Mischkristallverfestigte GJS-Werkstoffe für Groß- und Schwergussteile

Abbildung 1: Übersicht des Eigenscbaftsniveaus im Vergleich

Abbildung 1: Übersicht des Eigenscbaftsniveaus im Vergleich

Herbert Werner und Ingo Lappat. Meuselwitz Benjamin Ajrich, Freiberg

Einleitung

Die Basisnorrn für Gusseisen mit Kugel­graphit (GJS) DIN EN 1563 [1] wurde vor ca. 2 Jahren um die rnischkristallverfe-stigten Qualitäten GJS 450-18, 500-14 und 600-10 erweitert. Damit stehen neben den klassischen Güten GJS 450-10. 500-7 und 600-3 Sorten mit verbes­sertem Eigenschaftsniveau zur Verfü­gung.

Die neu aufgenommenen rein ferritischen Güteklassen GJS 450-18, 500-14 und 600-10 [Abbildung 1] werden durch ei­nen angehobenen Si-Gehalt erzeugt und zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen   ferritischperlitischen   Varianten durch folgende Eigenschaften aus:

  • Erhöhung der Duktilität ohne Festig­keitsverlust
  • Steigerung des Streckgrenzenverhältnis (Rp0,2/Rm) von ca. 0,6 auf ca. 0,8
  • Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch ein homogen ferritisches Grundgefüge (genormte Härtedifferenz AHBW = 30; vorher zw. 50-80).

Im Zuge der wachsenden kundensei-tigen Nachfrage wurden durch die Enge­neeringabteilung der Meuselwitz guss Eisengiesserei Versuchsreihen durchge­führt, um diese Werkstoffe prozesssicher herzustellen und an spezielle Kundenan­forderungen anzupassen.

Abbildung 2 - MikroStrukturen von ferritischperiitischem und Si-legiertem GJS

Abbildung 2 – MikroStrukturen von ferritischperiitischem und Si-legiertem GJS

Stand der Technik

Gusseisen mit Kugelgraphit ist ein sta­bil erstarrender Eisengusswerkstoff mit sphäroidischer Kohlenstoffrnorphologie.

Diese Graphitform führt zu einer mini-mierten inneren Kerbwirkung gegenüber dem klassischen Grauguss (GJL) und garantiert Zugfestigkeiten von Rm = 350 –    900 MPa bei Dehnungen von A = 22 –    2%. Erfahrungsgemäß erfolgt die Definition des Eigenschaftsniveaus über das Ferrit-Perlit-Verhältnis.  Dabei  kann mit Hilfe von Legierungselementen wie beispielsweise Mn, Cu oder Sn der Anteil an Perlit im Grundgefüge beeinflusst, und auf diesem Wege in Form eines steigenden Perlitanteils zur Verfestigung beigetragen werden. Mit steigender Festigkeit sinken allerdings   die   duktilen   Eigenschaften. Aufgrund von  variierenden Abkühlungsverhältnissen bei geometrisch komplexen Bauteilen ist ein definiertes Ferrit-Perlit- Verhältnis im Gusszustand nicht in allen Fällen darstellbar. Abweichungen diesbezüglich äußern sich in einer wechselnden mechanischen Bearbeitbarkeit. Mischkristallverfestigte   Gusseisenqualitäten werden dagegen über die Zugabe von Silicium erzeugt, das den Ferrit stabilisiert,  ihn verfestigt und gleichzeitig die Perlitbildung unterdrückt. (Abbildung 2) verdeutlicht die entstehenden rnikro- strukturellen Unterschiede.

Abbildung 3 - Si-Beeinflussung des eutektoiden Umwandlungsbereichs [2]

Abbildung 3 – Si-Beeinflussung des eutektoiden Umwandlungsbereichs [2]

Während sich die konventionellen Silizi-umgehalte im Gusseisen mit Kugelgraphit zwischen 1,9-2,7% bewegen, enthalten die modifizierten Sorten bis zu 4,3% Silizium. Der Wirkungsmechanismus ist auf zwei Haupteffekte zurückzuführen:

  • Zunehmende Ferritisierung des Grundgefüges
  • Mischkristallverfestigung des stabili-sierten Ferrits

Abbildung 3 visualisiert die Aufweitung des stabilen eutektoiden Umwandlungs-bereichs (Austenit -^ Ferrit + Graphit) mit steigendem Si-Gehalt. Damit begünstigt sich die Ferritbildungauch bei schnelleren Abkühlungsgeschwindigkeiten (dünnere Wandstärken), und eine homogene metal-lische Grundmatrix entsteht. Aufgrund der zunehmenden Gefügehomogenität (vgl. Abbildung 2) ist anhand der MikroStruktur anschließend keine eindeutige Aussage über die zu erwartende mechanische Eigenschaft zu treffen.
Die Mischkristallverfestigung wird durch unterschiedliche Atomradien von Eisen und Silicium hervorgerufen. Silicium besetzt reguläre Gitterplätze der kubischraumzentrierten Elementarzelle (Ferrit) und bildet daher einen, auf atomarer Sichtweise verspannten Substitutions-mischkristall (vgl. Abbildung 4). Damit steigt mit zunehmenden Si-Gehalten der Grad der Verfestigung. Aktuelle Veröffentlichungen [4, 5, 6] beschreiben die Auswirkungen eines steigenden Si-Gehaltes (bis zu 6%) auf mechanische Eigenschaften von GJS.

Abbildung 4 - Si-induzierter Substitutionsmischristall [3]

Abbildung 4 – Si-induzierter Substitutionsmischristall [3]

Abbildung 5 – Zugfestigkeit (oben) und Bruchdehnung (unten) bei steigenden Si-Gehalten [4]

Abbildung 5 – Zugfestigkeit (oben) und Bruchdehnung (unten) bei steigenden Si-Gehalten [4]

Aus den Ergebnissen von Löblich et. al. konnte ein Si-Grenzgehalt von 4,3 wt.-% ermittelt werden [4]. Ein Überschreiten führt zu einem drastischen Abfall der Dehnung, begleitet von reduzierten Festigkeiten. Dies wird auf die Bildung einer Uberstruktur mit reduzierten mechanischen Eigenschaften zurückgeführt.

Abbildung 6 – Flügelprobe

Abbildung 6 – Flügelprobe

Daraus ist abzuleiten, dass eine sehr exakte Einhaltung der chemischen Zusammensetzung Grundvoraussetzung ist, um diese Werkstoffe prozesssicher herzustellen.

Versuchsdurchführung bei Meuselwitz GUSS

Um die Auswirkungen einer veränderten Schmelztechnologie auf das für die Gie-ßerei typische Produktionsspektrum zu übertragen, fanden Voruntersuchungen an einer eigens entworfenen Flügelprobe (Abbildung 6) statt.

Abbildung 7 – Ergebnisse aus Bauteilproben der Flügelprobe

Abbildung 7 – Ergebnisse aus Bauteilproben der Flügelprobe

Mit Hilfe dieses Probekörpers können Werkstoffprüfungen in verschiedenen Wanddicken (hier 40 – 100mm) durchgeführt werden. In Abbildung 7 finden sich die Verläufe von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung für Wanddicken von 80 und 100mm.

Aus den Voruntersuchungen kann ein Grenzwert des zulässigen Si-Gehalts zwischen 4,1-4,4 -wt.% definiert werden. Zu erkennen ist, dass der Steilabfall der Deh-nung dem Festigkeitsverlust vorauseilt. Ein Vergleich zwischen den normativen Mindestanforderungen und den ersten erhaltenen Festigkeiten und Dehnungen im Versuchsteil liefert Abbildung 8. Dieser Vergleich zeigt, dass die Anforderungen eingehalten, und in Verbindung mit der Schmelztechnik bei MGE in den meisten Fällen auch deutlich überschritten werden. Für die mischkristallverfestigen GJS-Werkstoffe existieren bei Wanddicken jenseits von 60mm keine normativen Richtwerte, was einen Vergleich diesbezüglich verhindert.

Abbildung 8 – Vergleich der Mindesteigenschaften (Richtwerte aus Gussstückproben) lt. DIN EN 1563 (hellgrün und hellblau) mit den erhaltenen Eigenschaften der Flügelprobe (dunkelgrün und dunkelblau)

Abbildung 8 – Vergleich der Mindesteigenschaften (Richtwerte aus Gussstückproben) lt. DIN EN 1563 (hellgrün und hellblau) mit den erhaltenen Eigenschaften der Flügelprobe (dunkelgrün und dunkelblau)

Zusammenfassung

Mischkristallverfestigtes GJS zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Primär ist eine Erhöhung von Zugfestigkeit und Streckgrenze zu verzeichnen. Des Weiteren ist das Niveau der Dehnung dem von ferritisch-perlitischen GJS-Sorten deutlich überlegen. Metallurgisch ist ein Si-Grenzwert von ca. 4,3% einzuhalten, um das Gebiet des Eigenschaftsverlusts zu vermeiden. Ferner liefert ein gesteigertes Streckgrenzenverhältnis neue Möglichkeiten für den Konstrukteur, das Leichtbaupotential von Gusseisenwerkstoffen weiter auszuschöpfen.

Abbildung 9: Rotornabe einer Windenergeianlage aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 16000 kg

Abbildung 9: Rotornabe einer Windenergeianlage aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 16000 kg

Diese Voruntersuchungen und erste Ab-güsse im Hause Meuselwitz GUSS konnten den aktuellen Stand der Technik am Gussteil verifizieren. Die skizzierten Erkenntnisse zeigen, dass sich mischkri-stallverfestigte GJS-Werkstoffe auch für den Einsatz im Bereich Großguss qua-lifizieren. Im Rahmen weiterführender Untersuchungen zur prozesssicheren Herstellung dieser Werkstoffgruppe, wurde es durch geeignete metallurgische Maßnahmen möglich, auch bei größeren Wandstärken entsprechende Kennwerte nachzuweisen. Weiterhin konnten von der DIN-Norm abweichende Variationen erstellt werden, die an spezielle Anforderungen des Kunden angepasst wurden. Derzeit werden bei Meuselwitz GUSS die mischkristallverfestigten Gusseisen mit Kugelgraphit für Gussteile aus den  Bereichen Mühlenherstellung (Zement, Kalkstein, Kohle), Kunststoffeinspritzmaschinen, Pressenbau, Antriebstechnik und für Windkraftanlagen eingesetzt. Abbildung9, 10 und 11

Abbildung 10: Druckstück einer Zementmühle aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 8750 kg

Abbildung 10: Druckstück einer Zementmühle aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 8750 kg

Quellen:
[1] D. D. l. f. N. e.V.. „D1N EN 1563:2011 Gießerei-wesen – Gusseisen mit Kugelgraphit,“ Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin. 2012. [2] Rio Tinto Iron & Titanium Inc.. Sorelmetal -Gusseisen mit Kugelgraphit, Montreal, Quebec, 200-1.

Abbildung 11: Lagerbuchse einer Zementmühle aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 18800 kg

Abbildung 11: Lagerbuchse einer Zementmühle aus mischkristallverfestigten GJS, Gewicht ca. 18800 kg

[3] D. R. Askeland, Materialwissenschaften, Springer, 2010.
[41 H. Löblich und W. Stets, ..Werkstoff- und fertigungstechnische Grundlagen der Herstellung und Anwendung von hoch siliciumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit, Teil 1.“ Giesserei, Nr. 100. pp. 30-47. 07 2013.
[5] H. Löblich und W. Stets, „Werkstoff- und fertigungstechnische Grundlagen der Herstellung und Anwendung von hoch siliciumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit. Teil 2.“ Gießerei, Bd. 100, pp. 42-53, 08 2013.
[6] R. Larker, „Solution strengthened ferritic duc-tile iron ISO 1083/JS/500-10 provides superior consistent properties in hydraulic rotators.“ China Foundry, pp. 343-351, 11 2009.

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