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TECHNOLOGIE & TRENDS
FOTOS: IFG
Die Graphitformabweichungen in siliciumlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit unterscheiden sich in der Struktur vom Chunky-Graphit.
Werkstoff- und fertigungstechnische
Grundlagen der Herstellung und
Anwendung von hoch siliciumhaltigem
Gusseisen mit Kugelgraphit
Teil 2 1) : Impftechnologie, Abweichungen in der Graphitform, Bearbeitbarkeit
VON HERBERT LÖBLICH UND
WOLFRAM STETS, DÜSSELDORF
Impftechnologie zur Einstellung
des angestrebten Werkstoffgefüges
in Bezug auf Graphitkugelzahl
und -gestalt
Die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen
mit Kugelgraphit (EN-GJS) hängen bei
ferritisch/perlitischem Grundgefüge vom
Anteil Perlit, vom Anteil der perlitstabilisierenden
Legierungselemente, der Abkühlungsgeschwindigkeit
und von der Kugelgestalt
ab. Bei den mit Silicium legierten
mischkristallverfestigten Werkstoffsorten
hängen die mechanischen Eigenschaften
allein vom Si-Gehalt (Teil 1 der Artikelserie,
GIESSEREI 100 (2013), [Nr. 7], S. 30-47,
Bilder 17 bis 19), d. h. von der Genauigkeit
der Einhaltung eines angestrebten Si-Gehaltes
und der Graphitgestalt ab. Für Impfversuche
wurde unter Verwendung der in
Bild 13, Teil 1 der Artikelserie dargestellten
Modelleinrichtung mit immer gleichbleibenden
Impfmittelmengen von 0,3 %
geimpft. Die Impfmittelsorte und die chemische
Zusammensetzung der verwendeten
Impfmittel ist Tabelle 2 in Teil 1 der
Artikelserie zu entnehmen. Die Impfmittel
8, 9 und 11 aus dieser Tabelle sind Mischungen
der Institut für Gießereitechnik
gGmbH (IfG), Düsseldorf, die auf Grund der
42 GIESSEREI 100 08/2013
1)
Teil 1 in GIESSEREI 100 (2013), [Nr. 7], S. 30-47

KURZFASSUNG:
Voraussetzung für maximale mechanische
Eigenschaften sind optimale
Graphitkugelformen, die mit Impftechnologien
der Schmelze, die auf
den Siliciumgehalt und die maximale
Erstarrungszeit abgestimmt sind,
erreicht werden können.
Ein wesentlicher Vorteil der
mischkristallverfestigten Werkstoffe
ist, dass sie sich im Vergleich zu
den ferritisch/perlitischen EN-GJS-
Werkstoffsorten bei gleichen Festigkeiten
durch geringeren Werkzeugverschleiß
kostengünstiger mechanisch
bearbeiten lassen. Die
Werkzeugstandzeit ist bei den ferritischen
Werkstoffsorten EN-
GJS-500-14 und EN-GJS-600-10 gegenüber
den konventionellen ferritisch/perlitischen
Werkstoffen um
etwa 50 bis 60 % länger.
Für den Bearbeiter der ferritischen
mischkristallverfestigten
Werkstoffsorten kann abgeleitet werden,
dass sich bei gleichen Schnittgeschwindigkeiten
die Intervalle zwischen
den Werkzeugwechseln im
Vergleich zu der Bearbeitung der ferritischen/perlitischen
Werkstoffe
verlängern und die Maschinenauslastung
damit besser wird.
Ergebnisse der Gefügeauswertungen für
Stichversuche eingesetzt wurden. Für die
Impfmittel 8 und 9 wurde das handelsübliche
Impfmittel 1 mit 1,2 %*, bzw. 9,4 % Bi
gemischt. Das Impfmittel 11 ist das mit
1,2 % Bi gemischte Impfmittel 7.
Die Ergebnisse der Untersuchungen der
Graphitformen in den Abschnitten der Flügelproben
sind in Bild 1 wiedergegeben.
Dargestellt sind die Abhängigkeiten der Graphitform
von den Wanddicken und von der
chemischen Zusammensetzung des Impfmittels.
In Bild 1 sind nur die Zugabemengen
von 0,3 % dargestellt. Deutlich erkennbar
ist, dass bei einer gleichbleibenden
Impfmittelsorte der Anteil an den Graphitformen
V und VI als Summe mit zunehmender
Wanddicke mit einem relativ breiten
Streuband abnimmt. Bei allen eingesetzten
Impfmittelsorten streuen die Summen der
Graphitformen V und VI bei der 5 mm dicken
Platte je nach Impfmittelsorte zwischen
80 und 100 % (Bild 1), lediglich die
ungeimpfte Schmelze weist 70 % der Kugelformen
V und VI auf. Bei 160 mm Wanddicke
vergrößert sich das Streuband von 35
bis auf 90 %. Ursachen für die Aufweitung
des Streubandes sind die Abhängigkeit der
Graphitform vom Siliciumgehalt und der
chemischen Zusammensetzung des Impfmittels.
Anteil Graphitform V + Vl in %
100
90
80
70
60
50
40
30
0
Wanddicke in mm
Impfmittel:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
100
90
80
70
60
Impfmittel:
0 1 2 3
4 5 6 7
Auf Grund der höheren Abkühlungsgeschwindigkeit
der Normenkonformen
Y-Proben gegenüber den vergleichbaren
Wanddicken der Flügelproben gibt es bei
den Y-Proben geringere Abweichungen in
der Graphitform (Bild 2).
Nur Flügelproben
40 80 120
160
Bild 1: Mit zunehmender Wanddicke nimmt der Anteil an den Graphitformen V und VI
im Grundgefüge ab.
Anteil Graphitform V + VI in %
Anteil Graphitform V + VI in %
Getrennt gegossene Y2-Proben
50
2 3 4 5 6
Si in %
100
90
80
70
Impfmittel:
0 1 2
3 4 7
60
2 3 4 5 6
Si in %
Bild 2: Der Anteil der Graphitformen V + VI nimmt mit höherem Siliciumgehalt ab.
Die getrennt gegossenen Y-2 Proben weisen
mittlere Erstarrungszeiten von ca.
3 min auf, die Y-4 Proben erstarren nach
etwa 16 min. Die 20-mm-Wand der Flügelprobe
erstarrt etwa 10 min nach dem Füllen
der Form, die 60-mm-Wand erstarrt
*Sofern nicht anders vermerkt, handelt es sich bei den prozentualen Angaben zur Zusammensetzung um Massenanteile.
GIESSEREI 100 08/2013 43

TECHNOLOGIE & TRENDS
Anteil Graphitform V + Vl in %
90
80
70
60
50
40
Impfmittel 1
Si in %
2,48
3,43
4,18
5,04
5,89
30
0 40 80 120 160
Wanddicke in mm
Bild 3: Bei Impfmittel 1 treten bei 160 mm Wanddicke und normalem Si-Gehalt Abweichungen
in der Graphitform auf.
Anteil Graphitform V + Vl in %
90
80
70
60
50
40
Impfmittel 2
Si in %
2,41
3,29
4,4
5,06
5,97
30
0 40 80 120 160
Wanddicke in mm
Bild 4: Die Anteile an den Graphitformen V und VI sind bei Impfmittel 2 über den untersuchten
Si-Konzentrationsbereich größer als bei Impfmittel 1.
Anteil Graphitform V + Vl in %
90
80
70
60
50
40
Nur Flügelproben
Impfmittel:
0 1
8 = 1 + 1,2 % Bi
9 = 1 + 9,4 % Bi
30
0 40 80 120 160
Wanddicke in mm
Bild 5: Die chemische Zusammensetzung des Impfmittels beeinflusst entscheidend die
Graphitform.
nach ca. 30 min. Aus diesem Grund wurden
die Auswertungen immer getrennt
nach Y-Proben und Flügelproben durchgeführt,
zumal, wie später noch gezeigt wird,
die Y-Proben im untersuchten Siliciumintervall
nicht die typischen Abweichungen
der Graphitkugelform aufweisen.
Bis zu dem als kritisch für die statischen
mechanischen Eigenschaften gefundenen
Siliciumgehalt von 4,3 % beträgt die Summe
der Graphitformen V + VI in den Gefügen
der getrennt gegossenen Y-Proben minimal
80 % – Bild 2 erfüllt also die meisten
Kundenforderungen nach einer Begrenzung
der Anteile der Graphitformen.
Einen entscheidenden Einfluss auf die
Graphitausbildung nimmt neben der Erstarrungsgeschwindigkeit
die chemische
Zusammensetzung des verwendeten Impfmittels.
In den nachfolgenden Auswertungen
(Bilder 3 und 4) wurden exemplarisch
die Wirkungen zweier Impfmittel unterschiedlicher
chemischer Zusammensetzungen
wiedergegeben. In Bild 3 ist die Abhängigkeit
der Graphitform von der Wanddicke
für Siliciumgehalte zwischen 2,48 %,
ein durchaus üblicher Gehalt für EN-GJS,
und 5,89 % Si für das Impfmittel 1 dargestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Impfmittel
1 nur bei Gussteilen mit Wanddicken
zwischen 20 und 100 mm und normal
üblichen Si-Gehalten verwendbar ist,
um ausreichende Anteile an denGraphitformen
V und VI zu erzeugen. Bei 160 mm
Wanddicke treten bereits erhebliche Abweichungen
in den Graphitformen auf. Bei
höheren Si-Gehalten ≥ 3,43 % und Wanddicken
≥ 60 mm sind mehr als 50 % des
Graphits entartet. Bei Wanddicken von
20 mm und Si-Gehalten ≥ 3,43 % ≥ Si
≤ 5,89 % beträgt der Anteil an den Graphitformen
V und VI zwischen 50 und 70 %.
Ergebnisse für ein Impfmittel mit einer anderen
chemischen Zusammensetzung (Beispiel
Impfmittel 2) werden in Bild 4 wiedergegeben.
Das Impfmittel 2 ist ohne weitere
Mengenoptimierung für Siliciumgehalte
bis 4,3 % und Wanddicken
≥ 160 mm einsetzbar. Bei höheren Si-Gehalten
treten auch bei diesem Impfmittel
Graphitformabweichungen auf, die durch
Optimierung der Impfmethode verhindert
werden können, indem die Mengen des
Impfmittels variiert werden, was ebenfalls
die Graphitform beeinflussen kann. Die
Impfmittel 1 und 2 unterscheiden sich
hauptsächlich im Anteil Bi und im Anteil
an Seltenen Erden, diese beiden Elemente
sind im Impfmittel 1 nicht enthalten.
Bei vergleichbaren Siliciumgehalten von
5 und 6 % beträgt der Anteil an Graphitform
V und VI bei Impfmittel 1 zwischen
30 und 40 %, bei Impfmittel 2 beträgt dieser
Anteil 60 bis 70 %. Das Impfmittel 2 ist
für den dargestellten Anwendungsfall geeigneter
als Impfmittel 1.
44 GIESSEREI 100 08/2013

Die Darstellung in Bild 5 unterstreicht
den Einfluss der chemischen Zusammensetzung
des Impfmittels auf die Graphitform.
Bei der Auswertung in Bild 5 wird deutlich,
dass die Wirkung des Impfmittels 1, welches
für den Einsatz bei siliciumlegiertem
EN-GJS nicht geeignet ist, durch die Zugabe
von 1,2 % metallischem Wismut wesentlich
verbessert werden kann. Der Anteil an
den Graphitformen V und VI im Grundgefüge
erreicht die Größenordnung, die mit
dem Impfmittel 2 (siehe Bild 5) erzielt wird.
Die Erhöhung der Bi-Zugabemenge auf
9,4 % (Impfmittel 9 in Bild 5) erbrachte keine
Verbesserung in der Graphitform.
Eine weitere Möglichkeit, die Wirkung
eines Impfmittels zu verbessern, ist die Optimierung
der Zugabemenge. Am Beispiel
eines Impfmittels ist die Wirkung einer geänderten
Impfmittelmenge exemplarisch
wiedergegeben (Bild 6). Bei steigenden
Impfmittelmengen verbessert sich die Graphitausbildung
erheblich. 0,15 % des Impfmittels
4 führen zu 20 % akzeptierbaren
Graphitformen, bei der 4-fachen Zugabemenge
des Impfmittels 4 erhöht sich der
Anteil der Graphitformen V und VI auf
60 %. Neben den Graphitformen wird auch
die Anzahl der Graphitkugeln, in der vorliegenden
Auswertung als Graphitpartikel
bezeichnet, von der chemischen Zusammensetzung
des Impfmittels beeinflusst.
Wie in Bild 7 deutlich wird, ist die Erstarrungsgeschwindigkeit
(im Bild 7 als Wanddicke
gekennzeichnet) die dominierende
Größe. Bei Verwendung des Impfmittels 2,
welches auch die günstigsten Graphitformen
produziert hat, werden gleichzeitig
die meisten Graphitpartikel gemessen.
Auftreten von Abweichungen in
der Graphitform bei hohen
Si-Gehalten
Bei den siliciumlegierten EN-GJS-Werkstoffsorten
können abhängig von der Erstarrungsgeschwindigkeit
(Wanddicke)
und dem Impfzustand Abweichungen von
den Graphitformen V und VI auftreten, die
die mechanischen Eigenschaften negativ
beeinflussen. Als Beispiele sind stellvertretend
die mechanischen Eigenschaften
und Graphitformen in einer 20-mm-Wand
der Flügelprobe mit vergleichbarem Si-Gehalt
von 4,1 % und unterschiedlichen Impfmitteln
in Bild 8 aufgeführt. Darin sind die
durch das verwendete Bildanalysesystem
klassifizierten Graphitformen verschieden
gefärbt, wobei die für siliciumlegiertes
EN-GJS typischen Graphitformabweichungen
rot dargestellt sind. In Bild 8a sind ca.
10 % Formabweichungen dargestellt, Anteile
von 3 % sind in Bild 8b für einen Si-
Gehalt von 4,18 % wiedergegeben. Der Anteil
an den Graphitformen V und VI beträgt
bei dieser Probe etwa 40 %.
Graphitform V + VI in %
60
50
40
30
20
10
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Impfmittelmenge in %
1500
1200
900
600
300
Graphitform V + VI bei 160 mm
Wanddicke mit Impfmittel Nr. 4
Bild 6: Graphitform V + VI in der 160-mm-Wand bei verschiedenen Impfmittelmengen
– die Impfmittelmenge beeinflusst die Graphitform.
Graphitpartikel/mm 2
Graphitformen V + IV > 80 %
Impfmittel:
1 2 3 4 5 6
7 8 9 11
0
0 40 80 120 160
Wanddicke in mm
Bild 7: Die Anzahl der Graphitpartikel hängt von der Zusammensetzung des Impfmittels
ab.
a
Interne
Probenbezeichnung
Impfmittel
Nr.
R m
Rp 0,2
in MPa
Bruchdehnung
in %
in MPa
F3.3 1 553 487 3,2 a
F3.7 2 491 371 19,3 b
Bild 8: a) 10 % Anteil an Graphitformabweichungen; b) 3 % Anteil an Graphitformabweichungen.
b
Bild
Nr.
Die in Bild 9 gezeigte Graphitform
kann bei flüchtiger Betrachtung mit dem
„Chunky-Graphit“ verwechselt werden,
das Graphitwachstum unterscheidet sich
jedoch vom Chunky-Graphit. Wie in [1]
durch Untersuchungen mittels Raster-
Elektronen-Mikroskop (REM) gezeigt,
wächst Chunky-Graphit als zusammenhängender
Körper, indem hexagonale Graphitplatten
übereinandergeschichtet im
Raum wachsen und sich verzweigen. Im
siliciumlegierten EN-GJS sind die Graphitabweichungen
zwischen Dendriten angeordnet,
in denen sich normal ausgebildete
Graphitkugeln befinden. Diese Anordnung
ist mit dem bekannten D-Graphit
GIESSEREI 100 08/2013 45

TECHNOLOGIE & TRENDS
Bild 9: Beispiel von Abweichungen der Graphitform bei EN-GJS-600-10.
Bild 10: Graphitformabweichungen in siliciumlegiertem EN-GJS.
Bild 11: Verschleiß der Schneidkeramik an der Freifläche und Schnittparameter bei den
Bearbeitungsversuchen.
Standzeit in min
20
16
12
8
4
0
EN-GJS-500-7 EN-GJS-500-14 EN-GJS-600-3 EN-GJS-600-10
Bild 12: Vergleich der Werkzeugstandzeiten (auf 200 µm begrenzter Freiflächenverschleiß,
Schnittgeschwindigkeit 240 m/min) der vier untersuchten Werkstoffe beim Längsdrehen.
bei Gusseisen mit Lamellengraphit vergleichbar.
D-Graphit wird auch unterkühlter Graphit
genannt, weil bei der Kristallisation
der Schmelze mittels thermischer Analyse
eine größere Unterkühlung gemessen
wird als z. B. bei der Ausscheidung von A-
Graphit. Nach einer Tiefätzung des in Bild 9
gezeigten Gefüges und der Untersuchung
mit dem REM ergibt sich ein Hinweis auf
das Wachstum des Graphits. Im Gegensatz
zum plättchenförmigen Wachstum des
Chunky-Graphits besteht der Graphit aus
aneinandergereihten kleinen Graphitkugeln
(Bild 10).
Die Vergleichbarkeit des Aussehens
der Graphitanordnung mit dem D-Graphit
in EN-GJL lässt vermuten, dass das Auftreten
der Graphitabweichung durch eine
stärkere Unterkühlung in der Abkühlungskurve
entweder im Gussstück oder
im Quick-Cup-Tiegel der thermischen Analyse
angezeigt wird. Bei den Schmelzversuchen
wurde jeweils ein Tiegel für die
thermische Analyse abgegossen und im
thermischen Zentrum der verschiedenen
Wanddicken der Flügelprobe eine Abkühlungskurve
aufgenommen. Bei den jeweiligen
Abkühlungskurven wurden die Unterkühlungen
und Erstarrungszeiten entsprechend
der BDG-Richtlinie P 350 [2]
ermittelt. Diese Merkmale wurden mit den
Gefügemerkmalen der Graphitformen V
und VI und den Abweichungen von der
Graphitform korreliert. Dabei wurde festgestellt,
dass keine statistisch gesicherte
Beziehung zwischen diesen Größen besteht.
Damit gibt die Abkühlungskurve
bei siliciumlegiertem EN-GJS keine Hinweise
auf eine vorliegende mögliche Graphitabweichung.
Verringerungen der
Schallgeschwindigkeit, mit denen die Graphitformabweichung
im Gussstück detektierbar
sein könnte, finden durch diese
Graphitform nicht statt.
46 GIESSEREI 100 08/2013

Die bei hohen Si-Gehalten auftretende
Abweichung in der Graphitform hat ähnliche
Auswirkungen auf die mechanischen
Eigenschaften wie Chunky-Graphit (Tabelle
in Bild 8), die Bruchdehnung wird als
erste Größe vermindert.
Bei der Erarbeitung einer Impftechnologie
zur Einstellung des angestrebten
Werkstoffgefüges in Bezug auf Graphitkugelzahl
und -gestalt wurde festgestellt, dass
bei siliciumlegiertem EN-GJS ein optimales
Gefüge hinsichtlich der Kugelzahlen
und Kugelgestalt mit wismuthaltigem Impfmittel
erzielt wird. Ein Anstieg des Wismutgehalts
nach Zugabe des wismuthaltigen
Impfmittels im Eisen ist analytisch
nicht nachweisbar. Die Spurenelemente
werden im IfG grundsätzlich mit der
ICP-OES (Inductive Coupled Plasma-Optical
Emission Spectrometrie) nasschemisch
bestimmt. Beim Vergleich der Wirkungen
der chemischen Zusammensetzungen von
Impfmitteln wurden die Bi-Gehalte im
Gussstück ermittelt. Bei dem wismuthaltigen
Impfmittel 2 und dem kein Bi enthaltenden
Impfmittel 1 wurden jeweils Bi-Gehalte
< 5 ppm ermittelt. Bei einem theoretischen
Ausbringen von 100 % des mit dem
Impfmittel zugegebenen Bi sollten bei einem
Gehalt von 1 % Bi im Impfmittel
2,30 ppm Bi im Gussstück enthalten sein.
Die Nachweisgrenze des Analysenverfahrens
beträgt 5 ppm, was bedeutet, dass Bi
nach dem Stand der Technik analytisch
nicht nachweisbar ist, die Wirkung bei Verwendung
von wismuthaltigem Impfmittel
jedoch deutlich an Gefügeverbesserungen
erkennbar ist.
Vergleichende Untersuchung der
Bearbeitbarkeit von Gussteilen
aus EN-GJS-500-7 mit
EN-GJS-500-14 und EN-GJS-600-3
mit EN-GJS-600-10
Durch die gleichmäßige Härte ist der Werkzeugverschleiß
beim ferritischen Werkstoff
wesentlich geringer als beim ferritisch/perlitischen
Werkstoff EN-GJS-500-7. Die Bearbeitbarkeit
verbessert sich nach Angaben
von L. E. Björkegren, K. Hamberg und
B. Johannesson [3] um 10 %, wobei die
Werkzeugstandzeiten nicht als Verschleiß,
sondern als Verschleißindizes angegeben
werden. Bei den Auswertungen waren die
Siliciumgehalte auf 3,75 % Si begrenzt. Aus
diesem Grund lag es nahe, die Bearbeitbarkeit
der Werkstoffe EN-GJS-500-7 mit
EN-GJS-500-14 und EN-GJS-600-3 mit
EN-GJS-600-10 zu vergleichen.
Zur Bewertung der Zerspanbarkeit wurden
die vier zu untersuchenden Werkstoffe
in Form von Zylindern mit einem Durchmesser
von 120 mm und einer Länge von
300 mm gegossen. Aus den thermischen
Zentren eines Zylinders je Werkstoff wurde
eine Zugprobe herausgearbeitet. Aus
dem Stabkopf wurde ein Schliff für die metallographische
Untersuchung entnommen.
Vor den Zerspanversuchen wurde die
Gusshaut in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt
entfernt.
Die Ergebnisse der Zugversuche sind in
Tabelle 1 aufgeführt. Bei der Bewertung
der Ergebnisse der Zugproben ist zu beachten,
dass die Probenahme aus dem Gussteilzentrum
erfolgte.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde
die Standzeit des Bearbeitungswerkzeugs
zur Bewertung der Zerspanbarkeit der vier
untersuchten Gusseisenwerkstoffe gewählt.
Nach DIN 6583 beschreibt die Standzeit die
Dauer, die bis zum Erreichen eines Standkriteriums
unter gewählten gleichen Zerspanungsbedingungen
verstreicht. Bei den
Untersuchungen wurde als Standzeit diejenige
Zeit ermittelt, bei der ein auf 200 µm
begrenzter Freiflächenverschleiß erreicht
wurde (Bild 11).
Die Ergebnisse der Untersuchungen
(Bild 12) zur Werkzeugstandzeit bei der
Bearbeitung der EN-GJS Werkstoffe
EN-GJS-500-7, EN-GJS-500-14, EN-GJS-600-3
und EN-GJS-600-10) zeigen, dass die Werkstoffe
mit ferritischem Grundgefüge besser
bearbeitbar sind als die ferritisch/per-
GIESSEREI 100 08/2013 47

TECHNOLOGIE & TRENDS
Standzeit in min
20
16
12
8
4
0
EN-GJS-500-7
240 m/min
EN-GJS-500-14
Schnittgeschwindigkeit
320 m/min
Bild 13: Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten vermindern sich die
Werkzeugstandzeiten (auf 200 µm begrenzter Freiflächenverschleiß).
litischen Werkstoffe. Die Werkzeugstandzeiten
verlängern sich bei den ferritischen
Werkstoffen um etwa 50 bis 60 % (Bild 12).
Die Werkzeugstandzeitverlängerung bei
der Bearbeitung der ferritischen Werkstoffe
ist auch bei Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit
von 240 auf 320 m/min erkennbar
(Bild 13). Bei den beiden verglichenen
Werkstoffen EN-GJS-500-7 und
EN-GJS-500-14 reduziert sich durch die höhere
Schnittgeschwindigkeit die Werkzeugstandzeit
um ca. 60 %, bei EN-GJS-500-14
ist die Werkzeugstandzeit bei der höheren
Schnittgeschwindigkeit um ca. 30 % länger
als bei EN-GJS-500-7.
Weitere Untersuchungen zur Werkzeugstandzeit
bei der Bearbeitung von Gussteilen
werden im nächsten Abschnitt beschrieben.
Abguss von Referenzgussstücken
und Gussteilprüfung
Bild 14: Planetenträger als Referenzgussstück.
Bild 15: Prüfschema bei den Serienplanetenträgern.
In zwei Gießereien wurden Seriengussteile,
die üblicherweise in dem ferritisch/perlitischen
Werkstoff EN-GJS-600-3 abgegossen
wurden, ohne Änderung des Anschnittund
Speisersystems zum Vergleich in dem
Werkstoff EN-GJS-600-10 abgegossen. Bei
einem Gussteil handelte es sich um einen
Planetenträger mit einem Gewicht von ca.
40 kg. Die Planetenträger laufen in Serie
auf einer Formanlage und werden von der
Gießerei bearbeitet an den Kunden ausgeliefert.
Planetenträger unterliegen besonderen
Anforderungen an Volumendefizite
in bestimmten Bereichen, da sie die bei einem
Getriebe auftretenden Kräfte übertragen
müssen. Eine Übersichtszeichnung ist
in Bild 14 wiedergegeben. Die in der Zeichnung
rot markierten Flächen wurden für
den Vergleich des Werkzeugverschleißes
bearbeitet. Es wurden jeweils 30 Planetenträger
aus dem Werkstoff EN-GJS-600-3 und
dem Werkstoff EN-GJS-600-10 mit den gleichen
Bearbeitungsparametern bearbeitet
und der Freiflächenverschleiß bei den Keramikplättchen
verglichen. Für den Vergleich
der mechanischen Eigenschaften
und des Härteverlaufs im Gussstück wurden
pro Werkstoff ein Planetenträger in der
Mitte geteilt, der Härteverlauf gemessen
und Zugproben herausgearbeitet. Der Härtemessverlauf
und die Zugprobenlage für
den Werkstoff EN-GJS-600-3 sind in Bild 15
dargestellt. Für den Werkstoff EN-GJS-600-10
wurde die gleiche Prüfanordnung verwendet.
Die gemessenen Härteverläufe sind in
Bild 16 gegenübergestellt. Die mittlere Brinellhärte
beträgt bei dem Planetenträger
aus dem Werkstoff EN-GJS-600-10 etwa
220 HBW. Bis auf die ersten drei Messwerte,
die sich in den geringsten Wanddicken
des Planetenträgers befinden, liegen die
Messungen auf gleichem Niveau. Bei dem
Werkstoff EN-GJS-600-3 liegt die mittlere
48 GIESSEREI 100 08/2013

Härte bei etwa 225 HBW, die Messwerte
der ersten drei Punkte weichen zu niedrigeren
Brinellhärtewerten hin ab.
Die an den aus den Gussstücken herausgearbeiteten
Zugproben gemessenen
0,2-%-Dehngrenzen liegen bei EN-GJS-600-10
mit 508 MPa bzw. 503 MPa um 125 MPa
höher als bei EN-GJS-600-3. Die Zugfestigkeiten
sind mit 633 MPa und 638 MPa bei
EN-GJS-600-10 und 646 MPa bzw. 675 MPa
bei EN-GJS-600-3 vergleichbar. Die Bruchdehnungen
bei EN-GJS-600-10 liegen mit
14,7 % und 18 % über den Normwerten. Bei
EN-GJS-600-3 betragen die Bruchdehnungen
4,4 % und 7,9 % (Tabelle 2).
Das Gefüge des Planetenträgers (Bild 17)
entspricht dem herkömmlichen ferritisch/
perlitischen Werkstoff EN-GJS-600-3 mit ca.
10 bis 20 % Ferrit im Grundgefüge. Das Gefüge
des Planetenträgers aus EN-GJS-600-10
besteht aus 100 % Ferrit (Bild 18). Die Graphitausbildung
und die Größe der Graphitkugeln
beider Werkstoffe sind vergleichbar.
Der an den Schneidplättchen gemessene
Freiflächenverschleiß bei der Bearbeitung
der beiden Werkstoffe ist gleichgroß,
was offensichtlich auf die niedrige Anzahl
an bearbeiteten Teilen zurückzuführen ist.
Die Schneidkeramikplättchen wurden
nach der Bearbeitung von jeweils 30 Gussteilen
gewechselt.
Als weitere Referenzgussteile wurden
je 5 im Handformguss hergestellte Planetenträger
der Werkstoffe EN-GJS-600-3 und
EN-GJS-600-10 mit einem Gewicht von ca.
300 kg/Stück abgegossen. Für die Abgüsse
wurde das bestehende Anschnitt- und
Speisersystem unverändert übernommen.
Die unbearbeiteten Rohteile wurden von
der Gießerei bei Warenausgang mittels Ultraschall
nach den Spezifikationen des Kunden
geprüft, registrierpflichtige Anzeigen
wurden nicht gefunden. Die mechanischen
Eigenschaften an Probestäben waren:
> EN-GJS-600-3, Charge 6702-12,
Schmelze 1849.1,
Rp 0,2 = 461 MPa,
R m = 760 MPa,
A = 7 %
> EN-GJS-600-10, Charge 6722-12,
Schmelze 1891,
Rp 0,2 = 507 MPa,
R m = 601 MPa,
A = 18 %.
Zu bemerken ist auch hier, dass die
0,2 %-Dehngrenze bei EN-GJS-600-10 höher
ist als bei EN-GJS-600-3.
Die Gussteile wurden bei dem Kunden
der Gießerei bearbeitet. Nach der Bearbeitung
wurde an allen Teilen nochmals eine
Ultraschall-Prüfung durchgeführt, mit dem
Ergebnis, dass keine registrierpflichtigen
Anzeigen gefunden wurden.
In Bild 19, der technischen Darstellung
des Planetenträgers, sind die bearbeiteten
Tabelle 1: Ergebnisse der Zugproben, entnommen aus jeweils einem Gussteil (Rp 0,2
– 0,2-%-Dehngrenze, R m – Zugfestigkeit, A – Bruchdehnung, Z – Einschnürung).
Werkstoff Interne IfG-Proben- Rp 0,2 R m A Z HBW
Nummer in MPa in MPa in % in % 10/3000
Mittelwert
EN-GJS-500-7 119623 358 590 11,2 7 199
EN-GJS-500-14 121742 387 501 11,3 10 175
EN-GJS-600-3 119625 416 615 3,7 3 228
EN-GJS-600-10 125266 447 561 19,3 21 195
Tabelle 2: Vergleich der im Gussstück gemessenen Festigkeiten (d 0 – Probendurchmesser).
Werkstoff Interne d o Rp 0,2 R m A Z
IfG-Proben- in mm in MPa in MPa in % in %
Nummer
EN-GJS-600-3 Pos. 1 131136 6,00 372 675 7,9 3
EN-GJS-600-3 Pos. 2 131137 11,98 375 646 4,4 3
EN-GJS-600-10 Pos. 1 131138 6,00 503 638 18,0 16
EN-GJS-600-10 Pos. 2 131139 11,98 508 633 14,7 13
Tabelle 3: Mechanische Kennwerte der Zugproben aus einer Bordscheibe bei unterschiedlichen
Prüftemperaturen.
Kennwert
Prüftemperatur
-20 °C -10 C° Raumtemperatur
R m in MPa 532 517 570
Rp 0,2 in MPa 400 392 457
A in % 19,5 17,5 20,8
Z in % 18 14 25
Flächen rot gekennzeichnet, die für die Beurteilung
des Werkzeugverschleißes herangezogen
wurden. Diese Flächen wurden
immer mit gleichen Schnittparametern bearbeitet,
sodass ein direkter Vergleich des
Plättchenverschleißes möglich ist. Die
Messwerte für den Freiflächenverschleiß
(wobei dieser auf die Untersuchung eines
Keramikplättchens pro bearbeitetem Planetenträger
bezogen ist) streuen sehr stark,
die Grundtendenz, dass EN-GJS-600-10 besser
bearbeitbar ist als EN-GJS-600-3, ist auch
in Bild 20 erkennbar. Der Mittelwert des
Freiflächenverschleißes liegt bei
EN-GJS-600-10 um ca. 30 % niedriger als bei
EN-GJS-600-3. Der maximale Plättchenverschleiß
ist bei EN-GJS-600-3 gegenüber
EN-GJS-600-10 um 100 % höher.
In einer Gießerei wurde bei Seiltrommeln
in Zusammenarbeit mit dem Kunden
ein Werkstoffwechsel vorgenommen. Im
Verlauf der Erstmusterprüfung wurden auf
Wunsch des Kunden verschiedene Prüfungen
am Gussteil durchgeführt. Zunächst
wurden aus einer Bordscheibe Zugproben
herausgearbeitet (Bild 21), die bei unterschiedlichen
Prüftemperaturen (-20 °C,
-10 °C und Raumtemperatur) geprüft wurden.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Zu den Ergebnissen ist anzumerken,
dass es sich um Zugproben aus dem
Gussstück handelt und dass drei Chargen
GIESSEREI 100 08/2013 49

TECHNOLOGIE & TRENDS
Härte HB
230
HB EN-GJS-600-10
226
222
218
214
HB EN-GJS-600-3
210
0 5 10 15 20 25 30 35
Laufende Nummer
Bild 16: Gemessene Härteverläufe in den Planetenträgern.
Bild 17: Gefüge des Werkstoffes EN-GJS-600-3 an zwei Stellen des Planetenträgers.
Bild 18: Gefüge des Planetenträgers aus dem Werkstoff EN-GJS-600-10.
geprüft wurden. Ein wesentlicher Einfluss
der Prüftemperatur ist nicht erkennbar.
Zusätzlich zu den Zugproben aus dem
Gussstück wurde ein Faltversuch nach DIN
50111 vereinbart, der nachstehend kurz
beschrieben ist (Bild 22). Zwischen zwei
Lagern von 100 mm Dicke (50 mm Radius)
mit einem Abstand der Maximalpunkte
von 187,5 mm wird ein 12,5 mm dicker
Streifen aus dem Gussstück gebogen und
der Biegewinkel bestimmt, bei dem erste
Risse auftreten. Der geprüfte Streifen wies
nach Erreichen eines Biegewinkels von 88°
erste Risse auf. Diese Prüfergebnisse erhöhten
die Akzeptanz des Werkstoffs.
Diskussion der Ergebnisse und
Folgerungen für die Praxis
Auf der Grundlage allgemein üblicher Analysen
für EN-GJS wurden in den Schmelzlaboren
beider am Projekt beteiligten Institute
(Österreichisches Gießerei-Institut
(ÖGI), Leoben, und IfG, Düsseldorf) Schmelzen
erstellt, mit denen überprüft wurde,
ob bei vergleichbaren Abkühlungsbedingungen
und geometrisch gleichen Gusskörpern
ähnliche mechanische und Gefügeeigenschaften
erzielt werden. Das Einsatzmaterial
für diese Schmelzen ist bei beiden
Forschungsstellen gleich, die Art der Mg-
Behandlung ist unterschiedlich. Wie zu erwarten
war, ist, bedingt durch die unterschiedlichen
metallurgischen Verfahrenstechniken,
ein Gefüge erzielt worden,
welches erst durch Änderung der Impftechnik
angeglichen werden konnte. Damit
wurde einmal mehr gezeigt, dass bei
geänderten metallurgischen Voraussetzungen,
wie z. B. unterschiedlichen Behandlungsverfahren,
bei Verwendung gleicher
Impfmittel der Keimhaushalt und die Anzahl
der Keime durchaus unterschiedlich
beeinflusst werden.
Um den Zusammenhang zwischen Siliciumgehalt
und mechanischen Eigenschaften
festzustellen, wurden Schmelzen mit
Si-Gehalten zwischen 2,5 und 6 % erstellt,
die auf einer konstant gehaltenen Grundanalyse
an Mn, P, S und Mg mit gleichem
Einsatzmaterial basieren, damit der Einfluss
von verschiedenen Anteilen an Spurenelementen
ausgeschaltet wird. Bei Steigerung
des Si-Gehalts wurde der Kohlenstoffgehalt
verringert und auf einen
Sättigungsgrad S c von ~1 abgestimmt. Es
konnten optimale Eigenschaftskombinationen
aus R m , Rp 0,2 und A mit steigenden
Zugfestigkeiten und Dehngrenzen bis zu
einem Si-Gehalt von 4,3 % ermittelt werden.
Über diesen Grenzgehalt hinaus verschlechterten
sich die Ergebnisse sehr
schnell. Der Ferrit des Grundgefüges versprödet
mit Überschreitung des Si-Gehaltes
von 4,3 % sehr stark. Die für die Herstellung
des EN-GJS-600-10 anzustrebende
50 GIESSEREI 100 08/2013

Analysenspanne von 4 bis 4,2 % Silicium
(einschließlich dem Siliciumgehalt des
Impfmittels) ist äußerst gering und für eine
sichere reproduzierbare Fertigung im
Schmelzbetrieb kaum einhaltbar. Der
Schmelzbetrieb versucht durch Änderung
der Behandlungsmittelmenge möglichst einen
konstanten Mg-Gehalt in der Schmelze
zu erzielen und reagiert damit auf Einflüsse
auf das Magnesium-Ausbringen, wie
Temperatur der Schmelze und Schwefelgehalt.
Da alle Magnesiumbehandlungsmittel,
außer Rein-Magnesium, Silicium
enthalten, ändert sich mit der Zugabemenge
an Behandlungsmittel gleichzeitig der
Silicium-Endgehalt. Für eine sichere und
reproduzierbare Fertigung von EN-
GJS-600-10 ist es also wichtig, die Siliciumstreuungen
zu minimieren. Die Streuung
der Si-Gehalte liegt, bedingt durch das
wechselnde Ausbringen der siliciumhaltigen
Mg-Vorlegierung und des siliciumhaltigen
Impfmittels, höher als 0,2 % Si. Hier
muss das Prozessfenster für eine sichere
Fertigung auf jeden Fall erweitert werden.
Der Einfluss von nennenswerten Gehalten
an perlit- und carbidstabilisierenden
Elementen wurde in mehreren Versuchen
exemplarisch untersucht. Bei diesen Versuchen
wurden Schmelzen mit entsprechend
hohen Elementgehalten erstellt, bei
denen Carbidausscheidungen zu erwarten
waren. Bei den metallographischen Untersuchungen
dieser Proben wurden keine
Carbide gefunden, die Probe mit sehr hohen
Chromgehalten von 0,6 % wies lediglich
durch einen höheren Perlitanteil im
Gefüge eine verminderte Bruchdehnung
auf. Thermodynamische Modellrechnungen
der zu erwartenden Phasenanteile erbrachten
keine plausiblen Ergebnisse. In
einem Anschlussprojekt sollen aus diesem
Grund Berechnungen mit der Thermodynamik-Software
J-MatPro zur Begleitung
der Versuche zusätzlich mit einbezogen
werden. In diesem Projekt erfolgt der Abgleich
der berechneten Ergebnisse mit den
realen Messungen und Anpassungen durch
den Hersteller.
Die Basisschmelze zur Herstellung von
EN-GJS wird bei bestimmten Anwendungsfällen
bis zu 60 % aus Stahlschrott erschmolzen,
besteht also aus wiederverwerteten
Materialien. Dieser Wiederverwertungsweg
wird durch den zunehmenden Einsatz
von legierten hochfesten Stahlblechen,
z. B. in der Automobilindustrie, erschwert.
Legierungselemente, die die Festigkeit von
Walzstahl erhöhen, wie Mn, Cr, V, Ti verursachen
im Gusseisen mit Kugelgraphit, insbesondere
in dickwandigen Gussteilen, Carbidausscheidungen,
die die mechanischen
Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit negativ
beeinflussen. Die vorliegenden Untersuchungen
im Rahmen des Projekts haben
gezeigt, dass das siliciumlegierte Gussei-
Bild 19: Bearbeitete Flächen (rot) für die Beurteilung des Werkzeugverschleißes.
Freiflächenverschleiß in µm
500
400
300
200
100
0
EN-GJS-600-3
135
165
EN-GJS-600-10
288
210
476
271
Minimum Mittelwert Maximum
Bild 20: Freiflächenverschleiß bei der Bearbeitung von Planetenträgern aus den Werkstoffen
EN-GJS-600-3 und EN-GJS-600-10.
GIESSEREI 100 08/2013 51

TECHNOLOGIE & TRENDS
Bild 21: Lage der Zugproben in der Bordscheibe der Seiltrommel.
Bild 22: Faltversuch an einem Abschnitt aus einer
Seiltrommel, Werkstoff EN-GJS-500-14.
Anteil Graphitform V + VI in %
100
90
80
70
60
zunehmender
Siliciumgehalt
Impftechnik
gut
Impftechnik
schlecht
weise auf die Verwendung von Wismut in
Impfmitteln zur Graphitfeinung in Gusseisen
mit Kugelgraphit. Im Vergleich von
FeSi-75 mit und ohne Wismut erhöht das
wismuthaltige Impfmittel gegenüber dem
Impfmittel ohne Wismut die Graphitkugelzahlen
und verlängert den Abklingeffekt.
Die vorliegenden Gefügeauswertungen
der Silicium-Legierungsversuche haben ergeben,
dass bei konstantem Siliciumgehalt
die Haupteinflussgröße auf die Kugelgestalt
die Erstarrungszeit ist. Zusätzlich beeinflusst
die chemische Zusammensetzung des Impfmittels
und die Impfmittelmenge die Graphitformen.
Ein gewisser Anteil an Wismut
im Impfmittel ist notwendig, um einen genügend
hohen Anteil an den Graphitformen
V und VI zu erzielen. Neben der Erstarrungszeit
und der Impfmittelsorte beeinflusst der
Siliciumgehalt der Schmelze die Graphitformen.
Abhängig von der Wanddicke und dem
Siliciumgehalt treten Abweichungen in der
Graphitform auf, die dem bekannten Chunky-Graphit
sehr ähnlich sehen, jedoch einem
anderen Wachstumsmechanismus unterliegen.
Die Abweichungen in der Graphitform
im Si-legierten Gusseisen mit Kugelgraphit
bestehen aus sehr vielen aneinandergereihten,
sehr kleinen Graphitkugeln. Chunky-
Graphit wächst als zusammenhängender
Körper schichtweise aus hexagonalen Graphitplatten
[1]. Bei der Ausscheidung von
Chunky-Graphit verändert sich der im Gussstück
gemessene Abkühlungsverlauf dahingehend,
dass die Unterkühlung größer und
die Erstarrungszeit bei gleichen Wärmeableitungsbedingungen
der Form deutlich verlängert
werden. Ein derartiges Phänomen
konnte bei Auftreten der typischen Graphitformabweichung
in den Abkühlungskurven
der Siliciumlegierungsversuche nicht nachgewiesen
werden. Der Bildungsmechanismus
kann analog der Vermeidung von Chunky-Graphit
bei herkömmlichem Gusseisen
mit Kugelgraphit durch die Impftechnik und
die chemische Zusammensetzung des Impfmittels
(insbesondere wismuthaltige Impfmittel)
beeinflusst werden. Ansteigende Bi-
Gehalte durch das Impfen mit wismuthaltigem
Impfmittel oder Anreicherungen von
Störelementen konnten in der näheren Umgebung
der Graphitabweichungen mit herkömmlichen
zur Verfügung stehenden Analysenmethoden
nicht nachgewiesen werden.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen
auch, dass es extrem schwierig ist, das für
die Produktion von Gussteilen mit sehr unterschiedlichen
Wanddicken optimale
Impfmittel und die optimale Impfmittelmengen
zu finden. Sowohl der Anteil an
Silicium, die Impfmittelzusammensetzung
und die Impftechnik beeinflussen neben
der Wanddicke die Graphitform (Bild 23).
Bei geänderten metallurgischen Voraussetzungen,
wie z. B. unterschiedlich hohen
Sauerstoffgehalten vor dem Impfen, kön-
Impfmittelzusammensetzung
50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Wanddicke in mm
Bild 23: Schematischer Zusammenhang zwischen Gefüge und Impftechnologie.
sen mit Kugelgraphit wesentlich höhere
Gehalte an perlit- und carbidstabilisierenden
Elementen toleriert, ohne dass ein negativer
Einfluss dieser Elemente auf das
Gefüge und die mechanischen Eigenschaften
bemerkt werden kann. Es zeigte sich,
dass bei der Anwesenheit von 0,3 % Cr ca.
5 % Perlit und keine Carbide vorliegen. Im
herkömmlichen EN-GJS bilden sich hier bereits
(Fe, Cr) 3 C-Ausscheidungen. Bei 1,0 %
Mn hat sich wider Erwarten bei diesem hohen
Anteil eines Perlitbildners trotzdem
noch ein vollständig ferritisches Gefüge eingestellt.
In beiden Fällen werden sehr gute
Zähigkeitseigenschaften erreicht. Dies
bietet das Potential, auch kostengünstigere,
niedriglegierte Schrotte im metallischen
Einsatz zu verwenden.
Über Theorie und Praxis des Impfens
von Gusseisenschmelzen ist sehr viel publiziert
worden, wobei die unterschiedlichsten
Lehrmeinungen vertreten werden.
Eine ganz ausgezeichnete, zusammenfassende
Darstellung über die „Impfbehandlung
von Gusseisenschmelzen“ gibt Henke
in [4]. So gibt Henke auch bereits Hin-
52 GIESSEREI 100 08/2013

nen die gleichen Impfmittel den Keimhaushalt
und die Anzahl der Keime durchaus
unterschiedlich beeinflussen. Aus diesem
Grund führen die gleichen Impfmittel, in
verschiedenen Gießereien angewendet, zu
völlig unterschiedlichen Ergebnissen.
Zur Bewertung der Bearbeitbarkeit wurden
die zu vergleichenden Werkstoffe
EN-GJS-500-7, EN-GJS-500-14, EN-GJS-600-3
und EN-GJS-600-10 in Form von Zylindern
mit einem Durchmesser von 120 mm und
einer Länge von 300 mm gegossen. Vor den
Zerspanversuchen wurde die Gusshaut in
einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt
entfernt. Die Gussteile wurden mit jeweils
den gleichen Bearbeitungsparametern zerspant.
Das Beurteilungskriterium für den
Verschleiß war die Bearbeitungszeit, in der
ein Freiflächenverschleiß von 200 µm an
den Keramikplättchen aufgetreten ist. Die
Werkzeugstandzeit ist bei den ferritischen
Werkstoffsorten EN-GJS-500-14 und
EN-GJS-600-10 gegenüber den ferritisch/
perlitischen Werkstoffen um etwa 50 bis
60 % länger. Diese Angabe gilt nur für die
vergleichbaren Bearbeitungsparameter,
insbesondere für die Schnittgeschwindigkeit
von 240 m/min und für das Längsdrehen.
Wird die Schnittgeschwindigkeit um
25 % erhöht, so vermindert sich die Standzeit
um etwa 50 %. Es besteht kein linearer
Zusammenhang zwischen Schnittgeschwindigkeit
und Werkzeugverschleiß.
Für den Bearbeiter der ferritischen
Werkstoffsorten kann abgeleitet werden,
dass sich bei gleichen Schnittgeschwindigkeiten
die Intervalle zwischen den Werkzeugwechseln
im Vergleich zu der Bearbeitung
der ferritisch/perlitischen Werkstoffe
verlängern und die Maschinenauslastung
damit besser wird. Eine weitere Möglichkeit
die Auslastung der Bearbeitungsmaschinen
zu verbessern, ist die Erhöhung
der Schnittgeschwindigkeit gegenüber den
ferritisch/perlitischen Werkstoffsorten. Mit
dieser Vorgehensweise können größere
Stückzahlen bei gleichem Werkzeugverschleiß
bearbeitet werden.
Die Abgüsse der Referenzgussteile und die
Abgüsse der Bearbeitungsproben, die ebenfalls
Seriengussteile waren, haben gezeigt,
dass für die Herstellung von Gussteilen
aus den mischkristallverfestigten EN-GJS-
Werkstoffen die Anschnitt- und Speisersysteme
für Gussteile aus ferritisch/perlitischen
Werkstoffen ohne Änderung übernommen
werden können. Die Gussteile
wiesen im Vergleich keine vermehrten Porositäten
auf. Bei Neuteilen oder Werkstoffumstellungen
auf die siliciumlegierten
Werkstoffe können zur Anschnitt- und Speiserauslegung
die Erfahrungen aus der Produktion
der ferritisch/perlitischen Werkstoffsorten
übernommen werden.
Bei den Schmelzversuchen zu dem vorliegenden
Projekt „CORNET“ (AiF-Nr.- 41 EN)
und vor allen Dingen im Verlauf der Begleitung
der Einführung der mischkristallverfestigten
siliciumlegierten Werkstoffsorten
in einigen Gießereien hat sich gezeigt, dass
neben der optimierten Impftechnik einige
wichtige Punkte zu beachten sind:
> Die Plättchen für die Spektrometerproben
müssen ausreichend dünn dimensioniert
werden, sodass Proben bei hohen
Si-Gehalten weiß erstarren können.
Bei teilweise grau erstarrten Proben
werden vom Spektrometer fehlerhafte
Analysen angezeigt.
> Bei häufiger Probenahme darf die Kokillentemperatur
nicht so weit ansteigen,
dass die Spektrometerproben grau
erstarren.
> Die wichtigste Voraussetzung zur reproduzierbaren
Herstellung der silicium-legierten
Werkstoffe ist die Kalibrierkurve
des Spektrometers. Das Spektrometer
muss in der Lage sein, die
hohen Si-Gehalte genau zu bestimmen,
da, wie gezeigt, bei der Werkstoffsorte
EN-GJS-600-10 der Gehalt von 4,3 % Si
nicht überschritten werden und der maximale
Gehalt, um die Normwerte einhalten
zu können, um 0,2 % Si streuen
darf. Aus Sicherheitsgründen sollte der
Siliciumgehalt für die Werkstoffsorte
EN-GJS-600-10 zwischen 4,0 und 4,2% Si
eingestellt werden.
> Wegen der einzuhaltenden Genauigkeit
der Siliciumgehalte ist es unerlässlich,
bei der Gattierungszusammenstellung
die Größe des Siliciumeintrags durch
die Mg-Vorlegierung und das Impfmittel
zu berücksichtigen.
Zusammenfassung
Aufgrund der Eigenschaften der siliciumlegierten
EN-GJS-Werkstoffe – hohe Festigkeit
bei vergleichsweise guter Dehnung,
gleichmäßige Härteverteilung und bessere
Bearbeitbarkeit – ist in Zukunft eine starke
Nachfrage nach diesen Werkstoffen zu
erwarten. Silicium als Ferritbildner erhöht
die Festigkeit und Härte durch Mischkristallverfestigung,
es entsteht ein ferritisches
Grundgefüge mit Zugfestigkeiten, vergleichbar
den ferritisch/perlitischen Sorten. Mit
Überschreiten eines Siliciumgrenzgehalts
von 4,3 % vermindern sich die Festigkeiten
und die Bruchdehnungen sehr schnell.
Die durch Silicium mischkristallverfestigten
Werkstoffsorten bieten das Potential,
auch kostengünstigere, niedriglegierte
Schrotte im metallischen Einsatz zu verwenden,
ohne dass Perlit oder Carbide im
Gefüge auftreten.
Voraussetzungen für optimale Graphitkugelformen
und damit optimale mechanische
Eigenschaften sind Impftechnologien,
die auf den Siliciumgehalt und die maximale
Erstarrungszeit abgestimmt sind.
Die Herstellung von Gussstücken hinsichtlich
der Werkstoffeigenschaften und
der Herstell- und Bearbeitungskosten kann
optimiert werden. Eine Optimierung bedeutet
Umsetzung der günstigeren mechanischen
Eigenschaften, entweder in geringere
Wanddicken (Leichtbauweise) oder
höhere Belastung der Gussteile ohne geometrische
Änderungen.
Die mischkristallverfestigten Werkstoffe
lassen sich durch den geringeren Werkzeugverschleiß
kostengünstiger bearbeiten.
Vorhandene Modelleinrichtungen und
Anschnittsysteme können ohne Änderungen
mit den neuen Werkstoffen abgegossen
werden.
Durch die erzielten Ergebnisse der untersuchten
gießtechnologischen Eigenschaften
konnten im Vorfeld befürchtete
Nachteile, wie z. B. vermehrte Seigerungen
und vermehrtes Auftreten von Mikroporositäten,
ausgeräumt werden.
Mit einem Qualitätsvorsprung in Bezug
auf Fehlervermeidung, Reduzierung von
Ausschuss und Kosteneinsparung bei den
Rohstoffen können die Gießereien am
Standort Deutschland und Österreich ihre
internationale Wettbewerbsfähigkeit erhalten
und ausbauen.
Das IGF-Vorhaben 41 EN der Forschungsvereinigung
Gießereitechnik e. V.
FVG, Sohnstraße 70, 40237 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms
zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung
(IGF) vom Bundesministerium der Wirtschaft
und Technologie aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages gefördert.
Hierfür sei an dieser Stelle herzlich
gedankt. Der Dank gilt auch den
Gießereien, die das Projekt in Sitzungen
des projektbegleitenden Arbeitskreises unterstützt
haben. Besonderer Dank gilt den
Firmen (in alphabetischer Reihenfolge):
Buchholz + Cie. GmbH, Zweibrücken,
DESCH Antriebstechnik GmbH & Co. KG,
Arnsberg, Harz Guss Zorge GmbH, Zorge,
Schonlau-Werke – Maschinenfabrik und
Eisengießerei GmbH & Co. KG, Geseke, SLR-
Gusswerk II – Betriebs GmbH, Steyr, Österreich,
die das Projekt mit der Produktion
von Gussteilen, der Bearbeitung und
der Bereitstellung von Produktions- und
Prüfdaten unterstützt haben.
Dr.-Ing. Herbert Löblich und Dr.-Ing. Wolfram
Stets, Institut für Gießereitechnik
gGmbH (IfG), Düsseldorf
Literatur:
[1] Giesserei 93 (2006), [Nr. 6], S. 28-41.
[2] BDG-Richtlinie P 350, Stand 09/2009.
Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie
BDG, Düsseldorf.
[3] Gießerei-Praxis (1999), [Nr. 1], S. 11-17.
[4] Gießerei-Praxis (1980), [Nr. 5/6], S. 57/76.
GIESSEREI 100 08/2013 53