Leseprobe_500410

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kompakt

Mischkristallverfestigtes Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-Si)

Ergebnisse aus Forschung und Praxis –

Statusbericht zur

Transfertagung 2018

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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

7


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.

8

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

Dieser Beitrag wurde veröffentlicht

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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