70 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 71 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. 72 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 73 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 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 74 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 75 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) 76 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 77 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 78 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 79 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 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. 80 Fehlerbeschreibungen: Pinholes 81 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 BCIRA. Journal 5, 1933, S. 394 u. 603 ➝ Dawson, J. V.; Smith, L. W. L. Pinholes-Bildung in Gusseisen und ihre Abhängigkeit von der Wasserstoffabgabe aus dem Formsand BCIRA. – Journal 6, 1956, S. 226 Fehlerbeschreibungen: Pinholes ➝ Pidgeon, C. L. Einfluß der Zusammensetzung von Grünsandformen auf die Bildung von Pinholes BCIRA Journal 11, 1963, S. 319 – 335 ➝ Dawson, J. V. 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 ➝ Nipper, H. A.; König, R.; Gries, H. 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 ➝ Chen, F.; Keverian, J. Einfluß v. Stickstoff auf die Randblasenbildung bei Stahlguß Mod. Cast. 50, 1966, S. 95 – 103 ➝ Berndt, H.; Unger, D.; Räde, D. Die Bedeutung der Eisenoxidzugabe zum Formstoff Gießerei 59, 1972, S. 61 – 71 ➝ Frommhagen, A. Pinholes in Graugußstücken Giess.-Prax. 1964, S. 123 – 126 ➝ Autor unbekannt Ein Fall von Randblasen (Pinholes) in der Oberfläche von GG Fonderie, Fondeur aujourd‘hui 1986, S. 27 ➝ Schitikow W. S.; Schulte G.; Gederewitsch, N. A.; Tschebotar L. K. Die Pinholesbildung in GGL Lit. Proisv. 1973, S. 18 Gießereitechnik 22, 1974, S. 320 ➝ Poyet, P.; Elsen, F.; Bollinger, E. Einfluß von Zusätzen an Eisenoxid zum Formsand in der Stahlgießerei Hommes et Fonderie 161, 1986, S. 11 – 22 (franz.) ➝ Kokonov, A. T. Einfluß der Desoxidation auf die Pinholesbildung bei Stahlgußstücken beim Gießen in kunstharzgebundene Formen Lit. proisv. 1979, S. 9 ➝ Carter, S. F.; Evans, W. J.; Harkness, J. C.; Wallace, J. F. Einflußgrößen bei der Pinhole-Bildung in Gußeisen mit Lamellengraphit und Gußeisen mit Kugelgraphit Amer. Foundrym. Soc. 87, 1979, S. 245 – 268 (engl.) Giess. 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