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Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigten GJS, Teil 2

Gusseisen mit Kugelgrafit, kurz GJS, ist ein nach DIN EN 1563 genormter Gusswerkstoff auf Eisen-Kohlenstoff-Basis, bei welchem der elementar ausgeschiedene Kohlenstoff überwiegend in Form von Grafitkugeln vorliegt. Die mechanischen Eigenschaften dieses attraktiven Gusswerkstoffs werden überwiegend über die Mikrostruktur der Matrix eingestellt. Eine vollferritische Matrix bietet eine maximale Bruchdehnung bei moderater Zugfestigkeit. Durch Einbringen einer zweiten lamellaren Phase, dem Eisencarbid (Fe3C), welche zusammen mit dem lamellaren Ferrit das Eutektoid Perlit bildet, wird der Widerstand gegen die Bewegung von Gleitversetzungen erhöht. Daraus resultiert eine Festigkeitssteigerung verbunden mit einer relativ starken Absenkung der Bruchdehnung. Somit können durch die Einstellung des Ferrit/Perlit-Verhältnisses GJSSorten mit einer maximalen Bruchdehnung von 22 % bei einer moderaten Zugfestigkeit von 350 MPa, einer maximalen Zugfestigkeit von 900 MPa und einer geringen Dehnung von 2 % oder Sorten mit einem gewissen Kompromiss zwischen beiden Eigenschaften angeboten werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Festigkeitssteigerung der Matrix stellt das Legieren von Elementen dar, bei der das zugegebene Element in fester Lösung im Ferritmischkristall vorliegt. Die festigkeitssteigernde Wirkung basiert auf Wechselwirkungen zwischen den Legierungsatomen mit Stufen- und Schraubenversetzungen.

Die Möglichkeit einer Silizium-Mischkristallverfestigung der Metallmatrix in Gusseisen mit Kugelgrafit wurde nach R. Larker zuvor über lange Zeit aus zwei Gründen ausgeschlossen und wurde deshalb national und international nur mit geringer Aufmerksamkeit bedacht: Zum einen, weil im US-Patent von Millis u. a. von 1949 eine Verschlechterung der Härte, der Zugfestigkeit und der Duktilität durch Siliziumgehalte von mehr als 2,5 Gew.-% prognostiziert wurden. Zum anderen wurde einem erhöhten Siliziumgehalt eine verstärkte Bildung von Chunkygrafit, einer speziellen Form der Grafitentartung, im Inneren von dickwandigen Gussstückpartien zugeschrieben. Diese Grafitentartung kann nach R. Larker im Falle der Studie von Millis u. a. fälschlicherweise nicht direkt auf den Siliziumgehalt zurückgeführt werden, sondern auf ein lokal verringertes Sauerstoffangebot in der Schmelze.

Die Versuchsergebnisse zweier anscheinend in den folgenden Jahrzehnten weniger beachteten Studien widersprachen Millis u. a. ebenfalls. So zeigten White u. a. und Peleg auf, dass bei einem Siliziumgehalt zwischen 4 und 5 Gew.-% mittels Mischkristallverfestigung eine hohe Zugfestigkeit bei sehr guten Bruchdehnungswerten in einem GJS realisiert werden kann. Zudem senkt der hohe Siliziumgehalt die Gefahr der Carbidbildung, welche die Bearbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften des GJS-Bauteils mindern kann.

 

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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 7/2017 Seiten 40-51
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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300-fache Vergrößerung der Bruchfläche einer Zugprobe aus einem YIV-Keil mit 3,8 Gew.-% Silizium mittels Rasterelektronenmikroskop.

Grafik: RWTH Aachen University