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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
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