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einfluss von nichtmetallischen einschluessen in stahl auf die qualitaet und eigenschaften von stahlguss


Nichtmetallische Einschlüsse (NMIs) sind Fremdstoffe im Stahl, die während des Schmelz- und Erstarrungsprozesses eingeschlossen werden. Sie bestehen hauptsächlich aus Oxiden, Sulfiden, Nitriden und Silikaten, die sich im flüssigen Metall bilden oder von außen in den Schmelzprozess gelangen. Diese Einschlüsse haben erheblichen Einfluss auf die Qualität, mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit von Stahlguss.

1. Arten von nichtmetallischen Einschlüssen

Nichtmetallische Einschlüsse können in verschiedene Kategorien unterteilt werden, je nachdem, wie sie entstehen und welche chemische Zusammensetzung sie haben:

a. Oxide

Oxide entstehen hauptsächlich durch die Reaktion von gelöstem Sauerstoff im flüssigen Stahl mit Legierungselementen wie Eisen, Aluminium, Silizium oder Mangan. Die häufigsten Oxideinschlüsse sind Alumina (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und Manganspinelle.

b. Sulfide

Sulfide entstehen durch die Reaktion von Schwefel mit Legierungselementen, hauptsächlich Mangan (MnS). Mangansulfid-Einschlüsse sind häufig in niedrig legierten Stählen und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften stark.

c. Nitride

Nitride wie Aluminium- oder Titan-Nitride bilden sich durch Reaktionen von Stickstoff im Schmelzprozess. Diese Einschlüsse treten insbesondere bei Stählen auf, die unter hoher Stickstoffzufuhr hergestellt werden.

d. Silicate

Silicate entstehen durch die Reaktion von Silizium oder Eisen mit Sauerstoff und sind häufig in Gussstählen zu finden, besonders in solchen, die stark oxidierende Bedingungen während des Gießens aufweisen.

2. Einfluss auf die Qualität und Eigenschaften von Stahlguss

Nichtmetallische Einschlüsse beeinflussen die mechanischen, physikalischen und technologischen Eigenschaften von Stahlguss auf verschiedene Weise:

a. Verringerung der Festigkeit

Einschlüsse wirken oft als Fehlstellen oder Kerben im Material, die Spannungen konzentrieren und Risse begünstigen. Besonders in dynamisch beanspruchten Bauteilen wie Zahnrädern, Wellen oder Turbinenschaufeln können Einschlüsse zu vorzeitigem Bruch oder Ermüdung führen. Sie reduzieren die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit des Stahls.

b. Verschlechterung der Zähigkeit

Einschlüsse stören die homogene Verteilung der Mikrostruktur und führen zu sprödem Verhalten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Sulfid- und Oxideinschlüsse sind besonders problematisch, da sie zur Bildung von Mikrorissen führen, die sich unter Belastung ausbreiten.

c. Beeinträchtigung der Bearbeitbarkeit

Nichtmetallische Einschlüsse können die Bearbeitbarkeit des Stahls während spanender Verfahren wie Fräsen, Drehen und Bohren stark beeinflussen. Harte Oxid- oder Nitrid-Einschlüsse verursachen vorzeitigen Werkzeugverschleiß und können Werkzeugbruch verursachen. Sulfid-Einschlüsse hingegen können manchmal als Schmiermittel wirken und die Bearbeitbarkeit verbessern, allerdings auf Kosten anderer Eigenschaften.

d. Einfluss auf die Schweißbarkeit

Nichtmetallische Einschlüsse beeinträchtigen die Schweißqualität, da sie als Keime für Poren und Risse im Schweißgut wirken können. Sie führen zu ungleichmäßigen Erstarrungsstrukturen und behindern die Bildung einer homogenen Schweißnaht.

e. Oberflächenqualität

Beim Gießen können Einschlüsse an die Oberfläche des Gussstücks gelangen und zu Unregelmäßigkeiten oder Defekten führen, wie z. B. Lunkern, Porositäten und Schlackeneinschlüssen. Diese Defekte müssen durch Nachbearbeitung entfernt werden, was zusätzliche Kosten verursacht und die Effizienz des Gießprozesses verringert.

3. Herkunft der nichtmetallischen Einschlüsse

Die Entstehung von nichtmetallischen Einschlüssen im Stahlguss kann auf verschiedene Quellen zurückgeführt werden:

a. Rohstoffe

Verunreinigungen in den eingesetzten Rohstoffen (z. B. Schrott, Legierungselemente) können zu Einschlüsse führen, wenn diese nicht ausreichend gereinigt oder vorbereitet werden.

b. Schmelzprozess

Während des Schmelzens können nichtmetallische Einschlüsse durch unvollständige Desoxidationsprozesse oder unzureichende Entgasung entstehen. Eine unzureichende Kontrolle der Schmelzparameter kann zu einer erhöhten Sauerstoff- oder Stickstoffaufnahme führen, die wiederum die Bildung von Oxiden und Nitriden fördert.

c. Formmaterial

Formmaterialien und Gießhilfsstoffe, wie Sand oder Keramiken, können in die Schmelze gelangen und dort als Fremdpartikel wirken. Diese führen häufig zu Silikat- oder Aluminaeinschlüssen.

d. Unzureichende Filterung

Nichtmetallische Einschlüsse können auch in den Stahl gelangen, wenn der Schmelzstrom nicht ausreichend gefiltert wird. Durch den Einsatz von Keramikfiltern oder Schlackenreinigern kann der Einschlussgehalt im flüssigen Stahl reduziert werden.

4. Maßnahmen zur Reduzierung von nichtmetallischen Einschlüssen

Um die Qualität und Eigenschaften von Stahlguss zu verbessern, gibt es verschiedene Techniken, um den Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen zu minimieren:

a. Verbesserte Desoxidation

Eine vollständige und kontrollierte Desoxidation des Stahls ist entscheidend, um die Bildung von Oxideinschlüssen zu vermeiden. Die Zugabe von Desoxidationsmitteln wie Aluminium, Silizium oder Calcium kann helfen, den Sauerstoffgehalt zu kontrollieren.

b. Reinigung der Schmelze

Techniken wie die Vakuumentgasung und das Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) sind bewährte Methoden, um nichtmetallische Einschlüsse aus der Schmelze zu entfernen. Diese Verfahren eliminieren Gase und feine Partikel aus dem flüssigen Metall und tragen zu einer saubereren Schmelze bei.

c. Einsatz von Filtern

Der Einsatz von keramischen Filtern während des Gießens kann Einschlüsse aus der flüssigen Schmelze herausfiltern. Dies ist besonders bei hochpräzisen Gussbauteilen von Bedeutung, bei denen höchste Reinheit erforderlich ist.

d. Verwendung von reineren Rohstoffen

Durch die Verwendung von hochwertigem Schrott oder legierungsarmen Metallen, die weniger Verunreinigungen enthalten, kann der Gehalt an Einschlüssen reduziert werden. Vor der Verarbeitung sollten die Rohstoffe auf Verunreinigungen überprüft und gegebenenfalls gereinigt werden.

e. Kontrolle des Formmaterials

Es ist wichtig, auf die Reinheit des Formmaterials zu achten, da Verunreinigungen aus der Form selbst ebenfalls zur Einschlussbildung führen können. Der Einsatz von hochwertigen Keramiken oder speziellen Formstoffen kann das Risiko der Einschlussbildung reduzieren.

5. Auswirkungen von Einschlüssen auf die Einsatzgebiete von Stahlguss

In kritischen Anwendungen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder der Energieerzeugung, kann die Anwesenheit von nichtmetallischen Einschlüssen zu erheblichen Problemen führen. Sie beeinträchtigen die Lebensdauer von Komponenten, insbesondere wenn diese unter hohen dynamischen Belastungen stehen oder extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Die Kontrolle von nichtmetallischen Einschlüssen ist daher ein zentraler Aspekt in der Qualitätssicherung von Stahlguss. Hersteller, die hochwertige Gussstücke herstellen möchten, müssen strenge Prozesse zur Überwachung und Reduktion von Einschlüssen etablieren, um die langfristige Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu gewährleisten.

Fazit

Nichtmetallische Einschlüsse im Stahlguss haben einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, die Verarbeitbarkeit und die Oberflächenqualität der Gussteile. Sie führen zu einer Verringerung der Festigkeit und Zähigkeit, können Bearbeitungsprobleme verursachen und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Defekten. Um die Qualität von Stahlguss zu verbessern, sind strenge Maßnahmen erforderlich, um die Bildung und den Gehalt von Einschlüsse zu kontrollieren. Moderne Technologien wie Vakuumentgasung, verbesserte Desoxidation und die Filtration der Schmelze tragen entscheidend dazu bei, die Reinheit und somit die Leistungsfähigkeit von Stahlguss zu erhöhen.

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