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TECHNOLOGIE & TRENDS
Bild 31: Gefüge einer Y2-Probe mit 4,03 % Si, 3,01 % C und 1,0 % Mn, geätzt (R m = 581 MPa;
Rp 0,2 = 486 MPa, A = 19,8 %).
gefärbt. Die höchsten Si-Gehalte befinden
sich im Bereich der Graphitkugeln (Bild
25 a), dem Erstarrungsbeginn (umgekehrte
Seigerung des Siliciums). Bei dem Vergleich
der Bilder 25 a und b ist auffällig,
dass bei einem Si-Gehalt von 4,18 % die
Farbverteilung und damit offenbar die Siliciumverteilung
gleichmäßiger ist
(Bild 25 b) als bei einem Si-Gehalt von
2,39 % – ein qualitativer Hinweis darauf,
dass die Siliciumkonzentrationsunterschiede
bei 4,18 % Si geringer sind als bei
2,39 % Si. Aus diesem Grund wurde das
Seigerungsverhalten von Silicium und
Mangan bei vergleichbarer Erstarrungsgeschwindigkeit
und unterschiedlichen
Gehalten mittels Mikrosonde untersucht.
Gemessen wurden jeweils die Siliciumund
Mangankonzentrationsverläufe zwischen
zwei Graphitkugeln. Die Mikrosondenmessergebnisse
werden an zwei Beispielen
– für 2,39 % Si und für 5 % Si – in
den Bildern 26 und 27 im Detail dargestellt
und diskutiert.
Bei einem mittleren, mittels Spektrometer
bestimmten Si-Gehalt von 2,39 % und
bei einem Mangangehalt von 0,14 % wurde
ein maximaler Si-Gehalt von 2,6 % in
der näheren Umgebung einer Graphitkugel
gemessen. Das Minimum im Siliciumverlauf
zwischen den Graphitkugeln lag
bei 2,17 %. Der gemessene Mangangehalt
stieg von 0,135 % auf im Mittel 0,165 %.
Das Minimum des Siliciumverlaufs und das
Maximum des Mangangehalts befinden
sich in gleichen Entfernungen zwischen
den Graphitkugeln. Dies ist die Stelle, an
der die Restschmelze zwischen zwei Kugeln
erstarrt, und damit das Gebiet mit der
maximalen Seigerung der Elemente. Die
gemessene maximale Differenz zwischen
Maximal- und Minimalgehalt beträgt für
Silicium 0,43 %, für Mangan 0,04 %. Die Seigerungsprofile
für einen mittleren, mittels
Spektrometer gemessenen Si-Gehalt von
5 % und einen mittleren Mn-Gehalt von
0,38 % sind in Bild 27 dargestellt. Der maximal
gemessene Si-Gehalt (Si max ) beträgt
4,95 %, der Minimalwert 4,74 % Si (Si min ) mit
einer Differenz von 0,21 % Si. Die gemessene
Differenz der Mn-Gehalte (0,49 % Mn max
und 0,29 % Mn min ) beträgt 0,2 % Mn. Die Differenzen
der Minimal- und Maximalwerte
der Seigerungsprofile entsprechen dem Seigerungsverhalten
der jeweiligen chemischen
Zusammensetzung der Ausgangslegierung.
Werden diese Differenzen für alle
untersuchten Proben über dem absoluten
Elementgehalt dargestellt, so können Aussagen
über das Seigerungsverhalten bei
steigenden Legierungsanteilen gemacht
werden. Bei zunehmendem Siliciumgehalt
wird die Differenz zwischen Si max und Si min
tendenziell kleiner (Bild 28), was bedeutet,
dass sich die Siliciumsei gerungen mit steigendem
Si-Gehalt verringern.
Ein dem Silicium entgegengesetztes Seigerungsverhalten
zeigt Mangan (Bild 29).
Mit zunehmendem Mangangehalt nehmen
die Manganseigerungen zu. S. Karsay beschreibt
in [22] schematisch den Konzentrationsverlauf
von Mn bei einem Ausgangsgehalt
von 0,5 % Mn. Bei einem derartigen
durchschnittlichen Mn-Gehalt reichert sich
Mn bis zu 4 % an und bildet aus diesem
Grund Mn-Carbide in den Restschmelzebereichen.
Deshalb empfiehlt S. Karsay den
Mn-Gehalt auf 0,25 % zu begrenzen. Diese
Aussage gilt jedoch ausschließlich für normal
übliche Si-Gehalte in EN-GJS.
Einfluss von carbid- und perlitstabilisierenden
Elementen wie Mn, Cr, und V. Die
Elemente Mn, Cr und V sind die Elemente,
die am häufigsten in unlegiertem und niedrig
legiertem Gusseisen mit Kugelgraphit
zur Perlit- und Carbidbildung führen können.
Nach den Untersuchungen von
G. Wolf, W. Stets und U. Petzschmann
[7, 8] hängen die statischen mechanischen
Eigenschaften vor allem vom Perlitgehalt
ab, während die dynamischen mechanischen
Eigenschaften überwiegend vom Carbidanteil
im Gefüge abhängen und sich mit
zunehmendem Carbidanteil vermindern.
Durch steigende Siliciumgehalte wird die
Bildung von carbidfreien Gefügestrukturen
gefördert [10]. Auf Grund hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten,
bekannt als
Weißeinstrahlung, können sich Fe 3 C-Carbide
auch ohne Beteiligung von carbidbildenden
Elementen ausscheiden. Silicium wirkt
auch hier der Weißeinstrahlung entgegen.
Der Einfluss von nennenswerten Gehalten
an perlit- und carbidstabilisierenden
Elementen wurde in mehreren Versuchen
exemplarisch untersucht. Bei diesen Versuchen
wurden Schmelzen erstellt und für
die entsprechenden Elementgehalte, bei
denen Carbidausscheidungen zu erwarten
waren – max. 1,0 % Mn, max. 0,6 % Cr, max.
0,26 % V und max. 0,17 % Ti – Y-2- (25 mm
Dicke) und Y-4-Proben (75 mm Dicke) gegossen.
Aus den Probekörpern wurden Zugstäbe
und Schliffe herausgearbeitet und
geprüft. Nach der Auswertung der metallographischen
Untersuchungen wurden
thermodynamische Berechnungen der Phasenanteile
mit den bekannten chemischen
Zusammensetzungen der Legierungsversuche
durchgeführt, um anschließend
Grenzgehalte simulieren zu können, bei
denen Carbide in nennenswerten Anteilen
im Gefüge auftreten.
In Bild 30 sind die statischen mechanischen
Eigenschaften der Legierungsversuche
im Vergleich zum unlegierten Werkstoff
dargestellt. Für die eingestellten Legierungsgehalte
konnte in dem
untersuchten Bereich kein signifikanter
Einfluss der einzelnen Elemente auf die
mechanischen Eigenschaften von getrennt
gegossenen Proben im Vergleich zu den
unlegierten Proben festgestellt werden. Eine
Ausnahme bildet das Element Chrom.
Bei einem Gehalt von 0,6 % Cr liegen die
Bruchdehnungen mit 10 % bzw. 14 % niedriger
als bei den unlegierten Schmelzen,
die Normwerte nach DIN EN 1563 für
EN-GJS-600-10 werden aber erfüllt.
Die metallographischen Untersuchungen
haben ergeben, dass sich in den untersuchten
Legierungsbereichen bei keiner Probe
Carbide ausgeschieden haben. In Bild 31
ist das Grundgefüge für einen Legierungsgehalt
von 1 % Mn wiedergegeben. Das
Grundgefüge besteht zu 100 % aus Ferrit.
Das Grundgefüge der Schmelze mit
0,63 % Cr (Bild S. 34) enthält etwa 25 % Perlit,
jedoch keine Carbideinschlüsse. Kom-
46 Giesserei 100 07/2013