Forschung und Innovation

Zum Einfluss von herstellungsbedingten Ungänzen auf das Festigkeitsverhalten von Bauteilen aus Stahlguss
Dieter Siegele, Peter Tempel, Christian Eichheimer, Majid Farajian, Freiburg, und Ines Veile, Saarbrücken

Die Bewertung von Ungänzen in Bauteilen aus Stahlguss ist ein zentraler Bestandteil der Festigkeitsberechnung. Im Rahmen eines Vorhabens der Industriellen Gemeinschaftsforschung IGF wurde hierzu am Beispiel der Werkstoffe G20Mn5 und G22NiMoCr5-6 ein validiertes rechnerisches Konzept bereitgestellt. Wesentlicher Bestandteil des Vorhabens waren die Validierung verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren, Festigkeitsversuche an Proben mit Ungänzen sowie schädigungs- und bruchmechanische Analysen der Versuche. Die mittels verschiedener ZfP-Verfahren (Ultraschall, erweiterte Ultraschallverfahren, Röntgen-Computertomografie) untersuchten Probekörper lieferten konsistente Ergebnisse. Die Festigkeitsversuche zeigten, dass trotz zum Teil großer Ungänzen ein duktiles Versagen erst im Bereich der Festigkeit des ungänzenfreien Werkstoffs auftrat, wobei die Bruchdehnung mit zunehmender Ungänzengröße abfällt. Als effizientes Konzept hat sich die bruchmechanische Bewertung erwiesen. Die bruchmechanischen Berechnungen liefern konservative Ergebnisse und bestätigen, dass alle Proben mit Ungänzen hohe Belastungen bis über die Fließspannung ertragen, wobei die für die beiden Werkstoffe ermittelten Risszähigkeiten deutlich höher sind als z. B. in der FKM-Richtlinie in Form konservativer Werte angegeben.

Rekonstruiertes 3-D-Volumen aus den Hochenergie-Röntgen-CT-Daten
für Probe P09. (GRAFIKEN: IZFP)

Mit Stahlguss und den vielfältigen Möglichkeiten zu seiner Wärmebehandlung lassen sich für viele Einsatzzwecke die geforderten Werkstoff- und Bauteileigenschaften realisieren. Weitere Vorteile von Bauteilen aus Stahlguss sind, dass sie im Vergleich zu ihrer Herstellung mittels anderer Fertigungsverfahren (z. B. Umformen, Schmieden, Trennen, Fügen) oft deutlich kostengünstiger sind, dass das Gießen nahezu unbegrenzt hinsichtlich der Größe und Wanddicke der Gussteile angewendet werden kann und dass bei Bedarf Stahlguss mit sehr guter Schweißbarkeit zum Verbindungsschweißen zur Verfügung steht. Hinzu kommen sämtliche Verfahrensvorteile des Fertigungsverfahrens Gießen wie z. B. die weitgehend freie Gestaltungsmöglichkeit des Bauteils. Im Stahlguss können somit die vorteilhaften Werkstoffeigenschaften von Stahl und die gestalterischen Vorteile des Fertigungsverfahrens Gießen im Endprodukt vereinigt werden.

Stahlgusswerkstoffe bieten in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Wärmebehandlung ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften. So können hochfeste Vergütungsstähle, z. B. G22NiMoCr5-6 (1.6760), mit einer Zugfestigkeit von z. B. 1200 MPa noch eine Bruchdehnung von 10 % aufweisen. Ein anderer, weit verbreiteter Vergütungsstahlguss, insbesondere auch für Druckbehälter, ist der G20Mn5 (1.6220) mit einer niedrigeren Zugfestigkeit, dafür aber mit einer deutlich höheren Bruchdehnung von 20 %. Diese beiden Stahlgusssorten sind darüber hinaus gut schweißbar. Eine derartige Kombination von Eigenschaften bietet im Bereich der Gusswerkstoffe keine andere Werkstoffgruppe, sodass Stahlgusswerkstoffe für die verschiedensten Anwendungen unentbehrlich sind.

Bei Stahlguss ist das Auftreten von Ungänzen im Gussteilinneren (z. B. Gefügeauflockerungen bzw. Mikrolunker, makroskopische Lunker, Gasblasen, Einschlüsse) – wie auch bei Gussteilen aus anderen Werkstoffen – nicht immer vollständig auszuschließen. Insbesondere ist die höhere Gießtemperatur von Stahlguss mit einer wesentlich größeren linearen Schwindung verbunden, was die Bildung von Poren und Lunkern begünstigt. Daneben können die metallurgischen und sonstigen Bedingungen bei der Erstarrung von Gussstücken aus Stahlguss die Qualität des Endprodukts beeinflussen.

Mit zunehmender Wanddicke ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Ungänzen tendenziell größer. Diese herstellungsbedingten Ungänzen beeinträchtigen dort, wo sie in einem Stahlgussteil vorliegen, die lokalen Werkstoffeigenschaften. Allerdings stellen Ungänzen damit für ein Stahlgussteil bei weitem nicht immer einen Nachteil dar. Das Deutsche Institut für Normung definiert Fehler als einen „Merkmalswert, der die vorgegebenen Forderungen nicht erfüllt“ [4]. Ob eine Ungänze in einem Bauteil nachteilig als Fehler zu bewerten ist, ergibt sich aus dem lokalen Ausnutzungsgrad als Verhältnis von bauteilspezifischer lokaler Belastung und der lokalen, gegebenenfalls durch Ungänzen geminderten Belastbarkeit. Eine realitätsnahe Bewertung von Ungänzen ist dementsprechend nur bei Kenntnis der Ungänzengröße mittels genauer zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) und der Kenntnis der Beanspruchung sowie der Werkstoffeigenschaften möglich.

Die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes Stahlguss werden zum einen grundsätzlich durch die chemische Zusammensetzung, die Gießtechnik sowie die Wärmebehandlung und zum andern durch mögliche herstellungsbedingte Gefügeabweichungen und Ungänzen beeinflusst. Im Rahmen der statischen und zyklischen Festigkeitsbewertung von Gusswerkstoffen erfolgt die Berücksichtigung kleiner Ungänzen mit Größen unterhalb der Nachweisgrenze der Verfahren der volumenorientierten ZfP inhärent durch die vorliegenden Werkstoffeigenschaften. Diese sind dann als repräsentativ für ein Material mit statistisch verteilten Mikrodefekten anzusehen. Zu den offenen Punkten gehört insbesondere die Behandlung größerer Ungänzen.

Dr. Dieter Siegele, Dipl.-Ing. Peter Tempel, M. Sc. Math. Christian Eichheimer, Dr. Majid Farajian, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, Dr. Ines Veile, Fraunhofer- Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken



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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 2/2017 Seiten 28-43
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie, Redaktion kug.bdguss.de 2017
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