Lunker ist ein Begriff aus der Metallurgie und bezeichnet einen bei der Erstarrung gegossener Teile entstandenen Hohlraum. Lunker treten beim Gießen von Schmelzen einzeln oder gehäuft auf. Die als Lunker bezeichneten Hohlräume entstehen durch die Schwindung des Werkstoffvolumens aufgrund der Abkühlung und Erstarrung der Schmelze. Weist ein Gussteil Lunker auf, spricht man von Lunkerung.
In einem erweiterten Sinn werden auch unerwünschte Hohlräume in anderen Materialien als Metall, die auf verschiedenste Art entstehen können, als Lunker bezeichnet. Näheres im Abschnitt Erweiterter Lunkerbegriff.
Etymologie Der Ursprung dürfte im germanischen Wort lunk für „Senke“ liegen. Ebenso ist eine Herkunft von lunken möglich, das in rheinischer Mundart „hohl werden“ bedeutet.„Der Große Brockhaus“, 20. Auflage. 1996; Gerhard Wahrig, „Deutsches Wörterbuch“, ferner Duden, Band 1, „Die deutsche Rechtschreibung“. Ausgaben 1947 und 1991; weniger deutlich in „Duden. Rechtschreibung der deutschen Sprache und der Fremdwörter“, 9. Auflage. 1924, unter „Hüttenw.“: „luftleerer Raum innerhalb der in der Gußform erstarrten Metallmasse“. Weiteres auch im „Sprach-Brockhaus“, Verlag E. Brockhaus, Wiesbaden, 6. Auflage. 1951.
Ursachen der Lunkerbildung mini|rechts|Mikrolunker bei im Lichtbogenofen erschmolzenem Lutetium, aus der Gruppe der Lanthanoide (Seltene Erdmetalle). Aus einem erschmolzenen Rohling wurde dieser 1-cm3-Würfel herausgefräst. Die Anfälligkeit für die Bildung von Lunker ist werkstoffabhängig und kann durch dessen Modifikation beeinflusst werden. Eine gänzliche Vermeidung von Lunkern ist für die meisten Gussteile nicht möglich. Stattdessen wird der Lunker delokalisiert. Dafür werden in der Form zusätzlich zum Einguss ein oder mehrere Steiger vorgesehen, die so positioniert werden, dass der Volumenschwindung mit der Verfügbarkeit flüssiger Schmelze entgegengewirkt wird.
Echte Lunker entstehen nur durch Volumenabnahme (Schrumpfung) beim Erstarren und Abkühlen einer Metallschmelze. Bestimmender Faktor ist allein, ob beim Phasenübergang von flüssig zu fest im Gussstück entstehende Hohlräume durch die Zufuhr (noch) flüssiger Schmelze, die Nachspeisung, gefüllt werden können. Ist dies der Fall, so treten auch keine Lunker im Gussteil auf, sondern im Steiger, welcher anschließend entfernt wird. Andernfalls entwickelt sich die Lunkerung phasenweise, parallel der Volumenschwindung der Schmelze, einer Flüssigkontraktion, die mit dem Unterschreiten der Gießtemperatur TG einsetzt und weitergeht, solange sich die Schmelze noch oberhalb der Erstarrungstemperatur TS befindet. Beim Erreichen des Solidus oder Erstarrungspunktes TS kommt es zu einer sprunghaften Erstarrungskontraktion. Ungeachtet dessen geht die Schrumpfung des erkaltenden Gussstücks noch solange weiter, bis es sich der Raumtemperatur angeglichen hat.
Die echte Lunkerung kann sich in Ausmaß und Erscheinungsform unterschiedlich zeigen.
Man unterscheidet offene und geschlossene Lunker.
Offene Lunker Zu den offenen Lunkern, auch Außenlunker genannt und stets zu den Groblunkern zählend, die dennoch nicht in jedem Fall Gussfehler bedingen, zählen die „Sauglunker“ am Eingusstrichter und an gussstückbedingt aufgesetzten Speisern. Sie beweisen jedenfalls, dass eine Nachspeisung zum Ausgleich von Volumendefiziten bei der Erstarrung stattfand. Sorgfältige Abtrennung vom Gussstück zeigt, ob der Lunker sich auf den Einguss – auch zweiseitiger Einguss ist möglich – begrenzt, oder in das Gussstück hineinreicht und sich insofern als unzulänglich bemessen erweist. Gleiches gilt von den Speisern.
Ebenfalls zu den offenen, weil sichtbaren Lunkern gehört der „Drucklunker“, fachsprachlich auch „Nachsatz“ genannt. Er zeigt sich als Einfallstelle an einer Gussoberfläche. Verursacht wird er dadurch, dass zwar eine Schalenbildung in der Form begann, danach aber Flüssigmetall in andere Bereiche abgesaugt wurde und die bestehende Schale aufgrund ihres Eigengewichts in den unter ihr entstandenen Hohlraum einsank.
Auch Querschnittsübergänge am Gussstück sind für offene Lunkerung anfällig, weil die bereits erstarrten stärkeren Partien von den benachbarten schwächeren und bereits erstarrten keine Nachspeisung erfahren.
Geschlossene Lunkerung Sie sind für die betriebliche Ausschussquote nachteilig, weil sie erst bei einer Dichteprüfung oder der kostenträchtigen Bearbeitung des Gussstücks erkannt werden. Abhängig von der Zusammensetzung der Schmelze treten sie in starkwandigen Partien eines Gussstücks, die nicht ausreichend nachgespeist wurden, entweder als „Groblunker“ (Makrolunker) auf – auch der „Fadenlunker“„langgezogener Hohlraum längs der thermischen Mittelachse“ (lt. Giesserei Lexikon). ist hier zuzuordnen – oder das sich ausbildende Volumendefizit führt zu einer zwischenkristallinen Fein- oder „Mikrolunkerung“, die nur makroskopisch von einer Gasporosität unterschieden werden kann. Legierungen mit breitem Erstarrungsintervall tendieren zu dieser Art von Lunkerung. Eutektische Legierungen – wie AlSi 12 (Aluminium mit 12 % Silizium) – bilden unbehandelt, ohne Beeinflussung des Gefüges durch Natrium oder Strontium, Groblunker aus.
Lunkervermeidung Der Lunker als Gussfehler verursacht entweder Ausschuss und Totalverlust der bisher für das Gussstück aufgelaufenen Bearbeitungskosten (abzüglich des reinen Materialwerts), oder er verlangt kostenträchtige Nacharbeit, insbesondere dann, wenn es um große Teile geht, bei denen eine Reparatur des Fehlers ohne Einbußen an der Gussqualität möglich ist. Die Maßnahmen zur Vermeidung von Lunkern richten sich nach deren Art. Äußerst hilfreich ist eine vorausgehende Gießsimulation, die Problemzonen des Gussstücks erkennen lässt und damit den Weg zu geeigneter Abhilfe anbietet.siehe dazu als Beispiel: P. Kainzinger, M. Wohlfahrt, W. Eichlseder: Makrolunker in Gusseisen mit Kugelgraphit – Vorhersage durch Simulation und deren Einfluss auf die Schwingfestigkeit. In: VoeG Giesserei Rundschau. Jhg. 58, Heft 5/6 2011, S. 106.
Es gibt heutzutage eine Vielzahl von Gießsimulatoren, die zeigen, wie ein bestimmtes Gussstück erstarren wird und wo und in welchem Ausmaß Volumendefizite, zu denen neben dem Schwinden der Schmelze auch das lineare Schwindmaß zählt, bei der Erstarrung in der Form zu berücksichtigen sind. Dies gilt besonders angesichts zumeist sehr unterschiedlicher Wandstärken und sich daraus ergebenden unterschiedlichen Erstarrungszeiten.
Formtechnische Maßnahmen Eingusstrichter verlangen einen reichlich dimensionierten Durchmesser. Nach einer Faustregel soll im Interesse einer raschen, druckvollen Formfüllung der Querschnitt des Eingusstrichters größer sein als die Summe aller die Schmelze in das Gussstück leitenden, vom „Einlauf“ abzweigenden „Anschnitte“. Einem „Verhungern“ des Gussstücks ist damit in einem ersten Schritt vorgebeugt.
Eine weitere Regel besagt, dass sich das heißeste der Form zugeführte Metall bis zuletzt im Einguss findet und das kälteste in der am weitesten von ihm entfernten Zone. Im Idealfall und unter der Voraussetzung eines Stückes mit gleichen Wandstärken entspricht das einer lunkervermeidenden, gerichteten Erstarrung.
Starkwandige Partien im eingussfernen Bereich, ohne Ausgleich der Volumenschrumpfung führen zwingend zu Lunkerung. Dem ist nur dadurch zu begegnen, dass dem kritisch gewordenen Bereich heißes Flüssigmetall zur Verfügung gestellt wird. In der Praxis werden der Form dazu „Speiser“ mit starkem Querschnitt aufgesetzt, in denen das Metall länger als in der Form flüssig bleibt und in den defizitären Bereich „nachgesaugt“ werden kann. Für aufgesetzte Speiser unzugängliche, wegen ihrer Materialanhäufung aber bei der Erstarrung lunkergefährdete Partien können aus eingeformten Blindspeisern (verlorener Kopf) Flüssigmetall zum Ausgleich eines Volumendefizits an sich ziehen.zu den Risiken: C. A. Rowe: Blindspeiser, warum sie manchmal versagen. In: Taschenbuch der Gießerei-Praxis 1993. Verlag Schiele&Schön, Berlin.
Zu den formtechnischen Maßnahmen mit dem Ziel, allen Bereichen eines Gussstücks schnell und dennoch wirbelfrei gleichmäßig heißes Metall zuzuführen, gehört die steigende Formfüllung von unten nach oben. Doppelte Eingusstrichter, Ringläufe rund um das Gussstück, mit mehreren Anschnitten, seitlich tangential gegenläufig oder als Hornanschnitt ausgebildet sind dazu Voraussetzung.
Die Praxis versucht damit auch das heiße Metall bei der Formfüllung zu verteilen, um bei größeren Stücken eine die Lunkerung begünstigende Aufheizung der Einlaufzone zu vermeiden. Hohe Gussteile werden deshalb auch auf mehreren Ebenen angeschnitten.
Gießtechnische Maßnahmen Das zur Ausbildung von Lunkern führende Volumendefizit ist eine physikalische Bedingtheit des Phasenwechsels von flüssig zu fest. Rasche Erstarrung, auch als Abschreckung bezeichnet, verhindert Groblunker und ersetzt sie durch ins Gefüge eingelagerte Mikrolunker. Langsame Erstarrung, wie bei Sandguss der Fall, verlangt gießtechnische Maßnahmen, die den Lunker aus dem Gussstück in offene Speiser oder Blindspeiser, sowie das Eingusssystem verlagern. Damit von diesen Stellen während der Dauer der Erstarrung und damit verbundener Schrumpfung Flüssigmetall nachgeliefert werden kann, isoliert man sie, oder sorgt für zusätzliche Erhitzung. Die einfache Isolierung bedient sich nicht oder nur wenig Wärme ableitender Materialien, die entweder als Manschette um die Speiser und den Einguss gelegt werden, oder als „Einsatz“ ausgeformt sind. Ein weiterer Schritt ist deren Herstellung aus aluminothermisch reagierenden Massen, die nicht nur Wärmeverluste verringern, sondern sogar Wärme zuführen. Zusätzlich können die Speiser und Eingusstrichter noch mit ebenfalls exotherm reagierendem „Lunkerpulver“ abgedeckt werden, oder einen daraus geformten Deckel erhalten.
Um das Auftreten von Lunkern zu vermeiden, stellt eine einschlägige Hilfsstoff-Industrie vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung. Das Gussstück bestimmt indessen, wo eine Isolation angemessen ist, also eingesetzte Isoliersteine oder -ringe bei Stahlguss, oder Einbau von gusseisernen Schreckplatten, Kühleisen und anderen Kühlelementen, teils auf gut leitender Kupferbasis (Kühlkerne, Kühlnägel, Kühlrippen) sei es in Sandgussformen, oder metallische Dauerformen (Schwerkraftkokillenguss, Druckguss).
Lunkerkontrolle Im Hinblick auf vielfältige Ursachen ist auch bei mit Hilfe lunkervermeidender Hilfsmittel hergestellten Gussstücken eine Lunkerung nie völlig auszuschließen. Kontrolle aufgrund ihrer Gestaltung und der verwendeten Legierung lunkerempfindlicher Teile ist daher unumgänglich. Dazu wurden bis ins 20. Jahrhundert überwiegend altüberlieferte Methoden eingesetzt.
Als Mindestvoraussetzung gilt die Sichtprüfung auf nicht immer sofort erkennbare Außenlunker an Querschnittsübergängen.Hilfsmittel sind hierbei Lupe und Reißnadel. Ergänzend werden die Gussteile mit einem Hammer abgeklopft. Der Geübte kann am Klang hören, ob Lunker oder Risse vorliegen. Ein anderes Verfahren, das als Dichteprobe – allerdings vorwiegend zur Überprüfung des Wasserstoffgehaltes und von ihm kommender Porosität – noch heute Bestand hat, ist die Dichtebestimmung unter Anwendung des archimedischen Prinzips.
Bei Serienguss war es üblich, ein entweder nach dem Zufallsprinzip oder nach einer bestimmten gegossenen Stückzahl vom Band genommenes Teil zerstörender Prüfung zu unterziehen und die kritischen Stellen mittels angelegter Schnitte oder Brüche zu überprüfen.