Entwicklung Werkstoff und Einführung in den Serienprozess

GIESSEREI RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 11/12
Legierungselemente ➝ Gefügeaufbau ➝ Kennwerte/
Eigenschaften ➝ Bauteilverhalten.
Der Werkstoff DIN1.4849 ist in die Gruppe der austenitischen,
kubisch flächenzentrierten Stahlgusslegierungen
mit ca. 0,3 bis 0,35 %Kohlenstoff einzuordnen. Dieser
Bereich im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und die resultierende
kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur sind in
Abb. 5 dargestellt.
Der Einfluss der austenitstabilisierenden Elemente auf
das Gefüge liegt in der Erweiterung des γ-Mischkristallgebietes
bis unter die Raumtemperatur. Somit ergibt sich
ein stabiles Gefüge im gesamten Einsatzgebiet mit Temperaturen
von ca. –40 °C bis 1050 °C. Eine Gefügeumwandlung
vom γ-Mischkristall in den α-Mischkristall ist
zu vermeiden, da diese mit einer Volumenänderung verbunden
ist. Bei mehrfachen Aufheiz- und Abkühlvorgängen
des Werkstoffes im Betrieb führt dies zu einer Bauteilschädigung.
Hochlegierte austenitische Stahlgusslegierungen
erstarren exotherm in einer dendritischen
Struktur (Abb. 6).
Ausscheidungen, Verunreinigungen und Porositäten
werden an den Dendritengrenzen gebildet bzw.bei hohen
Schmelzpunkten vor diesen hergeschoben. Das dendritische
Gefüge mit einem Netzwerk an karbidischen Ausscheidungen
ist anschaulich im Schliffbild in Abb. 7 zu
erkennen. Die stabilen interdendritischen Partikel bewirken
eine Festigkeitssteigerung durch eine Behinderung
der Versetzungsbewegungen.
Mittels verschiedenster Probekörper,die aus in Schwerkraft
vergossenen Y-Blöcken gewonnen werden (Abb. 8),
können Werkstoffkennwerte bzw.weitere wichtige Eigenschaften
ermittelt werden. Mit Hilfe von Zug- und Kriechproben
werden neben Kennwerten wie Zugfestigkeit, Dehnung
und Kriechrate bei verschiedenen Laststufen bis zu
1050 °C (Abb. 9) auchInformationenzum Bruchverhalten
und zur Versprödung gewonnen. Kriechen bedeutet eine
plastische, zeitabhängige Verformung des Werkstoffes unter
Last. Bei der Versprödung können neue Phasen bei
Temperatureinfluss, wie z. B. Delta-Ferrit, gebildet werden,
die den Werkstoff schädigen.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Lebensdauer eines
thermomechanisch hoch belasteten Turbinengehäuses ist
die Beständigkeit gegenüber Ermüdung bei mehrfachen
Temperaturzyklen. Einflussgrößen wie Bildung, Wachstum,
Anzahl und Länge eventueller Risse werden anhand
von Scheibenproben untersucht (Abb. 10).
Sowohl wegen der hohen Einsatztemperaturen als auch
der aggressiven Gase im Betrieb muss der Werkstoff resistent
gegenüber Hochtemperatur-Oxidation sein.
a
Spannung in N/mm 2
b
Dehnung in %
500
400
300
200
100
0
16
12
8
4
0
Raumtemperatur
Dehnung in %
1050 °C
0 5 10 15 20 25 30
0 100 200 300 400 500 600
Zeit in h
Abb. 9: a) Zug- und b) Zeitstandfestigkeit (Temperatur: 950 °C,
Spannung: 30 MPa) des Serienwerkstoffes DIN1.4849.
a
b
c
Abb. 7: Gefüge des Serienwerkstoffes DIN1.4849: a) Querschnitt der Zugprobe, b) und c) Schliffbilder
a
b
c
d
Abb. 8:Werkstoff-Proben: a) Y-Block, b) Zug-, Kriechprobe, c) TMF-Scheibe, d) Oxidationswürfel.
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