Impfen

Metallurgie

Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen zur Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens der Schmelze und der Gefügeausbildung. Grundlage des Impfverfahrens ist die Zugabe eines wirksamen Mittels Impfmittel in geringen Mengen als fester, körniger Stoff, mit dem Ziel, Kristallisationskeime zu erzeugen, die Keimbildung in Gang zu setzen oder selbst als Keim zu wirken.

Das Impfen wird vor allem bei Gusseisenschmelzen kurz vor oder während des Gießens zur Förderung der Grauerstarrung und Verhinderung einer ledeburitischen Weißeinstrahlung (Kantenhärte) vorgenommen.

Der Impfzusatz bewirkt in erster Linie die Reduzierung der Unterkühlung unter die metastabile Gleichgewichtstemperatur und damit die Verhinderung der Bildung von Unterkühlungsgraphit und ledeburitischer Carbide.

Zur Wirkungsweise des Impfens gibt es mehrere Theorien, wobei die Oxidkeimtheorie im Vordergrund steht. Dieser Theorie zufolge kommt es im Verlauf der Impfung zur Ausscheidung von SiO2-Keimen, auf die dann der Graphit aufwachsen kann. Die Bildung dieser Keime ist auf die Wirkung von Fremdkeimen angewiesen, die insbesondere durch Elemente gebildet werden, die eine große Sauerstoffaffinität haben.

Die Impfwirkung steht allerdings in direkter Wechselbeziehung zur Qualität der zu vergießenden Schmelze, das heißt ihrem metallurgischen Ausgangszustand, der Zeit-Temperatur-Führung und der chemischen Zusammensetzung. Das Impfen kann in mehreren Stufen erfolgen, erzielt seine größte Wirkung jedoch kurz vor oder während des Gießens.

Die Wirkung der Impfung ist temperaturabhängig und zeitlich begrenzt. Die nachlassende Wirkung wird mit dem Abklingeffekt (Fading) beschrieben und erklärt auch den Einfluss der Kristallisationszeit.

Während die üblichen Wanddickenbereiche von Seriengussteilen von 8 bis 25 mm in Minuten erstarren, kann die Kristallisation von dickwandigen, schweren Gussstücken ab etwa 80 mm Wanddicke Stunden betragen. Diese Zeitunterschiede bedeuten bei größeren Gussstücken ein stärkeres Abklingen des Impfeffektes und damit die Verminderung von wachstumsfähigen Zentren und eine größere Kristallisationszeit für die eutektischen Körner.

Impflegierungen enthalten vorrangig Silizium und weitere Elemente, die zu Sauerstoff und Stickstoff eine besonders hohe Affinitäten besitzen und nach dem Zusatz Ausscheidungen in der Schmelze bewirken. Diese Legierungen haben ihre größte Wirkung, wenn sie bei möglichst niedrigen Temperaturen kurz vor oder während des Gießvorganges zugegeben werden.

Graphitzusätze haben ebenfalls eine gute Impfwirkung bei Gusseisen mit Lamellengraphit.

Die Impfung nimmt über den Keimhaushalt der Gusseisenschmelze Einfluss auf die Zahl, die Größe und zum Teil auch die Form der Graphitausscheidungen. Bei unzureichender Impfung und daraus resultierender, zunehmender Unterkühlung kommt es bei Gusseisen mit Lamellengraphit zuerst zur Ausbildung von B-Graphit (Rosettengraphit) oder auch D- und E-Graphit (Unterkühlungsgraphit). Die Folge ist die Bildung von Ferritinseln.

Bei Gusseisen mit Kugelgraphit ist die Impfung mit der Magnesiumbehandlung zu kombinieren. Die Einstellung eines günstigen Keimzustandes bewirkt neben der gezielten Graphitausscheidung (Anzahl, Größe der Sphärolithen) auch die Einstellung des gewünschten Grundgefüges und damit der gewünschten Eigenschaften. Bei Gusseisen mit Kugelgraphit führt ein schlechter Keimzustand zu einer verringerten Kugelanzahl und schlechteren Nodularität. Das Grundgefüge zeigt einen höheren Perlitanteil und, im ungünstigeren Fall, tritt zunehmend Weißeinstrahlung auf.

Für Gusseisen mit Kugelgraphit werden bevorzugt Impflegierungen mit möglichst geringen Aluminiumgehalten (< 1 %) oder auch Sonderimpfmittel eingesetzt.

Der Impfzusatz beträgt bei Gusseisen mit Lamellengraphit im Allgemeinen etwa 0,1 bis 0,3 % und bei Gusseisen mit Kugelgraphit je nach Wanddicke, Impfmethode und Impfzeitpunkt 0,1 bis 0,6 %.

Die Kontrolle des Impfergebnisses kann nach wie vor mit der klassischen Methode der Auswertung von Gießkeilproben (Tiefe der Weißeinstrahlung) und der Beurteilung von metallographischen Schliffproben (Graphit- und Gefügeausbildung, Anzahl der eutektischen Körner, Kugelzahl) erfolgen. Analyseverfahren auf der Basis der thermischen Analyse mit der Bewertung der Abkühlungskurven ermöglichen eine zeitnahe und sichere Fertigungskontrolle.

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