Austenitische Gusseisen - Konstruieren und Gießen

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Tabelle 21: Anhaltswerte für die Eigenschaften von austenitischem Gusseisen bei erhöhten Temperaturen nach EN 13835 Eigenschaft Temperatur Zugfestigkeit R m [N/mm 2 ] 0,2%-Dehngrenze R p0,2 [N/mm 2 ] Bruchdehnung (Kurzzeitversuch) [%] Zeitstandfestigkeit (1000h) [N/mm 2 ] Spannung zum Erreichen einer Kriechgeschwindigkeit von mind. 1 % je 1000 h [N/mm 2 ] Spannung zum Erreichen einer Kriechgeschwindigkeit von mind. 1 % je 1000 h [N/mm 2 ] Zeitstandbruchdehnung (1000 h)[%] 1) Diese Werte sind interpolierte bzw. extrapolierte Werte hervorgeht, erst bei höheren Temperaturen bemerkbar. Unterhalb von 500 °C hat das mit 4 % Si und 1 % Mo legierte ferritische Gusseisen noch deutlich höhere Werte der Zugfestigkeit und 0,2 %-Dehngrenze. Typische Werte der Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung einiger austenitischer Gusseisensorten mit Kugelgraphit werden in den Bilder 38 bis 40 angegeben. Für das Bemessen von Bauteilen sind Kriechfestigkeit und Zeitstandfestigkeit wichtig. Einige Zeitstandwerte enthält Bild 42. Die Festigkeit der höher legierten austenitischen Gusseisen ist gegenüber der Sorte GJSA-XNiCr20-2 höher, die der chromfreien Sorte GJSA-XNi22 liegt deut- konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2 [°C] 20 430 540 650 760 20 430 540 650 760 20 430 540 650 760 540 595 650 705 760 540 595 650 705 540 595 650 705 540 595 650 705 EN-GJSA- XNiCr20-2 (EN-JS3011) EN-GJSA- XNiCrNb20-2 (EN-JS3031) 417 380 335 250 155 246 197 197 176 119 10,5 12,0 10,5 10,5 15,0 197 127 1) 84 60 1) 39 1) 162 92 1) 56 34 1) 63 39 1) 24 15 1) 6 - 13 - Normalsorte Sondersorte EN-GJSA- XNi22 (EN-JS3041) 437 368 295 197 121 240 184 165 170 117 35 23 19 10 13 148 95 1) 63 42 1) 28 1) 91 63 1) 40 24 1) lich tiefer. Einen Vergleich verschiedener Werkstoffe anhand von extrapolierten Anhaltswerten über einen weiteren Bereich von Temperaturen und Standzeiten ermöglicht das Larson-Miller-Parameter-Schaubild im Bild 43. Ergänzend enthält Bild 44 Zeitstandwerte und Kriechkurven dreier Schmelzen der Sorte GJSA-XNiSiCr35-5- 2 bei 760 und 860 °C. Durch einen Molybdänzusatz von bis zu 2 % kann die Warmfestigkeit weiter verbessert werden. Im Larson-Miller-Parameter- Schaubild Bild 43 sind auch Werte zweier mit Molybdän legierter austenitischer Gusseisen enthalten. Die mechanischen Eigenschaften einiger austenitischer Gusseisen mit und ohne Molybdänzusatz sind in Tabelle 24 zusammengestellt. - - - - 14 - 13 - EN-GJSA- XNiCr30-3(EN- JS3081) 410 - 337 293 186 276 - 199 193 107 7,5 - 7,5 7 18 - 165 105 1) 68 42 1) - - - - - - - - - 7 - 12,5 EN-GJSA- XNiSiCr30-5- 5(EN-JS3091) 450 - 426 337 153 312 - 291 239 130 3,5 - 4 11 30 - 120 67 1) 44 21 1) - - - - - - - - - 10,5 - 25 EN-GJSA- XNiCr35-3(EN- JS3101) 427 - 332 286 175 288 - 181 170 131 7 - 9 6,5 24,5 - 176 105 1) 70 39 1) 190 1) 112 1) 67 1) 56 - 70 - 39 - 6,5 - 13,5 9.4 Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und thermomechanische Ermüdung Das Verhalten bei einer Temperaturwechselbeanspruchung hängt in komplexer Weise von der Festigkeit, der Kriechfestigkeit, der Zähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem E-Modul des Werkstoffs und den äußeren Bedingungen wie Höhe der Temperaturbeanspruchung, Geschwindigkeit und Bereich der Temperaturwechsel sowie Behinderung der Ausdehnung und Schwindung des Bauteils zusammen. Bei einer thermo-mechanischen Beanspruchung kommen noch 23
Bild 36. Typische Werte der Temperaturabhängigkeit von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung von ferritischen und austenitischen Gusseisensorten und zweier Stahlgusssorten [3, 4, 55, 57, 60 - 63]. Die genannten Werkstoffe werden in einem Bereich von Zusammensetzungen und teilweise auch Wärmebehandlungen erzeugt, so dass die tatsächlichen Kennwerte der Eigenschaften in einem breiten Streuband liegen. Während der Temperaturbeanspruchung können Gefügeänderungen und Ausscheidungen auftreten, die ebenfalls die Eigenschaften verändern. äußere dynamische Spannungsbelastungen hinzu. Derartige Beanspruchungen spielen vor allem im Motorenbau eine Rolle. Der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des Austenits und die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit sind an sich ungünstig, werden aber durch die hohe Warmfestigkeit und vor allem die Zähigkeit des Werkstoffs überkompensiert, so dass die austenitischen Gusseisen allgemein eine gute Beständigkeit gegen die Bildung von Temperaturwechselrissen aufweisen. In manchen Fällen kann es aber zu einem Verzug kommen. Die anderen Gusseisenwerkstoffen überlegene Beständigkeit wird anhand von Versuchsergebnissen an Auspuffkrümmern im Bild 47 deutlich gemacht. Eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit hat die Sorte GJSA- XNiSiCr35-5-2, die sie zu dem hochwertigsten Gusseisenwerkstoff für Abgaskrümmer und Turboladergehäuse gemacht hat. Sie zeichnet sich außer durch hohe Hitzebeständigkeit auch infolge des Nickelgehalts von 35 % durch einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (siehe dort) aus. Dadurch wer- Bild 41: Dünnwandiger Abgaskrümmer für 8- Zylinder-Otto- und -Dieselmotor aus GJSA- XNi-SiCr35-5-2 (Bild: Montforts Mönchengladbach) 37 38 Bild 37: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA- XNiCr22 [64] Bild 38: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA- XNiMn23-4 [64] Bild 39: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA- XNiCr20-2 [1, 64] Bild 40: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA- XNiSiCr35-5-2 [57] Tabelle 22: Warmfestigkeitswerte für GJSA-XNiCuCr15-6-2 [1] Temperatur [°C] 370 540 820 Zugfestigkeit [N/mm 2 ] 180 - 280 110 - 180 40 - 80 den die inneren Spannungen aufgrund von Temperaturdifferenzen, die bei Temperaturwechseln Risse oder Verzug erzeugen können, besonders niedrig gehalten. Die durch Temperaturwechsel erzeugte Spannung in einem Bauteil lässt sich angenähert berechnen nach der Formel [67]: Druckfestigkeit [N/mm 2 ] 700 - 980 180 - 350 40 - 80 ó therm = á · E · ∆T (7) ó therm - Temperaturwechselspannung á - thermischer Ausdehnungskoeffizient E - E-Modul ∆T - Temperaturdifferenz im Bauteil 24 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2 39 40
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