I. Massenproduktionsbedingte Schrumpfungsporosität erreicht 40 %, Vergrößerung der Steigrohrhülse schlägt fehl

Die Fallstudie befasst sich mit dem Planetenträgergussteil QT600-10. Das Bauteil weist ein quadratisches Profil mit an vier Ecken angeordneten Lagerzapfen und einer mittigen Zahnbohrung auf. Als kritische Komponente aus duktilem Gusseisen für Getriebesysteme erfordert es eine strenge innere Dichte.

Bei der Prototypenfertigung traten lediglich geringfügige Lunker an der Unterseite der inneren Zahnbohrung auf, die manuell aussortiert werden konnten, um die Lieferanforderungen zu erfüllen. Nach dem Übergang zur Kleinserienfertigung traten die Defekte jedoch sprunghaft auf, wodurch die Ausschussquote aufgrund von Lunker auf bis zu 40 % anstieg. Zahlreiche Gussteile wiesen nach der Bearbeitung innere Hohlräume auf und fielen bei der Fehlerprüfung durch.

Das technische Team wandte zunächst branchenübliche Verfahren zur Verbesserung der Gießleistung an. Sie vergrößerten den Durchmesser der seitlichen Steigrohre von 90 mm auf 105 mm, passten die Gießrichtung an und testeten die Gießtemperaturen in verschiedenen Bereichen. Nach anderthalb Monaten wiederholter Gießversuche vor Ort und Simulationsüberprüfung zeigte sich keine deutliche Verbesserung der Schwindungsporosität. Zusätzlich kam es zu Unterbrechungen des Erstarrungsflusses, sodass der Hotspot nicht mit flüssigem Eisen versorgt wurde. Das Projekt war zwischenzeitlich von Kundenreklamationen und Auftragsverlusten bedroht.

II. Fehlerursache: Unzureichende Kapazität der Steigrohrhülse ist nicht das Problem; der Speiseweg erstarrt vorzeitig.

Anhand von Erstarrungssimulationen und Gusszerlegungsanalysen bestätigte das technische Team die Ursache des Kernbruchs. Das Problem lag nicht in einer unzureichenden Menge an flüssigem Eisen in den Steigrohrhülsen, sondern in einer vorzeitigen Erstarrung und Verstopfung des Speisewegs.

Gussteile kühlen nach folgender Regel ab: Dünne Bereiche erstarren zuerst, dickere Bereiche später. Nach dem Füllen der Form geben die dünnen Bereiche die Wärme schneller ab und bilden bevorzugt eine feste Schale. Dadurch wird die Verbindung zwischen Speiserhülsen und dicken Bereichen direkt unterbrochen. Selbst wenn flüssiges Gusseisen in den Speiserhülsen verbleibt, kann es nicht zu den dicken Bereichen gelangen, wodurch das Speisesystem völlig wirkungslos wird.

1. Risikobewertung anhand des Wanddickenverhältnisses: Bei einem Wanddickenverhältnis unter 1,5 erstarrt das Gussteil nahezu synchron mit geringem Risiko für Lunkerbildung. Ein Verhältnis von 1,5 bis 3 deutet auf ein mittleres Risiko hin, und freie Speisewege müssen gewährleistet sein. Übersteigt das Verhältnis 3, erstarren dünne Bereiche vollständig und schnell, während dicke Bereiche noch flüssiges Metall enthalten, was zu einem extrem hohen Risiko für Lunkerbildung führt. Kühlkörper oder eine überarbeitete Speiserrohrführung sind zwingend erforderlich.

2. Stufenweiser Verlauf der Metallschwindung: Die Flüssigschwindung beträgt 1,5–2 %. Das flüssige Eisen behält seine Fließfähigkeit und lässt sich problemlos speisen. Die Erstarrungsschwindung erreicht 3–4 % und ist die Hauptursache für Schwindungsporosität. In dieser Phase wird das flüssige Eisen halbfest und seine Fließfähigkeit drastisch reduziert, was die Speisung erheblich erschwert. Die Erstarrungsschwindung beträgt ca. 1 %. Das Gussteil ist vollständig ausgehärtet und eine Speisung ist nicht mehr möglich.

3. Materialeigenschaftenunterschiede: QT600-10-Gusseisen mit Kugelgraphit weist einen höheren Perlitgehalt auf. Seine Volumenausdehnung durch Graphitausscheidung zum Ausgleich der Schwindung ist geringer als bei minderwertigem Gusseisen mit Kugelgraphit wie z. B. QT500-7. Dieses Material stellt höhere Anforderungen an die Durchgängigkeit der Zuführungswege und das Zuführungszeitfenster, und bewährte Verfahren für minderwertiges Gusseisen mit Kugelgraphit lassen sich nicht direkt übernehmen.

III. Auf die seitliche Steigrohrvergrößerung verzichten; stattdessen ein zentrales exothermes Steigrohr verwenden

Das technische Team verwarf den herkömmlichen Ansatz, die Steigrohrhülsen einfach zu vergrößern, und überarbeitete die Zufuhrwege. Die optimierte Lösung besteht darin, die zentrale innere Zahnbohrung zu füllen und zentrale exotherme Steigrohrhülsen einzusetzen.

1. Steigrohre werden direkt über den Hotspots platziert, um die Förderstrecke erheblich zu verkürzen und den Wärmeverlust beim Transport des flüssigen Eisens zu reduzieren;

2. Lange, schmale seitliche Zufuhrwege werden eliminiert, wodurch Verstopfungen durch vorzeitige Verfestigung der Zufuhrkanäle grundsätzlich vermieden werden;

3. Exotherme Materialien geben kontinuierlich Wärme ab, um die Verweilzeit des flüssigen Eisens in den Steigrohren zu verlängern und so eine kontinuierliche Versorgung der Hotspots mit flüssigem Eisen während der gesamten Erstarrung zu gewährleisten.

Simulationsergebnisse bestätigen, dass dieses Verfahren eine stabile, sequentielle Erstarrung gewährleistet und die Schwindungsporosität am Boden der inneren Zahnbohrung vollständig beseitigt. Die anschließende Probeproduktion wird die Ausschussrate effektiv senken und die innere Qualität der Serienteile stabilisieren.

Lange Zeit neigten viele Gießereien dazu, die Steigrohre zu vergrößern, sobald Schwindungsporosität auftrat. Diese Methode erhöhte zwar den Verbrauch an flüssigem Eisen, beseitigte aber häufig nicht alle Defekte und trieb die Produktionskosten in die Höhe. Bei Schwindungsporosität sollten Unternehmen zunächst prüfen, ob die Speisewege vorzeitig erstarren. Durch die Anpassung der Steigrohrpositionen, die Verkürzung der Speisewege und den gezielten Einsatz von Kühlkörpern anstelle einer pauschalen Vergrößerung der Steigrohre lässt sich eine optimierte, sequenzielle Erstarrung erreichen. Diese Methodik eignet sich besonders für hochfeste Getriebeteile aus duktilem Gusseisen wie QT600-10 und hilft Unternehmen, den Ausschuss von Probefertigungsmaterialien zu reduzieren, Nachbearbeitungszyklen zu verkürzen und die Serienqualität zu stabilisieren.