Bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit Austempered Ductile Iron, ADI Matthias Balz. Austempered Ductile Iron, ADI

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2 Bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit 1.1Einleitung Bei der Werkstoffgruppe des Gußeisens mit Kugelgraphit handelt es sich um Hochfeste Sorten, die gleichzeitig hohe Kennwerte für Plastizität, Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Die kugelige (sphärolitische) Ausbildung des Graphits wird durch Zusatz von geringen Mengen an Magnesium (bis 0,5%) in Kombination mit Cer und Calcium erreicht. Das Einbringen erfolgt entweder durch Zusatz von Vorlegierungen oder durch Einblasen in die Schmelze mit der Stickstofflanze. Die Eigenschaften des Gußeisens mit Kugelgraphit liegen zwischen denen des Gußeisens mit Lamellengraphit und denen des Stahls. Der E- Modul liegt bei rund N/mm 2. Das Dämpfungs-vermögen ist gegenüber Gußeisen mit Lamellengraphit vermindert, die Zerspanbarkeit ist gut. Durch eine Wärmebehandlung lassen sich die Eigenschaften dieser Gußeisenart in stärkerem Maß verbessern als bei grauem Gußeisen. Zur Erreichung höchster Schlagzähigkeit werden in der Regel Wärmebehandlungen vorgenommen, bei denen ein ferritisches Grundgefüge entsteht. 1.2 Bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit Bei dieser Werkstoffgruppe des Gußeisens mit Kugelgraphit handelt es sich um Hochfeste Sorten, die gleichzeitig hohe Kennwerte für Plastizität, Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Die Kugelgraphiterzeugende Behandlung der Schmelze erfolgt gleich wie beim Gußeisen mit Kugelgraphit. Die Sorten werden über eine Wärmebehandlung eingestellt, wobei die Umwandlungstemperatur in der Bainitstufe von entscheidender Bedeutung ist. Tabelle 1: Sorten und mechanische Eigenschaften von bainitischem Gußeisen mit Kugelgraphit gemäß DIN EN 1564 (1994), ermittelt an getrennt gegossenen Probestücken b

3 2. Vorgänge bei der Umwandlung in der Bainitstufe Die Bainitstufe bildet sich im Temperaturbereich zwischen der Perlit- und Martensitstufe. Hier ist eine Diffusion von Eisen nicht mehr möglich und die Kohlenstoffdiffusion schon erheblich erschwert. Dabei entsteht eine große Vielzahl von Gefügeformen, wobei deren Unterscheidung nur mit Hilfe von elektronenoptischen Methoden (ERM) möglich ist. Dieses Gefüge wird als Bainit bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwei Formen: -nadeliger Bainit -körniger Bainit Die nadeligen Gefüge entstehen bei kontinuierlicher Abkühlung und bei isothermer Umwandlung, das körnige bei nur Kontinuierlichen Abkühlung. Formunabhängig besteht der Bainit grundsätzlich aus Ferrit mit eingelagerten Carbiden, deren Größe von grob bis extrem fein durch die Umwandlungs-temperatur bestimmt wird (bei sinkender Umwandlungstemperatur wird das Gefüge der Grundmasse immer feiner). Dieses Gefüge wird oft als bainitischer Ferrit bezeichnet. Bei den nadeligen Formen wird nochmals zwischen oberem und unterem Bainit unterschieden. Der untere Bainit entsteht im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung also kurz oberhalb der M s Temperatur. Daher hat er große Ähnlichkeit mit dem Martensit. Bei der Umwandlung klappt der kfz- -Mk in büschelförmig angeordnete Ferritplatten um. Die Kohlenstoffdiffusion wird im -krz-mk erleichtert, so daß der zwangsgelöste Kohlenstoff das -Gitter in Form von Carbiden (Fe 3 C) verlassen kann. Die Carbide sind sehr fein. Diese feine Carbidverteilung ist Ursache hoher Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte. Bild 1: Lage der Zwischengitterplätze für Kohlenstoff im krz- -Eisen. Lücke A: Fremdatome bis r max =0,291 R Lücke B: Fremdatome bis r max =0,154 R c

4 Bild 2: Lage der Zwischengitterplätze für Kohlenstoff im kfz- -Eisen. Bild Fremdatome 3: bis r max =0,41 R Bildung des unteren Bainits Bild 4: unterer Bainit, isotherm bei 400 C erzeugt (37MnSi5) Härte: 375HVI Der obere Bainit entsteht im oberen Temperaturbereich der Bainitstufe und ist grobkörniger. Durch die günstigeren Diffusionsbedingungen (höhere T) kann der Kohlenstoff aus dem Innern der Ferritnadel an deren Korngrenzen wandern. Das dadurch entstandene Gefüge ähnelt stark dem nadelförmigen Martensit. Das abgeschiedene Carbid ist unterbrochen und unregelmäßig geformt. Daher ist es leicht mit Perlit zu verwechseln. Wie schon oben erwähnt sind die mechanischen Gütewerte durch die gröberen Carbide schlechter als die des unteren Bainits (siehe auch Tabelle). Bild 5: Bildung des oberen Bainits Bild 6: Nadeliger (oberer Bainit in der Grobkornzone einer Schweißverbindung (nioblegierter Feinkornbaustahl) d

5 Tabelle 2: Wärmebehandlung und Festigkeitswerte verschiedener Sphäroguß-Sorten Der Körnige Bainit entsteht bei nur kontinuierlicher Abkühlung. Durch die Ferritausscheidung reichert sich der Austenit mit Kohlenstoff an. Je nach Abkühlwirkung wandeln sich diese Austenitbereiche in regellos angeordneten Ferrit und Carbid, nadeligen Bainit und Martensit um. Bild 7: Körniger Bainit im Schweißgut (decklage) einer Schweißverbindung aus dem Stahl 10CrMo910 e

6 3. Wärmebehandlung zur Herstellung von ADI Bild 8: Schema der Wärmebehandlung zum Herstellen von bainitischem Gußeisen mit Kugelgraphit (ADI) 3.1 Vorgänge bei der Wärmebehandlung: Das Gußstück wird gemäß der Kurve A B auf eine Temperatur von 840 C bis 950 C erhitzt und auf dieser Temperatur im Bereich von B C gehalten, bis die Gesamte Grundmasse in Austenit umgewandelt ist. Anschließend wird entlang der Kurve C D rasch abgekühlt, bis die gewählte Umwandlungstemperatur in der Bainitstufe erreicht ist (diese liegt im Bereich zwischen 230 bis 450 C). Ist die Abkühlung richtig durchgeführt worden, so erreicht das Gußstück im Punkt D die gewählte Umwandlungstemperatur mit einer Grundmasse die noch vollständig aus Austenit besteht. Die Keimbildung des Ferrits hat hier noch nicht eingesetzt. Diese beginnt im Punkt E und am Punkt F hat sich die f

7 gesamte Grundmasse in nadeligen Ferrit und Austenit umgewandelt. Während der Zeit zwischen den Punkten E unf F diffundiert Kohlenstoff aus dem sich bildenden Ferrit in den verbleibenden Austenit, was dessen Kohlenstoffgehalt auf 1,2 bis 1,6 % ansteigen läßt. Dieser Austenit ist aber nur metastabil. Dies ist ein Problem. Werden nämlich Temperaturen unter Raumtemperatur erreicht oder wenn beim bearbeiten Spannungen entstehen kann sich dieser metastabile Austenit in Martensit umwandeln (siehe Bild 9) was dann zu einem Verlust von Zähigkeit und zu Bearbeitungsproblemen führt. Bild 9: Durch Wechselverformung erzwungene Umwandlung von unreagiertem Austenit in Martensit (REM-Aufnahme; V=100000:1) Bild 10: Martensit, der sich durch Umwandlung von metastabilem Austenit während der Bearbeitung gebildet hat, V=500:1 g

8 Im Bereich von F G findet keine merkliche Keimbildung des Ferrits statt. Dennoch wachsen die vorhandenen Ferritkörner weiter und drücken dabei immer mehr Kohlenstoff in den verbleibenden Austenit, so daß sich sein Kohlenstoffgehalt auf 1,8 bis 2,2% erhöht (je nach chemiscer Zusammensetzung des Gußteils). Bei diesem nun höheren Kohlenstoffgehalt wird der Austenit bei den Sorten EN-GJS und EN-GJS sowohl thermisch als auch mechanisch stabil. Mit sinkender Temperatur in der Bainitstufe steigt die Festigkeit des Werkstoffes und das Gefüge der Grundmasse wird immer feinkörniger. Gleichzeitig nimmt auch die Breite der Austenit-platten ab. Daher gestaltet sich die Kohlenstoffgehalt-bestimmung als äußerst schwierig, da die Breite der Austenitplatten schmaler ist als der Strahl und so wird der Kohlenstoffgehalt zu einem Schätzwert. Er wird aus der chemischen Zusammensetzung des Gußteils, der Austenitisierungstemperatur, dem Austenit-Ferrit-Verhältnis und dem Meßwert des Gerätes abgeschätzt. Man geht davon aus, daß der Kohlenstoffgehalt des stabilen Austenits in den Sorten Grade 5 höher ist als in der Sorte Grade 1. Der Kohlenstoffgehalt des Austenits nimmt also mit höherer Bainitisierungs-temperatur zu. Wird das Gußstück bei der Wärmebehandlung über den Punkt G hinaus auf der Umwandlungstemperatur gehalten, kann der Austenit den Kohlenstoff nicht länger gelöst halten und es beginnt die Bildung von Carbiden. Bis zum Punkt H ist aller Austenit in Ferrit umgewandelt worden, wobei fast der gesamte Kohlenstoff in Form von bainitischen -Carbiden ausgeschieden wird. Das Gussstück hat im Punkt H also eine ferritisch-carbidische Grundmasse, die dem üblichen Bainit von Vergütungsstählen entspricht. Der maximale Kohlenstoffgehalt des Austenits der Sorte EN-GJS beträgt 2,2%. Wird dieser Wert überschritten, so ist anzunehmen, daß sich das Gefüge in den ferritisch-carbidischen Zustand umwandelt. Bild 10: Das richtige Grundgefüge von ADI Grade 1 (ähnlich EN-GJS-800-8), bestehend aus Austenit und Ferrit, V=1000:1 3.2 Die verschiedenen Erscheinungsformen des Austenit: h

9 Im ersten Schritt der Wärmebehandlung wird die komplette Grundmasse Austenitisiert (A bis C). Dieser Austenit enthält 0,8 bis 1,1% Kohlenstoff. Die carbidbildenden Elemente (Mn, Cr bilden Mischcarbide (Fe,Cr) 3 C, (Fe,Mn) 3 C) seigern in die Korngrenzen und führen hier zu einer höheren Kohlenstoff-löslichkeit. Der Kohlenstoff und die carbidbildenden Elemente stabilisieren hier lokal den Austenit. Daher können die Korngrenzenbereiche noch hohe Anteile an Austenit enthalten, obwohl in den übrigen Bereichen des Gefüges die Umwandlung in der Bainitstufe schon abgelaufen ist. Für diesen Austenit gibt es eine vielzahl von Bezeichnungen wobei er hier und im folgenden als unreagierter Austenit bezeichnet wird, was dem wohl am nächsten kommt. Dieser Austenit hat nämlich nicht an der Umwandlungsreaktion teilgenommen (er ist sozusagen übriggeblieben ). Sein Kohlenstoffgehalt hat sich während der Wärmebehandlung nicht verändert. Bild 11: Gefüge von ADI mit unreagiertem, metastabilem Austenit (helle Bereiche), V=100:1 Bei der Umwandlung in der Bainitstufe entsteht noch eine andere Art von Austenit und zwar zwischen den Punkten E und F. Hierbei handelt es sich um reagierten, metastabilen Austenit dessen Kohlenstoffgehalt sich während der Umwandlungsreaktion erheblich erhöht hat. Hier beträgt der typische Kohlenstoffgehalt 1,2 bis 1,6% C. Austenit mit solch einem Kohlenstoffgehalt ist bei Raumtemperatur aber erst metastabil (d.h. er kann sich z. B. durch mechanische Belastung in Martensit umwandeln). Eine dritte Art von Austenit ist reagierter, stabiler Austenit. Er entsteht im bainitischen Gefüge zwischen den Punkten F und G. Hier beträgt der Kohlenstoffgehalt etwa 2%. Bei diesem Kohlenstoffgehalt ist der Austenit sowohl thermisch als auch mechanisch stabil. Dieser Austenittyp ist, im Gegensatz zum reagierten, metastabilen Austenit, ein erwünschter Bestandteil im Gefüge von ADI (siehe Bild 10). Leider ist es sehr schwierig diese beiden Formen mit optischen Verfahren zu Unterscheiden. Hierzu müssen spezielle Verfahren wie z. B. das thermische Ätzen angewandt werden. i

10 3.3 Die verschiedenen Erscheinungsformen des Ferrits: Im Ganzen können im Gefüge von bainitischem Gußeisen drei Formen des Ferrits auftreten: -feiner, nadeliger Ferrit (wie in Bild 10) -grober voreutektoider Ferrit (wie in Bild 12) -bainitischer Ferrit Der nadelige Ferrit ist ein Bestandteil der korrekt umgewandelten Grundmasse von ADI und die einzig erwünschte Form des Ferrits im Gefüge von ADI. Er wird oft zu Unrecht als bainitischer Ferrit bezeichnet. Er entsteht nämlich vor dem Bainitbereich, also vor Punkt H. Erst wenn die Umwandlung in der Bainitstufe beendet ist also im Punkt H besteht die gesamte Grundmasse aus bainitischem Ferrit in dem feine bainitische -Carbide verteilt sind. Der bainitische Ferrit ist kein Bestandteil der korrekt umgewandelten Grundmasse und sollte in ADI nicht auftreten. Die dritte Form ist der voreutektoide Ferrit. Er entsteht aber nur, wenn die Austenitisierungstemperatur zu niedrig gewählt wurde. Ist dies der Fall, liegen dann nämlich während des Glühens Austenit,Ferrit und Graphit im Gleichgewicht vor. Der voreutektoide Ferrit verbleibt dann in der Grundmasse unabhängig von der Haltezeit beim Austenitisieren. Er entsteht in Zonen mit hohem Siliziumgehalt, ist sehr grob und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften von ADI (siehe Bild 12) Bild 12: Voreutektoider Ferrit (hell, scharf abgegrenzt) im Gefüge von ADI das bei 815 C zwei Stunden lang austenitisiert und in Wasser abgeschreckt wurde, V=400:1 j

11 4. Die Grundmasse von ADI Für die Grundmasse von ADI, aber auch für die verschiedenen Gefügebestandteile gibt es eine Vielzahl von Bezeichnungen. Das liegt einerseits daran, daß es sich bei ADI um eine relativ neue Werkstoffgruppe handelt und die Begriffe noch nicht vereinheitlicht wurden, aber auch daran, daß in der jüngsten Vergangenheit neu gewonnene Erkenntnisse dazu führten, einige Ansichten zu korrigieren. Allerdings haben viele Fachleute die neuen Untersuchungsergebnisse nicht zur Kenntnis genommen (weil eine Änderung der Bezeichnung für viele ein Eingeständnis für ihren Irrtum wären), was zur Folge hat, daß noch viele alte teils verwirrende Bezeichnungen in Umlauf sind. Ich habe stets die dem neuesten Erkenntnisstand entsprechenden benutzt und werde mich auch im folgenden daran halten. Auf eine Erläuterung oder Disskusion der alten Bezeichnungen soll hier verzichtet werden. Wichtig ist, daß die Grundmasse von ADI kein Bainit wie bei einem Vergütungsstahl ist. Falsch ist auch die Annahme ADI sei eine Art Stahl mit eingelagerten Graphitteilchen. Zwischen Stahl und Gußeisen bestehen bei der Wärmebehandlung grundsätzlich drei wesentliche Unterschiede: - Der Kohlenstoffgehalt im Gefüge des Stahls bleibt unabhängig von der Art der Wärmebehandlung konstant (außer bei Wärmebehandlungen bei denen C von außen zugeführt wird; z.b. Einsatzhärten). - Änderungen der Austenitisierungstemperatur ändern den Kohlenstoffgehalt im Stahlgefüge nicht. - Der Kohlenstoffgehalt im Grundgefüge hingegen ist stetig veränderlich und auch von der Austenitisierungstemperatur abhängig. Die Grundmasse eines richtig Wärmebehandelten ADI besteht aus nadeligem Ferrit (entstanden zwischen E und F) und stabilisiertem, hochkohlenstoffhaltigen Austenit (entstanden zwischen F und G). Das Gefüge soll kein Perlit, keine bainitischen Carbide und kein Martensit enthalten. Die korrekte Bezeichnung für dieses Gefüge lautet Ausferrit(e) und wurde in ASTM A Für die Grundmasse von ADI genormt. 4.1 Auftreten von Perlit im Gefüge von ADI: Perlit ist ein unerwünschter Bestandteil im Gefüge von ADI. Er wirkt sich ungünstig auf Festigkeit und Zähigkeit aus. Im ADI bildet sich der Perlit nahe an den Graphitkugeln wo er k

12 aufgrund geringer Härtbarkeit (Anreicherung von Si) bei zu langsamer Abkühlgeschwindigkeit entstehen kann. 4.2 Auftreten von Martensit im Gefüge von ADI: Beim Abkühlen von Gußeisen mit Kugelgraphit tritt eine Seigerung der Elemente auf. Sie führen zu einer ungleichmäßigen Kohlenstofflöslichkeit in der Grundmasse. Dadurch wird die M s -Temperatur beeinflußt und es kommt zu einer ungleichmäßigen Martensitumwandlung. Deshalb ist eine örtliche Martensitbildung bei den hochfesten Sorten Grade 4 und 5 häufig. Der Kohlensoffgehalt des Martensits in Gußeisen kann bis auf 1,6% ansteigen, wobei er bei unlegiertem Kohlenstoffstahl maximal 0,8% erreichen kann. Daher ist der Martensit im ADI härter als der im Stahl. Tritt Martensit im ADI auf, so unterscheidet man hier zwischen zwei Sorten: 1. Die erste Art Martensit bildet sich unmittelbar nach dem Abkühlen aufgrund von örtlich hohen M s -Temperaturen. Er wird während der Haltezeit angelassen und verliert so an Härte. 2. Die andere Art Martensit bildet sich aus dem metastabilen Austenit, entweder durch Spannungen beim bearbeiten oder durch Abkühlung auf T kleiner Raumtemperatur. Dieser Martensit ist sehr hart. 5. Normung von ADI Für diese Werkstoffgruppe sind bisher folgende Begriffe genannt worden: - Bainitisch-austenitisches Gußeisen mit Kugelgraphit - Bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit - Zwischenstufenvergütetes Gußeisen mit Kugelgraphit (veraltete Bezeichnung, nach DIN nicht mehr erlaubt) - (Bezeichnung nach dem Wärmebehandlungsverfahren, im angelsächsischen Sprachgebiet gebräuchlich) - Austenitisch-ferritisches Gußeisen mit kugelgraphit (Ausferrite als Gefüge der metallischen Grundmasse nach ASTM A ) Klassifizierung Nach DIN EN 1564: Die Europäische Norm DIN EN 1564 behandelt die Einteilung von bainitischem Gußeisen nach den mechanischen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffsorten. Diese werden über eine Wärme-behandlung eingestellt. l

13 Tabelle 3: Sorten und mechanische Eigenschaften von bainitischem Gußeisen mit Kugelgraphit nach DIN EN 1564, ermittelt an getrennt gegoßenen Probestücken. Tabelle 4: Sorten und Richtwerte für ADI nach VDG-Merkblatt W52 (1987) für Bauteile bis 100mm Wandstärke Tabelle 5: ASTM A897M-90 m

14 Tabelle 6: Physikalische und mechanische Eigenschaften von ADI nach ASTM A 897M-90 n

15 6. Einsatz von ADI: ADI ist ein Werkstoff der immer mehr und mehr mit Stahl konkurriert. Er eignet sich in vielen Fällen für die endformnahe Herstellung von Komponenten des Fahrzeugbaus. Bild 13: Achsgehäuse aus ADI für Nfz Bild 15: Substitution einer Alu-Radnabe (re) durch ADI. ADI=14,8 kg Alu=15,3 kg Bild 14: Federwälzlager aus verschiedenen ADI Sorten für Blattfederlagerung von Lkw-Achsen o

16 Bild 15: Pickelarme für Eisenbahn- Gleisbaumaschinen. ADI: R m =1100 Mpa R p0,2 =800 Mpa A=7% HB=300 Bild 16: Zahnkranz aus ADI R m 900 Mpa Gewicht: 980 kg p

17 7. Vergleich von ADI mit anderen Werkstoffen Werkstoffbezeichnung nach DIN EN 1563 Werkstoffbezeichnung nach DIN 1693 Dauerschwingfestigkeit (Wöhler) ungekerbte Probe in [Mpa] Dauerschwingfestigkeit (Wöhler) gekerbte Probe in [Mpa] EN-GJS LT EN-GJS EN-GJS GGG-35.3 GGG-40 GGG q

18 Zug-Druck-Ermüdungsversuch (R=-1) r

19 s