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Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigten GJS

Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS) ist einer der am häufigsten und am vielseitigsten eingesetzten Gusswerkstoffe. Dies resultiert aus den hervorragenden Gießeigenschaften, den guten mechanischen Eigenschaften, der Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß sowie einem geringen Kosten- Nutzen-Verhältnis bei dessen Anwendung. Einsatz findet GJS in modernen Windkraftanlagen in Form von Rotornaben, Achsen, Rohradaptern und Hauptrahmen. Weitere Einsatzgebiete sind Sicherheitsbauteile in der Automobilindustrie, wie Achsschenkel und Achsköpfe, Transport- und Verwahrungsbehälter für die Nuklearindustrie, Pumpen und Ventile für korrosive Medien, Bauteile für das Eisenbahnwesen, den Bergbau, die Landwirtschaft sowie den militärischen Sektor.

Die exzellenten Eigenschaften von GJS beruhen auf einer stahlähnlichen Matrix, in die kugelförmige Grafitausscheidungen eingebettet sind. Die Mikrostruktur ist dabei abhängig von der chemischen Zusammensetzung, dem Keimhaushalt sowie der Abkühlgeschwindigkeit während der Erstarrung. Eine perlitische Matrix führt zu einem vergleichsweise spröden Werkstoff mit einer hohen Festigkeit. Konventionelles ferritisches GJS ist weich und duktil, bei einer akzeptablen Zugfestigkeit. Eine Matrix, welche Anteile an beiden Phasen enthält, weist eine Kombination dieser Eigenschaften auf.

Neben der Ausprägung der Matrix werden die mechanischen Eigenschaften durch die Anzahl, Größe und Form der Grafitausscheidungen bestimmt. Während der eutektischen Erstarrung ist eine Mindestanzahl von nodularen Grafitausscheidungen Voraussetzung, um die Bildung von Carbiden und Mikroporosität zu verhindern, da diese eine Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften zur Folge haben. Carbide führen darüber hinaus zu einem hohen Werkzeugverschleiß und folglich zu höheren Kosten für die mechanische Bearbeitung. Nach C. Labrecque ist eine Anzahl <60 Grafitkugeln/mm² unzureichend, um Mikroporosität und Mikrocarbide zu vermeiden.

Ferner beeinflusst die Grafitkugelzahl das vorliegende Verhältnis von Perlit zu Ferrit und auch auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften. Je größer die Kugelanzahl ist, desto größer ist der Ferritanteil in der Matrix, da diese thermodynamisch stabile Phase während der eutektoiden Umwandlung durch Diffusion des Kohlenstoffs aus dem Austenit an die vorliegende Grafitphase entsteht. Weiterhin führt eine höhere Kugelzahl zu kürzeren Diffusionswegen, was die Formation von Ferrit zusätzlich begünstigt. Neben dem Einfluss auf die Ausbildung der Mikrostruktur wirken sich die Grafitausscheidungen auch direkt auf die mechanischen Eigenschaften aus. Beispielsweise führt eine erhöhte Anzahl an Kugeln zu einer höheren Dauerfestigkeit. Eine hohe Kugelzahl führt zu einer geringeren mittleren Kugelgröße, da sich beide Parametergrößen invers proportional verhalten. Unabhängig von der Matrix werden die Dauerfestigkeit und die Duktilität mit abnehmender Kugelgröße stark erhöht. Ferner führt eine hohe Kugelzahl zu geminderten Seigerungseffekten, die die Ausbildung spröder Phasen in der Matrix hervorrufen können.
 

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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 6/2017 Seiten 38 - 45
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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Siliziumseigerungsätzung nach Klemm an einer Probe mit 3,8 Gew.-% Silizium, 200-fach vergrößert (gelb: siliziumreiche, blau: siliziumarme Bereiche). Grafik: RWTH Aachen

Grafik: RWTH Aachen