Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigten Gusseisen mit Kugelgrafit

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1 GRAFIKEN: RWTH Aachen University Gi es se re i-v er la g Technologie & Trends Metallurgische Verbesserung von mischkristallverfestigten Gusseisen mit Kugelgrafit 300-fache Vergrößerung der Bruchfläche einer Zugprobe aus einem YIV-Keil mit mittels Rasterelektronenmikroskop. Teil 2: Einfluss von Cobalt und Nickel auf die mechanischen Eigenschaften VON SEBASTIAN F. FISCHER, JOHANNES BRACHMANN, ANDREAS BÜHRIGPOLACZEK UND PHILIPP WEISS, AACHEN Einleitung Gusseisen mit Kugelgrafit, kurz GJS, ist ein nach DIN EN 1563 genormter Gusswerkstoff auf Eisen-Kohlenstoff-Basis, bei welchem der elementar ausgeschiedene Kohlenstoff überwiegend in Form von Grafitkugeln vorliegt. Die mechanischen Eigenschaften dieses attraktiven Gusswerkstoffs werden überwiegend über die Mikrostruktur der Matrix eingestellt. Eine vollferritische Matrix bietet eine maxima40 GIESSEREI /2017 le Bruchdehnung bei moderater Zugfestigkeit. Durch Einbringen einer zweiten lamellaren Phase, dem Eisencarbid (Fe3C), welche zusammen mit dem lamellaren Ferrit das Eutektoid Perlit bildet, wird der Widerstand gegen die Bewegung von Gleitversetzungen erhöht [1]. Daraus resultiert eine Festigkeitssteigerung verbunden mit einer relativ starken Absenkung der Bruchdehnung. Somit können durch die Einstellung des Ferrit/Perlit-Verhältnisses GJSSorten mit einer maximalen Bruchdehnung von 22 % bei einer moderaten Zugfestigkeit von 350 MPa, einer maximalen Zugfestigkeit von 900 MPa und einer geringen Dehnung von 2 % oder Sorten mit einem gewissen Kompromiss zwi- schen beiden Eigenschaften angeboten werden (Bild 1a) [2]. Eine weitere Möglichkeit zur Festigkeitssteigerung der Matrix stellt das Legieren von Elementen dar, bei der das zugegebene Element in fester Lösung im Ferritmischkristall vorliegt. Die festigkeitssteigernde Wirkung basiert auf Wechselwirkungen zwischen den Legierungsatomen mit Stufen- und Schraubenversetzungen [3]. Die Möglichkeit einer Silizium-Mischkristallverfestigung der Metallmatrix in Gusseisen mit Kugelgrafit wurde nach R. Larker zuvor über lange Zeit aus zwei Gründen ausgeschlossen und wurde deshalb national und international nur mit

2 a KURZFASSUNG: Die zweite Generation von Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS) mit einem Siliziumgehalt von bis zu 4,3 Gew.-% weist eine vollferritische, durch Silizium mischkristallverfestigte Matrix auf. Die herausragenden Vorteile in Anwendung und Herstellung begründen den stark ansteigenden Bedarf dieser neuen hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten. Durch die Bildung einer Siliziumfernordnung ist deren Zugfestigkeit jedoch auf ein Maximum von 600 MPa bei einer Bruchdehnung von 10 % bei 4,3 Gew.-% Silizium begrenzt. Geringfügig höhere Siliziumgehalte führen zu einem drastischen Abfall der mechanischen Kennwerte. Um die maximal erreichbare Festigkeit respektive die Prozesssicherheit gegenüber Schwankungen im Siliziumgehalt zu erhöhen, wird in der vorliegenden Forschungsarbeit das Potenzial weiterer mischkristallverfestigender Elemente als Zusatz bzw. Substitution von Silizium untersucht. Cobalt und Nickel wurden dafür als vielversprechende Elemente identifiziert. Im ersten Teil dieses zweiteiligen Beitrags (siehe GIESSEREI 104 (2017) Nr. 6, S ) wurde aufgezeigt, dass diese beiden Elemente keinen nachteiligen Effekt auf die Mikrostruktur von hochsiliziumhaltigen GJS haben. Vielmehr kann durch eine Zugabe von Cobalt oder Nickel die Nodularität der Grafitkugeln erhöht werden. Im zweiten Teil wird nach dem Stand der Technik von hochsiliziumhaltigen GJS der Einfluss von Cobalt und Nickel auf die mechanischen Kennwerte der hochsiliziumhaltigen GJS im quasistatischen Zugversuch dargestellt. Zugfestigkeit in MPa b Bruchdehnung in % Bruchdehnung in % geringer Aufmerksamkeit bedacht: Zum einen, weil im US-Patent von Millis u. a. von 1949 eine Verschlechterung der Härte, der Zugfestigkeit und der Duktilität durch Siliziumgehalte von mehr als 2,5 Gew.-% prognostiziert wurden. Zum anderen wurde einem erhöhten Siliziumgehalt eine verstärkte Bildung von Chunkygrafit, einer speziellen Form der Grafitentartung, im Inneren von dickwandigen Gussstückpartien zugeschrieben. Diese Grafitentartung kann nach R. Larker im Falle der Studie von Millis u. a. fälschlicherweise nicht direkt auf den Siliziumgehalt zurückgeführt werden, sondern auf ein lokal verringertes Sauerstoffangebot in der Schmelze [4]. Die Versuchsergebnisse zweier anscheinend in den folgenden Jahrzehnten weniger beachteten Studien widersprachen Millis u. a. ebenfalls. So zeigten White u. a. und Peleg auf, dass bei einem Siliziumgehalt zwischen 4 und 5 Gew.-% mittels Mischkristallverfestigung eine hohe Zugfestigkeit bei sehr guten Bruchdehnungswerten in einem GJS realisiert werden kann [5, 6]. Zudem senkt der hohe Siliziumgehalt die Gefahr der Carbidbildung, welche die Bearbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften des GJS- Bauteils mindern kann. Erst Mitte der 1990er-Jahre griffen Björkergren u. a. die Thematik des hochsiliziumhaltigen GJS mit dem Ziel auf, die Härtestreuung der ferritisch/perlitischen Sorten zu reduzieren, um Bearbeitungskosten einzusparen. Dazu wurden die ferritisch/perlitischen Sorten teilweise durch siliziummischkristallverfestigte, vollferritische Sorten ersetzt. Die einphasige Matrix dieser Werkstoffe bietet bei verschiedenen Wanddicken eines Werkstückes wesentlich konstantere Eigenschaften, wie die für eine mechanische Bearbeitung wichtige Härte der Mikrostruktur. Es wurde nachgewiesen, dass die mechanischen Eigenschaften dieser rein ferritischen, siliziummischkristallverfestigten Sorten des GJS denen der herkömmlichen ferritisch/ perlitischen Sorten mindestens ebenbürtig, meist sogar überlegen sind. Die neu entwickelten Werkstoffe wurden seitens der Autoren erfolgreich in die Praxis überführt und führen dort durch verminderte Bearbeitungskosten und geringere Toleranzen zu einer Kostenersparnis von etwa 10 % [7, 8]. Diese Entwicklungen führten 1998 zu einer Aufnahme der siliziummischkristallverfestigten GJS-Werkstoffe GJS und GJS in die schwedischen Normen SS und SS Im Jahr 2001 veröffentlichten W. Kleinkröger u. a. ihren Forschungsbericht Höherfeste Gussteile mit ausreichender Duktilität. Mit dem Ziel der Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von dickwandigen Sicherheitsbauteilen aus GJS wurde? konventionelle ferritischperlitische GJS-Sorten neue ferritische GJS-Sorten Y II-Proben [8] Y IV-Proben [8] nach [8] EN-GJS EN-GJS EN-GJS , Siliziumgehalt in Gew.-% Bild 1: Vergleich der mechanischen Eigenschaften der konventionellen ferritisch/ perlitischen GJS-Sorten und der 2012 in die DIN EN 1563 aufgenommenen, vollferritischen GJS-Sorten (a) und Abhängigkeit der Bruchdehnung von GJS von dem Siliziumgehalt (b), nach [8]. der Einfluss von Kupfer, Mangan, Nickel, Molybdän, Silizium und Niob untersucht. Während die Perlitbildner nicht die benötigte Dehnung erzielen, führen hochsilizi- GIESSEREI /

3 Technologie & Trends a Dehngrenze R p0.2 in MPa Zugfestigkeit R m in MPa b Cobaltgehalt in Gew.-% GJS () GJS (4,3 Gew.-% Silizium) GJS () GJS (4,3 Gew.-% Silizium) Cobaltgehalt in Gew.-% Bild 2: Einfluss von Cobalt auf die Zugfestigkeit (a) und die Dehngrenze (b) von hochsiliziumhaltigen GJS. umhaltige Schmelzen zum Ziel. Mit der chemischen Zusammensetzung 3,10 Gew.-% C, 3,75 Gew.-% Si, 0,22 Gew.- % Mn, 0,016 Gew.-% P, 0,005 Gew.-% S und 0,044 Gew.-% Mg können Proben mit einer Zugfestigkeit von 520 MPa bei einer Bruchdehnung von 14 % realisiert werden [9]. Seit dem Jahr 2004 werden mischkristallverfestigte GJS-Sorten in der internationalen Norm ISO 1083/JS/500 berücksichtigt. Für Wanddicken kleiner 30 mm werden neben einer Mindestfestigkeit von 500 MPa eine Dehngrenze von mindestens 360 MPa sowie eine Bruchdehnung von mindestens 10 % vorgegeben. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird folgende chemische Zusammensetzung empfohlen: ca. 3,3 Gew.-% C, ca. 3,7 Gew.-% Si, maximal 0,3 Gew.-% Mn, maximal 0,05 Gew.-% P, maximal 0,02 Gew. % S, ca. 0,04 Gew.-% Mg und maximal 0,1 Gew.-% Cu [10]. Ab 2005 stellten Menk u. a. und A. Güll u. a. die Werkstofffamilie SiboDur von der Georg Fischer Automotive, Schaffhausen, Schweiz, vor [11-13]. Der Markenname SiboDur leitet sich aus den Legierungselementen Silizium und Bor sowie aus dem englischen Wort für Haltbarkeit Durability ab. Der Si-Gehalt beträgt 2,8 bis 3,3 Gew.-% bei 3,35 bis 3,65 Gew. % C[13]. Die siliziummischkristallverfestigten Werkstoffe finden bei der Georg Fischer Automotive sowohl in Fahrwerkskomponenten wie Querlenkern, Radträgern und LKW-Radnaben als auch in Kurbelwellen Verwendung. Je nach Anforderung werden durch Erhöhung des Si-Gehalts die ferritischen Sorten Sibo- Dur460-17, und eingestellt [12]. Gegenüber konventionellen GJS-Sorten, wie dem EN-GJS , zeichnen sich die mischkristallverfestigten Sorten durch eine deutlich erhöhte Dehngrenze und Bruchdehnung aus [11] berichtete J. Kikkert in seinem Beitrag Mischkristallverfestigtes Gusseisen mit Kugelgrafit über die Herstellung von GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium und kündigte eine Spezifizierung der mischkristallverfestigten, ferritischen Gusswerkstoffe GJS , GJS und GJS in der nächsten Ausgabe der DIN EN 1563 an [14]. In 2011/12 berichteten K. Herfurth u. a. und Gorski u. a. von der Einführung einer stranggegossenen GJS Sorte unter dem Markennamen GOPAC 500 F [15, 16]. Die neuen Stranggusswerkstoffe substituieren aufgrund ihrer Zugfestigkeit und Dehnung in Verbindung mit guter Zerspanbarkeit Schmiedestähle in Hydraulikblöcken für hohe Druckstufen [15] erfolgte die Aufnahme der mischkristallverfestigten Sorten EN-GJS , EN-GJS und EN-GJS in die DIN EN 1563, wobei die beiden letztgenannten Sorten im Vergleich zu den konventionellen ferritisch/ perlitischen Sorten bei gleicher Zugfestigkeit eine verdoppelte Bruchdehnung aufweisen (Bild 1a). Die Norm empfiehlt einen maximalen Perlitanteil im Grundgefüge von 5 %. Ein EN-GJS wird mit einem Si-Gehalt von etwa 3,2 Gew.-%, ein EN-GJS mit einem Si-Gehalt von etwa 3,8 Gew.-% und ein EN-GJS mit etwa 4,3 Gew.-% Si erzielt. Die Si-Gehalte können abhängig von den übrigen Legierungsbestandteilen geringer ausfallen, wobei dazu keine weiteren Angaben gemacht werden. Mit geringerem Mangangehalt werden eine bessere Dehnung und eine bessere Bearbeitbarkeit erzielt [2]. Das Institut für Gießereitechnik (IfG) in Düsseldorf und das Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI) in Leoben beschäftigten sich in dem Rahmen eines dreijährigen, von der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) geförderten Projekts bis zum Ende des Jahres 2012 u. a. mit der Metallurgie, der Bearbeitbarkeit, dem Einfluss von carbidstabilisierenden Elementen und der Impftechnologie von siliziummischkristallverfestigten GJS- Sorten [8, 17-20]. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts legen die Verwendung von Impfmitteln mit einem erhöhten Bismutgehalt nahe, da diese Impfmittelvarianten die Bildung einer hohen Anzahl kleiner Kugeln unterstützt [8]. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die siliziummischkristallverfestigten, vollferritischen Sorten eine hervorragende Bearbeitbarkeit [19] bei einer erhöhten Toleranz gegenüber carbidbildenden Elementen wie Mangan, Chrom und Vanadium aufweisen [18]. In einem parallelen von der AiF geförderten Projekt zeigte das IfG in einem Zeitraum von 2009 bis 2012 auf, dass hochsiliziumhaltige GJS-Sorten die gleiche Schwingfestigkeit wie konventionelle GJS-Sorten aufweisen, wobei die Schwingfestigkeit von bearbeiteten Proben keine Abhängigkeit von der Wanddicke zeigt [21]. 42 GIESSEREI /2017

4 Nach der Implementierung in die DIN EN 1563 im Jahr 2012 wird aufgrund der Vielzahl an Vorteilen mit einer stark ansteigenden Anzahl an Anwendungsfällen für mischkristallverfestigte GJS-Sorten gerechnet [22-27]. Durch Anwendung dieser Werkstoffsorten werden z. B. den Konstrukteuren bei einem vorgegebenen Mindestmaß an Duktilität, wie etwa für Sicherheitsteile, festere Werkstoffe mit einer erhöhten Dehngrenze zur Verfügung gestellt. In den meisten technischen Gussteilen ermöglicht eine höhere Zugfestigkeit und Dehngrenze Materialeinsparungen und somit einerseits Vorteile in der Anwendung, wie etwa bei bewegten Teilen, bei denen Leichtbau im Vordergrund steht. Andererseits werden durch ein geringeres Stückgewicht Material-, Schmelz- und Transportkosten sowie Emissionen eingespart. Zusätzlich unterliegen ferritische mischkristallverfestigte Sorten im Vergleich zu ferritisch/perlitischen Sorten aufgrund ihrer einphasigen Matrix nur sehr geringen Schwankungen in der Mikrostrukturausbildung, was unter anderem zu einer hervorragenden mechanischen Bearbeitbarkeit führt [28]. Neben den diversen Vorteilen bedingt der Siliziumgehalt der neuen mischkristallverfestigten GJS-Sorten auch einige unliebsame Besonderheiten. Der teilweise sehr hohe Si-Gehalt bis 4,3 Gew.-% wirkt sich je nach Literaturstelle mehr oder weniger negativ auf die Gießeigenschaften aus. Mit steigendem Siliziumgehalt steigt die Viskosität der Gusseisenschmelze, womit die Gießeigenschaften, wie das Fließ- und Formfüllungsvermögen, verschlechtert werden [11]. Die resultierenden Gussfehler können nur durch eine Vergrößerung des Gießsystems vermieden werden [11], womit die Ausbringung und damit die Kosteneffizienz der Produktion vermindert wird. Die Steigerung der Zugfestigkeit mit steigendem Siliziumgehalt ist auf ca. 4,3 Gew.-% Silizium begrenzt [8]. Bei einem Siliziumgehalt größer als 4,3 Gew.-% sinken die Zugfestigkeit und insbesondere die Bruchdehnung massiv ab (Bild 1b) [17, 28]. Da keine versprödenden Phasen oder eine Veränderung der kristallografischen Orientierung des Ferrits ab diesem kritischen Siliziumgehalt festgestellt werden können, könnte die massive Verschlechterung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung durch einen kritischen Anteil der Siliziumfernordnungen des Typs D03 und/oder B2 am Ferrit begründet werden [29, 30]. Durch eine Steigerung des Siliziumgehalts nimmt der versprödende Anteil an D03- und B2- Fernordnungen am gesamten Ferrit lokal zu [30, 31] und erreicht vermutlich bei einem Siliziumgehalt größer als 4,3 Gew.-% den kritischen Anteil, welcher zu einer globalen Versprödung des GJS im Zugversuch führt. Infolge der Versprödung des Ferrits werden die plastische Zone vor einem initiierten Riss vermindert und das Risswachstum erschwert, bis die notwendige Energie für das Risswachstum höher ist als die lokale kohäsive Festigkeit, wodurch es zu einem Materialversagen durch Spaltbruch kommt [31]. Aufgrund der sprunghaften Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von GJS ab einem Gehalt von 4,3 Gew.-% Silizium können das Prozessfenster für die Herstellung des in 2012 genormten EN-GJS , welches einen Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% vorsieht [2], als eng und die Prozesssicherheit als gering eingestuft werden. Prozessschwankungen zum Beispiel im Bereich der Magnesiumbehandlung, bei welcher üblicherweise über die Vorlegierung ein vergleichsweiser hoher Siliziumgehalt eingebracht wird, oder bei der Impfbehandlung mit FeSi-Legierungen bergen die Gefahr der Überschreitung des kritischen Siliziumgehalts [8]. Damit käme es zum Ausschuss der Schmelze oder bei einem Kontrollengpass des Gussstücks, womit je nach Abgussgewicht hohe Kosten verbunden sind. Eine grundlegende Optimierung der neuen ferritischen GJS-Sorten zum einen hinsichtlich der Prozesssicherheit verspricht die Verringerung des Si-Gehalts mit Hilfe einer teilweisen Substitution von Si durch weitere mischkristallverfestigende Elemente, welche wie Si bei geringer Minderung der Bruchdehnung die Zugfestigkeit steigern. So könnte durch gezieltes Legieren mit mischkristallverfestigenden Elementen z. B. ein EN-GJS auch mit einem Siliziumgehalt <4,3 Gew.-% hergestellt werden, womit die Toleranz gegenüber schwankenden Siliziumgehalten erheblich erhöht werden würde. Gerade Gießereien mit dem Schwerpunkt der Großbauteilfertigung z. B. für den Windkraft- oder Marinebereich würden von dieser neuen Sicherheit profitieren, da für die Verarbeitung von hochsiliziumhaltigen GJS infolge der Einzel- und Kleinserienfertigung die Gefahr eines schwankenden Siliziumgehalts sowohl für den Zeitraum des Know-how-Aufbaus als auch in der späteren etablierten Fertigung erhöht ist. Das gezielte Legieren mit weiteren mischkristallverfestigenden Elementen verspricht zudem die Realisierung von noch höherfesteren GJS-Sorten über ein EN-GJS hinaus mit einem vergleichsweise guten Wert für die Bruchdehnung. Trotz des leicht erhöhten Preises für die verwendeten Legierungselemente könnten infolge der guten Gießeigenschaften und damit Gussausbringung für einige Anwendungen sehr viel teurere Schmiedestähle substituiert werden [22]. Zudem könnte mit höherfesten Werkstoffen mit vergleichsweise hohen Bruchdehnungswerten der Prozess des Downsizings von Bauteilen weiter fortgeführt werden, um bei der Gussteilnutzung den Energieverbrauch und die Emission von CO 2 zu mindern. Ein Nebeneffekt dieser Studien sind schlankere Gussbauteile, wodurch wiederum Material und die damit verbundenen Beschaffungs- und Energiekosten verringert werden können. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden Cobalt und Nickel als vielversprechende Elemente für eine grundlegende Verbesserung von mischkristallverfestigten GJS identifiziert. Der Atomradius des im Periodensystem direkten Eisennachbars Cobalt unterscheidet sich mit 135 pm [32] verglichen mit dem des Aluminiums (125 pm) oder dem des Siliziums (110 pm) nur sehr gering von dem des Eisens mit 140 pm [32]. Dies zieht, bezogen auf die Mischkristallverfestigung, eine einerseits vorteilhafte unbegrenzte Löslichkeit von Cobalt in Eisen [33], aber andererseits eine auf die Zugabemenge bezogene schwache mischkristallverfestigende Wirkung nach sich. Dementsprechend wird die verfestigende Wirkung des Cobalts in [34] als ineffizient beschrieben. Trotzdem kann die Verwendung von Cobalt infolge der nicht nur grafitisierenden, sondern auch ferritisierenden Wirkung je nach Anwendungsfall für die Optimierung von hochsiliziumhaltigen GJS sinnvoll sein. Auch verspricht die Anwendung von Nickel als grafitisierendes Element mit einer hohen Löslichkeit in Eisen und einer hohen Mischkristallverfestigung pro Atomanteil eine grundsätzliche Optimierung von hochsiliziumhaltigen GJS. In Patent- und Offenlegungsschriften der Siempelkamp Gießerei GmbH, Krefeld, [35, 36] wird festgehalten, dass bei einem maximalen Si-Gehalt von 4 bis 4,5 Gew.-% ein Nickelgehalt von 2,5 Gew.-% nicht überschritten werden sollte. Es wird jedoch keine Begründung für die Limitierung des Nickelgehalts dargestellt und die Wirkung nicht auf eine Mischkristallverfestigung zurückgeführt. C. F. Reynolds u. a. berichteten bereits 1952 von einer Steigerung der Zugfestigkeit bei geringer Abnahme der Bruchdehnung durch Zugabe von 0,7 bis 1,39 Gew. % Nickel bei einem Siliziumgehalt von 3,1 Gew.-% [37]. Damit deutet GIESSEREI /

5 Technologie & Trends Tabelle 1: Einfluss der Wanddicke auf die Zugfestigkeit und Bruchdehnung von GJS. Werkstoff Maßgebende Zugfestigkeit Veränderung Bruchdehnung Veränderung Wanddicke t R m in % A in % in % in mm in MPa GJS [eigene Messungen] GJS [eigene Messungen] EN-GJS t [2] 60 < t EN-GJS t [2] 60 < t sich das Potenzial einer Legierung mit Nickel an, Silizium in mischkristallverfestigtem GJS zumindest bis zu einem bestimmten Nickelgehalt zu substituieren. Zudem erhöht Nickel die Kerbschlagzähigkeit ferritischer Stahlsorten bei Raumtemperatur bzw. verschiebt die Übergangstemperatur für den duktil spröden Übergang zu geringeren Temperaturen, womit die (Kerbschlag-)Zähigkeit bei gegebener Temperatur insgesamt erhöht wird [38]. In dem ersten Teil dieses zweiteiligen Artikels wurde dargestellt, dass Cobalt und Nickel keinen negativen Einfluss auf die Ausbildung der Grafitkugeln haben. Ganz im Gegenteil erhöhen Cobalt und Nickel statistisch signifikant die Nodularität. Je nach legiertem Gehalt führt Nickel in Wechselwirkung mit dem Siliziumgehalt zu einem erhöhten Perlitgehalt von bis zu 10 ± 6 % [39]. Im Folgenden wird dargestellt, wie der Einfluss von Cobalt und Nickel auf die mechanischen Eigenschaften von mischkristallverfestigten GJS im quasistatischen Zugversuch ist. Material und Methoden Hochsiliziumhaltiges GJS mit 3,8 Gew.-% Si (entsprechend einem EN-GJS ) und 4,3 Gew.-% Silizium (entsprechend einem EN-GJS ) wurde systematisch gemäß eines vollfaktoriellen Versuchsplans einmal mit Cobalt und einmal mit Nickel legiert. Dabei wurden neben jeweils einer unlegierten Variante jeweils zwei Gehalte für den Cobalt- bzw. Nickelgehalt eingestellt. Der maximale Cobaltgehalt wurde auf 4 Gew.-% festgelegt, da damit laut E. Modl [33] ein Maximum der Dehngrenze bei konventionellem GJS erreicht wird. Als mittlerer Cobaltgehalt wurde ein Wert von 2 Gew.-% festgelegt, da bei diesem Gehalt bereits erste mischkristallverfestigende Effekte in konventionellem GJS beobachtet werden können. In Anlehnung an die Patente der Firma Siempelkamp wurde als maximale Einstellung ein Nickelgehalt von 3 Gew.-% gewählt [36]. Der mittlere Nickelgehalt wurde auf 1,5 Gew.-% festgelegt. Als Probekörper wurden Y-Proben Typ II und Typ IV mit den entsprechenden Legierungen abgegossen, daraus Zug- sowie metallografische Proben herausgearbeitet und geprüft bzw. untersucht. Der thermische Modul der YII-Proben beträgt 0,8 cm. Aufgrund zweier Probenlagen in den YIV-Proben (a/c und b/d [2]) liegen in diesen Proben ein thermischer Modul von 1,4 und 1,7 cm vor. Die quasistatischen Zugversuche wurden hinsichtlich der Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung der Proben ausgewertet. Details zur Versuchsdurchführung können dem ersten Teil dieses Beitrags entnommen werden. Für eine profunde, synchrone Bewertung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung wurde der Qualitätsindex QI der Proben nach [40] berechnet: QI = ((Zugfestigkeit [MPa] 0,145) 2 Bruchdehnung [%]) / 1000 (1) Je höher der Qualitätsindex ist, desto günstiger ist das Verhältnis von Zugfestigkeit zur Bruchdehnung des Werkstoffs. Der Qualitätsindex liegt für die Mindestwerte der konventionellen GJS-Sorten nach DIN EN 1563 zwischen 21 und 61, für ausferritisches GJS (ADI) nach DIN EN 1564 zwischen 41 und 139. Ergebnisse und Diskussion Die mechanischen Kennwerte der unlegierten EN-GJS YII-Proben liegen im Mittel mit 553 ± 11 MPa und 20 ± 1 % über der Mindestforderung der DIN EN Dies gilt ebenfalls für die unlegierten EN-GJS YII-Proben (628 ± 21 MPa und 14 ± 4 %). Die Qualität der hergestellten Proben ist demnach geeignet für die quantitative Untersuchung des Einflusses von Cobalt und Nickel auf die mechanischen Eigenschaften von hochsiliziumhaltigen GJS. Die DIN EN 1563 macht keine Vorgaben für die mechanischen Kennwerte der unlegierten YIV-Proben. Ab einer Gussteilwanddicke von mehr als 60 mm sind die mechanischen Eigenschaften von mischkristallverfestigten GJS-Bauteilen mit dem Kunden zu vereinbaren. Die YIV-Keile weisen eine Wanddicke von 75 mm auf. Infolge der geringen Abkühlgeschwindigkeit, resultierend aus der erhöhten Wanddicke, erzielen YIV-Proben geringere mechanische Kennwerte im Vergleich zu YII-Proben. Die Zugfestigkeit und Bruchdehnung beträgt bei im Mittel 540 ± 10 MPa bzw. 16 ± 2,4 %. YIV-Proben erzielen mit einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% 610 ± 16 MPa und 9 ± 3 %. Durch eine Erhöhung der Wanddicke von 25 auf 75 mm wird die Zugfestigkeit von Proben mit 3,8 und 4,3 Gew. % Silizium damit um 2 bzw. 3 % vermindert. Die Bruchdehnung fällt durch die erhöhte Wanddicke bei einem Siliziumgehalt von 3,8 und 4,3 Gew.-% um 20 bzw. 36 % (Tabelle 1). Neben den eigenen Messergebnissen ist in der Tabelle 1 die Wanddickenabhängigkeit der Zugfestigkeit und Bruchdehnung von den konventionellen Sorten EN-GJS und EN-GJS laut DIN EN 1563 dargestellt. Mit einer Änderung der Wanddicke t von t < 30 mm auf 60 < t 200 mm wird die Zugfestigkeit um 8 bis 16 % vermindert; die Bruchdehnung sinkt um 29 bis 67 %. Dieser Vergleich zeigt, dass die Zugfestigkeit wie auch die Bruchdehnung von den konventionellen GJS-Sorten eine deutlich höhere Wanddickenabhängigkeit aufweisen. Dieser Unterschied kann vermutlich auf den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Anzahl und Rundheit der Grafitkugeln sowie auf den Perlitanteil und den Fe 3 C- Lamellenabstand der konventionellen GJS-Sorten zurückgeführt werden. Eine Verminderung der Abkühlgeschwindigkeit senkt die Kugelanzahl und Nodularität der Kugeln, wodurch die mechanischen Eigenschaften von konventionellen GJS-Sorten vermindert werden 44 GIESSEREI /2017

6 a Zugfestigkeit R m in MPa Bruchdehnung A in % b GJS-500 () GJS-600 (4,3 Gew.-% Silizium) Cobaltgehalt in Gew.-% ,8 Gew.-% Si (EN-GJS ) 3,8 Gew.-% Si + 2 Gew.-% Co 3,8 Gew.-% Si + 4 Gew.-% Co 4,3 Gew.-% Si (EN-GJS ) 4,3 Gew.-% Si + 2 Gew.-% Co 4,3 Gew.-% Si + 4 Gew.-% Co Bruchdehnung A in % Bild 3: Einfluss von Cobalt auf die Bruchdehnung (a) und den Qualitätsindex (b) von hochsiliziumhaltigen GJS. [41, 42]. Zudem weisen die Sorten EN-GJS und EN-GJS einen Perlitgehalt von 20 bzw. 80 % auf [43]. Eine verminderte Abkühlgeschwindigkeit führt zu einem geringeren Perlitgehalt, da ohne Anwesenheit von stark perlitstabilisierenden Elementen die diffusionsabhängige Bildung der thermodynamisch stabilen Phase Ferrit bei der eutektoiden Umwandlung durch eine langsamere Abkühlung begünstigt wird [44]. Zudem steigt der Fe 3 C-Lamellenabstand des Perlits mit verminderter Abkühlgeschwindigkeit, womit ebenfalls eine Minderung der mechanischen Eigenschaften einhergeht [45]. Eine geringere Abkühlgeschwindigkeit führt ebenfalls zu einer geringeren Anzahl an Kugeln in hochsiliziumhaltigen GJS. Jedoch liegt in diesen Sorten aufgrund des hohen Si-Gehalts im Vergleich zu den konventionellen GJS-Sorten auch bei einer verminderten Abkühlgeschwindigkeit eine hohe Kugelanzahl vor [39]. Somit ist der Einfluss der verminderten Kugelanzahl geringer als bei den konventionellen GJS-Sorten. Die Matrix der mischkristallverfestigten GJS-Sorten besteht überwiegend aus Ferrit. Ferrit wird im Vergleich zum Eutektoid Perlit vergleichsweise gering durch die in den typischen Gießprozessen vorliegende Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst. Der Einfluss der Abkühlrate auf den Ferrit beschränkt sich überwiegend auf die Beeinflussung der Formation von Fernordnungen von zwangsgelösten Elementen [30]. Dieser Einfluss zeigt sich vermutlich erst ab einem kritischen Gehalt an zwangsgelösten Elementen (siehe unten). Somit resultiert insgesamt eine geringere Abhängigkeit der mischkristallverfestigten GJS-Sorten von der Abkühlgeschwindigkeit bzw. Wanddicke. Einfluss von Cobalt Ein Cobaltgehalt von 2 bis 4 Gew.-% erhöht statistisch signifikant die Zugfestigkeit von mischkristallverfestigtem GJS mit einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-% (Bild 2a und Tabelle 2). Die Festigkeitssteigerung durch 2 Gew.-% Cobalt beträgt 6 %. Eine weitere Steigerung des Cobaltgehalts auf 4 Gew.-% führt zu einer geringen weiteren Festigkeitssteigerung von ca. 2 %. Die Zugfestigkeit beträgt bei und 4 Gew.-% Cobalt 583 ± 3 MPa. Liegt ein Si-Gehalt von 4,3 Gew.-% vor, wird die Zugfestigkeit ebenfalls durch 2 und 4 Gew.-% Cobalt erhöht (Bild 2a und Tabelle 2). Die jeweilige Erhöhung führt zu der gleichen prozentualen Festigkeitserhöhung wie bei einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-%. So beträgt z. B. bei 4,3 Gew.-% Silizium und 4 Gew.-% Cobalt die Zugfestigkeit 657 ± 6 MPa. Die 0,2%-Dehngrenze von hochsiliziumhaltigen GJS wird durch 2 Gew.-% und 4 Gew.-% Cobalt ebenfalls erhöht, wobei nur für einen Si-Gehalt von 3,8 Gew.-% die Erhöhung statistisch signifikant ist (Bild 2b und Tabelle 2). Bei 3,8 Gew.-% Silizium führt ein Cobaltgehalt von 2 und 4 Gew.-% zu einer Erhöhung der Dehngrenze um 3 bzw. 6 %. Beträgt der Siliziumgehalt des GJS 4,3 Gew.-%, wird die Dehngrenze durch Zugabe von 2 und 4 Gew.-% Cobalt jeweils um 3 % erhöht. Trotz der Erhöhung der Zugfestigkeit von bis zu 7 % wird die Bruchdehnung von einem GJS mit durch die Zugabe von 2 und 4 Gew.-% Cobalt nur geringfügig vermindert (Bild 3a und Tabelle 2). Damit geht eine Steigerung des ohnehin schon hohen Qualitätsindexes von 118 auf 128 bzw. 124 einher (Bild 3b). Cobalt führt zu einer statistisch signifikanten Erhöhung der Nodularität der Grafitkugeln [39]. Die typischerweise mit der Verfestigung des Ferrits verbundene Verminderung der Bruchdehnung könnte durch den gleichzeitigen Einfluss Tabelle 2: Ergebnisse der Varianzanalyse des Einflusses von Cobalt auf die Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung von hochsiliziumhaltigen GJS (Konfidenzintervall 95 %; p-werte kleiner 0,05 und unterschiedliche Buchstaben im Tukey-Test belegen einen statistisch signifikanten Einfluss). Silizium Cobalt R m R p0,2 A in Gew.-% in Gew.-% p-wert Tukey-Test p-wert Tukey-Test p-wert Tukey-Test 0 A A A 3,8 2 0,000 B 0,000 B 0,088 A 4 C C A 0 A A A 4,3 2 0,003 AB 0,476 A 0,000 B 4 B A B GIESSEREI /

7 Technologie & Trends a b c Zugfestigkeit R m 4,3 Gew.-% Silizium Dehngrenze R p0.2 4,3 Gew.-% Silizium Bruchdehnung A 4,3 Gew.-% Silizium Cobaltgehalt in Gew.-% Cobaltgehalt in Gew.-% Cobaltgehalt in Gew.-% Bild 4: Einfluss der Wechselwirkung zwischen Cobalt und Silizium auf die Zugfestigkeit (a), die Dehngrenze (b) und die Bruchdehnung (c) von hochsiliziumhaltigen GJS. Tabelle 3: Ergebnisse der Varianzanalyse des Einflusses von Nickel auf die Zugfestigkeit, Dengrenze und Bruchdehnung von hochsiliziumhaltigen GJS (Konfidenzintervall 95 %; p-werte kleiner 0,05 und unterschiedliche Buchstaben im Tukey-Test belegen einen statistisch signifikanten Einfluss). Silizium Nickel R m R p0,2 A in Gew.-% in Gew.-% p-wert Tukey-Test p-wert Tukey-Test p-wert Tukey-Test 0 A A A 3,8 1,5 0,000 B 0,000 B 0,000 B 3 C C C 0 A A A 4,3 1,5 0,000 B 0,000 B 0,000 B 3 B C C von Cobalt auf die Rundheit der Grafitkugeln aufgewogen werden, womit die Bruchdehnung insgesamt nicht vermindert wird. Ein Si-Gehalt von 3,8 Gew.-% und ein Cobaltgehalt von 4 Gew.-% führen für eine YII-Probe bei einer Zugfestigkeit von 583 ± 3 MPa zu einer Bruchdehnung von 17 ± 2 %. Liegt eine höhere Menge an mischkristallverfestigenden Elementen vor, wie im Falle des GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium, führen 2 und 4 Gew.-% Cobalt zu einer statistisch signifikanten Verminderung der Bruchdehnung. Die Bruchdehnung wird bei einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% durch 2 und 4 Gew.-% Cobalt um 22 bzw. 50 % vermindert. Bei diesem Gesamtgehalt an mischkristallverfestigenden Elementen scheint die Nodularität der Grafitkugeln eine untergeordnete Rolle zu spielen. Wie sich durch die Betrachtung der Einzeleffekte bereits herausgestellt hat, liegt zwischen Silizium und Cobalt eine signifikante Wechselwirkung bezüglich der mechanischen Eigenschaften von hochsiliziumhaltigen GJS vor. In Bild 4 ist diese Wechselwirkung explizit für die vorliegende Studie dargestellt. Die Steigerung der Zugfestigkeit durch 2 und 4 Gew.-% Cobalt ist bei einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-% deutlich ausgeprägter als bei einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% (Bild 4a). Nichtsdestotrotz wird deutlich, dass auch die Zugfestigkeit bei 4,3 Gew.-% Silizium durch Cobalt als ein weiteres mischkristallverfestigendes Element gesteigert werden kann. Die Wechselwirkung zwischen Silizium und Cobalt ist bezüglich der Dehngrenze von hochsiliziumhaltigen GJS noch ausgeprägter. Während bei einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-% Cobalt zu einer Erhöhung der Dehngrenze führt, beeinflusst Cobalt die Dehngrenze von einem GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium vergleichsweise gering (Bild 4b). Im Vergleich zu der Beeinflussung der Dehngrenze ist der Effekt der Wechselwirkung zwischen Silizium und Co bezüglich der Bruchdehnung von hochsiliziumhaltigen GJS umgekehrt. Bei 3,8 Gew.-% Silizium liegt nur eine geringe Wirkung von bis zu 4 Gew.-% Cobalt auf die Bruchdehnung vor (Bild 4c). Dies kann vermutlich, wie bereits oben beschrieben, auf eine erhöhte Nodularität der Grafitkugeln durch Cobalt zurückgeführt werden. Durch die Erhöhung der Nodularität wird die vermeintliche Verminderung der Bruchdehnung infolge der Verfestigung des Ferrits aufgefangen. Bei einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% führen 2 und 4 Gew.-% Cobalt zu einer Verminderung der Bruchdehnung. Einfluss von Nickel Bei einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-% führt die Zugabe von 1,5 und 3 Gew.-% Nickel jeweils zu einer statistisch signifikanten Erhöhung der Zugfestigkeit um 15 bzw. 31 % (Bild 5a und Tabelle 3). Mit 1,5 Gew.-% Nickel weist ein GJS mit die Festigkeit eines GJS (647 ± 5 MPa) auf, welches bisher nur durch 4,3 Gew-% Silizium realisiert werden konnte. Das Legieren von in Verbindung mit 3 Gew.-% Nickel führt zu einer Zugfestigkeit von 738 ± 16 MPa. Liegen 4,3 Gew.-% Silizium vor, führt die Zugabe von 1,5 Gew.-% Nickel ebenfalls zu einer um 11 % statistisch signifikant erhöhten Zugfestigkeit (Bild 5a und Tabelle 3). Die Zugfestigkeit beträgt bei dieser Zusammensetzung 693 ± 10 MPa. Eine weitere Erhöhung des Nickelgehalts von 1,5 auf 3 Gew.-% führt bei einem GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium nicht nur zu einer vergleichsweise geringen Steigerung der Zugfestigkeit. Die resultierende Zugfestigkeit ist mit 724 ± 13 MPa geringer als die eines GJS mit und ebenfalls 3 Gew.-% Nickel. Dieser Zusammenhang wird im Detail im Rahmen der Auswertung der Wechselwirkung zwischen Nickel und Silizium analysiert. Die 0,2 %-Dehngrenze der hochsiliziumhaltigen Sorten wird durch 1,5 und 3 Gew.-% Nickel statistisch signifikant erhöht (Bild 5b und Tabelle 3). Die Erhöhung der Dehngrenze beträgt bei 3,8 Gew.-% Silizium 14 und 29 %. Im Falle eines GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium führt eine Zugabe von 1,5 und 3 Gew.-% Nickel zu einer Erhöhung der 0,2 %-Dehngrenze um 9 bzw. 21 %. Das Verhältnis zwischen Dehngrenze und Zugfestigkeit der hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten wird durch das Legieren mit Nickel nicht negativ beeinflusst. Das Verhältnis bleibt, mit Ausnahme der Legierungsvariante mit 4,3 Gew.-% Silizium und 3 Gew.-% Nickel, bei 0,81 ± 0,01. Bei einem GJS mit 3,8 Gew.-% Si senkt ein Nickelgehalt von 1,5 Gew.-% die ursprüngliche Bruchdehnung von 20 ± 1 % auf 15 ± 1 % (Bild 6a). In Verbindung mit 46 GIESSEREI /2017

8 a Dehngrenze R p0.2 in MPa Zugfestigkeit R m in MPa b GJS () GJS (4,3 Gew.-% Silizium) der gesteigerten Zugfestigkeit wird der hohe Qualitätsindex des Basismaterials von 132 jedoch gehalten (Bild 6b). Eine Steigerung des Ni-Gehalts auf 3 Gew.-% verringert die Bruchdehnung auf 5 ± 0,6 %. Mit dieser Verringerung geht eine starke Verminderung des Qualitätsindexes auf 60 einher. Die Zugabe von 1,5 Gew.-% Nickel zu einem GJS mit 4,3 Gew.-% Silizium führt zu einer Absenkung der Bruchdehnung auf 7 ± 1,9 % (Bild 6a), womit eine unmittelbare Absenkung des Qualitätsindexes von 134 auf 67 verbunden ist (Bild 6b). Von den konventionellen ferritisch/perlitischen GJS-Sorten weist ein EN-GJS mit 61 (gemäß den Mindestwerten laut DIN EN 1563) den höchsten Qualitätsindex auf. Eine Steigerung des Nickelgehalts auf 3 Gew.-% führt beim einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% zu einer vergleichsweise deutlichen Abnahme der Bruchdehnung auf 2 ± 0,8 %. Der Qualitätsindex fällt auf 25. Der Qualitätsindex eines EN-GJS beträgt bei Vorliegen der Mindestwerte für die Zugfestigkeit und Bruchdehnung 23. Neben den deutlichen Einzeleffekten liegt eine statistisch signifikante Wechselwirkung zwischen Nickel und dem thermischen Modul der Proben bzgl. der mechanischen Eigenschaften der hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten vor (Bild 7). Die Steigerung der Zugfestigkeit durch 1,5 und 3 Gew.-% Nickel wird bei einem thermischen Modul von 0,8 cm nur gering beeinflusst (Bild 7a). Ein erhöhter thermischer Modul von 1,4 bzw. 1,7 cm dagegen führt statistisch signifikant nur zu einer geringen Steigerung der Festigkeit bei einer Erhöhung des Nickelgehalts von 1,5 auf 3 Gew.-%. Somit ist es bzgl. der Steigerung der Zugfestigkeit nicht effizient, hochsiliziumhaltige GJS mit 3 Gew.-% Nickel zu legieren, falls der prüfungs- bzw. belastungsrelevante Bereich einen thermischen Modul von mindestens 1,4 cm aufweist. Die Dehngrenze der hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten wird nur geringfügig durch den thermischen Modul in Wechselwirkung mit dem Nickelgehalt beeinflusst (Bild 7b). Erst bei einem Nickelgehalt von 3 Gew.-% steigt die Abhängigkeit der Festigkeit von dem thermischen Modul des Gussteils statistisch signifikant an, wobei mit steigendem thermischen Modul die Dehngrenze abnimmt. Die Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Wechselwirkung zwischen dem thermischen Modul und dem Nickelgehalt verhält sich anders als die entsprechende Abhängigkeit der Dehngrenze. Ohne Nickel liegt ein starker Einfluss des thermischen Moduls auf die Bruchdehnung vor (Bild 7c). Mit einer Erhöhung des thermischen Moduls geht eine starke Absenkung der Bruchdehnung einher. Durch die Zugabe von Nickel wird die Absenkung der Bruchdehnung durch einen steigenden thermischen Modul vermindert. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Nickelzugabe insgesamt zu einer verminderten Bruchdehnung führt. Nichts desto trotz ist die geringere Modulabhängigkeit der Bruchdehnung durch das Legieren mit Nickel statistisch signifikant. Zwischen Nickel und Silizium liegt ebenfalls eine statistisch signifikante Wechselwirkung bezüglich der Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung von hochsiliziumhaltigen GJS vor (Bild 8). Bei einem Siliziumgehalt von 3,8 Gew.-% führt die Erhöhung des Nickelgehalts von 0 auf 3 Gew.-% zu einer nahezu linearen Steigerung der Zugfestigkeit (Bild 8a). Im Gegensatz dazu führt ein Nickelgehalt von 1,5 Gew.-% zu einer geringen prozentualen Festigkeitssteigerung bei einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-%. Eine weitere Steigerung des Nickelgehalts von 1,5 auf 3 Gew.-% führt sogar zu einer geringen Verminderung der Zugfestigkeit. Die Ver- 0 1,5 3 GJS () GJS (4,3 Gew.-% Silizium) ,5 3 Bild 5: Einfluss von Nickel auf die Zugfestigkeit (a) und die Dehngrenze (b) von hochsiliziumhaltigen GJS. minderung der Zugfestigkeit bei dieser Elementmenge kann vermutlich auf eine Versprödung des Ferrits zurückgeführt werden. Ab einem kritischen Gesamtgehalt an mischkristallverfestigenden Elementen liegt ein hoher Anteil an Fernordnungen bzw. Überstrukturen im Ferrit vor, wodurch dieser vollständig versprödet. Diese Überverfestigung liegt bei 4,3 Gew.-% Silizium und maximal 3 Gew.-% Nickel vor. Diese Deutung der Festigkeitsabnahme wird zum einen von dem geringen Wert der Bruchdehnung bei dieser Elementkombination gestützt. Durch die starke Versprödung des Ferrits liegt der geringste Wert für den Qualitätsindex vor (Bild 6a). Zum anderen liegt bezüglich der Festigkeitsveränderung durch Nickel eine Abhängigkeit von dem thermischen Modul vor. Bei einem erhöhten thermischen Modul führt ein erhöhter Nickelgehalt zu einer geringen Festigkeitsänderung. Bei geringerem thermischen Modul hingegen führt ein erhöhter Nickelgehalt zu einer deutlichen Steigerung der Festigkeit. Wie von Silizium legierten Stählen bekannt ist, haben die Diffusionsbedingungen der Atome der mischkristallverfestigenden Legierungs- GIESSEREI /

9 Technologie & Trends a Zugfestigkeit R m in MPa Bruchdehnung A in % b elemente einen entscheidenden Einfluss auf die Bildung von Überstrukturen [47]. Hierdurch und durch stärker ausgeprägte Seigerungsprofile liegen im Falle eines erhöhten thermischen Moduls bezüglich der Formation einer Überstruktur günstigere Bedingungen vor. Dies ist vermutlich der Grund für eine Festigkeitsabnahme bei einer erhöhten Menge Nickel und 4,3 Gew.-% Silizium, wenn ein erhöhter thermischer Modul vorliegt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass trotz einer Zusammensetzung mit nominaler Überverfestigung des Ferrits eine erhöhte Festigkeit erzielt werden kann, wenn ein verminderter thermischer Modul respektive eine erhöhte Abkühlrate bei der Erstarrung vorliegt. Diese Vermutung wird durch die Ergebnisse von H. Löblich unterstützt (Bild 1a). Bei einem Siliziumgehalt von ca. 4,4 Gew.-% weisen YII-Proben im Vergleich zu YIV-Proben einen deutlich höheren Unterschied bzgl. der Bruchdehnung auf als unterhalb des kritischen Siliziumgehalts von 4,3 Gew.-% [8]. Während die vollständige Versprödung durch einen zu hohen Anteil an Überstrukturen bei den YIV-Proben bereits vorliegt, weisen YII- 0 1, ,8 Gew.-% Si (EN-GJS ) 3,8 Gew.-% Si + 1,5 Gew.-% Ni 3,8 Gew.-% Si + 3,0 Gew.-% Ni 4,3 Gew.-% Si (EN-GJS ) 4,3 Gew.-% Si + 1,5 Gew.-% Ni 4,3 Gew.-% Si + 3,0 Gew.-% Ni Bruchdehnung A in % GJS () GJS (4,3 Gew.-% Silizium) Bild 6: Einfluss von Nickel auf die Bruchdehnung (a) und den Qualitätsindex (b) von hochsiliziumhaltigen GJS. Proben trotz eines Siliziumgehalts von 4,4 Gew.-% noch eine vergleichsweise hohe Bruchdehnung auf. In Bild 8b ist die Abhängigkeit der 0,2 %-Dehngrenze von der Wechselwirkung zwischen dem Nickel und Siliziumgehalt dargestellt. Wie im Falle der Zugfestigkeit ist der festigkeitssteigernde Effekt von 1,5 Gew.-% Nickel geringer, wenn statt 3,8 Gew.-% Si 4,3 Gew.-% vorliegen. Die Erhöhung des Nickelgehalts auf 3 Gew.-% hingegen steigert die Dehngrenze unabhängig von dem vorliegenden Siliziumgehalt. Wie im Falle einer Überverfestigung allein durch den Siliziumgehalt [8] liegt damit auch der kritische Gehalt für eine Überverfestigung durch die Kombination von Silizium und Nickel höher als der Gehalt, welcher zu einer Minderung der Zugfestigkeit führt. Eine Wechselwirkung zwischen Silizium und Nickel bzgl. der Bruchdehnung liegt vor allem bei einer Erhöhung des Nickelgehalts von 1,5 auf 3 Gew.-% vor (Bild 8c). Die mit der Nickelerhöhung verbundene Abnahme der Bruchdehnung ist bei stärker ausgeprägt, als wenn 4,3 Gew.-% Silizium vorliegt. Diese vergleichsweise stärkere Minderung der Bruchdehnung kann vermutlich auf die mit der Ni-Erhöhung verbundene Erhöhung der Perlitmenge zurückgeführt werden. Durch die geringere Stabilisierungswirkung von liegt bei 3 Gew.-% Nickel eine geringere Ferritmenge bzw. höhere Perlitmenge vor, als bei 4,3 Gew.-% Silizium und 3 Gew.-% Nickel (8,7 ± 1,7 % im Vergleich zu 5,3 ± 2,1 %) [39]. Damit zeigt sich an dieser Stelle, dass nicht nur aus der Sicht der Bearbeitbarkeit ein Grenzperlitgehalt eingehalten werden sollte. Auch für eine erhöhte Bruchdehnung von höherfesten mischkristallverfestigten GJS sollte ein maximaler Perlitgehalt nicht überschritten werden. In diesem Zusammenhang scheint die in der DIN EN 1563 aufgeführte Obergrenze von 5 % Perlit treffend zu sein. Das Verhältnis zwischen der Bruchdehnung A und der Zugfestigkeit R m von mischkristallverfestigten GJS (Bild 1a) kann mit einem R² von 99,5 % wie folgt beschrieben werden (R m in MPa): A (in %) = R m -2,021 (2) Gemäß Gleichung 2 und den Ergebnissen aus der Wechselwirkung zwischen Nickel und Silizium (Bild 8c) folgt, dass gezielt mischkristallverfestigtes GJS das Potenzial aufweist, bei einer Zugfestigkeit von min. 700 MPa eine Bruchdehnung von ca. 7 % aufzuweisen. Vermutlich infolge des vorliegenden Perlitgehalts liegt in dieser Studie bei einer Zugfestigkeit von 700 MPa die maximale Bruchdehnung bei 5 % (Bild 6b). Die Modellierung der mechanischen Eigenschaften des hochsiliziumhaltigen GJS in Abhängigkeit von dem Siliziumgehalt (3,8 bis 4,3 Gew.-%) und Nickelgehalt (0 bis 3 Gew.-%) sowie des thermischen Moduls (0,8 bis 1,7 cm) anhand der vorliegenden Ergebnisse lautet für ein Kohlenstoffäquivalent (CE-Wert) von 4,4: R m = 2, Si Ni 16 therm. Modul - 67,6 Si Ni - 13,4 Ni therm. Modul (3) R p0,2 = -61, Si Ni - 8,8 therm. Modul - 24,4 Si Ni - 3,1 Ni therm. Modul (4) A = 76,4-13,6 Si - 14,8 Ni - 5,5 therm. Modul + 2,3 Si Ni + 1,3 Ni therm. Modul (5) W. Kleinkröger u. a. berichten, dass ein GJS mit 3,75 Gew.-% Silizium bei einem CE-Wert von ca. 4,4 und einem thermi- 48 GIESSEREI /2017

10 a b c Zugfestigkeit R m 0,8 cm 1,4 cm 1,7 cm Dehngrenze R p0.2 0,8 cm 1,4 cm 1,7 cm Bruchdehnung A 0,8 cm 1,4 cm 1,7 cm 0 1, , ,5 3 Bild 7: Einfluss der Wechselwirkung zwischen Nickel und dem thermischen Modul der Y-Keile auf die Zugfestigkeit (a), die Dehngrenze (b) und die Bruchdehnung (c) von hochsiliziumhaltigen GJS. schen Modul von ca. 2,65 cm (Gussteil mit angegossener Probe) eine Zugfestigkeit von 520 MPa und eine Bruchdehnung von 14 % erzielt [9]. Die Gleichungen (3) und (5) prognostizieren für diese Bedingungen und ein 95 %-iges Konfidenzintervall eine Zugfestigkeit von 519 ± 39 MPa und eine Bruchdehnung von 11 ± 4,5 %. Trotz einer deutlichen Extrapolation bezüglich des thermischen Moduls, welche eine erhöhte Standardabweichung bedingt, weisen die Gleichungen (3) und (5) eine gute Prognosequalität auf. Damit können diese Gleichungen, zumindest für die Beschreibung des Einflusses von Silizium und von dem thermischen Modul als validiert bezeichnet werden. Schlussfolgerung Hochsiliziumhaltige GJS-Sorten weisen eine äußerst attraktive Eigenschaftskombination von einer hohen Zugfestigkeit und einer vergleichsweise hohen Bruchdehnung auf. In Verbindung mit einem erhöhten Dehngrenzen/Zugfestigkeits-Verhältnis bieten diese Werkstoffe das Potenzial, höherfeste Schmiedestähle zu substituieren und den Leichtbau von Gusseisenbauteilen weiter voranzutreiben [15, 22]. Jedoch liegt für diese neuen Sorten noch ein hohes Optimierungspotenzial vor. Die Gießeigenschaften, die Prozesssicherheit und die Maximalfestigkeit sind infolge des hohen Siliziumgehalts limitiert. In der vorliegenden Studie wurde deshalb geprüft, ob durch den Einsatz von weiteren mischkristallverfestigenden Elementen der Siliziumgehalt vermindert werden kann, um die Gießeigenschaften zu verbessern und die Prozesssicherheit zu erhöhen. Zudem wurde evaluiert, ob eine Zugfestigkeit größer 600 MPa bei guten Bruchdehnungswerten durch eine weitere Mischkristallverfestigung erzielt werden kann. 1. Das Legieren von 2 Gew.-% Cobalt ermöglicht die Verminderung des Siliziumgehalts eines EN-GJS um ca. 0,3 Gew.-%. Mit 1,5 Gew.-% Nickel kann der Siliziumgehalt um 0,5 Gew.-% bei gleichen mechanischen Eigenschaften GIESSEREI /

11 Technologie & Trends (647 ± 5 MPa, 15 ± 1 %) abgesenkt werden. Damit wird die Prozesssicherheit für die Herstellung des EN-GJS gegenüber einer Überfestigung durch einen um 0,1 Gew.-% schwankenden Siliziumgehalt deutlich erhöht. 2. Durch die äquivalente Substitution von Silizium können verbesserte Gießeigenschaften, welche zu einer verbesserten Ausbringung führen, erwartet werden. Darüber hinaus sollte die verminderte Kerbschlagzähigkeit der hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten, gerade durch den Einsatz von Nickel [38], erhöht werden. Die Absenkung des Siliziumgehalts und das gleichzeitige Legieren von anderen mischkristallverfestigenden Elementen führt darüber hinaus vermutlich zu einem verminderten Seigerungsgradienten des Siliziums, womit die Möglichkeit der Carbidbildung an den Korngrenzen vermindert wird [31, 46]. Diese Hypothesen werden derzeit im Rahmen eines AiF-Projekts am Aachener Gießerei-Institut geprüft. 3. Die Verwendung von Cobalt und im Besonderen von Nickel ermöglicht die Realisierung von einem höherfesten mischkristallverfestigten GJS über die bekannte Sorte EN-GJS hinaus. So liegt bei einem Si-Gehalt von 3,8 Gew.-% und z. B. einem Ni-Gehalt von 3 Gew.-% bei YII-Proben ein GJS (738 ± 16 MPa, 5 ± 0,6 %) vor. Der Perlitgehalt beträgt bei dieser Zusammensetzung 8,7 ± 1,7 % und liegt damit über dem in der DIN EN 1563 aufgeführten Limit von 5 % Perlit. 4. Die statistisch signifikante Wechselwirkung zwischen Nickel und Silizium weist darauf hin, dass dieser erhöhte Perlitgehalt von ca. 9 % zu einer stärkeren Minderung der Bruchdehnung führt als bei höherem Ferritgehalt erwartet würde. Durch das gleichzeitige Legieren mit einem stark ferritstabilisierenden Element, wie z. B. Cobalt, könnte eventuell die Menge an Perlit vermindert werden, um bei gleicher Zugfestigkeit eine noch höhere Bruchdehnung zu erzielen. Dieser Ansatz wird derzeit ebenfalls in dem AiF-Projekt am Aachener Gießerei-Institut evaluiert. 5. Nicht nur die Verfestigung durch Silizium ist auf ein spezifisches Limit begrenzt. In Wechselwirkung mit dem Siliziumgehalt führt eine zu hohe Zugabemenge an weiteren mischkristallverfestigenden Elementen ebenfalls zu einer Minderung der Zugfestigkeit und vor allem der Bruchdehnung. Bei einem Siliziumgehalt von 4,3 Gew.-% liegt z. B. der kritische Nickelgehalt zwischen 1,5 und 3 Gew.-%. Vermutlich wird, wie im Falle einer Überverfestigung durch Silizium alleine, bei dem kritischen Nickelgehalt ein Gehalt an Überstrukturen im Gefüge überschritten, ab dem sich die zunächst lokale Versprödung des Gefüges global auf die mechanischen Eigenschaften des GJS auswirkt. 6. Prinzipiell weisen die mechanischen Eigenschaften der Sorten EN-GJS und EN-GJS eine deutlich geringere Wanddickenabhängigkeit als konventionelle ferritisch/perlitische GJS-Sorten auf. 7. Die (Über-)Verfestigung mit Nickel weist eine Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit auf. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Anfälligkeit gegen eine Überverfestigung mit Nickel. Im Gegenteil: Mit einer chemischen Zusammensetzung, welche nominell zu einer Überverfestigung und damit zu einer Verminderung u. a. der Zugfestigkeit führt, kann bei einer erhöhten Abkühlrate bei der Erstarrung eine weitere Steigerung des Qualitätsindexes erzielt werden. Literaturwerte deuten darauf hin, dass dieser Zusammenhang ebenfalls für den Siliziumgehalt gilt. Neben der hohen Ferritisierungsneigung macht auch diese Eigenschaft die Anwendung von (gezielt legiertem) hochsiliziumhaltigen GJS für Dünnwandguss äußerst attraktiv und bietet in diesem Zusammenhang ein weiter gesteigertes Potenzial der Gewichtseinsparung durch verbesserte mechanische Kennwerte. 8. Das Verhältnis zwischen Dehngrenze und Zugfestigkeit der hochsiliziumhaltigen GJS-Sorten wird durch das Legieren mit Cobalt oder Nickel nicht beeinflusst. Das Verhältnis bleibt für die vorliegenden GJS-Sorten bei ca. 0,81. Die Autoren danken herzlich der Georg Fischer GmbH, der Hoffmann Stahlgießerei GmbH, der Quarzwerke GmbH, der Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH und der Rio Tinto AG für die kostenfreie Bereitstellung der Einsatzmaterialien. Die gezeigten Ergebnisse wurden teilweise im Rahmen des IGF-Vorhabens N der Forschungsvereinigung Gießereitechnik e.v. gewonnen, welches über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dr.-Ing. Sebastian Fischer, Johannes Brachmann M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig- Polaczek und Philipp Weiß M.Sc., Gießerei- Institut der RWTH Aachen. Literatur: [1] Askeland, D. R. : Materialwissenschaften. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg [2] DIN EN 1563: Gießereiwesen Gusseisen mit Kugelgrafit, [3] Gottstein, G.: Physikalische Grundlagen der Materialkunde. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg, [4] Larker, R.: Solution strengthened ferritic ductile iron ISO 1083/JS/ provides superior consistent properties in hydraulic rotators. Proc. Keith Millis Symposium on Ductile Cast Iron, Las Vegas, Nevada, USA, [5] Transaction of American Foundrymens Society 59 (1951), S [6] The British Foundryman 57(1964), S [7] Bjorkegren, L. E.; Hamberg, K.: Silicon alloyed ductile iron with excellent ductility and machinability. Proc. Keith Millis Symposium on Ductile Cast Iron, Hilton Head Island, USA, [8] Löblich, H.: Werkstoff- und Fertigungstechnische Grundlagen der Herstellung und Anwendung von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgrafit. Schlussbericht AiF Vorhaben 41 EN, IfG, Düsseldorf [9] Kleinkröger, W.; Stellmacher, J.; Bounin, D.: Höherfeste GGG-Gussteile mit ausreichender Duktilität. Schlussbericht der Siempelkamp Gießerei GmbH & Co. KG, Krefeld, [10] ISO 1083: Spheroidal grafite cast irons - Classification, [11] Giesserei 92 (2005), [Nr. 5], S [12] konstruieren+giessen 31 (2006), [Nr. 3], S [13] Giesserei 94 (2007), [Nr. 23], S [14] Kikkert, J.: Mischkristall verfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgrafit. In: Tagungsband zum Deutschen Gießereitag, Berlin, [15] Giesserei 98 (2011), [Nr. 6], S [16] Giesserei 99 (2012), [Nr. 4], S [17] MaschinenMarkt 41 (2011), S [18] Giesserei 99 (2012), [Nr. 4], S [19] Giesserei 99 (2012), [Nr. 5], S [20] Giesserei 100 (2013), [Nr. 7], S [21] Sobota, A.: Ermittlung von zyklischen Werkstoffeigenschaften für dünnwandige Gussstücke aus hochsiliziumhaltigen Gusseisenlegierungen. Schlussbericht AiF-Vorhaben N, Düsseldorf [22] Giesserei 100 (2013), [Nr. 9], S [23] Giesserei 101 (2014), [Nr. 9], S [24] Giesserei 101 (2014), [Nr. 9], S [25] Giesserei 101 (2014), [Nr. 10], S [26] Giesserei 103 (2016), [Nr. 2], S [27] Giesserei 103 (2016), [Nr. 7], S [28] Giesserei-Praxis (1999), [Nr. 1], S [29] Archiv für das Hüttenwesen 36 (1965), [Nr. 4], S GIESSEREI /2017