11/12 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011) HEFT 11/12
Abb. 11: Einfluss der Auslagerungstemperatur und des Stabdurchmessers
auf die Gefügeausbildung im Zentrum des Versuchsstabes (nach [3]).
6. Festigkeitssteigerung bei ADI
durch mechanische Verfestigungsverfahren
Weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Schwingfestigkeit von
Gusseisen neben der ADI-Wärmebehandlung bestehen in der
Anwendung von mechanischen, thermischen oder thermochemischen
(Oberflächen-) Verfestigungsverfahren. Bei ausferritischem
Gusseisen ergeben die mechanischen Verfahren die besten
Ergebnisse, da diese das durch spezielle Wärmbehandlung
erzeugte Gefüge nicht negativ beeinflussen oder zerstören. Zu
den bekanntesten Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung
zählen Kugelstrahlen und Festwalzen.
Im Weiteren wird nur auf den Prozess des Festwalzens eingegangen.
Auf das Potential zur Steigerung der Schwingfestigkeit
durch Kugelstrahlen sei auf folgende Arbeiten verwiesen: [22, 23].
Festwalzen ist vor allem bei gekerbten Bauteilen (z. B. Kurbelwellen)
von Vorteil, da im Kerbgrund die höchsten lokalen Spannungen
auftreten und die Bauteillebensdauer limitieren. Die Steigerung
der Schwingfestigkeit bei diesem Verfahren beruht auf dem
Einbringen von Eigenspannungen in der Kerbe, der Verminderung
der Oberflächenrauhigkeit und gegebenenfalls einer Verfestigung
des Werkstoffs. Die Höhe der Eigenspannungen ist neben den Verfahrensparametern
(Festwalzkraft, Rollengeometrie etc.) auch vom
Werkstoff abhängig. Konstruktionswerkstoffe mit einer hohen
Dehngrenze erlauben das Einbringen von betragsmäßig höheren
Eigenspannungen [24]. Damit ist bei ausferritischem Gusseisen
mit Kugelgraphit im Vergleich zum Ausgangswerkstoff eine höhere
Steigerung der Schwingfestigkeit möglich, da mit der Wärmebehandlung
auch die Dehngrenze gesteigert wird (Abb. 7).
Für die Erhöhung der Schwingfestigkeit ist neben dem Maximalwert
der Eigenspannungen auch die Tiefe der Eigenspannungen
bzw. deren Tiefenverlauf entscheidend. Nur mithilfe der
Kombination aus Beanspruchungs- und Eigenspannungstiefenverlauf
lässt sich die Festigkeitssteigerung durch Festwalzen abschätzen
und erklärt die Unterschiede zwischen den Beanspruchungen
Umlaufbiegung, Torsion und Zug-Druck.
In Abb. 12 sind die Ergebnisse zur Bestimmung der Schwingfestigkeit
von ADI 1000 an gekerbten Rundproben (Abb. 13) mit
und ohne Festwalzen gegenübergestellt. Die Rundproben wurden
mit einer angepassten Festwalzrolle im Kerbgrund gerollt. Die Festigkeitssteigerung
betrug bei Umlaufbiegung ca. 75 %, bei Torsion
ca. 55% und bei wechselnder Zug-Druck-Belastung ca. 40% im
Vergleich zu nicht festgewalzten Rundproben aus ADI 1000.
Abb. 12: Steigerung der Schwingfestigkeit durch Festwalzen an gekerbten Rundproben für verschiedene Beanspruchungen; links: Umlaufbiegung,
Mitte: wechselnde Torsion, rechts: wechselnd Zug-Druck.
trotz Hinzufügens von Legierungselementen im Gussbauteilzentrum
Perlit auftreten, da die Abkühlraten im Zentrum nicht
hoch genug sind. Mit zunehmender Bauteildicke geht das ausferritische
Gefüge in ein Mischgefüge von Ausferrit und Perlit
über und wird zunehmend unterdrückt (Abb. 11). Auch lokale
Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung verhindern
die vollkommene Ausbildung von Ausferrit und bewirken das
Auftreten von (feinem) Perlit (Abb. 4b). Abweichungen von einer
vollständig ausferritischen Grundmatrix bewirken nicht nur
eine Verringerung von Duktilität/Zähigkeit, sondern auch eine
Verminderung der Schwingfestigkeit.
Abb. 13: Rundprobe zur Bestimmung des Einflusses des Festwalzens auf
die Schwingfestigkeit.
7. Zusammenfassung
Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit nach DIN EN
1564 bzw. Austempered Ductile Iron (ADI) wird durch einen
zusätzlichen Wärmebehandlungsprozess an konventionell
gegossenen Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt. Die Wärmebehandlung
umfasst eine vollständige Umwandlung der
Grundmatrix von Ferrit und/oder Perlit in den sogenannten
Ausferrit und steigert sowohl Festigkeit und Zähigkeit zum
Ausgangswerkstoff.
Die Werkstoffeigenschaften von ADI lassen sich über einen
weiten Bereich gegenüber den duktilen bis verschleißfesten
Sorten variieren und an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
Dabei beeinflussen vor allem Wärmebehandlungsparameter
(Auslagerung und Austenitisierung), Legierungszusammensetzung
und Abgussgröße das Resultat der Wärmebehandlung.
Die Einhaltung dieses Prozessfensters erlaubt
die Umsetzung der bestmöglichen Kombination aus Festigkeit
und Duktilität. ADI-Sorten mit einer Zugfestigkeit zwischen
1000 und 1200 MPa weisen die höchste Schwingfes-
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