Gusseisenforschung

Im Mittelpunkt der Arbeiten am Gießerei-Institut der RWTH Aachen steht die Korrelation aus Prozess - Gefüge - Eigenschaften. Mittels statistischer und numerischer Versuchsplanung werden die Prozesse gezielt ausgelegt, um definierte Gefüge eizustellen. Die Gefüge werden unter Anwendung unterschiedlicher Ätzmethoden zunächst umfassend und automatisiert in Bezug auf Graphit-, Perlit- und Karbidanteile hin charakterisiert und je nach Bedarf weitere Analysemethoden wie EDX, EBSD, FIB oder auch TEM eingesetzt. Durch die Verfügbarkeit eines 250 kg und eines 70 kg Schmelzaggregats kann die metallurgische Prozessführung mit unterschiedlichen Schmelzereinigungs-, Mg-Behandlungs- und Impfverfahren variiert werden. Prozessvariationen werden derzeit zur Untersuchung des Einflusses von Legierungs-, Begleit- und Störelementen sowie zum Einfluss unterschiedlicher Abkühlbedingungen, unterschiedlicher Impftechnologien und im Hinblick auf Formstoff-Schmelze Reaktionen durchgeführt. Die definiert eingestellten Gefüge werden in Zusammenarbeit u.a. mit den Forschungseinrichtungen IEHK & IWM der RWTH Aachen sowie des Fraunhofer LBF mit statischen, zyklischen und dynamischen Eigenschaften korreliert. Unter den nachfolgenden Punkten werden abgeschlossene und laufende Projekte seit 2015 kurz umrissen.

Optimierung der Mischkristallverfestigung

Metallurgische Optimierung von hochsiliziumhaltigen mischkristallverfestigtem Gusseisen mit Kugelgraphit hinsichtlich der Sicherstellung der Zähigkeit und Prozessierbarkeit (AiF)

Laufzeit: 01.01.2015 - 30.06.2017

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut

Im Rahmen des Projektes „Metallurgische Optimierung von hochsiliziumhaltigem mischkristallverfestigtem Gusseisen mit Kugelgraphit hinsichtlich der Sicherstellung der Zähigkeit und Prozessierbarkeit“ sollen die seit 2012 in der DIN 1563 enthaltenen Sorten metallurgisch optimiert werden. Dabei zielt das Projekt primär auf eine verbesserte Zähigkeit und Prozesssicherheit dieser äußerst attraktiven Konstruktionswerkstoffe ab. Der wissenschaftliche Ansatz sieht dazu ein gezieltes Legieren mit weiteren mischkristallverfestigenden Elementen vor, welche die Wirkung des Siliziums unterstützen und dieses teilweise substituieren. Während in umfassenden Legierungsversuchen Einzel- und Wechselwirkungen dieser Elemente herausgefahren werden, liegt der Fokus weiterer Arbeitspakete auf einer gemeinsam mit den Partnern des projektbegleitenden Ausschusses schon frühzeitig sichergestellten Übertragbarkeit in die industrielle Praxis, auf einer für die entwickelten Legierungen optimierten Impftechnik sowie auf der Anwendung neuer analytischer Methoden zur Auswertung sich einstellender Seigerungsprofile.

[Löb12] H. Löblich, „AIF Final report – Basic knowledge concerning materials and processing for the production and application of silicon solution strengthened ductile iron“, 2012 (German)

Quantitative Karbidvorhersage

Quantitative Vorhersage und experimentelle Analyse von Karbiden in hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit (AiF)

Laufzeit: 01.04.2015 – 31.12.2017

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut, Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau

Im Rahmen des Projekts „Quantitative Karbidvorhersage“ wurden erfolgreich Möglichkeiten zur quantitativen Vorhersage von Karbiden in hochsiliziumhaltigem GJS experimentell mittels eines faktoriellen Versuchsplans unter Einbeziehung der Elemente Cr, Mn ,Mo, Nb und V sowie simulationsgestützt mit Hilfe eines eigens entwickelten Mikroseigerungsmodells erschlossen. Hierdurch wird der Einsatz kostengünstiger Einsatzmaterialien wie Stahlschrotte zur Produktion dieses Werkstoffs ermöglicht. Experimentell wurden empirische Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen zur Vorhersage des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften aus der chemischen Zusammensetzung ermittelt. Mit Hilfe des Mikroseigerungsmodells kann der Anteil an Perlit und Karbiden für beliebige Abkühlbedingungen simuliert werden. Das Modell wurde anhand zahlreicher experimenteller Befunde validiert. Zur Anwendung der Ergebnisse in der Praxis wurde eine Karbiddatenbank mit Excel-Schnittstelle erstellt, welche dem Benutzer die Vorhersage des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften für eine vorgegebene chemische Zusammensetzung erlaubt.

Versagenspotential

Simulationsgestützte Ermittlung des Versagenspotentials von siliziumlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit bei schwingender Beanspruchung – Versagenspotentials (AiF)

Laufzeit: 01.04.2015 - 30.06.2018

Forschungseinrichtungen:  GI, IWM

Das Ziel des Projektes „Simulationsgestützte Ermittlung des Versagenspotentials von siliziumlegierten Gusseisen mit Kugelgraphit bei schwingender Beanspruchung“ ist es, zyklische Werkstoffkennwerte für Konstrukteure als Bemessungsgrundlage für siliziumlegierte Gusseisenwerkstoffe bereitzustellen.

Die zwei Werkstoffe GJS 500-14 und GJS 600-10 werden sowohl axial- als auch torsionsbeansprucht bei variierende Spannungsverhältnisse und Kerbfaktoren geprüft. Neben der kugelförmigen Ausprägung des Graphits (Formen VI und V) wird ebenfalls der Einfluss von Graphitentartungen auf die zyklisch mechanischen Eigenschaften untersucht. Dazu werden definierte Werkstoffzustände mit verringerter Rundheit der Graphitpartikel sowie Chunky-Graphit, der in Bauteilen mit dicken Wandstärken zu einer starken Reduktion der statischen Eigenschaften führt, eingestellt und getestet. Anhand der Korrelation der Gefügeparameter wie Größe, Form und Verteilung der Graphitpartikel mit Schwingfestigkeiten wird ein Grenzmusterkatalog für Graphitentartungen erstellt. Darüber hinaus dienen metallographische Bildanalysen als Grundlage um ein Modell zu entwickeln, mit dem anhand von repräsentativen Volumenelementen die zyklisch mechanischen Eigenschaften realer Gefüge simuliert werden können.

Veröffentlichungen im Rahmen des Projektes:

J. Frieß*, B. Pustal, P. Weiß, M. Riebisch, A. Kutz, A. Bührig-Polaczek: Enhanced Applications and Improved Properties of High Silicon Ductile Iron, Proceeding of CastTec 2016

Gusshaut

Charakterisierung variierter Randzonenzustände an Gusseisenbauteilen und Bewertung des Einflusses auf die Ermüdungsfestigkeit – Gusshaut (AiF)

Laufzeit: 01.01.2016 - 30.06.2019

Forschungseinrichtungen:  GI, LBF, SAM

Ziel des Projektes ist die Ermöglichung einer belastbaren und effiziente Auslegung und Bemessung von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) unter Einbezug der Gusshaut und deren Einfluss auf die zyklischen Werkstoffeigenschaften.

Unter der Gusshautrandzone versteht man einen begrenzten Bereich an der Gussteiloberfläche, der je nach Werkstoff unterschiedliche Fehlstellen und Abweichungen vom Grundgefüge im Inneren des Gussteils aufweisen kann. Der genaue Einfluss der verschiedenen Ungänzen auf die zyklischen Eigenschaften ist bislang nur unzureichend untersucht worden, wodurch eine fundierte Berücksichtigung dieser prozessbedingten Fehler bei der Gussteilauslegung bisher nicht möglich ist. Im Rahmen des Projektes werden an zwei konventionellen GJS-Werkstoffen und einer hochsiliziumhaltigen Sorte gezielt die industriell relevanten Gusshautzustände über das Formstoffsystem, die Schlichte und die Schmelzmetallurgie eingestellt und ihr Einfluss auf die Dauerschwingfestigkeit untersucht. Den Gießereien eröffnen sich dadurch Möglichkeiten zur Verbesserung der Gusshautrandzoneneigenschaften und zur gezielteren Auslegung ihrer Gussteile.

Diagraph

Untersuchung der Graphitnodularität in Gusseisen mit Kugelgraphit mittels digitaler Bildverarbeitung – DIAgraph (AiF)

Laufzeit: 01.03.2017 bis 28.02.2019

Forschungseinrichtungen:  GI, GFaI

Das Projekt DIAgraph zielt auf die systematische Untersuchung der Einflussgrößen bei der Ermittlung des Gefügekennwertes 'Nodularität' von GJS und der Vereinheitlichung der Graphitanalyse.

Die quantitative Bestimmung der Gefügebestandteile von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) ist eine wesentliche Komponente der Materialentwicklung und Qualitätssicherung, da einerseits die Werkstoff- und Bauteileigenschaften davon abhängen, andererseits die Anforderungen der Gussabnehmer erfüllt werden müssen. Zum jetzigen Stand erfolgt die Graphitformbestimmung durch visuelle Begutachtung sowie durch unzureichend definierter Bildanalyse, die jedoch beide aufgrund nicht ausreichender Objektivität keine verlässliche und reproduzierbare Auswertung ermöglichen. Die Implementierung eines anlernbaren Klassifikators anhand objektbasierter Parameter soll es ermöglichen, die Graphitpartikel, insbesondere Sphärolithen, zu identifizieren und Graphitentartungen zu erkennen. Die Einflüsse bei der Bildaufnahme und  auswertung von Gusseisen mit Kugelgraphit werden untersucht und die unterschiedlichen Ansätze zur Bestimmung der Nodularität miteinander verglichen und evaluiert. Die entwickelten Algorithmen werden von Bildanalyseanbietern und -anwendern in aufeinander aufbauenden Ringversuchen getestet und ausgewertet. Die Ergebnisse werden in die Normung einfließen und Gießereien ermöglichen, Verfahrensanweisungen zur schnellen und reproduzierbaren Bildanalyse von GJS umzusetzen.

DIAgraph II

DIAgraph II (AIF)

Bereichsbezogene Klassifikation von Graphitausbildungen in Gusseisen mit Lamellen- bzw. Vermikulargraphit sowie von nicht den Grundformen zuzuordnenden Graphitstrukturen mittels digitaler Bildverarbeitung – DIAgraph II (AiF)

Laufzeit: 01.06.2019 bis 31.05.2021

Forschungseinrichtungen:  Gießerei-Institut, GFaI

Das Projekt DIAgraph II zielt auf die Entwicklung einer bereichbezogenen Klassifikation von Graphitmorphologien in Gusseisen ab.

Menge, Größe und Anordnung der Graphitpartikel haben Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen, so dass eine reproduzierbare, objektive Auswertung gewährleistet werden muss, um eine essenzielle Beschreibung der Gefüge auf diese Eigenschaften zu ermöglichen. Zurzeit erfolgt die Gefügebeurteilung visuell bzw. teilweise mittels digitaler Bildanalyse, welche aber für GJL und GJV nicht einheitlich definiert ist. Die zu entwickelnde objektive Graphitanalyse soll es Gießereien ermöglichen, Qualitätsvereinbarungen mit Abnehmern zu treffen und Gefügebestandteile und -abweichungen zu quantifizieren, so dass bspw. störelementhaltige, aber kostengünstige Stahlschrotte gezielt eingesetzt werden können. Durch die zu entwickelnde reproduzierbare Gefügeanalyse wird den klein- und mittelständischen Eisengießereien zudem ein Werkzeug zur gezielten Werkstoffentwicklung zur Verfügung gestellt.

Smartscrap

Perspektivische Entwicklung und Einfluss von Begleitelementen in Stahlschrotten auf die Produktion und die Eigenschaften von Gusseisen – „Smartscrap“ (CORNET)

Laufzeit: 01.03.2018 – 31.02.2020

Forschungseinrichtungen: CRM (Gent, Belgien), Sirris (Gent, Belgien), GI (RWTH Aachen)

Im CORNET-Projekt „Smartscrap“ soll die zukünftige Entwicklung der Stahlschrotte sowie der Einfluss der enthaltenen Begleitelemente auf die Gusseisenproduktion analysiert und Maßnahmen zur Vermeidung negativer Eigenschaftsänderungen erarbeitet werden. Hierzu wird experimentell der Einfluss verschiedener karbidbildender Elemente wie Mangan, Bor oder Molybdän auf die Eigenschaften von GJL-250, GJS-400-15 und GJS-600-3 auf das Gefüge und die statischen sowie zyklischen mechanischen Eigenschaften untersucht, um Toleranzgrenzen im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften zur ermitteln. Zum Einfluss von Begleitelementen auf die Graphitausbildung in Gusseisen mit Kugelgraphit werden zudem Erstarrungssimulationen mittels Phasenfeldmethode durchgeführt. Weiterhin werden sekundärmetallurgische Maßnahmen zur Entfernung bestimmter Elemente aus der Gusseisenschmelze untersucht. Die Ergebnisse fließen in eine Karbiddatenbank ein, welche im abgeschlossenen Projekt „Quantitative Karbidvorhersage“ erstellt wurde.

Schädigungsmechanik

Schädigungsmechanische Ansätze zur gezielten Einstellung und effizienten Nutzung der Zähig-keitseigenschaften von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit - Schädigungsmecha-nik MK-verfestigtes GJS (AiF)

Laufzeit: 01.10.2018 - 31.03.2021

Forschungseinrichtungen: GI, IEHK

Trotz hervorragender statischer mechanischer Eigenschaftskombinationen wird eine breite Anwendung der hochsiliziumhaltigen, mischkristallverfestigten Sorten aus GJS (MK-GJS) aktuell aufgrund der äußerst geringen Kerbschlagzähigkeitswerte behindert – der Einsatz erfolgt nur nach aufwändiger Einzelqualifizierung. Die Zähigkeitseigenschaften des Werkstoffs werden im Kerbschlagbiegeversuch jedoch erheblich unterschätzt, sodass kaum Aussagen über das Verhalten im konkreten Bauteileinsatz getroffen werden können.

Ziel des Projektes ist es, das Zähigkeitsverhalten von MK-GJS bei spezifischer Beanspruchung sowie unter dem Einfluss des Werkstoffdesigns zu untersuchen. Durch eine direkte Übertragung der Erkenntnisse in die praktische Prüf- und Konstruktionstechnik wird so eine zweifelsfreie, an den Lastfall angepasste Auslegung von Bauteilen aus MK-GJS ermöglicht.

Dazu werden schädigungsmechanische, numerische sowie experimentelle Ansätze verfolgt, die die Charakterisierung der Zähigkeit unter dem Einfluss der Temperatur, der Dehnrate, des Spannungszustandes sowie des Werkstoffdesigns erlauben. Um die Untersuchungen zu validieren und einen Übertrag in die praktische Prüftechnik zu leisten, wird ein alternatives Prüfverfahren entwickelt, das auf dem Schlagzugversuch basiert und eine Messung der Zähigkeit im konkreten Beanspruchungsfall erlaubt.

Optiguss

Entwicklung eines ganzheitlichen Bewertungskonzeptes und einer lebensdauerbasierten Bauteilauslegung mittels gefügeabhängiger Schwingfestigkeitsbeurteilung von Gusseisen mit Lamellengraphit (AiF)

Laufzeit: 01.04.2019 – 30.09.2021

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut, Fraunhofer LBF, ACCESS e.V.

Aufgrund der heterogenen Mikrostruktur von Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) bestehen Unsicherheiten bzgl. der Beurteilung der lokalen zyklischen Bauteilbeanspruchbarkeit, was Konstrukteure vor Herausforderungen bei der korrekten Bauteilbemessung stellt. Während diese Problematik von Seriengießern durch aufwändige Untersuchungen umgangen werden kann, steht den KMU Gießereien diese Möglichkeit aufgrund der geringeren Losgröße nicht zur Verfügung.

Ziel des Projektes ist es, das zyklische Werkstoffverhalten von GJL unter Berücksichtigung des Größeneinflusses korrekt zu beschreiben. Dabei ist der technologische Größeneinfluss des Graphits entscheidend, da die Wanddickenabhängigkeit seiner komplexen Morphologie die Eigenschaften deutlich beeinflusst.

Dazu werden Gefügeparameter in Bezug auf die Schwingfestigkeit gezielt variiert und charakterisiert wobei die Entwicklung einer Gefügeklassifikation gewährleistet, belastbare Korrelationen zwischen Gefüge und den entsprechenden zyklischen Kennwerten zu generieren. Somit wird eine Methodik entworfen, mit der Bauteile aus GJL beanspruchungsgerecht ausgelegt werden können.

Erschließung des Leichtbaupotentials

Erschließung des Leichtbaupotentials von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit (AiF)

Laufzeit: 01.01.2018 – 30.11.2020

Forschungseinrichtungen: GI

Im Rahmen des Projekts „Erschließung des Leichtbaupotential von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit“ wird die Anwendung der hochsiliziumhaltigen GJS-Werkstoffe im Leichtbausektor vorangetrieben, indem eine systematische Untersuchung der Gieß- und Erstarrungseigenschaften in dünnwandigen Geometrien durchgeführt wird. Es wird eine kritische Wanddicke bezüglich der Formfüllung sowie der Eigenschaften des Gefüges ermittelt. Zudem soll eine Optimierung des Speisereinsatzes beim Gießen dieser Werkstoffe erreicht werden, indem die Expansions- und Kontraktionseffekte während der Erstarrung experimentell und durch Simulation erforscht sowie das in dickwandigen Gussteilen auftretende Porositätsvolumen quantitativ analysiert wird. Es wird der Einfluss des Siliziumgehalts, der Formstofffestigkeit, der Gießtemperatur und der Impfung auf die Gießeigenschaften untersucht. Hierdurch werden ein ganzheitliches Prozessfenster für den Dünnwandguss dieser Werkstoffe sowie ein quantitativer Zusammenhang des Porositätsvolumens in Abhängigkeit der Prozessparameter erarbeitet.

Dies führt zur Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit der Eisengießereiindustrie durch eine Minimierung des Speisereinsatzes sowie durch neue Absatzmöglichkeiten ihrer Gussteile im Leichtbausektor, wo dünnwandige Gussteile aus GJS andere Werkstoffe wie Stahl substituieren und für eine Gewichtsreduzierung sorgen können.
Probekörper unterschiedlicher Wandstärken mit eingestelltem Matrixgefüge