Temperaturwechselriss

Castings
Als Folge der Temperaturwechselbeabspruchung von Werkzeugen und Gussteilen bilden sich an der belasteten Oberfläche Risse aus.

Nach der Häufigkeit und Ausdehnung der Risse ist das Lebensdauerende von Werkzeugen beziehungsweise auch der Bauteile erreicht. Entsprechend der Rissausbreitung kann auch ein Versagen des Bauteils eintreten. Nach der Erscheinungsform der Risse wird folgende Untergliederung vorgenommen:

1. Brandrisse

2. Spannungsrisse

3. Ausbröckelungen

Brandrisse treten bevorzugt an ebenen Oberflächen auf und bilden mit der Zeit der Beanspruchung ein netzförmiges Rissmuster (Brandrissnetzwerk, Bild 1). Besonders zu beobachten an metallischen Dauerformen wie Kokillen und Druckgusswerkzeugen. Entsprechend der Temperatur des Gusswerkstoffes und der Abkühlung zwischen den einzelnen Abgüssen wird der Werkzeugwerkstoff einer thermischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt. Mit zunehmender Abgusszahl bilden sich erste Rissansätze, die mit weiteren Abgüssen tiefer und breiter werden, wobei meist eine netzförmige Verzweigung eintritt. Neben dem optischen Mangel auf der Gussteiloberfläche (Bild 2) erschweren die Rissstrukturen das Entformen der Teile im Gießprozess. Die Rissbildung und -ausbreitung werden von Gefügeumwandlungen und Oxidationsvorgängen mit bestimmt.

Brandrissschäden bestimmen wesentlich die Formstandzeit. Kennzeichnende Eigenschaften für Formstähle sind diesbezüglich ihre Kriechbeständigkeit und Mikrohomogenität. Die dann folgende Rissausbreitung lässt sich verlangsamen, wenn der Formstahl hohe Zähigkeit besitzt.

Brandrisse können auch an Gussteilen im bestimmungsgemäßen Einsatz auftreten. Beispielsweise können Gussteile in Feuerungsanlagen und auch auf Reibung beanspruchte Teile wie Bremsscheiben oder Kupplungsteile für Kraftfahrzeuge Brandrissstrukturen aufweisen, die bei Überschreitung von Grenzfällen zum Verschleißende der Teile führt.

Spannungsrisse bilden sich hauptsächlich in Spannungskonzentrationsbereichen aufgrund von Temperaturdifferenzen. Abrundungen an Kanten und Querschnittsübergängen tragen zur Vermeidung oder Verminderung von Spannungsrissauslösung und Rissausbreitung bei. Eine hohe Zähigkeit des Formstahls vermindert die Neigung zur Ausbreitung solcher Risse.

Ausbröckelungen werden vor allem bei Formen aus gasnitrierten, martensitausgehärteten Stählen beobachtet. Durch das Gasnitrieren entstehen spröde Korngrenzenausscheidungen in der Nitrierzone, die die Verformbarkeit bei Temperaturwechselbeanspruchung vermindern, sodass interkristalline Brüche im nitrierten Oberflächenbereich ausgelöst werden und einzelne Körner ausbrechen können (Bild 3).

Bild 1: Abdruck von Brandrissen auf einem Aluminiumdruckgussteil nach 214.000 Abgüssen (natürl. Größe), nach R. Danzer© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Abdruck von Spannungsrissen auf einem Aluminiumdruckgussteil nach 214.000 Abgüssen (natürl. Größe), nach R. Danzer© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: Ausbröckelung an einer gasnitrierten Oberfläche eines Druckgieß-Formstahls nach 68.000 Abgüssen (V = 225 : 1)© GIESSEREI LEXIKON