Porosität beim Aluminium-Druckguss: Ursachen und Lösungen

Zusammenfassung

Porosität beim Aluminium-Druckguss bezeichnet kleine Hohlräume oder Lücken, die sich im Metall beim Erstarren bilden. Dieser häufige Herstellungsfehler wird hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Gasporosität, verursacht durch eingeschlossene Gase, und Schrumpfporosität, die durch Volumenverringerung während der Abkühlung entsteht. Porosität beeinträchtigt die strukturelle Integrität, Druckdichtheit und Oberflächenqualität eines Bauteils und kann zu einem Bauteilversagen führen. Allerdings kann sie effektiv kontrolliert und minimiert werden durch genaue Überwachung der Materialqualität, des Formendesigns und des Gussprozesses. Das Verständnis der Ursachen ist der erste Schritt zur Vermeidung.

Definition von Porosität beim Aluminium-Druckguss

In der Welt des Hochdruck-Druckgusses ist die Herstellung eines makellosen, durchgängigen Bauteils das ultimative Ziel. Eine häufige Herausforderung, mit der Hersteller jedoch konfrontiert sind, ist die Porosität. Einfach ausgedrückt bezeichnet Porosität das Vorhandensein kleiner, unerwünschter Hohlräume, Löcher oder Luftbläschen innerhalb eines fertigen Gussteils. Laut Experten aus der Fertigungsindustrie handelt es sich bei diesem Fehler um ein Hauptanliegen, da er die mechanischen Eigenschaften und die Leistung des Endprodukts direkt beeinträchtigt. Diese Hohlräume können die Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit des Bauteils erheblich verringern.

Porosität ist kein einheitlicher Fehlertyp; sie tritt in mehreren Formen auf, die die Gebrauchstauglichkeit eines Bauteils beeinflussen. Diese werden im Allgemeinen nach ihrer Lage und Durchgängigkeit klassifiziert:

• Blindporosität: Dies sind Hohlräume, die an die Oberfläche der Gussform offenstehen, sich jedoch nicht vollständig durch das Bauteil erstrecken. Obwohl sie die strukturelle Festigkeit des Bauteils möglicherweise nicht beeinträchtigen, können sie Flüssigkeiten oder Reinigungschemikalien aus Nachbearbeitungsschritten wie der Eloxierung zurückhalten, was im Laufe der Zeit zu Oberflächenfehlern und Korrosion führen kann.
• Durchgehende Porosität: Diese Art erzeugt einen kontinuierlichen Leckpfad von einer Oberfläche des Gussteils zur anderen. Bei Bauteilen, die druckdicht sein müssen – wie beispielsweise Flüssigkeitsbehälter oder pneumatische Gehäuse – stellt durchgehende Porosität einen kritischen Fehler dar, wodurch das Teil unbrauchbar wird.
• Vollständig eingeschlossene Porosität: Dies sind innere Hohlräume, die vollständig innerhalb der Wände des Gussteils eingeschlossen sind. Sie sind von außen unsichtbar und stellen möglicherweise kein Problem dar, es sei denn, sie werden während nachfolgender Bearbeitungsschritte freigelegt, wodurch sie zu blinden oder durchgehenden Poren werden.

Die Folgen von Porosität sind gravierend, insbesondere bei kritischen Anwendungen wie Automobil- und Luftfahrtkomponenten. Ein poröses Bauteil kann unter Belastung versagen, Flüssigkeiten oder Gase lecken lassen oder nach der Bearbeitung eine schlechte Oberflächenqualität aufweisen. Daher ist das Verständnis seiner Ursachen für jeden hochwertigen Fertigungsprozess unerlässlich.

Die primären Arten: Gas- versus Schrumpfporosität

Obwohl verschiedene Faktoren zur Porosität führen können, lassen sich die Fehler nahezu immer auf eine von zwei grundlegenden Ursachen zurückführen: eingeschlossenes Gas oder Metallschrumpfung. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden ist entscheidend für eine effektive Fehlerbehebung und Vorbeugung, da ihr Erscheinungsbild und ihre zugrundeliegenden Ursachen deutlich voneinander abweichen. Jede Art stellt einzigartige Herausforderungen dar und erfordert unterschiedliche Lösungen.

Gasporosität

Gasporosität entsteht durch die Einschließung von Gas in der geschmolzenen Aluminiummasse während des Einspritz- und Erstarrungsprozesses. Die Hauptursachen sind Wasserstoff, der in geschmolzenem Aluminium gut löslich, jedoch im festen Zustand unlöslich ist, sowie Luft, die in der Formhöhle eingeschlossen wird. Beim Abkühlen des Metalls werden die gelösten Gase aus der Lösung ausgetrieben und bilden Blasen. Diese Blasen bleiben dauerhaft eingeschlossen, wenn sich das Metall um sie herum verfestigt. Gasporen zeichnen sich typischerweise durch ihre glatte, kugelförmige oder ovale Gestalt aus und befinden sich oft nahe der Oberfläche des Gussteils.

Schrumpfporosität

Schwindporosität tritt auf, weil Aluminium, wie die meisten Metalle, im festen Zustand dichter ist als im flüssigen Zustand. Während das geschmolzene Metall abkühlt und erstarrt, verringert sich sein Volumen. Wenn nicht genügend flüssiges Metall zur Verfügung steht, um die durch diese Schrumpfung entstehenden Hohlräume zu füllen, bilden sich Poren. Dieser Fehler tritt am häufigsten in dickeren Bereichen eines Gussteils auf, die als letzte erstarren. Im Gegensatz zu den glatten Blasen der Gasporosität erscheint die Schwindporosität als gezackte, eckige oder linienförmige Risse. Sie ist eine direkte Folge unzureichender Nachspeisung des geschmolzenen Metalls in den letzten Phasen der Erstarrung.

Zur Verdeutlichung der Unterschiede folgt ein Vergleich der beiden Hauptarten der Porosität:

Ursachen und proaktive Vorbeugungsstrategien

Die Vermeidung von Porosität ist weitaus effektiver und kostengünstiger, als fehlerhafte Teile nach der Produktion zu bearbeiten. Eine erfolgreiche Vorbeugungsstrategie erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der die Formgestaltung, das Material und den Gießprozess selbst berücksichtigt. Durch die Kontrolle wesentlicher Variablen können Hersteller das Auftreten sowohl von Gas- als auch von Schrumpfporosität deutlich reduzieren.

Bekämpfung gasbedingter Ursachen

Gasporosität entsteht durch das Einbringen von Gas in das Metall oder dessen Einschluss in der Form. Die Vorbeugung konzentriert sich darauf, Gas auszuschließen.

• Kontrolle der Schmelzqualität: Verwenden Sie saubere, trockene Rohstoffe, um die Einschleppung von Feuchtigkeit zu vermeiden, die im flüssigen Aluminium Wasserstoffgas erzeugt. Die Entgasung der Schmelze mit Stickstoff oder Argon vor dem Gießen ist eine äußerst wirksame Methode.
• Schmiermittelapplikation optimieren: Obwohl notwendig, kann übermäßiges oder unsachgemäß aufgetragenes Formschmiermittel während des Einspritzvorgangs verdampfen und so Gas bilden, das eingeschlossen wird. Verwenden Sie eine minimale Menge hochwertigen Schmiermittels und tragen Sie es gleichmäßig auf.
• Ausreichende Entlüftung sicherstellen: Die Gießform muss über ausreichende Entlüftungen und Überlaufkanäle verfügen, damit die Luft im Hohlraum entweichen kann, während das flüssige Metall eingespritzt wird. Verstopfte oder schlecht konstruierte Entlüftungen sind eine Hauptursache für eingeschlossene Luft.
• Einspritzprozess regulieren: Ein turbulenter Füllvorgang kann Luft in das Metall einschließen. Die Optimierung von Einspritzgeschwindigkeit und Druckprofil gewährleistet einen gleichmäßigen, fortschreitenden Füllvorgang, bei dem die Luft vor dem Metallstrom herausgedrückt wird.

Schrumpfungsbedingte Ursachen kontrollieren

Schwundporosität ist ein Kampf gegen die Physik, der durch die Kontrolle der Abkühlung des Gusses gemanagt wird. Der Schlüssel liegt darin, sicherzustellen, dass dicke Abschnitte bis zur vollständigen Erstarrung kontinuierlich mit flüssigem Metall versorgt werden.

• Hohe Metallpressung aufrechterhalten: Die Hochdruckphase des Druckgussverfahrens ist entscheidend, um Schrumpfungen zu bekämpfen. Wie von Branchenexperten erläutert, wendet ein Intensiviersystem während der Erstarrung einen enormen Druck an, um flüssiges Metall in entstehende Schrumpfblasen hineinzupressen. Aufrechterhaltung ausreichender statischer und intensivierter Pressung ist unerlässlich.
• Formtemperatur optimieren: Eine ungleichmäßige Abkühlung führt zu heißen Stellen, die anfällig für Schrumpfungen sind. Durch den gezielten Einsatz von Kühl- und Heizkanälen in der Form können Hersteller eine Richtungserstarrung fördern, bei der die Gussform schrittweise in Richtung des Anschnitts erstarrt, sodass sie kontinuierlich mit flüssigem Metall nachgefüllt werden kann.
• Teile- und Formdesign verbessern: Die Gestaltung von Teilen mit gleichmäßiger Wanddicke ist der beste Weg, um Schrumpfung zu vermeiden. Wo dicke Abschnitte unvermeidbar sind, sollten sie in der Nähe eines Anspritzpunkts liegen. Großzügige Fasen und abgerundete Ecken sollten anstelle scharfer Winkel verwendet werden, da diese isolierte heiße Stellen erzeugen können.

Letztendlich beginnt die Vermeidung von Porosität mit einer robusten Konstruktion und einem zuverlässigen Herstellungsprozess. Die Zusammenarbeit mit einem Lieferanten, der über fundierte Erfahrung in der Prozesskontrolle verfügt, ist entscheidend. Beispielsweise legen Lieferanten, die über die IATF16949-Zertifizierung für Automobilteile verfügen, großen Wert auf strenge Qualitätskontrolle und eigenständiges Werkzeugdesign und greifen damit bereits von Beginn des Projekts an die Ursachen von Fehlern wie Porosität direkt an.

Prüfverfahren zur Erkennung von Porosität

Da nicht alle Porosität an der Oberfläche sichtbar ist, verlassen sich Hersteller auf eine Reihe von Prüfmethoden, um sicherzustellen, dass die Teile die Qualitätsstandards erfüllen. Diese Techniken, oft als zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) bezeichnet, ermöglichen die Erkennung innerer Fehler, ohne das Bauteil zu beschädigen. Die Auswahl der richtigen Methode hängt von der kritischen Bedeutung des Teils, der vermuteten Art der Porosität und den Budgetbeschränkungen ab.

Häufige Prüfmethoden umfassen:

• Sichtprüfung: Die einfachste Methode, mit der Oberflächenporosität wie Blasen oder offene Löcher identifiziert werden kann. Obwohl sie leicht durchzuführen ist, kann sie keine inneren Fehler erkennen.
• Röntgenprüfung (Radiographie): Dies ist eine der zuverlässigsten Methoden zur Erkennung innerer Porosität. Das Bauteil wird Röntgenstrahlen ausgesetzt, und das resultierende Bild zeigt Dichteunterschiede. Hohlräume erscheinen als dunklere Stellen im Röntgenbild, sodass Prüfer Größe, Form und Lage erkennen können.
• Computertomographie (CT)-Scanning: Eine fortschrittliche Form der Röntgentechnik, bei der die CT-Scantechnik ein vollständiges 3D-Modell des Bauteils erstellt und so einen umfassenden Überblick über alle inneren und äußeren Merkmale bietet. Sie ist äußerst genau bei der Bestimmung von Volumen und Verteilung der Porosität, stellt jedoch auch die teuerste Methode dar.
• Drucktest: Diese Methode wird speziell zur Erkennung von Durchgangsporosität in Bauteilen eingesetzt, die druckdicht sein sollen. Das Gussteil wird abgedichtet und mit Luft oder Flüssigkeit unter Druck gesetzt. Ein Druckabfall oder das Auftreten von Blasen beim Eintauchen ins Wasser weist auf einen Leckpfad hin.

In vielen Fällen definieren Annahmekriterien, wie beispielsweise die Normen von ASTM International, die zulässige Menge und Größe der Porosität für eine bestimmte Anwendung. Wie Gussfachleute betonen, sind diese zerstörungsfreien Prüfverfahren entscheidend, um sicherzustellen, dass Komponenten vor ihrer Inbetriebnahme die erforderlichen Qualitäts- und Sicherheitsstandards erfüllen. Diese Verifizierung ist ein kritischer Bestandteil des Herstellungsprozesses .

Häufig gestellte Fragen

1. Was verursacht Porosität beim Aluminiumguss?

Porosität bei Aluminiumguss wird hauptsächlich durch zwei Faktoren verursacht: die Lösung und anschließende Freisetzung von Wasserstoffgas während der Erstarrung (Gasporosität) sowie die Volumenabnahme oder Schrumpfung des Metalls beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand (Schrumpfporosität). Weitere begünstigende Faktoren sind eingeschlossene Luft aufgrund schlechter Entlüftung, übermäßiges Formtrennmittel und inkonsistenter Metall­druck.

2. Was ist Porosität beim Druckguss?

Beim Druckguss bezeichnet Porosität das Vorhandensein kleiner Löcher, Hohlräume oder Luftpöckchen innerhalb der metallischen Struktur eines gegossenen Bauteils. Sie gilt als Fehler, da sie die Dichte und mechanische Festigkeit des Bauteils verringert und Leckagepfade in Bauteilen erzeugen kann, die druckdicht sein müssen.

3. Wie prüft man die Porosität bei Aluminiumguss?

Die Porosität in Aluminiumgussteilen kann mit mehreren zerstörungsfreien Prüfverfahren (NDT) überprüft werden. Die Sichtprüfung kann Oberflächenfehler erkennen, während die Dichtheitsprüfung dazu dient, Leckagen zu finden. Für innere Hohlräume sind die Röntgenprüfung (Radiographie) und das industrielle CT-Scannen die effektivsten Methoden, da sie Größe, Form und Lage der Porosität im Bauteilinneren sichtbar machen können, ohne es zu beschädigen.

4. Wie lässt sich Porosität beim Gießen vermeiden?

Die Vermeidung von Porosität erfordert die Kontrolle des gesamten Gießprozesses. Wichtige Maßnahmen umfassen die Verwendung sauberer, trockener und ordnungsgemäß entgaster Schmelze, die Auslegung der Gießform mit ausreichenden Entlüftungen und Überläufen, die Optimierung der Einspritzgeschwindigkeit und -drucks, die Aufrechterhaltung konstanter Formtemperaturen zur sicherstellung einer gleichmäßigen Abkühlung sowie die Konstruktion des Bauteils mit einheitlicher Wanddicke, um Schrumpfung zu minimieren.