Leseprobe_500410

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GIESSEREI
kompakt
Mischkristallverfestigtes Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-Si)
Ergebnisse aus Forschung und Praxis –
Statusbericht zur
Transfertagung 2018
WissenKompakt
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Inhaltsverzeichnis
Transfertagung „Leichtbau mit GJS-Si-Werkstoffen.............................................................................................6
Ergebnistransfer in die Praxis................................................................................................................................................. 6
Eröffnung................................................................................................................................................................................ 7
GJS-Si-Werkstoffe.................................................................................................................................................................... 7
Praxisbeiträge zum Einsatz hoch Si-haltiger Werkstoffe.......................................................................................................... 9
Berichte aus den Forschungsprojekten................................................................................................................................... 9
Diskussion: Was benötigen die Konstrukteure? .................................................................................................................... 13
Ausblick................................................................................................................................................................................ 13
Forschungsvorhaben............................................................................................................................................................. 13
Gussteile erobern das Hoheits gebiet der Schmiedeteile..................................................................................15
Gießen als Alternative zum Schmieden................................................................................................................................. 15
Entwicklung höher fester Sorten........................................................................................................................................... 17
Rollieren steigert Dauerfestigkeit.......................................................................................................................................... 17
Härten als Alternative........................................................................................................................................................... 18
Hoch siliciumhaltiges Gusseisen mit Kugelgraphit toleriert größere Anteile
an carbidbildenden Elementen...........................................................................................................................20
Werkstoff- und fertigungstechnische Grundlagen der Herstellung und Anwendung
von hoch siliciumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit....................................................................................24
Auszug aus derzeit laufenden Untersuchungen: Mechanische Kennwerte............................................................................ 25
Auszug aus derzeit laufenden Untersuchungen: Drossverhalten........................................................................................... 26
Weiterer Projektausblick....................................................................................................................................................... 26
SiWind – Werkstoffentwicklung für Offshore-Windenergieanlagen im Multi-Megawatt-Bereich....................27
Status quo Offshore-Windenergieanlagen............................................................................................................................. 27
Technische Weiterentwicklung.............................................................................................................................................. 27
Bauteilgewichte und -größen mit Limit.................................................................................................................................. 28
Das BMU-Forschungsvorhaben „MEGAWind“....................................................................................................................... 28
Der Werkstoff SiWind und seine Zielsetzung......................................................................................................................... 28
Zertifiziert und regelkonform................................................................................................................................................ 28
Projektziel Festigkeitssteigerung.......................................................................................................................................... 32
Bruchmechanisches Auslegungsverfahren............................................................................................................................ 32
Werkstoffcharakterisierung SiWind....................................................................................................................................... 32
SiWind – neuer Werkstoff für Offshore-Windenergieanlagen............................................................................33
Proben und Versuchsplan..................................................................................................................................................... 33
Versuchsdurchführung und -auswertung.............................................................................................................................. 33
Ergebnisse............................................................................................................................................................................ 34
Zusammenfassung................................................................................................................................................................ 40
SiWind – neuer Werkstoff für Offshore-Windenergieanlagen............................................................................42
Untersuchungsmethode........................................................................................................................................................ 42
Untersuchte Bauteilorte........................................................................................................................................................ 43
Kritische Bewertung der Annahmen...................................................................................................................................... 46
Ergebnisse............................................................................................................................................................................ 46
Zusammenfassung................................................................................................................................................................ 47
Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigtem Gusseisen mit Kugelgrafit:
Einfluss von Cobalt und Nickel auf die Mikrostruktur.......................................................................................48
Material und Methoden......................................................................................................................................................... 51
Ergebnisse............................................................................................................................................................................ 52
Diskussion............................................................................................................................................................................ 53
Schlussfolgerung .................................................................................................................................................................. 54

Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigtem Gusseisen mit Kugelgrafit...............................56
Einleitung.............................................................................................................................................................................. 56
Material und Methoden ........................................................................................................................................................ 60
Ergebnisse und Diskussion................................................................................................................................................... 60
Einfluss von Cobalt............................................................................................................................................................... 61
Einfluss von Nickel................................................................................................................................................................ 62
Schlussfolgerung .................................................................................................................................................................. 65
Einfluss karbidbildender Elemente auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften
von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgrafit........................................................................................67
Einleitung.............................................................................................................................................................................. 67
Versuchsplan und Probengeometrie..................................................................................................................................... 68
Charakterisierung der Mikrostruktur..................................................................................................................................... 69
Einfluss der Elemente auf das Gefüge................................................................................................................................... 70
Thermodynamisch-kinetische Werkstoffsimulation............................................................................................................... 72
Vorhersage der mechanischen Eigenschaften....................................................................................................................... 75
Ergebnistransfer.................................................................................................................................................................... 76
Schlussfolgerung und Ausblick............................................................................................................................................. 76
Die Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Kugelgrafit bei Tieftemperaturen...................................................78
Einleitung.............................................................................................................................................................................. 78
Werkstoffe............................................................................................................................................................................. 79
Durchführung der zyklischen Versuche................................................................................................................................. 80
Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen................................................................................................................................... 80
Vergleich der experimentellen Kennwerte mit dem synthetischen Konzept.......................................................................... 81
Metallografie......................................................................................................................................................................... 83
Zusammenfassung................................................................................................................................................................ 83
Ausblick................................................................................................................................................................................ 83
Beurteilung der Schwingfestigkeit von lunkerbehaftetem Gusseisen mit Kugelgrafit
aus Röntgenbildern.............................................................................................................................................85
Einleitung.............................................................................................................................................................................. 85
Werkstoffe und Halbzeuge.................................................................................................................................................... 85
Radiografische Untersuchungen........................................................................................................................................... 86
Zyklische Untersuchungen.................................................................................................................................................... 86
Ergebnisse der Wöhlerversuche............................................................................................................................................ 87
Werkstoffübergreifende Auswertung der Schwingfestigkeit der Lunker................................................................................ 90
Berücksichtigung der Orientierung der Lunker in Bezug auf die Belastungsrichtung der Schwingproben
bei der Lunkerklassifizierung................................................................................................................................................. 90
Zusammenfassung und Ausblick........................................................................................................................................... 92
Potenziale und Limitierungen von Si-mischkristallverfestigten GJS-Sorten.....................................................95
Einleitung.............................................................................................................................................................................. 95
Probenherstellung und Prüfmethoden................................................................................................................................... 96
Ergebnisse und Diskussion................................................................................................................................................... 98
Zusammenfassung und Fazit...............................................................................................................................................103
Mischkristallverfestigte EN-GJS-Werkstoffe für Groß- und Schwergussteile................................................ 105
Stand der Technik...............................................................................................................................................................105
Versuchsdurchführung bei Meuselwitz Guss.......................................................................................................................108
Zusammenfassung..............................................................................................................................................................108
Machbarkeitsstudie zur Herstellung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen
mit Kugelgrafit im Großguss............................................................................................................................ 110
Aufgabenstellung................................................................................................................................................................111
Versuchsplanung und -durchführung..................................................................................................................................111
Vorteile des Versuchsaufbaus.............................................................................................................................................113

Machbarkeitsstudie zur Herstellung von mischkristallver festigtem ferritischem Gusseisen
mit Kugelgrafit im Großguss............................................................................................................................ 114
Mechanische Kennwerte.....................................................................................................................................................114
Gefügeeigenschaften..........................................................................................................................................................116
Speisungseigenschaften.....................................................................................................................................................116
Praxiserfahrungen und Ausblick..........................................................................................................................................116
Zusammenfassung ............................................................................................................................................................118
Bewertung von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgrafit für dynamische Lastfälle –
auch unter extremen Kältebedingungen......................................................................................................... 119
Analyse des Lastfalles.........................................................................................................................................................119
Untersuchte Werkstoffe......................................................................................................................................................120
Ergebnisse..........................................................................................................................................................................121

EINFÜHRUNG
Transfertagung „Leichtbau
mit GJS-Si-Werkstoffen“
Die Teilnehmer der FVG-
Transfertagung diskutierten
sowohl aktuelle Forschungsund
Entwicklungsergebnisse zu
GJS-Si-Werkstoffen als auch bestehende
Fördermöglichkeiten.
Thematischer Schwerpunkt der ersten Transfertagung der Forschungsvereinigung
Gießereitechnik e.V. (FVG) waren die mischkristallverfestigten Gusseisenwerkstoffe mit
Kugelgrafit (GJS), die seit etwa 2000 auf dem Markt verfügbar sind. Organisiert wurde
sie von der FVG gemeinschaftlich mit dem BDG-Fachausschuss „Konstruieren in Guss“.
Viele der mehr als 50 Teilnehmer aus Gießereien und Forschungseinrichtungen kannten
sich bereits, denn sie haben in den laufenden und vorhergehenden Forschungsvorhaben
der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) zu diesem Thema zusammengearbeitet.
FOTO: DARIUS SOSCHINSKI/BDG
Der Termin der Transfertagung wurde
mit dem 27. Juni 2018 bewusst
gewählt, denn das IGF-Projekt
„Schädigungspotenzial GJS-Si“ wurde als
letztes von drei thematisch aneinander
anschließenden Forschungsvorhaben abgeschlossen.
Die Vorgängerprojekte wurden
Mitte 2017 bzw. Ende 2017 abgeschlossen.
Anfang 2018 ist ein Anschlussvorhaben
angelaufen und ein weiteres
stand zum Zeitpunkt der Tagung gewissermaßen
in den Startlöchern.
Im Bereich der Gusseisenwerkstoffe
mit Kugelgrafit sind in den letzten Jahren
international verschiedene Forschungsaktivitäten
durchgeführt worden. Dennoch
sind noch längst nicht alle Fragen
geklärt, oder es wurden auch neue Fragen
aufgeworfen, beispielsweise zur Zähigkeit
dieser Werkstoffgruppe. Dies wurde zu
einem kritischen Resümee darüber genutzt,
welche Ergebnisse in den vorhergehenden
Forschungsvorhaben erzielt
und bereits in die Praxis umgesetzt wurden.
Zum anderen sollte analysiert werden,
ob noch Wissenslücken bestehen
und gegebenenfalls mit dieser Tagung der
Weg für Folgeforschungsvorhaben bereitet
werden.
Ergebnistransfer in die Praxis
Die IGF-Anwendungsforschung ist ein
vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Industrie (BMWi) gefördertes, vorwettbewerbliches
Programm, das seit
6
GIESSEREI KOMPAKT

1954 vor allem dem deutschen Mittelstand
zu Gute kommt. Heute sind mehr
als 50 000 KMU über die 100 Forschungsvereinigungen
in dieses Netzwerk eingebunden.
Die Mitarbeit großer Unternehmen in
den Forschungsvorhaben ist gewünscht,
um den Erfahrungsaustausch mit den
KMU zu fördern. „Vorwettbewerblichkeit“
meint, dass Aufgabenstellungen bearbeitet
werden, die für eine größere Zahl von
Unternehmen interessant sind – und nicht
zur Erarbeitung eines Wettbewerbsvorteils
für einzelne Unternehmen dient. Die
IGF-Forschung wurde aktuell kartellrechtlich
geprüft und ist unbedenklich.
Wirtschaftsminister Peter Altmaier
regte eine „Transfer-Initiative“ in der Forschung
an – hier ist sie: Der Transfer von
Forschungsergebnissen in die Praxis ist
ein wesentliches Element der IGF-Forschung,
deren Vorhaben auch einen hohen
wissenschaftlichen Anspruch haben.
Am Ende jedes Vorhabens stehen Validierungsversuche,
um die Umsetzung der
Erkenntnisse in die Praxis zu erproben.
Die Ergebnisse werden veröffentlicht, z.B.
in der GIESSEREI.
Neben der IGF-Forschung gibt es weitere
Programme, die Michael Krause, Geschäftsführer
der IGF, gern erläuterte
(Bild 1). Beim Zentralen Innovationsprogramm
Mittelstand (ZIM) zum Beispiel,
arbeitet eine Forschungsstelle mit einem
KMU-Unternehmen zusammen. Hier geht
es vor allem um Produkte, die kurz vor
der Markteinführung stehen. Das Unternehmen
bringt Eigenmittel ein, die Ergebnisse
unterliegen keiner breiten Veröffentlichungspflicht
– nur einer Berichtspflicht
gegenüber dem Fördermittelgeber. Krause
nannte auch die binationalen CORNET-
Projekte, bei denen es übrigens noch Potenzial
für weitere Anträge gibt. Interessant
könnte auch die Initiative „Start-up
trifft den Mittelstand“ sein. Näheres zu
diesen Programmen lässt sich auf der
Homepage des BMWi nachlesen.
Damit das Forschungsnetzwerk des
Mittelstands (AiF) weiterhin ein Erfolg
bleibt, sind konstante Fördermittel erforderlich.
Dr. Ingo Steller von der FVG wies
darauf hin, dass sich zurzeit 169 Mio. Euro
im IGF-Fördertopf befinden. Die 100
AiF-Forschungsvereinigungen reichen
jährlich rund 1000 Projektanträge ein, von
denen zuletzt rund 50 % eine Förderung
erhielten. Verglichen mit anderen Programmen
– man denke an Horizont 2020
– ist dies eine gute Förderquote! Angesichts
der hohen Antragszahlen
wäre die kurzfristige Aufstockung des
Fördertopfs auf 200 Mio. Euro wünschenswert.
Forschungsvereinigung Gießereitechnik e.V. (FVG)
Die Aktivitäten der FVG umfassen
> Feststellen und Aufgreifen von Themen mit Forschungsbedarf für die Gießereibranche
aus den BDG-Fachausschüssen (Eisen-, Stahl-, NE-Metallguss),
> Vermitteln von Forschungseinrichtungen mit passenden Schwerpunkten,
> Vermitteln von interessierten Unternehmen (vorrangig BDG-Mitgliedsunternehmen:
Gießereien und Zulieferer) in die projektbegleitenden Ausschüsse (PbA),
> Unterstützung von jährlich 12–15 laufenden Forschungsvorhaben mit einem
Fördervolumen von 1,5 Mio. Euro.
Die Aufgaben der FVG liegen insbesondere in
> der Antragsberatung,
> der Abwicklung,
> dem Controlling,
> dem Berichtswesen und
> der Verantwortung gegenüber dem Fördermittelgeber.
Die Ergebnisse
> sind nutzbar für viele Unternehmen der Branche (vorwettbewerblich) und
> dienen dem Ergebnistransfer in die Wirtschaft (Gießereien).
Bild 1: Michael Krause, Geschäftsführer der IGF, erläuterte unterschiedliche Förderprogramme
zum Forschungstransfer in die Praxis.
Eröffnung
Herr Stefan Buchholz, Geschäftsführer
der Fa. Buchholz & Cie., Zweibrücken,
eröffnete die Tagung. Sein Unternehmen
ist ein klassischer Mittelstandsbetrieb
und reagiert flexibel auf Bestellungen von
kleinen Serien. Die mischkristallverfestigten
GJS-Werkstoffe erweitern sein
Werkstoff-Portfolio, seit er an verschiedenen
IGF-Forschungsvorhaben mitgearbeitet
hat. Diese hat er durch Versuchsschmelzen
in seiner Gießerei sowie
durch Hinweise in den Projektsitzungen
unterstützt. Gleichzeitig ist Buchholz Leiter
des BDG-Fachausschusses „Konstruieren
in Guss“, der sich mit technischen
Argumenten zur Vermarktung der (Eisen-)
Gusswerkstoffe beschäftigt und
Input für Regelwerke generiert.
GJS-Si-Werkstoffe
Die Mischkristallverfestigung wird in der
Stahlindustrie schon lange genutzt. Dabei
besetzen Legierungsatome reguläre Plätze
im Kristallgitter und sorgen so für leichte
Verzerrungen, welche die Versetzungsbewegung
erschweren und den Werkstoff
verfestigen. Dies steigert die statischen
mechanischen Kennwerte, senkt aber
auch die Bruchdehnung. Auch Gusseisenwerkstoffe
werden schon seit langem legiert,
doch das Konzept der Mischkristallverfestigung
wurde erst mit den Silizium
legierten Werkstoffsorten publik gemacht.
FOTO: DARIUS SOSCHINSKI/BDG
GIESSEREI KOMPAKT
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EINFÜHRUNG
FOTO: GF CASTING SOLUTIONS
Bild 2: Prüfstand für schlagartige Belastung von Bauteilen und Proben bei GF Casting
Solutions.
Die „mischkristallverfestigten“ GJS-
Werkstoffe werden höher mit Silizium legiert,
so beispielsweise die in Schweden
vor rund 20 Jahren propagierten Werkstoffe.
Wenig später gab es andere Entwicklungen,
worunter „SiBoDur“ von Georg
Fischer zu den bekanntesten zählt.
Auch bei anderen Werkstoffen (GJL, GJV,
ADI) wurde eine Mischkristallverfestigung
untersucht. Aktuell wird die Substitution
des Siliziums durch andere den Mischkristall
verfestigende Elemente erforscht.
Publikationen
Das Legieren mit Silizium wurde schon in
früheren Arbeiten ausgelotet, doch erst
mit den Untersuchungen von L.-E. Björkegren
und K. Hamberg Mitte der1990er
Jahre und den entsprechenden Anwendungen
in der Automobilindustrie wurden
die Gießereifachleute auf das Potenzial
der Si-legierten Werkstoffe aufmerksam.
Propagiert wurde zunächst der Werkstoff
GJS-500-10 (bis dahin war in der EN 1563
nur der EN-GJS-500-7 festgeschrieben).
Weitere internationale Veröffentlichungen
folgten, auch zum Potenzial von mischkristallverfestigtem
ADI. Zahlreiche ab
2012 folgende Veröffentlichungen in der
deutschsprachigen Fachliteratur stellen
die Ergebnisse aus abgeschlossenen
öffentlich geförderten Forschungsvorhaben
dar; eine weiterführende Auflistung
relevanter Literatur findet sich am Ende
dieses Beitrags.
Wichtigste Erkenntnisse,
Stand der Technik
Durch Legieren mit Silizium lässt sich die
Zunderbeständigkeit verbessern, was
– einschließlich dem Zulegieren von
Molybdän – zu den begrenzt warmfesten
SiMo-Werkstoffen führte. Dies geht auf
Arbeiten aus den 1960er und 1970er Jahren
zurück.
Dass sich durch höheres Legieren mit
Silizium die Bruchdehnung steigern lässt,
wobei das vollferritische Gefüge erhalten
bleibt und die Zerspanbarkeit nicht beeinträchtigt
wird, war vermutlich teilweise
klar, wurde aber durch Björkegren und
Hamberg herausgearbeitet. Die einphasige
Matrix verringert auch die Streuung
der Eigenschaften, verglichen mit
EN-GJS-500-7 mit einer ferritisch-perlitischen
Matrix. Später wurde dieser Effekt
auch bei GJL und GJV bestätigt. Gleichzeitig
war bereits 2003 klar, dass die
Sprödbruch-Übergangstemperatur ansteigt
und der Werkstoff sich weniger
duktil verhält als beispielsweise
EN-GJS-400-15.
Die bruchmechanischen Kennwerte
wurden bereits von Björkegren u.a. untersucht
(zunächst ohne Angabe des Gefüges)
und später im Rahmen einer Werkstoff-Einzelzulassung
ermittelt (2012). Um
2012 wurde auch klar, dass es einen praktischen
Grenzgehalt gibt (etwa 4,3 % Si),
oberhalb dessen der Werkstoff stärker
versprödet. Dieser Richtwert diente bereits
für metallurgische Optimierungsarbeiten,
obwohl der zugrundeliegende
Mechanismus erst 2017 aufgeklärt wurde.
Fließeigenschaften und Lunkerverhalten
wurden untersucht, ergaben aber teils
widersprüchliche Ergebnisse und werden
aktuell weiter erforscht. Dass sich dickwandige
Bauteile aus siliziumlegiertem GJS
herstellen lassen, wurde bereits im Bereich
Werkstoffmarketing dargestellt.
Zuletzt wurde der Einfluss von Gefügeabweichungen
und Begleitelementen
auf die Werkstoffeigenschaften untersucht,
wobei zwischen statischen und
dynamischen Kennwerten differenziert
werden muss. Hier gibt es noch zahlreiche
offene Fragen.
Forschungsvorhaben
In den vergangenen Jahren wurde eine beachtliche
Zahl von Forschungsvorhaben
zu der neuen Werkstoffklasse durchgeführt.
Richtig in Schwung kamen die Arbeiten
in Deutschland in 2010. Die ersten
Arbeiten befassten sich noch mit metallurgischen
Aspekten, weitere betrachteten
bestimmte Werkstoffeigenschaften (nicht
Bauteileigenschaften, allerdings sollen die
Ergebnisse am Ende jedes Vorhabens an
Realbauteilen validiert werden!).
Parallel zu der Gemeinschaftsforschung
haben natürlich einzelne Hersteller ihre eigene
Forschung betrieben; im Ergebnis
wurden einige Werkstoffe klassifiziert und
zugelassen oder sogar patentiert.
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GIESSEREI KOMPAKT

Einführung der Si-legierten
Werkstoffe in der Normung
Es gab schon länger Gusseisenwerkstoffe
mit Kugelgrafit, die die Eigenschaften
nach Norm übertrafen, teils durch leichte
Modifikation der Zusammensetzung. Den
ersten Schritt in die Richtung der mischkristallverfestigten
Werkstoffe machte
Björkegren mit einem Si-legierten Werkstoff,
der gemeinsam mit Volvo entwickelt
und 1994 patentiert wurde. Es folgten
seither einige Normen und Richtlinien,
zum Beispiel:
> Sonderwerkstoffe: GJS-520-12 (Kugelstangen),
GJS-620-7 (Getriebebau),
> Swedish standard SS 14 07 25 1998,
> SiBoDur-Werkstoffe (Georg Fischer)
ca. 2004,
> ISO 1083:2004 Annex A: S.G. cast
irons with high Si content (= 500-10),
> EN 1563:2011 Anhang A: Zusätzliche
Eigenschaften zu mischkristallverfestigten
ferritischen Gusseisen mit Kugelgrafit
(mit Streuband); strittig: Anhang
F: Bruchzähigkeit, Schlagenergie
und Duktilität,
> EN 16124:2012 Gießereiwesen –
Gusseisen-Strangguss (mit 500-14).
> ISO 1083:2018-04 Spheroidal graphite
cast irons – Classification, mit überarbeitetem
Annex C Fracture Mechanical
Approach,
> prEN 1563:2018 – angelehnt an ISO
1083:2018,
> ISO/DIS 945-4:2018-02 – Test method
for evaluation of nodularity,
> Guideline for the certification of wind
turbines. GL 2010. (2015?),
> FKM-Richtlinie Bruchmechanischer
Festigkeitsnachweis… FKM 2009.
Aktuelle Fragestellungen
Viele Forschungsarbeiten konzentrieren
sich auf die Werkstoffe EN-GJS-500-14
und EN-GJS-600-10, eher wenige auf den
„einfacheren“ Werkstoff EN-GJS-450-18.
Die wichtigste konstruktive Fragestellung
betrifft die genaue Charakterisierung
des Zähigkeitsverhaltens im Werkstoff
und – was viel wichtiger ist – lokal im
Bauteil. Wichtig ist die lokale Beanspruchung,
aber auch die Beanspruchungsgeschwindigkeit.
Und wenn die Eigenschaften optimiert
werden könnten, durch welche metallurgischen
Maßnahmen lässt sich dies erreichen?
Auch vor dem Hintergrund, dass
wachsende Begleitelementgehalte in den
Stahlschrotten kompensiert werden müssen.
Letztlich soll eine Aufklärung der letzten
offenen Fragen dazu führen, dass das
Verhalten dieser Werkstoffe realistisch
eingeschätzt wird. Vorbehalte, die sich in
Bild 3: Untersuchte
Grafitmorphologien
(R: Referenz,
hohe Nodularität;
RN: reduzierte Nodularität;
V: erhöhter
Vermikulargrafitanteil;
BN:
große Kugeln).
erhöhten Sicherheitsbeiwerten oder größeren
Wanddicken äußern, sollen aufgelöst
werden. Denn nur so lässt sich das
Leichtbaupotenzial dieser Werkstoffe erschließen.
Geringere Wanddicken verringern
die Masse des Bauteils und erlauben
wiederum größerformatige Bauteile.
Praxisbeiträge zum Einsatz hoch
Si-haltiger Werkstoffe
Dr. W. Knothe, Franken Guss, unterstrich,
dass es nicht auf das Werkstoffverhalten
ankomme, sondern auf das Verhalten des
Bauteils. Das Bauteil muss entsprechend
der vorliegenden Spannungen ausgelegt
werden. Der Konstrukteur muss dazu alle
Lastfälle und Missbrauchsfälle kennen.
Er bezog sich bei seinen Betrachtungen
auf die Ergebnisse aus Forschungsvorhaben,
die nur eine Orientierung geben
könnten. Dort werde unter Laborbedingungen
(an Kleinproben einfacher Geometrie
und optimaler Oberfläche) das reine
Werkstoffverhalten untersucht – der
Werkstoff im realen Bauteil reagiere
durchaus anders. Bei Franken Guss wurde
der Werkstoff EN-GJS-450-18 metallurgisch
optimiert, qualifiziert und nun mit
Erfolg in der Großserie eingesetzt. Das
Bauteil verfügt über ein ausreichendes
Verformungsverhalten, nachzuweisen im
Crash-Versuch. Grundlage sei eine enge
Entwicklungspartnerschaft mit den Kunden.
Ein Weg, den jede Gießerei unter Beachtung
ihrer individuellen Prozessroute
selbst gehen muss.
Dr. W. Menk, GF Casting Solutions,
verglich den Werkstoff EN-GJS-500-14 mit
SiBoDur. Bei Betrachtung der Mindestkennwerte
nach EN 1563 bringt der Einsatz
mischkristallverfestigter GJS-Werkstoffe
mit einer deutlich höheren Bruchdehnung
bei gleicher oder besserer
Zugfestigkeit Vorteile gegenüber konventionellem
GJS. Das höhere Streckgrenzenverhältnis
könnte allerdings zu einem
spröden Bauteilversagen führen. Im GF-
Labor wurden Impact-Versuche bei hoher
Beanspruchungsgeschwindigkeit durchgeführt
(Bild 2). Der neue hochfeste und
hochduktile Werkstoff „SiBoDur500“ zeigt
einen wesentlich höheren Energieverbrauch
bis zum Bruch und ist dem konventionellen
EN-GJS-500-14 überlegen,
auch hinsichtlich der Tieftemperatureigenschaften.
Berichte aus den Forschungsprojekten
Abschlussbericht IGF 18524
„Simulationsgestützte Ermittlung
des Versagenspotenzials von GJS-Si
bei schwingender Beanspruchung“
(C. Gebhardt M.Sc., Institut für Werkstoffanwendungen
im Maschinenbau der RWTH
Aachen, J. Frieß M.Sc., Gießerei-Institut
der RWTH Aachen)
Das IGF-Forschungsvorhaben wurde zum
Zeitpunkt der Tagung abgeschlossen. Ziel
war die Untersuchung des Einflusses verschiedener
Gefügeabweichungen auf die
Schwingfestigkeit. Die Ergebnisse sollen
noch separat in einem Fachartikel ausführlich
veröffentlicht werden, seien hier
aber bereits kurz vorgestellt. An den
Werkstoffen EN-GJS-500-14 und EN-
GJS-600-10 wurde das Gefüge gezielt eingestellt
(Bild 3). Der Einfluss von Gefügeabweichungen
(reduzierte Nodularität,
größere Kugeln und größere Anteile von
Vermiculargrafit) wurde anhand eines repräsentativen
Volumenelements modelliert
und anschließend mit Wöhlerversu-
GIESSEREI KOMPAKT
9

EINFÜHRUNG
Tabelle 1: Aktuelle und geplante Forschungstätigkeiten im Bereich konventionelles
und hoch legiertes Si-GJS am Gießerei-Institut der RWTH Aachen
Fragestellung Laufende F&E-Vorhaben Zukünftige F&E-Vorhaben
Grafitmorphologie Diagraph 1 (AiF) Diagraph II (AiF)
und Entartung Versagenspotenzial (AiF) Optiguss (AiF)
CHG Micress
Optimierung MK-Optimierung (AiF) Dehnratenabhägigkeit (AiF)
mechanischer
Schädigungsmechanismen
Eigenschaften
Dünnwand-GJS
ThinWins (ZIM)
Leichtbaupotenzial (AiF)
Begleit- und Karbidvorhersage (AiF) SUSpekt (ZIM)
Spurenelemente
Smartscrap (Cornet)
Randschichten Gusshaut (AiF) Bearbeitbarkeit
> Die Erschließung des Leichtbaupotenzials
von GJS-Si (im März angelaufen)
ist das Ziel eines weiteren Vorhabens,
in dem u.a. die Gießeigenschaften dieser
Werkstoffgruppe eingehend untersucht
werden. Dies soll dünnwandigere
Gussteile ermöglichen, die mit reduziertem
Speisereinsatz gegossen
werden.
> In einem geplanten grundlagenorientierten
DFG-Vorhaben soll das sprödduktile
Bruchverhalten in Abhängigkeit
des Si-Gradienten untersucht werden.
Ziel ist die Vorhersage makroskopischer
Eigenschaften mittels eines
neuen Modells.
chen (axial und Torsion) an Gussproben
validiert. Das Ziel der Vorhersage der Dauerfestigkeit
aus einem Werkstoff mit bekanntem
Gefüge wurde qualitativ erreicht
(Bild 4). Die Korrelation zwischen den
Gefügeparametern und der Ermüdungsfestigkeit
ist allerdings nicht einfach, sodass
noch keine quantitative Aussage
gemacht werden kann. Es bleiben einige
interessante Fragen für weitere Forschungs
vorhaben offen.
Aktuelle und geplante Forschungstätigkeiten
von konventionellen und
hochsiliziumhaltigem GJS am Gießerei-Institut
de RWTH Aachen
(Dr.-Ing. B. Pustal, Gießerei-Institut der
RWTH Aachen)
Am Gießerei-Institut werden aktuell folgende
Fragestellungen betrachtet, wovon
die meisten anwendungsorientierte IGF-
Vorhaben der AiF sind (Tabelle 1):
> DIAgraph: Ziel des bis Anfang 2019 laufenden
Vorhabens ist die einheitliche,
systemunabhängige, automatische
Bildanalyse von GJS, einschließlich der
Bestimmung der Nodularität nach ISO
945-4. Eine automatische Klassifikationsmethodik
für Grafit und Grafitentartungen
wird entwickelt (Bild 5).
> Im Folgevorhaben DIAgraph II (wird
beantragt) soll die bereichsbezogene
Klassifikation von Grafitausbildungen
in GJL und GJV betrachtet werden –
der Fokus liegt auf 3-D-Grafit-Verzweigungen,
wobei ebenfalls Entartungen
betrachtet werden.
An den laufenden Vorhaben dürfen sich
gerne weitere Unternehmen beteiligen.
Metallurgische Optimierung von
hochsiliziumhaltigem mischkristallverfestigtem
Gusseisen mit Kugelgrafit
hinsichtlich der Sicherstellung
der Zähigkeit und Prozessierbarkeit
(J. Frieß M. Sc., Dr.-Ing. P. Weiß, Gießerei-
Institut der RWTH Aachen)
Ziel des Mitte 2017 abgeschlossenen
IGF-Vorhabens war die Erarbeitung der
Effekte weiterer Legierungselemente in
hochsiliziumhaltigem GJS; einerseits die
Verbesserung der Kennwerte durch gezieltes
Legieren, andererseits die teilweise
Substitution von Silizium durch andere
Mischkristallbildner. Zunächst wurden
die Einzel- und Kombinationswirkungen
280
100 m
260
240
220
200
100 m
100 m
180
100 m
160
140
GRAFIK: RWTH AACHEN
-150 -100 -50
0
50 100 150
Bild 4: Haigh-Diagramm für den Werkstoff GJS-500-14 zur Beurteilung des Einflusses von Gefügeabweichungen auf die Dauerfestigkeit.
10
GIESSEREI KOMPAKT

verschiedener Legierungselemente bestimmt.
Eine Kombination von Ni und Al
erwies sich hierbei am besten geeignet
und ermöglichte eine weitere Steigerung
gegenüber konventionellen GJS-Si-Werkstoffen.
Ferner wurden in diesem Vorhaben
erstmalig die versprödenden Überstrukturen
mittels TEM nachgewiesen
(Bild 6). Teilaspekte des Projekts wurden
bereits von P. Weiß u. a. in der Materials
Science and Engineering, Volume 713,
24 January 2018, (s. a. Abschnitt weiterführende
Literatur) veröffentlicht.
Schädigungsmechanische Ansätze
zur gezielten Einstellung und effizienten
Nutzung der Zähigkeitseigenschaften
von hochsiliziumhaltigem
Gusseisen mit Kugelgrafit
(D. Franzen M. Sc., Gießerei-Institut der
RWTH Aachen, M. Könemann M.Sc, Institut
für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen)
Bild 5: Möglicher Entscheidungsbaum zur Formklassifizierung von Grafitentartungen.
Die Kerbschlagzähigkeit der mischkristallverfestigten
Werkstoffe ist für manche
Anwendungen nicht ausreichend, was auf
eine ausgeprägte Dehnratensensitivität
zurückgeführt wird. Im Rahmen des Forschungsvorhabens
sollen die Zähigkeitseigenschaften
unter dem Einfluss der Beanspruchungssituation
sowie der Mikrostruktur
des Werkstoffs charakterisiert
werden. Dazu werden numerische Modelle
angewendet, mit denen die Zähigkeitseigenschaften
bei konkret vorliegender
Beanspruchung und definiert eingestelltem
Gefüge simuliert werden können. Es
folgt die experimentelle Validierung der
Ergebnisse sowie die Herstellung gezielt
entwickelter Legierungen. Diese werden
im weiteren Verlauf mithilfe eines zum
Kerbschlagbiegeversuch alternativen Prüfverfahrens,
das eine beanspruchungsgerechte
Prüfung der Zähigkeit erlaubt, geprüft.
Das Vorhaben ist am 1.10.2018 abgelaufen.
Quantitative Karbidvorhersage
(M. Riebisch M.Sc., Gießerei-Institut der
RWTH Aachen)
Ziele des Vorhabens waren die Erweiterung
des Prozessfensters zur Herstellung
von EN-GJS-500-14 hinsichtlich des Einsatzes
verunreinigter Schrotte, die Vorhersage
von Gefüge und Eigenschaften
anhand der chemischen Analyse und die
quantitative Vorhersage der auftretenden
Karbide. Im Rahmen des Vorhabens wurde
eine benutzerfreundliche Karbiddatenbank
mit Excel-Schnittstelle erstellt, in
welche die Ergebnisse von Schmelzversuchen
mit den legierten Karbidbildnern
Chrom, Mangan, Molybdän, Niob und Vanadium
(einzeln und in Kombinationen)
eingegeben wurden. Hierüber, sowie mit
Hilfe des am Gießereiinstitut entwickelten
Mikroseigerungsmodells, lassen sich die
Anteile von Perlit und Karbid für verschiedene
Abkühlbedingungen korrekt vorhersagen
(Bild 7). Auch Gefüge und mechanische
Kennwerte können über empirische
Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen
vorhergesagt werden.
Zyklisches Werkstoffverhalten von
Si-GJS – Stand des Wissens und
Wissenslücken
(Dr. C. Bleicher, Dr. H. Kaufmann, Fraunhofer
LBF, Darmstadt)
Die Ergebnisse bisheriger Forschungsvorhaben
am Fraunhofer Institut für Leichtbauforschung
(LBF) lassen eine zyklische
Verfestigung der Si-GJS-Werkstoffe erkennen.
Aktuelle Richtlinien unterschätzen
GRAFIK: RWTH AACHEN
GRAFIK: RWTH AACHEN
Bild 6: TEM-Aufnahme: Als Ursache für die Versprödung bei erhöhtem Siliziumgehalt konnte eine Überstrukturbildung nachgewiesen
werden.
GIESSEREI KOMPAKT
11

EINFÜHRUNG
1,8
1,6
1,4
Karbide Experiment
Karbide Simulation
Karbidgehalt in %
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Legierung Nr.
GRAFIK: RWTH AACHEN
Bild 7: Vergleich zwischen experimentellen und per Mikroseigerungsmodell berechneten Karbidgehalten.
die Mittelspannungsempfindlichkeit. Bisherige
Forschungsvorhaben betrafen z.T.
den Werkstoff EN-GJS-450-18 und zeigten
Lücken, z.B. bei den Werkstoffen ​EN-
GJS-500-14 und 600-10, im Tieftemperaturbereich
oder hinsichtlich der Bewertung
von Fehlstellen.
Im 2011 abgeschlossenen Vorhaben
„MEGAWind“ wurde ein neuer GJS-Si-
Werkstoff für große Windenergieanlagen
(WEA) qualifiziert. Das BMWi-Vorhaben
„Lunkerfest“ (bis 2016) zielte auf die Vergleichbarkeit
der zerstörungsfreien Prüfverfahren
(ZfP) mit dem Gefüge und diente
der Steigerung des Auslastungsgrades
von WEA-Komponenten aus GJS-Si-Werkstoffen.
„SWL Eisenguss“ entwickelt synthetische
Wöhlerlinien für die Bewertung
von konventionellen und ausgewählten
hoch Si-legierten GJS-Werkstoffen. Im gerade
angelaufenen Vorhaben „Grenzqualifizierung“
wird die lokale, zyklische Beanspruchbarkeit
von Bauteilen mit Gefügeabweichungen
untersucht, um ein
Qualitätssicherungskonzept auf Basis von
ZfP-Methoden sowie virtueller Grenzmusterbauteile
zu erstellen.
Dr. Bleicher wies darauf hin, dass die
Ergebnisse vieler Vorhaben aufgrund begrenzter
Fördermittel eher schlaglichtartig
seien und manche Fragen offen lassen
müssten. Aufgrund einer minimalen Probenzahl
sei nur eine Abschätzung der zyklischen
Eigenschaften möglich und keine
genaue Eigenschaftsvorhersage. Im Sinne
des Leichtbaus sollten fundierte Datensätze
für Konstruktionsrichtlinien (FKM,
etc.) bereitgestellt werden.
Es fehle eine konsequente Betrachtung
aller drei Werkstoffe hinsichtlich
Spannungs-Dehnungs-Verhalten, Mittelspannungsempfindlichkeit
(in Abhängigkeit
vom Gefüge), Stütz- und Kerbwirkung
sowie die Untersuchung des gefügeabhängigen
Größeneinflusses. Notwendig
sei ein größeres, umfassendes Forschungsvorhaben,
das im Übrigen auch
von der FVG unterstützt werden würde.
Schadenstolerante Auslegung von
Strukturbauteilen aus hochfestem
Gusseisen (damage tolerant design)
(L. Heine, Prof. Dr.-Ing. C. Broeckmann, C.
Gebhardt M.Sc., Institut für Werkstoffanwendungen
im Maschinenbau der RWTH
Aachen)
Leichte Ungänzen können im Gefüge von
Gusseisenwerkstoffen (Poren, etc.) auftreten.
Die Bauteillebensdauer wird durch
Rissstart und -wachstum (nach Kitagawa)
bestimmt, was wiederum von der Beanspruchungsart
abhängt. Untersucht wurde
ein Planetenträger aus EN-GJS-700-2
(nicht GJS-Si aber methodisch interessant)
mit typischen Ungänzen. Modifizierte Ermüdungsversuche
zeigten eine Lage im
unteren Streuband. In-situ-Risswachstumsversuche
im REM wurden zur Bestimmung
der Nachgiebigkeit herangezogen,
die über ein Rissschließen oder eine weitere
Rissöffnung entscheidet (Bild 8). Dieser
Übergang ist entscheidend für die einheitliche
Betrachtung des Risswachstums
und die fortschrittliche, schadenstolerante
Auslegung von Windenergieanlagen.
Aktuell wird in der Forschungsvereinigung
Antriebstechnik (FVA) das Forschungsvorhaben
„Leichtkonstruktion
Guss“ durchgeführt, in dem für einen Planetenträger
die alternativen Werkstoffe
EN-GJS-700-2 und ADI verglichen werden.
Einsatz bruchmechanischer Methoden
im Life-Cycle-Management von
Bauteilen aus GJS unter Berücksichtigung
der Gusssimulation
(Prof. Dr.-Ing. P. Langenberg, Dr.-Ing. P. Kucharczyk,
IWT Solutions, Aachen, C. Thomser,
Dr-Ing. J.C. Sturm, MAGMA Gießereitechnologie,
Aachen)
Professor Langenberg zeigte deutlich auf,
dass es sich bei der Bruchmechanik nicht
alleine um ein Prüfverfahren handelt, sondern
primär um eine Berechnungsmethode,
die bereits im frühen Design-Stadium
eingesetzt werden kann. So lassen sich
Zähigkeitsanforderungen an den Werk-
Bild 8: In-situ-Experiment unter dem Rasterelektronenmikroskop zur Entwicklung eines
schadenstoleranten Designs, unter anderem für Windkraftanlagen.
GRAFIK: RWTH AACHEN
12
GIESSEREI KOMPAKT

stoff auf Basis von Design-relevanten Eingangsgrößen
ermitteln (z. B. Spannungen
und Fehlstellen, die noch mit ZfP-Prüfverfahren
nach DIN EN 12680 bestimmt werden)
. Dies stellt einen deutlichen Vorteil
gegenüber der Kerbschlagarbeit dar, die
ein rein erfahrungsbasiertes, nicht übertragbares
Kriterium liefert. Auch im Betrieb
hilft die Bruchmechanik, Bauteile mit
Fehlstellen im Betrieb zu halten und ihren
sicheren Ausbauzeitpunkt zu ermitteln.
In der aktuellen Studie wird gemeinsam
mit MAGMA untersucht, wie die häufig
fehlende bruchmechanische Risszähigkeit
aus der Erstarrungssimulation heraus bestimmt
werden kann (Bild 9). Damit werden
die hohen Kosten der Bruchmechanischen
Prüfung vermieden und das Gießen,
zum Beispiel eines komplexen Bauteils wie
dem Planetenträger, im Vorfeld optimiert.
Bild 9: Berechnungen
an einem Planetenträger
sollen
die Zähigkeit aus
der Erstarrungssimulation
heraus
bestimmen:
„Hot Spots“ zeigen
Spannungen an
der Bauteiloberfläche,
die jedoch in
Richtung Bauteilinneres
rasch abklingen.
GRAFIK: MAGMA
Diskussion: Was benötigen die
Konstrukteure?
Hier wurden die Ergebnisse einer vor der
Tagung durchgeführten Umfrage vorgestellt.
Die ersten fünf Punkte wurden
mehrfach genannt und sind als besonders
wichtig anzusehen. Die Antworten geben
Hinweise darauf, welche konstruktiven
Anforderungen noch zu erfüllen sind:
> Hohe Festigkeit, hohe Streckgrenze:
Leichtbaupotenzial,
> Hohe Dehnung / Zähigkeit: Sicherheit
bei der Simulation und Auslegung der
Produkte, die durch geringere Wandstärken
und optimiertes Design ausgenutzt
werden können,
> Gute Zerspanbarkeit / Bearbeitbarkeit
(< 5 % Perlit),
> Hohe Schwingfestigkeit,
> Temperaturabhängige Kennwerte: Änderung
bei hohen (bis 200 °C) und
tiefen (-20 °C/-40 °C) Temperaturen,
> Risszähigkeit bei statischer Belastung/Rissverhalten
bei zyklischer Belastung
(in Abhängigkeit von der Temperatur),
> Aussagen zur Bruchmechanik: z. Zt.
kein geeignetes Verfahren zur prozessbegleitenden
Prüfung, KV ungeeignet.
> Mechanische Kennwerte für 60 –
200 mm Wanddicke (nicht in der
Norm): Kennwerte aus dem Bauteil
müssen EN 1563 Tabelle 3, t < 30 mm
ent sprechen,
> „Garantie“ wanddickenabhängiger Eigenschaften,
> Reduktion der Sicherheitsbeiwerte,
optimierte Auslegungsprozesse (bzgl.
Dynamik).
Aktueller Forschungsbedarf wird hinsichtlich
„Big Data“ gesehen. Heutige Messmethoden
erlauben die Erfassung zahlreicher
Prozessparameter, die in Modelle
gefasst werden könnten. Auch bei den
Prüfverfahren ist gemäß den vorhergehenden
Vorträgen zu überlegen, welche sich
für die Beschreibung des Bauteilverhaltens
bzw. der Zähigkeit am besten eignen.
Ausblick
Kurzfristig sollten Hinweise für die Anwendung
von mischkristallverfestigtem Gusseisen
mit Kugelgrafit, zur Information,
angegeben werden. Die Werkstoffsorten
haben ein unterschiedliches Zähigkeitsverhalten.
Um ein bestmögliches Bauteilverhalten
zu erzielen, sollten die Werkstoffe
gemäß ihrer Stärken eingesetzt
werden. Anwendungsbeispiele je nach
Werkstoffsorte finden sich in verschiedenen
Normen und sollten auf die EN 1563
übertragen werden. Dies betrifft auch die
Abgrenzung von den konventionellen GJS-
Werkstoffen und den ADI-Werkstoffen.
Der BDG-Fachausschuss „Konstruieren in
Guss“ wird sich hiermit in nächster Zeit
auseinandersetzen. Auf der Agenda stehen
die folgenden Fragestellungen:
> Festlegung von Anwendungsbeispielen
für Si-legierte GJS-Werkstoffe, abhängig
von der Beanspruchung (statisch,
dynamisch, Überlast),
> Vorbereitung eines informativen Anhangs
zur DIN EN 1563,
> Sicherheitsbeiwerte in Konstruktionsregelwerken,
> Begleitung von IGF-Forschungsvorhaben
und neue Projektskizzen.
Es hat sich gezeigt, dass das Verhalten der
Werkstoffe noch nicht voll umfänglich bekannt
ist; auf einigen Gebieten besteht
noch Forschungsbedarf. Zu diesen Themen
sollten kurzfristig Forschungsanträge
vorbereitet werden, um noch fehlende Erkenntnisse
zu den GJS-Si-Werkstoffen zu
gewinnen. Vielversprechend sind unter
anderem das gerade angelaufene IGF-Vorhaben
„Leichtbaupotenzial GJS-Si“ und das
IGF-Vorhaben „Schädigungsmechanik“,
das im Herbst 2018 anlaufen soll.
Der nächste Schritt ist eine gezielte
„Vermarktung“ dieser Werkstoffgruppe,
um den Kunden die Eigenschaftspotenziale
darzustellen. Hierfür plant der BDG
eine Tagung mit dem Arbeitstitel „Gusseisen-Forum“
im November 2019. Bis dahin
werden weitere, abgesicherte Erkenntnisse
vorliegen, u.a. aus zurzeit laufenden
IGF-Forschungsvorhaben. All das
wird bisherige Hemmnisse bei der Anwendung
dieser interessanten Werkstoffklasse
beseitigen.
Forschungsvorhaben
> BMU 0327593 MEGAWind („Si-Wind“)
(1.8.2006 – 31.10.2011),
> IGF 16255N (IfG) „Ermittlung v. zyklischen
Werkstoffeigenschaften f. dünnwandige
Gussstücke aus hoch Si-haltigen
Gusseisenlegierungen“ (1.11.2009
– 30.9.2012),
> IGF 41EN (Cornet, IfG mit ÖGI) „Werkstoff-
u. fertigungstechnische Grundlagen
der Herstellung und Anwendung
von hoch Si-haltigem GJS“ (1.7.2010
– 30.6.2012),
> IGF 16670N (IfG) „Erarbeitung eines
Prozessfensters zur Herstellung von
Gussstücken aus GJV-Si …“ (1.8.2012
– 31.7.2014),
> IGF 17316N (IfG) „Charakterisierung
der Porositätsverteilung in GJS und ihr
GIESSEREI KOMPAKT
13

EINFÜHRUNG
Einfluss auf die zyklischen mechanischen
Eigenschaften“ (1.11.2011 –
28.2.2014),
> FFG Nr. 854398 (A) „Gusseisen mit verbesserten
Eigenschaften durch hohe
Si-Gehalte“ – EsiCast (Abschluss 2016),
> IGF 18524N „Versagenspotenzial GJS-
Si“ (IWM mit IfG/GI, 1.4.2015 –
30.6.2018),
> IGF 18554N „Metallurgische Optimierung
GJS-Si“ (GI, 1.1.2015 – 30.6.2017),
> IGF 18555N „Carbidvorhersage GJS-Si“
(IfG/GI mit IWM, 1.4.2015 –
31.12.2017),
> IGF 18976N „Gusshaut“ (SAM, LBF, GI,
1.1.2016 – 30.6.2019),
> IGF 19257BG „SWL Eisenguss“ (LBF,
IWM, MFPA, 30.11.2016 – 1.4.2019),
> IGF 19769N „Leichtbaupotenzial GJS-
Si“ (GI, 1.1.2018 – 30.6.2020).
Weiterführende Literatur
> Björkegren, L.E.; Hamberg, K.: Silicon
alloyed ductile iron with excellent ductility
and machinability. Proc. Keith Millis
Symposium, Hilton Head, USA,
2003,
> Menk, W.; Prukner, S.; Kniewallner, L.:
Gussteile erobern das Hoheitsgebiet
der Schmiedeteile. Giesserei 12/2007
S. 31 ff,
> Larker, R.: Solution strengthened ferritic
ductile iron ISO 1083/JS/500-10
provides superior consistent properties
in hydraulic rotators. China Foundry
4/2009,
> Mikoleizik, P.; Kleinkröger, W.: Werkstoffentwicklung
für Windenergieanlagen
im Multi-Megawatt-Bereich Offshore –
MEGAWind (Abschlussbericht 2012),
> Löblich, H.; Stets, W.: Hoch Si haltiges
GJS toleriert größere Anteile an carbidbildenden
Elementen. Giesserei
4/2012, S. 28ff,
> Gassner, G.; Bauer, W.; Schumacher, P.;
Löblich, H.; Stets, W.: Zwischenbericht
Cornet-Projekt „SIRON“ Giesserei
5/2012, S. 18ff,
> Vollrath, K.: Neue hochinteressante
GJS-Werkstoffe. Giesserei 9/2013, S.
70ff.
> Chailler, K.; Gilles, R. (CTIF). Fonderie
Revue 39 (2013) S. 17ff,
> Bleicher, C; Kaufmann, H.: Die Schwingfestigkeit
von Gusseisen mit Kugelgraphit
bei Tieftemperaturen (WEA). Giesserei
10/2014 S. 38ff,
> Mikoleizik, P.; Geier, G.: Si-Wind – Giesserei
9/2014 S. 64ff,
> Bleicher, C.; Wagener, R.; Kaufmann, H.;
Melz, T.: Si-Wind – Neuer Werkstoff für
Offshore-Windenergieanlagen. Giesserei
9 + 10/2014,
> Pusch, G.; u.a.: Mechanische und
bruchmechanische Kennwerte Si-MXverfestigter
GJS-Werkstoffe im Hinblick
auf ihren Einsatz in WEA. Giesserei-
Rundschau 1/2016,
> Werner, H.; Lappat, I.; Aurich, B.: Mischkristallverfestigte
EN-GJS-Werkstoffe
für Groß- und Schwergussteile. Giesserei
2/2016, S. 38ff,
> Bleicher, C.: Ein Beitrag zur Beurteilung
der Schwingfestigkeit von Großgussbauteilen
aus GJS mit besonderer Berücksichtigung
der Auswirkungen von Lunkern
auf die Bauteillebensdauer. Diss.
TU Darmstadt, April 2016 (mit GJS-450-
18),
> Seidel, S.: Machbarkeitsstudie zur Herstellung
von mischkristallverfestigtem
ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit
im Großguss. Giesserei 7 +
8/2016,
> Michel, D.: [Einfluss div. MX-Härter auf
GJS-500-14 und 600-10] (ÖGI M.Sc.
2016),
> Fischer, S.; Brachmann, J.; Bührig-Polaczek,
A.; Weiß, P.: Metallurgische Verbesse-rung
von mischkristallverfestigten
Gusseisen mit Kugelgraphit. Giesserei
6+7/2017,
> Riebisch, M.; Pustal, B.; Bührig-Polaczek,
A.; Hallstedt, B.: Einfluss karbidbildender
Elemente auf das Gefüge und
die mechanischen Eigenschaften von
hoch Si-haltigem GJS. Giesserei Special
1/2018, S. 43ff.,
> Gassner, G.; Koppensteiner, E.; Glavanovic,
L.; Schindelbacher, G.; Schumacher,
P.: Potenziale und Limitierungen
von Si-mischkristallverfestigten GJS-
Sorten. Giesserei Special 1/2018, S.
70ff,
> Knothe, W.: Bewertung von Bauteilen
aus GJS für dynamische Lastfälle – auch
unter extremen Kältebedingungen. Giesserei
6/2018 S. 42ff,
> Philipp Weiß, Anže Tekavčič, Andreas
Bührig-Polaczek: Mechanistic approach
to new design concepts for high silicon
ductile iron, Materials Science and Engineering:
A, Volume 713, 24 January
2018, Pages 67-74.,
Weitere Informationen
Forschungsvereinigung Gießereitechnik
e.V. FVG
Dr. Ingo Steller
Hansaallee 203, 40549 Düsseldorf
Tel.: 0211/6871-342, Mail: fvg@bdguss.
de
Web: www.fvguss.de
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in GIESSEREI 9/2018.
14
GIESSEREI KOMPAKT

Gussteile erobern das
Hoheits gebiet der Schmiedeteile
Die Werkstofffamilie SiboDur mit neuen Perspektiven für Gusseisen mit Kugelgraphit
VON WERNER MENK, SABINE
PRUKNER UND LEOPOLD KNIEWALL-
NER, SCHAFFHAUSEN, SCHWEIZ
In Zukunft können Entwickler und Konstrukteure
von Motoren ihre Vorstellung
revidieren, dass nur geschmiedete
Bauteile Hochleistungsteile sind. Denn
auch mit modernen Gusseisenwerkstoffen
erschließen sich heute Möglichkeiten,
die bislang nur umgeformtem Stahl vorbehalten
waren. Die neue Werkstoff-Familie
SiboDur von GF Automotive, Schaffhausen,
Schweiz, verleiht gegossenen
Bauteilen für Antrieb und Fahrwerk nahezu
die gleichen Festigkeits- und Schwingungseigenschaften.
Und: Alle anderen
positiven Eigenschaften des Gusses bleiben
erhalten.
Gießen als Alternative zum Schmieden
Viele Fahrzeugteile sind zeitlich und örtlich
wechselnden Kräften, Dreh- und Biegemomenten
sowie komplexen Schwingungsanregungen
ausgesetzt. Das Kraftniveau
ist in den letzten Jahren
angestiegen und wird künftig weiter
wachsen. Unter anderem durch aufladbare
Dieselmotoren mit Direkteinspritzung,
höhere Achslasten sowie den Zwang
zum Leichtbau.
Die Vorteile gegossener Bauteile gegenüber
geschmiedeten sind vielfältig:
Gegossene Teile sind in vielen Fällen er-
heblich kostengünstiger. Und da das Gießen
mehr gestalterische Freiheit lässt,
sind hohl gegossene, leichtere Ausführungen
möglich (Bild 1). Darüber hinaus
entstehen beim Gießen maßhaltigere Bauteile
mit nur kleinen Formteilungsgraten.
Das vereinfacht die Nacharbeit und ist
wirtschaftlicher, weil sich Gusseisen mit
Kugelgraphit einfacher bearbeiten lässt
als Schmiedestahl.
Aufgrund dieser Vorzüge und einer relativ
kurzen Entwicklungszeit sind Gussbauteile
für Anwendungen mit hohen Festigkeitsanforderungen
wie im Automobilbau
besonders geeignet.
Überschreiten die Anforderungen an
die (Schwing-)Festigkeit gewisse Grenzen,
Grenzüberschreitend. GF Automotive hat den Werkstoff Gusseisen mit Kugelgraphit weiterentwickelt. Ergebnis ist die Werkstoffgruppe SiboDur,
die neue Anwendungen erschließt, z. B. für Schwenklager, Radlager, Kurbelwellen oder Pleuel, die heute noch geschmiedet werden.
Erste Produktentwicklungen im Automobilbau bestätigen dies. So nutzen VW und Audi zwei Gusswerkstoffe dieser Werkstofffamilie für dynamisch
hoch beanspruchte Teile des Fahrwerks und ersetzten damit ihre geschmiedeten Varianten.
FOTOS UND GRAPHIKEN: GEORG FISCHER AUTOMOTIVE AG
GIESSEREI KOMPAKT
15

NEUE WERKSTOFFE
musste der Konstrukteur bisher stets auf
geschmiedete Bauteile ausweichen und
dafür meist höhere Kosten in Kauf nehmen.
Die Werkstofffamilie SiboDur von
GF Automotive löst diesen Zielkonflikt –
mit einer Festigkeit fast wie Schmiedestahl
und den vielen günstigen Eigenschaften
eines gegossenen Bauteils.
Bild 1: Hohlgegossene Kurbelwelle
Bild 2: Ergebnisse der Schlagversuche an baugleichen Querlenkern aus unterschiedlichen
Werkstoffen
Werkstofffamilie SiboDur
Der Name SiboDur leitet sich von den Zuschlägen
Silicium und Bor ab sowie dem
englischen Wort für Haltbarkeit (Durability).
GF Automotive hat den Werkstoff aus
Gusseisen mit Kugelgraphit entwickelt.
Wesentliche Bestandteile sind ein Kohlenstoffgehalt
von 3,35 bis 3,65 % und
ein Siliciumgehalt von 2,8 bis 3,3 %. Im
Vergleich zu handelsüblichem Gusseisen
mit Kugelgraphit hat SiboDur bessere Eigenschaften
bei Dehnung, Zugfestigkeit
und Schwingfestigkeit bei gleichem Elastizitätsmodul.
Beim Gießen wird ein homogeneres
Gefüge ohne „Ausreißer“ erreicht, wodurch
der Werkstoff höhere Dehnungswerte
hat. Außerdem ist der Kerbeinfluss
im Vergleich zu anderen Gusswerkstoffen
kleiner. Durch Variation der Zuschläge
lassen sich zudem die Werkstoffeigenschaften
den Anforderungen anpassen.
Eine höhere Festigkeit bei gleicher Duktilität
ist ebenso möglich wie eine höhere
Duktilität bei gleicher Festigkeit.
Ähnlich wie bei Gusseisen mit Kugelgraphit
ist auch SiboDur eine Werkstofffamilie.
Begonnen hat ihre Entwicklung
mit einem Querlenker für ein Mittelklassefahrzeug,
an den sehr hohe Anforderungen
hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit
und Verformungsvermögen gestellt wurden.
Die bisherige Stahlblechkonstruktion
wurde diesen Anforderungen nicht
gerecht. Als Alternative bot sich eine
Gusskonstruktion an. Schlagversuche allerdings
zeigten, dass auch konventionelles
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-400-
15) die dabei aufzunehmende kinetische
Energie nicht hinreichend absorbieren
konnte.
Erst die Kombination der Bauteilentwicklung
mit der Werkstoffentwicklung
führte zum Ziel: dem ferritischen Gusseisenwerkstoff
SiboDur 450-17 HD. Er erfüllte
die gestellten Anforderungen und
eignet sich für Querlenker und Radträger
(Bild 2). Der Werkstoff hat eine Mindest-
Dehngrenze von 310 MPa, eine Mindest-
Zugfestigkeit von 450 MPa und eine
Bruchdehnung von mindestens 17 %.
Praktisch genutzt wird er bereits seit vier
Jahren (2003).
Weitergehende Überlegungen führten
zur Entwicklung des ebenfalls ferritischen
Werkstoffs SiboDur 450-17 HS, der aufgrund
von etwas mehr Silicium über eine
deutlich höhere Schwingfestigkeit verfügt,
ohne größere Einbußen bei der Bearbeitbarkeit
und der Zähigkeit. Schwingprüfungen
an Radträgern zeigen das – besonders
gegenüber konventionellem
16 GIESSEREI KOMPAKT

Bild 3: Prämierter Hinterradträger des VW Golf
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-400-15).
Audi nutzt den Werkstoff für den Radträger
eines seiner Modelle und ersetzte damit
eine geschmiedete Variante.
Entwicklung höher fester Sorten
Auf Basis dieser Anwendungen reifte die
Überlegung, auch höher feste Gusseisensorten
zu entwickeln. So entstand Sibo-
Dur 700-10. Der Werkstoff hat im Vergleich
zu den bereits vorhandenen Sorten
eine etwas abgewandelte Zusammensetzung
und mehr perlitstabilisierende Elemente.
Dadurch erreicht er eine Dehngrenze
von mindestens 440 MPa und eine
Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa
bei einer Bruchdehnung von 8 bis 12 %.
Ein Beispiel für seine Anwendung ist
der Radträger des VW Golf mit integriertem
Lagerzapfen. Das Bauteil wurde bislang
geschmiedet und in Zusammenarbeit
zwischen Volkswagen, Entwicklungsingenieuren
aus Schaffhausen und Fachleuten
aus Mettmann auf eine Gusskonstruktion
umgestellt, die alle Anforderungen bezüglich
statischer und dynamischer Festigkeit,
Steifigkeit, aber auch Zähigkeit und
Duktilität erfüllt.
Die größte Hürde dabei waren die Verformungsbedingungen:
Bei einem Seitenaufprall
muss sich der Zapfen des Radträgers
plastisch verformen, ohne anzureißen.
Damit verbunden ist eine
möglichst exakte Werkstoffzusammensetzung.
Sie darf nur in sehr engen Toleranzen
schwanken, was hohe Anforderungen
an die Prozesstechnik in der Gießerei
stellt.
Mit den in Mettmann vorhandenen
Fertigungsmitteln ist dies gewährleistet,
und es gelang, die in Versuchen optimierte
Zusammensetzung prozesssicher herzustellen.
Seit August dieses Jahres wird
der geschmiedete Radträger fertigungsbegleitend
durch einen gegossenen ausgetauscht.
Für diese Entwicklung erhielt
GF Automotive den Volkswagen Group
Award 2007 (Bild 3), mit dem der Konzern
alljährlich seine 25 besten Zulieferer auszeichnet.
In der Kategorie Entwicklungskompetenz
steht er für die Innovationsfähigkeit
eines Unternehmens, seine technische
Ausstattung sowie die Qualität der
Zusammenarbeit. „Mit dem Radträger aus
SiboDur wurde eine echte Innovation gewürdigt“,
so Ferdinand Stutz, Leiter GF
Automotive. „Wie kein zweites verkörpert
dieses Bauteil den technischen Fortschritt
unserer Bemühungen, Werkstoff,
Verfahren und Produkt bestmöglich aufeinander
abzustimmen, um den Kundennutzen
zu steigern.“
Rollieren steigert Dauerfestigkeit
Durch diesen Erfolg beflügelt, kamen
Fachleute auf die Idee, SiboDur auch auf
seine Eignung für Kurbelwellen zu testen.
GF Automotive fertigt jährlich etwa zwei
Millionen davon aus Gusseisen mit Kugelgraphit.
Durch Rollieren der am stärksten
beanspruchten Bereiche (Übergangsradien
zwischen Lagerzapfen und Wange)
werden Druckeigenspannungen aufgebracht
und so die Schwingfestigkeit um
10 bis 15 % erhöht. Die damit einhergehende
partielle Kaltverfestigung glättet
die Oberfläche (Reduktion von Kerben)
und verfestigt sie durch plastische Verformung.
Besonders intensives Rollieren
führt bei herkömmlichen Gusswerkstoffen
allerdings zu einer Festigkeitsminderung,
da die Werkstoffoberfläche versprödet.
SiboDur 700-10 eignet sich besonders
gut zur partiellen Kaltverfestigung. Er
lässt sich weitaus intensiver als herkömmlicher
Kugelgraphitguss rollieren. Das
steigert seine Schwingfestigkeit um nahezu
50 %. Das Potential des Werkstoffs
wird damit deutlich. Zum Beispiel an einem
1,6- l-Ottomotor: Die Schwingfestigkeit
seiner rollierten Serien-Kurbelwelle
aus herkömmlichem Guss beträgt etwa
1000 Nm. Eine rollierte Welle aus SiboDur
GIESSEREI KOMPAKT
17

NEUE WERKSTOFFE
dagegen hat eine Schwingfestigkeit von
mehr als dem Eineinhalbfachen.
Noch deutlicher tritt das Phänomen
bei einem weitverbreiteten 1,9-l-Dieselmotor
zutage. Dessen serienmäßige Kurbelwelle
aus Schmiedestahl hat eine Dauerschwingfestigkeit
von etwa 1870 Nm.
Die gleiche Welle aus höherfestem Sibo-
Dur erreicht nach dem Rollieren eine fast
genauso hohe Dauerschwingfestigkeit
(1830 Nm) und mit optimal eingestellten
Parametern einen Wert, der weit darüber
liegt (Bild 4). Damit ist die bisherige Alleinstellung
geschmiedeter Kurbelwellen
passé.
Bild 4: Einfluss des Rollierens auf die Dauerfestigkeit von Schmiedestahl und SiboDur
Bild 5: Steigerung der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen aus SiboDur durch Härten
der Übergangsradien
Bild 6: Dämpfergabel aus SiboDur 700-10
Härten als Alternative
Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass
sich SiboDur auch sehr gut härten lässt.
An Proben mit gehärteten Übergangsradien
konnte nochmals eine deutlich höhere
Schwingfestigkeit erzielt werden als
mit rollierten (Bild 5). Damit ist die Möglichkeit
gegeben, bestehende Fertigungseinrichtungen
für geschmiedete Kurbelwellen
mit gehärteten Übergangsradien
wirtschaftlich auf gegossene Wellen umzurüsten.
Für Automobilhersteller hat das mehrere
Vorteile: Sie können jetzt einen Grundmotor
mit mehreren Leistungsstufen mit
nur noch einer Kurbelwelle planen. Die bisherige
kostenintensive Alternative – geschmiedete
Wellen für leistungsstarke Motoren,
gegossene für die Grundmotorisierung
– ist dann nicht mehr erforderlich.
Eine andere Möglichkeit ist, aufgrund
der guten Festigkeitseigenschaften rollierter
oder gehärteter Kurbelwellen aus
SiboDur, deren Abmessungen zu verkleinern,
um so die Masse zu reduzieren und
Reibungsverluste zu minimieren. Doch
SiboDur 700-10 eignet sich nicht nur für
Kurbelwellen, sondern auch für andere
Bauteile, die hohen dynamischen Beanspruchungen
ausgesetzt sind wie Pleuel,
Rad- und Schwenklager oder Dämpfergabeln.
Bild 6 zeigt ein Beispiel dazu, das
GF Automotive für Audi entwickelt hat.
Die Ingolstädter setzen bei ihren Autos
zwar weitgehend auf Aluminium, schätzen
aber dort, wo hohe Kräfte und Momente
wirken und nur ein relativ kleiner Bauraum
zur Verfügung steht, noch immer den Eisenguss.
Anwendungspotential
Inzwischen ist SiboDur zu einer Werkstofffamilie
mit einem großen Substitutionspotential
gegenüber anderen Fertigungsverfahren
und Werkstoffen geworden (Tabelle
1). Zu den Merkmalen und
Besonderheiten dieser Familie zählen
Kosten- und Komplexitätsvorteile gegenüber
gleichschweren Stahlschmiedeteilen,
Gewichtsvorteile gegenüber konventio-
18 GIESSEREI KOMPAKT

Tabelle 1: Eigenschaften und Anwendungsbeispiele der Werkstofffamilie SiboDur
nellen Eisengusswerkstoffen, Kostenvorteile
gegenüber zwischenstufenvergütetem
Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI,
Austempered Ductile Iron) und ein besseres
Verhältnis der Kosten zum Gewicht
bei der Substitution von Aluminium.
Jüngstes Kind der Familie ist die Gusssorte
SiboDur 550-12 mit einer Zugfestigkeit
von 500 bis 550 MPa und guter Bearbeitbarkeit.
Der Werkstoff eignet sich besonders
für Radnaben schwerer Lastkraftwagen.
Dr. sc. techn. ETH Werner Menk, Leiter
Werkstoff- und Verfahrensentwicklung;
Dr. mont. Leopold Kniewallner, Leiter Forschung
und Entwicklung sowie Dipl.-Ing.
Sabine Prukner, Projektingenieurin Werkstoff-
und Verfahrensentwicklung, Georg
Fischer Automotive AG, Schaffhausen,
Schweiz
Literatur:
[1] ATZ 107 (2005) Nr. 2, S. 126-131.
[2] Giesserei 92 (2005) Nr. 5, S. 66-67.
[3] konstruieren + giessen 31 (2006)
Nr. 3, S. 6-9.
[4] MTZ 68 (2007) Nr. 5, S.384-388.
Dieser Beitrag wurde veröffentlicht
in GIESSEREI 12/2007.
Rollieren – für mehr Festigkeit an hoch
beanspruchten Stellen
Bild 7: Prinzip des Rollierens: F G Gerätekraft,
F R Rollenkraft, D 1 Rollendurchmesser,
D 2 Werkstückdurchmesser, r Rollenradius,
α Rollenanstellwinkel
Die Haltbarkeit von Kurbelwellen lässt
sich mit verschiedenen Maßnahmen
steigern, unter anderem mit thermischen
Verfahren wie dem Härten oder
mit mechanischen wie dem Rollieren.
Nachträglich bearbeitet werden dabei
die während des Betriebs am höchsten
beanspruchten Stellen. Das sind
bei Kurbelwellen die Übergangsradien
zwischen den Lagerzapfen und den
Wangen der Gegengewichte. Ihre Qualität
beeinflusst in hohem Maße die Biegewechselfestigkeit
einer Kurbelwelle,
während die Ölbohrungen in den Lagerzapfen
maßgeblichen Einfluss auf
die Torsionswechselfestigkeit haben.
Bild 7 zeigt das Prinzip des Rollierens.
Die radial auf die Welle wirkende Kraft wird dabei mit zwei Rollkörpern
in die Übergangsradien geleitet. Der dabei sich aufbauende Druck glättet und
verdichtet die Oberfläche, was sich festigkeitssteigernd auswirkt. Fachleute
sprechen in diesem Zusammenhang von Kaltverfestigung. Die Haltbarkeit
einer Kurbelwelle erhöht sich dadurch merklich.
Nicht alle Gusswerkstoffe lassen sich jedoch gleichermaßen gut rollieren.
Und bei konventionellen Sorten bewirkt es bisweilen sogar einen gegenteiligen
Effekt, wenn mit zu hoher Kraft rolliert wird. SiboDur 700-10 dagegen
lässt sich sehr gut rollieren, weitaus besser sogar als die üblicherweise für
Kurbelwellen genutzte Gusssorte GJS-700-2.
GIESSEREI KOMPAKT
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