Pinholes - Imerys

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Fehlerbeschreibungen: Pinholes
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Fehlerbeschreibungen: Pinholes
Pinholes
Entscheidungshilfe ➝ S. 154
Sandsteuerung ➝ S. 181
Nadelstichporosität – Randblasen
Erläuterungen
Man unterscheidet zwischen Wasserstoffpinholes, WasserstoffStickstoff-Pinholes sowie CO-Schlackenreaktions-Pinholes.
Wasserstoff- und Wasserstoff-Stickstoff-Pinholes
Die Pinholesbildung verläuft in mehreren Stufen:
1. Reaktion des Wasserdampfes mit Eisenbegleitern an der
Oberfläche unter Bildung von Metalloxiden und atomarem
Wasserstoff, der in das flüssige Metall diffundiert.
Ähnlich werden Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen an der
heißen Metalloberfläche aufgespalten und diffundieren in
das flüssige Metall. Eine Dissoziation von molekularem Stickstoff und Wasserstoff erfolgt bei den vorliegenden Gießtemperaturen nicht.
2. Die Metalloxide reagieren auf Grund von Anreicherungen in
der Schlacke mit dem Kohlenstoff der Schmelze zu CO-Molekülen, die aus der Schmelze ausgeschieden werden und
Mikrogasblasen bilden.
3. In die gebildeten CO-Mikroblasen diffundiert Wasserstoff
und ggf. Stickstoff aus der Umgebung ein und vergrößert die
Blase.
Beschreibung der Merkmale
Poren oder kleine Gasblasen mit glatter Oberfläche. Die nicht
mit der Oberfläche in Verbindung stehenden Bläschen enthalten
häufig einen dünnen Graphitfilm. Wasserstoff- und WasserstoffStickstoff-Pinholes lassen sich nicht unterscheiden.
Die CO-Schlackenreaktions-Pinholes haben ebenfalls glatte
Oberflächen. Die Größe der unter der Oberfläche liegenden Blasen
kann recht unterschiedlich sein. Die Gasblasen treten zusammen
mit sauerstoffreicher Schlacke auf.
Vorkommen des Fehlers
Pinholes können vereinzelt, aber auch flächig auftreten. Alle
Gußstückbereiche können befallen sein. Gußstückbereiche, die
entfernter vom Einguß liegen, können allerdings häufiger Pinholes aufweisen. Wasserstoff und Wasserstoff-Stickstoff Pinholes
treten bei GGL und GGG gleichermaßen auf. Die CO-Schlackenreaktionspinholes treten nur bei GGL auf.
Abb. 32:
Gußteil aus GGL. Großflächiges Auftreten von Oberflächenblasen.
Vergrößerung: 10 mm Bild = 4 mm
CO-Schlackenreaktions-Pinholes
CO-Schlackenreaktions-Pinholes entstehen durch Reaktion
stark oxidierender und flüssiger Schlacken – meist MnO-MnS
reiche Schlacken – mit dem Kohlenstoff der Schmelze unter
CO-Bildung. Im weiteren Verlauf kann auch in diese Blasen
Wasserstoff eindiffundieren.
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Abb. 33:
Fehlerbeschreibungen: Pinholes
Schnitt durch die Oberfläche eines Gußstücks aus GGL im Bereich von Pinholesbildung.
Pineholesbildung wurde durch Oberflächenoxidation, erkennbar an Ferritausbildung, begünstigt.
Vergrößerung: 10 mm Bild = 0,08 mm
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Mögliche Ursachen
Abhilfen
Metallurgie
Eisenmetalle
• zu hoher Stickstoffgehalt der Schmelze auf Grund der Gattierung
• zu hohe Anteile an Oxiden, Hydroxiden (Rost) u.a. Verunreinigungen der Einsatzmaterialien
• zu hoher Aluminiumgehalt der Schmelze
• zu hoher Titangehalt der Schmelze
• zu hohe Mangan- und Schwefelgehalte der Schmelze
Metallurgie
• Bei der Gattierung Materialien mit niedrigem Stickstoffgehalt einsetzen, z. B. Menge an Stahlschrott vermindern.
• Schrott und Rücklauf ohne Verunreinigungen an Rost, Wasser und Öl einsetzen. Kreislaufmaterial ohne Anhaftungen
an Sand und Speiserhilfsstoffen benutzen.
• Einsatzstoffe, vor allem Impfmittel und Kreislaufmaterial mit
niedrigen Aluminium- und Titan-Gehalten verwenden
• Schmelze optimal desoxidieren. Überangebot an Titan oder
Aluminium vermeiden.
• Schlackenbildung, vor allem Bildung von mangansulfidhaltigen Schlacken, durch Einstellen des Magan- und Schwefelgehaltes reduzieren.
Tongebundener Formsand
• zu hohe Stickstoffgehalte im Formsand
• zu hohe Feuchtigkeit des Sandes
• zu geringe Glanzkohlenstoffbildung im Formsand
Kunstharzgebundene Formstoffe
• zu hohe Stickstoffgehalte im Kernsand
• zu hohe Gehalte an Stickstoff / Wasserstoff-Verbindungen
im Kernbinder
Anschnitt- und Gießtechnik
• zu lange Gießwege
• zu große Turbulenzen u. Schlackenbildung beim Gießen
Tongebundener Formsand
• Stickstoffgehalte im Sand reduzieren. Menge an einlaufendem stickstoffhaltigem Kernsand vermindern. Evtl. Neusand
zum Umlaufsand zusetzen.
• Feuchtigkeit des Sandes reduzieren.
• Bentonitgehalt erniedrigen. Formsand besser aufschließen.
Ggf. Inertstaubanteile reduzieren. Glanzkohlenstoffträgermenge so niedrig wie notwendig halten.
• Ggf. bei oxidierender Atmosphäre im Formhohlraum Menge
an Glanzkohlenstoffbildner im Formsand erhöhen. Zu hohe
Zugaben vermeiden.
Kunstharzgebundene Formstoffe
• Menge an Bindemittel reduzieren. Binder mit geringem
Stickstoffgehalt einsetzen.
• bessere Kernentlüftung durchführen, ggf. Kerne schlichten.
• Eisenoxide den Kernsandmischungen zusetzen.
Anschnitt- und Gießtechnik
• Gießtemperatur erhöhen
• Fließmenge in der Form verkürzen
• Turbulenzen beim Gießen vermeiden
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Fehlerbeschreibungen: Pinholes
Hintergrundinformationen
Bei der Pinholesbildung (Randblasenbildung) werden Wasserstoff-, Stickstoff-Wasserstoff-Pinholes sowie Schlacken / CORandblasen unterschieden.
Die Bildung der molekularen CO-Blasen wird nach Gibbs durch die
aufzuwendene Arbeit bestimmt:
Ak = 4 σr²
3
Mechanismus der Pinholesbildung
P = P0 + 2σ
r
Abb. 34:
Schnitt durch eine Oberflächenblase in einem Gußteil aus GGL, Wasserstoff / Stickstofffehler.
Erkennbar am Graphitfilm und der teilweisen Entkohlung der Randzonen. Vergrößerung: 10 mm Bild = 0,05 mm
P
notwendiger Gasdruck in einer
entstehenden Gasblase
P0
atmosphärischer + ferrostatischer Druck
s
Oberflächenspannung der Schmelze
r
Radius der Gasblase
Berechnungen des Gasdrucks, bei dem Gasblasen entstehen
können, zeigen, daß bei der Entstehung eine erhebliche Übersättigung mit Gasen wie Stickstoff und / oder Wasserstoff der
Schmelze notwendig ist.
Randblasen können bei erheblich niedrigeren Gasdrucken an
festen Reaktionsprodukten in der Schmelze entstehen (Phasengrenzen). Ebenso können bei der Bildung von CO-Bläschen durch
Reaktion von Oxiden mit dem Kohlenstoff der Schmelze gelöste
Gase (Stickstoff, Wasserstoff) in die molekulare Gasblase eindiffundieren und Pinholes bilden.
Zur Ausbildung von CO-Bläschen ist eine ausreichende Sauerstoffanreicherung am Rand der Schmelze notwendig.
Bei der CO-Bläschenbildung ist die Oberflächenspannung der
Schmelze proportional zur aufzuwendenden Arbeit.
Die Intensität I der Bläschenbildung wird nach Frenkel und
Thomson durch nachfolgende Gleichung beschrieben:
I=A·e
Ak
kT
Der Einfluß der Oberflächenspannung auf die Entstehung von Pinholes wurde untersucht. Bei höherer Oberflächenspannung wird
die Pinholesbildung unterdrückt.1
Oberflächenspannung bei 1.400°C
Oberflächenspannung [μN / cm]
Gasblasen entstehen in einer Schmelze unter nachfolgenden Bedingungen:
10.000
keine Pinholes
8.000
6.000
4.000
keine Pinholes
Pinholes
Pinholes
2.000
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Aluminiumgehalt [%]
Abb. 35: Einfluß des Aluminiumgehaltes auf die Oberflächenspannung und Pinholesempfindlichkeit bei Gußeisen
mit Lamellengraphit (GGL)
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Fehlerbeschreibungen: Pinholes
Oberflächenspannung [μN / cm]
Oberflächenspannung bei 1.400°C
10.000
keine Pinholes
8.000
Wasserstoff-Pinholes
6.000
4.000
Titan
Tellur
Schwefel
2.000
Pinholes
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Summe der vorhandenen Zusätze [%]
S – keine Pinholes
S – Pinholes
CO-Schlacken-Pinholes
0,2
Bei der Entstehung dieses Fehlers reagieren niedrigviskose, manganoxidreiche Silikatschlacken, die mit Mangansulfid angereichert
sind, mit dem Kohlenstoff der Schmelze unter CO-Bildung.
Bei hohen Mangan- und niedrigen Siliciumgehalten reduziert
Mangan Kieselsäure aus Schlacken und dem Offenfutter. Es
bilden sich dünnflüssige Manganoxidschlacken. Bei hohen Schwefelgehalten ist die Bildung von MnS möglich, das in den Schlakken angereichert wird und die Schlacken noch reaktiver macht.2
0,15
1.350°C
0,1
Schwefel [%]
Pinholes
1.200°C
0,4
0,8
1,2
Me + H2O ➝ MeO + 2H
Der atomare Wasserstoff wird unmittelbar von der Schmelze absorbiert.
Wasserdampf entsteht aus feuchten Feuerstoffen, rosthaltigen
Einsatzstoffen, Bindetonen der Formen und ist in der Luft des
Formhohlraumes beim Gießen enthalten.
Tab. 1 zeigt, wie lange Wasserstoff von einer Schmelze aus
der Auskleidung eines Kupolofens aufgenommen wird.
Abstichzeit
7.00
7.20
7.40
9.00
11.00
12.00
14.15
Wasserstoffgehalt [ppm]
5,6
4,2
3,0
2,2
1,8
1,4
1,6
Kaltwindversuchskupolofen, Abstichmenge jeweils 400 kg
Kupolofendurchmesser 140 cm
Auskleidung des Ofens sauer
Der Ofen wurde 24 h vorher ausgekleidet.
1.280°C
ohne Fehler
0
Wasserstoff wird in einer Schmelze vor allem durch Reaktionen
von starken Sauerstoffbindemitteln wie Aluminium, Magnesium
und Titan, die in der Schmelze vorliegen, mit Wasserdampf eingebracht:
Ti – keine Pinholes
Ti – Pinholes
Abb. 37: Einfluß von Schwefel-, Titan- und Tellurgehalten auf die
Oberflächenspannung und die Pinholesbildung bei Gußeisen mit Lamellengraphit (GGL)
0,05
Schliffbild eines Schlacken / Gasfehlers in einem Gußteil aus GGL.
Vergrößerung: 10 mm Bild = 0,1 mm
Te – keine Pinholes
Te – Pinholes
0
Abb. 36:
Neben reinen CO-Pinholes können auch molekulare CO-Bläschen
als Keime für Wasserstoff-und Wasserstoff-Stickstoff-Pinholes angesehen werden.
1,6
Mangan [%]
Abb.38: Einfluß des Mangan- und Schwefelgehaltes sowie der
Gießtemperatur auf die Pinholesbildung
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Die Ausscheidung von Wasserstoff in einer homogenen Schmelze
ist wenig wahrscheinlich. Bei der Bildung von Oxidkeimen oder
CO-Bläschen ist die Ausscheidung auf Grund des geringeren notwendigen Drucks wahrscheinlicher.
Der gebildetet Wasserstoff reagiert bei den hohen Temperaturen
und Drücken mit dem Kohlenstoff der Schmelze unter Methanbildung. Das Methan zerfällt unter Bildung von Graphit und Wasserstoff:
Cgelöst + 2H2 ➝
CH4
CH4
➝ CGraphit + 2H2
Abb. 39:
Gußteil aus GGL. Auf der gesamten Gußstückoberfläche Blasenbildung.
Vergrößerung: 10 mm Bild = 8 mm
Während der gelöste Kohlenstoff mit Wasserstoff reagiert, wird
der ausgeschiedene Graphit nicht vom hocherhitzten Wasserstoff
unter Methanbildung gelöst.
Auf Grund dieser Vorgänge enthalten Wasserstoffpinholes fast
immer einen dünnen Graphitfilm. Die Bläschen sind von einer
perlitfreien Ferritschicht umgeben.
Wasserstoffpinholes sind normalerweise rundlich. Zum Vergleich sind Stickstoffgasblasen dendritisch ausgebildet. Die Erklärung liegt in der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit der
Gase. Reine Stickstoffblasen enthalten keinen Graphitfilm.
Vermeiden von Wasserstoffpinholes
Wasserstoff wird von einer Eisenschmelze aufgenommen, wenn
zu hohe Mengen an reaktiven Elementen vorhanden sind. Gußeisen-Schmelzen sollten frei von Magnesium und vor allem
Aluminium sein. Aluminiumgehalte von 0,01 % – 0,1 % können
bereits zu gefährlicher Wasserstoffaufnahme führen.
Auch zu hohe Titangehalte, vor allem in Kreislaufmaterialien,
fördern die Pinholesbildung.
Da die Wasseraufnahme hauptsächlich über Wasserdampf
erfolgt, sollten die Gehalte an Hydroxiden, Rost, Feuchtigkeit in
der Form, Kristallwasser im Ton etc. so gering wie möglich gehalten werden.
Die Bildung von Pinholes läßt sich auch vermeiden, wenn genügend Glanzkohlenstoffbildner in der Form vorhanden ist. Die reduzierende Atmosphäre verhindert die Bildung von CO-Bläschen.
Verschiedene Autoren haben auf die Vermeidung von Pinholes
durch Steinkohlenstaubzusatz und anderen Glanzkohlenstoffbildnern hingewiesen.3 – 5
Stickstoff-Wasserstoff-Pinholes
Neben den Wasserstoff-Pinholes treten beim Einsatz stickstoffhaltiger Bindemittel Stickstoff-Wasserstoff-Pinholes auf. Vor allem
bei Einsatz von harnstoffhaltigen Bindern sind solche Fehler erzeugt worden.
Die Stickstoff-Wasserstoffradikale werden an der Oberfläche
der Schmelze zersetzt und im atomaren Zustand unmittelbar von
der Schmelze aufgenommen.
Diese Randblasen haben wie die Wasserstoffpinholes häufig
einen Graphitfilm und einen Ferritsaum. Für die Entstehung gilt
das unter Wasserstoffpinholes beschriebene.
Über diese Pinholeserscheinungen ist häufig, auch in der
deutschsprachigen Literatur, berichtet worden.
Vermeiden von Stickstoff-Wasserstoff-Pinholes
Diese Pinholes können bei hohen Stickstoffgehalten der Schmelze, bedingt durch Einsatzstoffe wie Stahlschrott oder stickstoffhaltige Aufkohlungsmittel, auftreten. Auch hier ist ein Mitwirken
der Gase aus dem Formhohlraum und aus der Form mitentscheidend. Hohe Stickstoffgehalte der Schmelze (über 100 ppm), der
Aufkohlungsmittel, der Kernbinder und der bentonitgebundenen
Sande sollten vermieden werden.
Auch bei diesen Randblasen hat sich der Einsatz erhöhter
Gehalte an Glanzkohlenstoffbildnern im Formsand zur Schaffung
einer reduzierenden Atmosphäre bewährt.
Bei Kernen führt der Zusatz von Eisenoxiden und Bariumsulfat
zur Vermeidung dieser Fehler.
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Schlacken-CO-Pinholes
Literatur
Weitere Literatur
Unter gewissen Bedingungen können sauerstoffreiche Schlacken
mit dem Kohlenstoff der Schmelze unter CO-Bildung reagieren.
Auch flüssige eisenoxidreiche Schlacken zeigen diese Reaktion:
1
➝ Orths K.; Weis W.; Lampic, M.
Verdeckte Fehler bei Gußstücken aus Gußeisen
Giess.-Forsch. 27, 1975, S. 103 – 111
FeO + C ➝ Fe + CO
Die Blasen können auf der Gußoberfläche erkennbar sein, sie werden aber auch z. T. erst bei der Bearbeitung sichtbar. Alle Schlakken, die beim Schmelzen und Gießen gebildet werden, können
durch Anreicherung mit FeO oder MnO dünnflüssig werden und
dann mit dem Kohlenstoff unter Gasblasenbildung reagieren.
Pinholes dieser Art zeigen meist Schlackeneinschlüsse in den
Blasen. In den Schlackeneinschlüssen liegen häufig MnS-Ausscheidungen vor. Der starke Einfluß von MnS auf eine Pinholebildung wird auf die Verflüssigung der Schlacke und damit deren
erhöhte Reaktivität zurückgeführt.
Wasserdampf hat ebenfalls einen negativen Einfluß auf diesen
Fehler.
Vermeiden von Schlacken-CO-Randblasen
Zur Vermeidung dieser Oberflächenfehler ist eine Anhebung der
Gießtemperatur, ein Senken des Schwefelgehaltes und eine
Begrenzung des Mangangehaltes notwendig.
BCIRA empfiehlt den Gießereien die Einhaltung eines Mangangehaltes von 0,7 %.
Andere Autoren empfehlern, den Mangangehalt nicht höher als
0,4 % Si einzustellen.
Weiter wird empfohlen, der Schmelze nur wenig Gelegenheit
zur Oxidation zu geben. Turbulenzen beim Einfüllen sind zu
vermeiden. Fließwege müssen kurz sein. Da der Einfluß von
Wasserdampf stark negativ ist, sollen Bentonitgehalte im Formsand so niedrig wie möglich sein.
Hernandesz, B.; Wallace, J. F.
Mechanismus der Randblasenbildung in Gußeisen mit Lamellengraphit
AFS 1979 Research reports Des Plaines / Il 1979,
S. 39 – 52 (engl.)
2
Henke, F.
Mangan im Gußeisen
Giess.-Prax. 1970, S. 281 – 294
3
Dawson, J. V.; Kilshaw, J. A.; Morgan, A. D.
Art und Entstehung von Gasblasen in Gußeisenteilen
Mod. Cast. 47, 1965, S. 144 – 160
4
Bauer, W.
Einfluß der chemischen Zusammensetzung und der Formstoffe auf Gasblasenfehler im Gußeisen
Gießerei-Rundschau 31, 1984, S. 7 – 13
Giess.-Prax. 1984, S. 198 – 205
5
Fujio, S.; Yamada, J.; Mizuno, K.; Yamauchi, Y.; Tanimura, H.
Vermeidung von Pinhole-Bildung bei Gußeisen mit Kugelgraphit
Imono 56, 1984, S. 212 – 218 (jap. m. engl. Zusammenfassung)
➝ Orths K.; Weis, W.; Lampic, M.
Gesetzmäßigkeiten und Zusammenwirken von Regelgrößen
bei der Entstehung verdeckter Fehler bei Gußeisen
Giess.-Forsch. 28, 1976 , S. 15 – 26
➝ Greenhill, J. M.
Fehlerdiagnose in Gußeisenstücken
Foundry 99, 1971, S. 56 – 60 (engl.)
➝ ohne Verfasser:
Gußoberflächen – verdeckte Bläschen im Zusammenwirken
mit MnS-Ausscheidungen
Mod. Castings 1978, S. 53
➝ Gittus, J.
Randblasen im Gußeisen mit Kugelgraphit
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➝ Dawson, J. V.; Smith, L. W. L.
Pinholes-Bildung in Gusseisen und ihre Abhängigkeit von der
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BCIRA. – Journal 6, 1956, S. 226
Fehlerbeschreibungen: Pinholes
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Einfluß der Zusammensetzung von Grünsandformen auf die
Bildung von Pinholes
BCIRA Journal 11, 1963, S. 319 – 335
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Pinholes
BCIRA Journal 10, 1962, S. 433 – 437
➝ Vogel, D.
Beabsichtigte Erzeugung von Pinholes im Gußeisen mit
Kugelgraphit und seine Entstehung
Staatl. Ing. Schule Duisburg 1964, Diplomarbeit
➝ Berndt, H.
Die Pinhole-Bildung von Gußeisen mit Lamellengraphit bei
Verwendung von Hot-Box-Kernen
Gießerei 52, 1965, S. 548 – 555
➝ Berndt, H.; Unger, D.
Prüfung von Formsandmischungen f. das Hot-Box-Verfahren
Gießerei 53, 1966, S. 96 – 105
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Zur Begasung u. Entgasung von schmelzflüssigem Gußeisen
Buderus techn. Bl., Febr. 62, 60 S.
➝ Dawson, J. V.
Untersuchungen über die Randblasenbildung in Gußeisen
BCIRA Journal 8, 1960, S. 805 – 811
➝ Patterson, W; v. Gienanth
Dipl.-Arbeit über Nadelstichporositäten im Gußeisen
TH Aachen, Mai 1962
➝ Murray, W. G.
Randblasen in Gußeisen mit Kugelgraphit
Brit. Foundryman 55, 1962, S. 85 – 93
➝ Verfasser nicht genannt
Pinholes im Grauguß
Foundry, 1965, S. 162
82
Fehlerbeschreibungen: Pinholes
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Einfluß v. Stickstoff auf die Randblasenbildung bei Stahlguß
Mod. Cast. 50, 1966, S. 95 – 103
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Die Bedeutung der Eisenoxidzugabe zum Formstoff
Gießerei 59, 1972, S. 61 – 71
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Pinholes in Graugußstücken
Giess.-Prax. 1964, S. 123 – 126
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Ein Fall von Randblasen (Pinholes) in der Oberfläche von GG
Fonderie, Fondeur aujourd‘hui 1986, S. 27
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Gießereitechnik 22, 1974, S. 320
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Einfluß der Desoxidation auf die Pinholesbildung bei Stahlgußstücken beim Gießen in kunstharzgebundene Formen
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Wasserstoffgehalte im Gußeisen (67 Literaturhinweise)
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Gase im Gußeisen (78 Literaturhinweise)
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Zum Einfluß des Stickstoffs auf die Gasblasenbildung im
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Pinholes bei Gußstücken aus Gußeisen mit Kugelgraphit
(Naßgußsand) und Maßnahmen zu deren Vermeidung
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