Wasserstoffgas kann ggf. mit dem abgeschiedenen Kohlenmonoxid gemäß folgender Gleichung reagieren:

CO + H2 + H2 O + C

Zu geringer Aufbereitungsgrad des bentonitgebundenen Formstoffes und demzufolge Vorliegen von freiem, nicht im Bentonit (im Dreischichtmineral Montmorillonit) gebundenem Wasser, das die Gefahr der Wasserstoffbildung erhöht.

Außer der Eisenzusammensetzung und der Formstoffbeschaffenheit gibt es noch andere Einflüsse auf die Entstehung von Pinholes. So kann ein nicht vollständiges Abziehen der Schlacke zu Schlackeneinschlüssen führen, die möglicherweise als Keime für die Gasblasenbildung wirken. Im Gusseisen mit Kugelgraphit sind zahlreiche Oxide vorhanden, selbst wenn die Schlacke entfernt worden ist, und diese Oxide können zur Pinholebildung beitragen. Die bei der Magnesiumbehandlung entstehende Schlacke hat gleichfalls einen Einfluss, wenn auch nicht klar ist, ob sie einen Oberflächenfehler rein mechanisch hervorruft oder aber die Gasentwicklung fördert. Die Gieß- und Anschnittetechnik kann ebenfalls einen Einfluss auf die Pinholebildung ausüben. Ein Anschnittsystem mit nicht turbulenter Strömung und kurze Gießläufe verringern die Pinholeneigung. Auch Spritzkugeln können eine Ursache für Pinhohles darstellen. Sie werden oxidiert und dann von der Gießströmung umhüllt. Hier kann es zu einer Reaktion kommen, bei der CO entsteht, so dass sich Gasblasen bilden.

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