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Potenziale und Limitierungen von Si-mischkristallverfestigten GJS-Sorten

Die Eigenschaften von hoch Si-haltigen, mischkristallverfestigten Gusseisensorten mit Kugelgrafit wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterführend erforscht. Schwerpunkte waren die Untersuchung des mikro- und nanostrukturierten Werkstoffaufbaues mittels modernster elektronenmikroskopischer Methoden und Vergleichscharakterisierungen bezüglich der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften bei verschiedenen Temperaturen und Oberflächenmodifikationen (Verfestigung). In weiterer Folge wurden thermophysikalische Kennwerte, die Oxidationseigenschaften und der Einfluss von verschiedenen Legierungselementen untersucht.

Si-mischkristallverfestigte Gusseisen zeigen sehr gute mechanische Eigenschaften, die sich auch in den Zugversuchen bei erhöhten Prüftemperaturen fortsetzen. Allerdings weisen diese neuen EN-GJS-Normsorten ähnliche Einschränkungen auf: die Streckgrenzen und Zugfestigkeiten nehmen bei Temperaturen oberhalb 350 °C signifikant ab, und die Bruchdehnung zeigt analog zu den konventionellen ferritisch-perlitischen EN-GJS- Sorten ein ausgeprägtes Dehnungsminimum zwischen Temperaturen von 350 bis 450 °C, die die mögliche Anwendung limitieren können.

Die in Zug-Druck-Wechselbelastung als auch die in Umlaufbiegeversuchen ermittelten Dauerfestigkeiten sind sehr hoch und skalieren ebenso mit dem Anteil an Silizium. Allerdings kann eine Sättigung beobachtet werden. Die Sorte EN-GJS- 600-10 zeigt nur mehr geringfügige bzw. belastungsabhängige Steigerungen im Vergleich zur Sorte EN-GJS-500-14.

Vier-Punkt-Biegeversuche an speziellen Probengeometrien zeigen sehr gut die Einflüsse der Gussoberflächen auf die erzielbaren Dauerfestigkeitskennwerte auf. Weiterhin können auch bei den Si-Mischkristallverfestigten EN-GJS-Sorten analog zu den bekannten Ergebnissen an ferritisch-perlitischen Sorten derartige fehlerbehaftete Oberflächen mittels Kugelstrahlen verfestigt werden. Die durch Kugelstrahlen erzeugte Oberflächenverfestigung verbessert das Dauerfestigkeitsniveau deutlich und erhöht dieses wieder auf das Niveau der voll bearbeiteten Proben oder sogar leicht darüber. Dies gilt für beide geprüften Sorten gleichermaßen, allerdings verhält sich hier die Si-mischkristallverfestigte Sorte EN-GJS-500-14 durch die bereits vorhandenen intrinsischen Eigenspannungen aufgrund der Si-Mischkristallverfestigung etwas schlechter als die Referenzsorte EN-GJS-500-7.

Die ermittelten thermophysikalischen Kennwerte der Si-mischkristallverfestigten EN-GJS-Sorten sind in puncto thermische Ausdehnung und Wärmeleitfähigkeit etwas geringer als bei den konventionellen ferritisch-perlitischen Sorten. Allerdings müssen gegebenenfalls die veränderten Umwandlungstemperaturen bzw. Umwandlungsbereiche aufgrund der hohen Si-Anteile berücksichtigt werden. Die gemessenen Dichten und E-Moduli zeigen nur sehr geringe Unterschiede.

In TGA-Auslagerungsversuchen konnte kurz umrissen werden, dass die Verzunderungsbeständigkeit der Si-mischkristallverfestigten EN-GJS-Sorten sehr ähnlich zu den bekannten ferritisch-perlitischen Sorten ausgeprägt ist.

Schlussendlich wurden in ersten Versuchsreihen anhand von Zugversuchen die möglichen Potenziale von Legierungselementen in Addition oder Substitution zu Silizium erörtert, da diese Verfestigung auch gewisse Toleranzen der Elementzugaben ohne Gefügeveränderungen gestattet.

Klassische verfestigende Elemente wie Mangan zeigten bis zu einem Gehalt von 1,5 % positive, also höhere Festigkeitseigenschaften, allerdings bei Überschreiten dieser Anteile verstärkte Perlitbildung. Auch Kupfer wirkt bis zu einem Gehalt von 0,7 % verfestigend, bevor ebenfalls verstärkte Perlitbildung beobachtet werden kann. Molybdän kann bis zu einem Gehalt von 0,4 % zugegeben werden, allerdings beinträchtigen immer einige Korngrenzkarbide die Bruchdehnungen.

Nickel wirkt bis zu einem Anteil von ca. 1,0 % positiv, Kobalt hat stark positive Auswirkungen auf die Festigkeiten bei Anteilen von 1,0 bis 2,0 %. Wie bereits erwähnt, können auch erhöhte Phosphoranteile bei korrekt eingestellten Mg/P-Verhältnissen zu deutlich verbesserten Bruchdehnungen bei erhöhten Anwendungstemperaturen im Bereich von 350 bis 450 °C führen. Praxisnahe Untersuchungen der Einflüsse dieser Optimierungen auf bauteilnahe Eigenschaften wie Dauerfestigkeiten stehen allerding noch aus.

Der Großteil der vorgestellten Arbeiten entstand im Zuge des geförderten FFG- Projekts „Gusseisen mit verbesserten Eigenschaften durch hohe Si-Gehalte –EsiCast“, Projektnummer 854398, unter Beteiligung von Industriepartnern, wofür herzlich gedankt wird. Ein Dank gilt Prof. F. Hofer, Dr. Ch. Gspan und Herrn Ing. H. Schröttner vom ZFE – Zentrum für Elektronenmikroskopie in Graz, für die Durchführung der Nanostrukturuntersuchungen.

Gert Gassner, während der Projektlaufzeit ÖGI – Österreichisches Gießerei Institut, Leoben, Österreich, seit Juli 2017 Maschinenfabrik Liezen und Giesserei GmbH, Liezen, Österreich, Dipl.-Ing. Eduard Koppensteiner, Dipl.-Ing. Lena Glavanovic und Dipl.-Ing. Gerhard Schindelbacher, ÖGI – Österreichisches Gießerei Institut, Leoben, Österreich, Prof. Dr.- Ing. Peter Schumacher, ÖGI – Österreichisches Gießerei Institut, Leoben, Österreich/ Lehrstuhl für Gießereikunde, Montanuniversität, Leoben, Österreich.


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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 1/2018 Seiten 70-79
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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Alicona InfiniteFocus-Oberflächenprofile von Flachbiegeproben aus ENGJS-500-14: a) Gusszustand mit Ra = 17,2 μm; b) gestrahlter Zustand mit Ra = 7,9 μm.

Grafik: ÖGI