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Analyse des Schwingfestigkeits-verhaltens von drossbehaftetem Gusseisen mit Kugelgrafit

Im Rahmen der Bemessung und Qualitätssicherung von dickwandigen Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgrafit spielt Dross aufgrund seiner geringen Festigkeitseigenschaften sowie der schweren Detektierbarkeit eine wichtige Rolle. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem bei Dross im Vergleich zum Grundwerkstoff geänderten quasi-statischen und zyklischen Werkstoffverhalten. Im Rahmen des durch das BMWi geförderten Forschungsvorhabens „unverDROSSen“ wird am Beispiel des dickwandig vergossenen EN-GJS-400-15 das zyklische Werkstoffverhalten mit und ohne Dross anhand von dehnungsgeregelten Schwingfestigkeitsuntersuchungen beschrieben.

Hierzu werden Schwingproben aus würfelförmigen Versuchskörpern mit und ohne Dross entnommen, die vorher mit zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) hinsichtlich der Drossausprägung untersucht werden. Anschließend werden Verknüpfungen zwischen der ZfP und der Dichte des Drosses beschrieben und Hinweise zur Drossbewertung vorgestellt. Dabei stellt insbesondere die Dichte in Verbindung mit einem an den Schwingproben gemessenen, fiktiven Elastizitätsmodul eine Möglichkeit dar, den Dross zu beurteilen.

Großgussbauteile aus Kugelgrafitguss (GJS) bieten für die Windkraftindustrie und den allgemeinen Maschinenbau durch hohe gestalterische Freiräume und den geringen Fertigungsaufwand unverzichtbare Vorteile. Dabei liegt der Fokus für Neuentwicklungen mehr und mehr darauf, bei gleicher Bauteilmasse die Auslastung zu erhöhen oder im Zuge von Neukonstruktionen Leichtbau zu betreiben und Leistungsgewicht (Masse/Leistung) zu reduzieren. Dies bedeutet gleichzeitig erhöhte Anforderungen an die Kenntnisse des zyklischen Werkstoffverhaltens der verwendeten GJS-Werkstoffe, vor allem im Zusammenhang mit Werkstoffungänzen. Vor diesem Hintergrund besteht im Bereich der Herstellung von Großgussbauteilen aus Kugelgrafitguss die Herausforderung, oxydische, sulfidische und silikatische Verunreinigungen (Dross) am Bauteil zuverlässig mittels einer zerstörungsfreien Prüfmethode (ZfP) zu erkennen und die Ausprägung des Drosses bewerten zu können.

Dross ist gießtechnisch schwer zu beeinflussen und stellt die Gießereien im laufenden Tagesgeschäft und in der Werkstoffprüfung immer wieder vor Herausforderungen bei der Beurteilung von drossbehafteten Bauteilen sowie hinsichtlich dessen Abarbeitung und den damit verbundenen wirtschaftlichen Folgen. Da für eine Bauteilbemessung exakte mechanische Kennwerte für Dross fehlen und Zertifizierer sowie Kunden daher komplett drossfreie Bauteile fordern, arbeiten Gießer bisher mit Materialzugaben, die den Dross „auffangen“ sollen. Der Materialzuschlag ist dann komplett abzuarbeiten, was eines enormen personellen Einsatzes bedarf. Umso problematischer ist es jedoch, wenn durch das komplette Entfernen des Drosses die zulässige Wanddicke unterschritten wird. Dies zieht eine nachträgliche Festigkeitsberechnung oder ein aufwändiges Schweißen dieser Stellen nach sich. Ist eine Nacharbeit am Bauteil überhaupt nicht durchführbar, kommt es zum Ausschuss und Neuabguss des Bauteils mit der Gefahr, wieder Dross zu erhalten.

Im Rahmen dieses Beitrages soll daher auf der Basis von aus Versuchskörpern entnommenen Zug- und Schwingproben das quasi-statische und zyklische Werkstoffverhalten von EN-GJS-400-15 mit und ohne Dross näher beschrieben werden. Dabei werden die zerstörenden Untersuchungen durch zerstörungsfreie Untersuchungen unterstützt. Weiterhin sollen Kennwerte ermittelt werden, die eine Beurteilung des Drosses zulassen und somit einen in späteren Schritten zu entwickelnden Bauteilfreigabeprozess mit Hilfe der zerstörungsfreien Prüfung ermöglichen.

Dr.-Ing. Christoph Bleicher, Gruppe Bauteilgebundenes Werkstoffverhalten, Abteilung Werkstoffe und Bauteile, Bereich Betriebsfestigkeit, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt


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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 2/2018 Seite 38-55
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Servo-hydraulische Prüfmaschine (63 kN Maximallast), Schwingprobe und zwei Dehnungsaufnehmer

FOTO: FRAUNHOFER LBF