So schwingt das Eisen – Neues Analyseverfahren spart Ressourcen und Energie beim Eisenguss

Berechnete Schwingfestigkeiten eines Lagerbocks für Lastkraftwagen auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung). Graphik: Fraunhofer LBF

Berechnete Schwingfestigkeiten eines Lagerbocks für Lastkraftwagen auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung).
Graphik: Fraunhofer LBF

Seit rund 5.000 Jahren nutzt der Mensch Eisen in unterschiedlicher Form. Den-noch gilt auch für diesen vermeintlich geheimnislosen Stoff: Es gibt immer noch etwas zu optimieren. Zum Beispiel bei der Beurteilung der Schwingfes-tigkeit von Eisenguss, der als preisgünstiges Verfahren häufig zur Herstellung von Bauteilen von Autos, Maschinen und Windkraftanlagen eingesetzt wird. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässig-keit LBF fanden eine Methode, die Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gussei-sen mit Kugel- und Vermikulargraphit bereits in der Entwicklungsphase zu beurteilen. Damit erhöht sich die Ausfallsicherheit nicht nur in der Produktion, sondern auch die Sicherheit des Endprodukts. Die Methode erlaubt es, die Le-bensdauer von Gussbauteilen zu berechnen, deren Belastbarkeiten besser ab-zuschätzen und die Kosten im Herstellungsprozess zu optimieren. Insbesonde-re im Automobilbau wird das Verfahren Eisengießen jetzt besser ausreizbar und damit wirtschaftlicher, denn es lassen sich Ressourcen und Energie einspa-ren.

Der Gießprozess beeinflusst die Schwingfestigkeit von Eisengussbauteilen. Neben einer tragenden metallischen Matrix enthalten sie Graphitpartikel – mechanisch gesehen sind dies Hohlräume. Deren Anzahl, Form und Lage kann die Lebensdauer eines ansonsten fehlerfreien Gusseisens um den Faktor zehn beeinflussen. Um die Schwankungen der inhomogen verteilten Schwingfestigkeit derartiger Gusseisengefüge bewerten zu kön-nen, haben die Darmstädter Wissenschaftler neue Methoden entwickelt.

Hohlräume beeinflussen Lebensdauer

Nach dem Stand der Technik wird die Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugel- oder Vermikulargraphit aus Kennwerten des statischen Zugversuchs abge-schätzt. In ihrem Forschungsprojekt unternahmen die LBF-Forscher Versuche an Proben aus Gussprobekörpern sowie aus Bauteilen. An etwa zehn Prozent aller Proben führten sie Gefügeanalysen durch. Anhand der Bildanalysen und Ergebnisse der Schwingfestig-keitsversuche untersuchten sie Korrelationen zwischen ausgewählten Gefügekenn-größen und Parametern von Dehnungs- und Spannungswöhlerlinien.

Das Ergebnis: Korrelationen, die den Perlitgehalt, die Kugelzahl und die Nodularität – ein Maß für die Kugelförmigkeit des Graphits in Gusseisen – enthalten, versprechen eine zuverlässige rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit. Darüber hinaus schlug das Team einen modifizierten Ansatz zur Berücksichtigung von Spannungskonzentrationen bei der Bauteilauslegung basierend auf dem höchst beanspruchten Werk-stoffvolumen vor.

Anschließend führten die Darmstädter Wissenschaftler rechnerische Lebensdaueranaly-sen von Versuchen an LKW-Lagerböcken und an Zylinderkurbelgehäusen unter Zuhilfe-nahme der erarbeiteten Korrelationsgleichungen durch. Die Aussagegüte dieser Analy-sen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte sich sowohl für die Lebensdauer als auch für den Anrissort signifikant.

Der Projektpartner MAGMA implementierte ein Korrelationsmodell mit reduzierter Anzahl an Gefügekenngrößen in das Gießereisimulationsprogramm Magmasoft®. Es zeigte sich, dass die Versuchsergebnisse an Proben und Bauteilen gut mit den durch die Simulation ermittelten Schwingfestigkeiten übereinstimmen.

Berechnete Schwingfestigkeiten eines Maschinenträgers einer Windenergieanlage auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung). Graphik: Fraunhofer LBF

Berechnete Schwingfestigkeiten eines Maschinenträgers einer Berechnete Schwingfestigkeiten eines Maschinenträgers einer Windenergieanlage auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung).
Graphik: Fraunhofer LBF

Frühzeitiges Beurteilen

Die von den LBF-Forschern erarbeiteten Ergebnisse ermöglichen bereits in der Entwick-lungsphase eine Beurteilung der Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugel- und Vermikulargraphit. Zudem kann durch quantitative Metallographie die loka-le Qualität des Bauteils zielgerichtet eingeschätzt werden. Prozessbedingte Schwan-kungen der Schwingfestigkeit, die bisher durch erhöhte Sicherheitsfaktoren Zufalls-schwankungen zugeordnet wurden, können systematisch erfasst werden. Dadurch lassen sich Abschätzungen der Eigenschaftsstreuungen identifizieren und der Gießpro-zess in Hinblick auf die örtlich am Bauteil erforderliche Schwingfestigkeit optimieren.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes machen Sensitivitätsstudien möglich, mit de-nen Mittelwerte und Schwankungsbreiten von Schwingfestigkeiten am Bauteil abge-schätzt werden können. Fertigungsspezifische Schwingfestigkeitsstreuungen, die für Eisenguss kleiner sind als in Richtlinien angenommen, können im Bemessungsprozess verwendet werden. Somit lassen sich materialbezogene Sicherheitsfaktoren senken.

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