Lunker

Castings
Bei der Erstarrung einer Schmelze entstandener Schwindungshohlraum (Schwindung), der beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand durch die Volumenkontraktion (Volumenabnahme) des Metalls entsteht.

Die Lunkerbildung ist im Prinzip unvermeidbar. Durch gießtechnische Maßnahmen lässt sich die Lunkerung in Bereiche außerhalb des Gussstückes verlagern. Dieses Verfahren führt jedoch nur dann zu befriedigenden Ergebnissen, wenn es sich um Gusswerkstoffe handelt, die mehr zur Grob- oder Makrolunkerung tendieren und nicht zur Fein- oder Mikrolunkerung neigen. Der Makrolunker bildet sich im Bereich der zuletzt erstarrenden Schmelze, während alle übrigen vorher erstarrten Bereiche dichtgespeist sind. Typische, tiefe, symmetrisch gestaltete Makrolunker entstehen bei schalenförmig erstarrenden Metallen, wie Reinmetallen und eutektischer (oder auch peritektischer) Legierung (Bild 1).

Je nach Erscheinungsform der Groblunkerung wird zwischen geschlossenen Lunker (Innenlunker), offenen Lunker (Außenlunker) und Einfallstellen (Bild  2) unterschieden.

Legierungen mit zunehmendem Erstarrungsintervall neigen dagegen umso mehr zur Feinlunkerung (Bild 3).

Das Wechselspiel zwischen Grob- und Feinlunkerung geht deutlich aus Bild  4 am Beispiel der Kupfer-Zink-Legierungen hervor. Reinkupfer und eine Kupfer-Zink-Legierung mit 8  %   Zn zeigen noch eine ausgesprochene Makrolunkerung. Mit steigendem Zinkgehalt nimmt die Breite des Erstarrungsintervalls zu, und die Groblunkerung wird allmählich von einer Feinlunkerung abgelöst. Das Gefüge ist dann feinporös (Bild  5). Erst bei Erreichen der peritektischen Zusammensetzung mit 40  %  Zn bildet sich wieder eine Makrolunkerung aus.

Bei einer Mikrolunkerung bildet sich dagegen im Verlauf der Erstarrung eine mehr oder weniger teigige Restschmelze mit einer erstarrten Randschale, die nur ungenügend tragfähig ist und bei weiterer Abkühlung zusammenbricht, sodass eine Vielzahl kleiner und kleinster Lunker, meist in Verbindung mit Einfallstellen, entsteht.

Die Mikrolunker oder auch Lunkerporen im Gefüge sind entsprechend der Erstarrungsmorphologie meist rauhwandig und unterscheiden sich darin von Gasporen, die glatte Wände haben. Da Innenlunker immer dort entstehen, wo die Erstarrung mit mangelnder Dichtspeisung erfolgt und die Erstarrungsfront zum Stillstand kommt, verbleiben Hohlräume, die in die am Wachsen gehinderten Dendritenäste hineinragen. Sie ergeben die typischen rauhen Wände der Innenlunker (Bilder 6 und 7).

Auch im Druckguss können Lunker entstehen (Bild  8). Die Lunkergefahr ist umso höher, je größer die Wanddicke des betreffenden Gussstücks ist und je länger die Erstarrung dauert. Wird noch dazu mit relativ hoher Formtemperatur gegossen, nimmt die Lunkerneigung zu. Dies ist einer der Gründe, warum Druckgussteile möglichst dünnwandig konstruiert werden. Darüber hinaus verfügt aber die Druckgießtechnik über Möglichkeiten zur Vermeidung oder Minimierung der Lunkerbildung, nämlich durch den Aufbau eines hohen Enddruckes unmittelbar im Anschluss an die Formfüllung, zum Beispiel durch Zuschaltung eines Multiplikators.

Bei der eutektischen Erstarrung des Gusseisens wirkt die Ausdehnung des sich ausscheidenden Graphits der Erstarrungsschrumpfung des Austenits entgegen. Bei einem bestimmten Graphitanteil ist es möglich, dass die während der Erstarrung bedingte Kontraktion bei der Bildung des Austenits ausgeglichen wird. Das bedeutet, dass in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung, den Abkühlungsbedingungen und dem Keimhaushalt eine Eigenspeisung eintritt. Bei großer eutektisch ausgeschiedener Graphitmenge kann sogar die durch die Bildung des Graphits verursachte Volumenausdehnung größer sein als die Erstarrungskontraktion der metallischen Phase, sodass es insgesamt gesehen zu einer Expansion kommt. Die spezifischen Volumina der einzelnen Gefügebestandteile (Tabelle) bestimmen das Volumendefizit in der Summe.

Gusseisen mit Lamellengraphit zeigt eine Abnahme der Lunkerneigung mit steigendem Sättigungsgrad bis zum eutektischen Punkt. Dort ist das Volumendefizit am geringsten. Das trifft sowohl auf die Größe des Ma-krolunkers, als auch auf den Anteil der Mikrolunker zu. Im übereutektischen Bereich steigt die Lunkerneigung wieder an (Bild  9). Bei gleichem Sättigungsgrad nimmt das zu erwartende Lunkervolumen mit steigendem Kohlenstoffgehalt ab. Phosphor erhöht die Neigung zur Bildung von Mikroporosität, vor allem bei P-Gehalten > 0,3  % infolge der Bildung einer phosphorreichen Restschmelze (Phosphideutektikum), die im Temperaturbereich von 1150 bis 950 °C wahrscheinlich eine Erstarrungsschrumpfung durchläuft.

Für lunkerfreie Gussstücke aus Gusseisen mit Kugelgraphit ist eine stabile feste Form eine unbedingt notwendige Voraussetzung. Mit bentonitgebundenen, hochdruckgepressten Formen, genauso wie bei chemisch gebundenen oder Trockengussformen, wird eine ausreichende Formstabilität erreicht.

Die Erstarrung von Gusseisen mit Kugelgraphit verläuft im Gegensatz zum schalenförmigen Erstarren von Gusseisen mit Lamellengraphit, endogen breiartig. Neben der Flüssigkontraktion, die durch Speise- und Anschnittsystem beherrschbar ist, und einer Sekundärschwindung erfolgt eine Expansion während des Erstarrungsvorgangs. Die Ausnutzung dieser Expansionsphase führt unter der Voraussetzung einer festen Form zu einer Kompensation der sekundären Schwindung und damit zu lunkerfreien Gussstücken bei hohem Ausbringen. Eine naheutektische Zusammensetzung und erfolgreiche Impfung mit einer Ausscheidung vieler kleiner Graphitkugeln sowie kurze Gießzeiten bei möglichst niedrigen Temperaturen unterstützen die Dichtspeisung der Gussteile.
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Bild 1: Entstehung eines Makrolunkers bei schalenförmiger Erstarrung (Reinmetalle und eutektische Legierungen) a),b) kurz nach Erstarrungsbeginn, c) nach beendigter Erstarrung© GIESSEREI LEXIKON
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Bild 4: Lunkerverhalten der Kupfer-Zink-Legierungen (Tatur-Proben nach Wallmann)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 5: Feinlunker im Gefüge einer Kupfer-Zink-Gusslegierung mit circa 70 % Cu (ungeätzt, V = 50 : 1)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 6: Gefüge einer Kupfer-Zinn-Gusslegierung mit Lunkerporen (V = 50 : 1)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 7: Innenlunker im Gefüge einer Kupfer-Aluminium-Gusslegierung mit 9,0 % Al und 7,2 % Mn (V = 100 : 1)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 8: Feinlunker im Druckgussgefüge der Aluminium-legierung GD-AlSi12(Cu) (V = 100 : 1)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 9: Lunkervolumen von GJL in Abhängigkeit vom Sättigungsgrad© GIESSEREI LEXIKON
Spezifische Volumina einzelner Gefügebestandteile von Gusseisen

Zum Thema

Taschenbuch der Gießerei-Praxis

Jährlich aktualisierte Ausgabe des Nachschlagewerks für das Gießereiwesen.