Einfluss der Graphitmorphologie auf die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen

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Arnim Jaeger
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1 - 1 - Einfluss der Graphitmorphologie auf die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen Institut für Gießereitechnik ggmbh, Düsseldorf Dr.-Ing. Wolfram Stets - 1 -

2 - 2 - Klassische Einteilung der Gusseisensorten R m = 250 N/mm 2 A 5 < 1 % R m = 450 N/mm 2 A 5 = 1,5 % R m = 400 N/mm 2 A 5 = 15 % Die mechanischen Eigenschaften werden durch Graphitmorphologie bzw. Matrix bestimmt

3 - 3 - Motivation für die nähere Beschäftigung mit Werkstoffkennwerten Die Klärung von Schadensfällen erfordert genaue Gefüge- Eigenschafts-Beziehungen Konstrukteure verlangen zunehmend detaillierte Angaben zu Festigkeiten Örtlich differenzierte Kennwerte erweitern Leichtbau - 3 -

- 4 - Statische und zyklische mechanische Werkstoffeigenschaften Verwendung von Festigkeitskennwerten Konventionell: Zunehmend: Statischer Festigkeitsnachweis Nennspannungen Ermüdungs-

4 - 4 - Statische und zyklische mechanische Werkstoffeigenschaften Verwendung von Festigkeitskennwerten Konventionell: Zunehmend: Statischer Festigkeitsnachweis Nennspannungen Ermüdungs- Festigkeitsnachweis Nennspannungen Bruchmechanik Schadenstolerante Auslegung FKM Statischer Festigkeitsnachweis Örtliche Spannungen Ermüdungs- Festigkeitsnachweis Örtliche Spannungen - 4 -

5 - 5 - Wie entwickeln sich die Eigenschaften bei Abweichungen vom Normalgefüge? - 5 -

6 - 6 - Gusseisen mit Kugelgraphit (Nodularität) GJS-400, Nodularität 70 % 84 % Nodularität; A A m n = A / A m Anteil n > 0,625 + ½ (0,625>n>0,525) σ UBW = 207 N/mm 2 70 % Nodularität: σ UBW = 198 N/mm 2 (-4 %) [IfG-Projekt E-316: Einfluss von Gefügeabweichungen in GJS ] - 6 -

7 Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitentartungen) GJS-700, interzellularer Graphit 1,25 % Ohne Entartungen; σ UBW = 250 N/mm 2 Interzellularer Graphit: σ UBW = 244 N/mm 2 (-2 %) [IfG-Projekt E-316: Einfluss von Gefügeabweichungen in GJS ] - 7 -

8 - 8 - Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitentartung) GJS % Chunky-Graphit [Kaufmann: Konstruieren+Giessen 2002] - 8 -

200-300 2 Sphäroliten / mm 126 mm-2 Zunahme der

9 Gusseisen mit Kugelgraphit -9- (Graphitkugelzahl) entspricht ca Sphäroliten / mm 126 mm-2 Zunahme der Schwingfestigkeit von GJS mit abnehmender Graphitkugelgröße. 34 mm-2 [Sofue: AFS Trans. 1978] -9-

Gusseisen mit Kugelgraphit σzdw = 183-10 -

10 Gusseisen mit Kugelgraphit σzdw = (Graphitkugelzahl / Nodularität) GJS N/mm2 WD: 40 mm Nod.: 90,4 % 385 mm-2 WD: 100 mm Nod.: 55,3 % 205 mm-2 σzdw = 148 N/mm2 (-24%) [IfG-Projekt P-383: MABIFF ]

Gusseisen mit Kugelgraphit - 11 - (Graphitkugelzahl /

11 Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitkugelzahl / Nodularität) GJS σzdw = 155 N/mm2 WD: 80 mm Nod.: 59,3 % 149 mm-2 WD: 80 mm Nod.: 90,5 % σzdw = 211 N/mm2 433 mm % [IfG-Projekt P-383: MABIFF ]

- 12 - Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitkugelzahl) Scratch grade Scratch

Verbesserung der Härtbarkeit / Verschleißbeständigkeit von GJS-700 Anzahl

20000 10000 2000 11394 0 steel G47CrMn6 GJS-700-2, nod. 27 GJS-700-2, nod.

12 Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitkugelzahl) Scratch grade Scratch grade 0 2 Scratch grade Scratch grade 1 3 Durch Erhöhung der Graphitkugelzahl Verbesserung der Härtbarkeit / Verschleißbeständigkeit von GJS-700 Anzahl Hübe ohne Verschleißspuren Anzahl Hübe steel G47CrMn6 GJS-700-2, nod. 27 GJS-700-2, nod. 62 GJS-700-2, nod. 220 [IfG / Azterlan report: GJS materials for stamping dies]

13 Aber: Verringerung von Kerbschlagarbeit mit Erhöhung der Graphitkugelzahl 20 mm Wanddicke Kerbschlagarbeit [Joule] 20 Wanddicke: 20 mm Graphitkugelzahl [mm-2] [IfG-Projekt E-279: Herstellung von kaltzähem GJS im Gusszustand ]

14 Aber: Verschlechterung der bruchmechanischen Eigenschaften (Risseinleitungswiderstand) mit Erhöhung der Graphitkugelzahl Graphitkugelzahl [mm-2] [G. Pusch: Konstruieren+Giessen 2008]

(SC-Wert = 1,10) 1,5 : 6,5 mm 1:4 Flotation: σbw = 175 N/mm2 (-10

15 Gusseisen mit Kugelgraphit (Graphitmenge) 27 % Graphit 12 % Graphit GJS Normaler Graphitanteil: σbw = 193 N/mm2 (SC-Wert = 1,10) 1,5 : 6,5 mm 1:4 Flotation: σbw = 175 N/mm2 (-10 %) [IfG-Projekt E-316: Einfluss von Gefügeabweichungen in GJS ]

16 Gusseisen mit Vermikulargraphit (Graphitgröße) σzdw = 195 N/mm2 σzdw = 215 N/mm2 (+10 %) [IfG-Projekt P-383: MABIFF ]

17 Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellenlänge) Einfluss der Erstarrungszeit Mindestzugfestigkeiten von GJL in Abhängigkeit von der Wanddicke Schwingfestigkeit von GJL in Abhängigkeit von der Wanddicke [Konstruieren+Giessen, 2000] [Lindsay, R.W.: AFS Trans. 1954]

- 18 - Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellenlänge und -form) Faserlänge [µm] Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Stickstoff) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 82,71 64,5 38 47 57,98 56,94 60,62 116

18 Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellenlänge und -form) Faserlänge [µm] Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Stickstoff) ,71 64, ,98 56,94 60, N-Gehalt [ppm] N-Gehalt [ppm] Reduzierung der Faserlänge der Graphitlamellen mit zunehmenden Stickstoffgehalt. Abrundung der Lamellenenden durch erhöhten Stickstoffgehalt [147 ppm]. [IfG-Projekt E-338: Stickstofflegieren von GJL ]

Zugfestigkeit [N/mm2] 400 350 Sc~0,91 Sc~0,98 300 250 200 150 100 0 50 100 150

19 Steigerung der Zugfestigkeit (auch E-Modul, Schwingfestigkeit) durch Reduzierung der Graphitlamellenlänge und Abrundung der Lamellenenden Zugfestigkeit [N/mm2] Sc~0,91 Sc~0, StickstoffgehaltN-Gehalt [ppm] [ppm] [IfG-Projekt E-338: Stickstofflegieren von GJL ]

20 Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellenlänge und -anordnung) Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Titan) Ti-Gehalt [%] Rm [N/mm2] E Faser[kN/mm2] länge [μm] 0, , Festigkeitssteigerung durch Ausscheidung von D-Graphit (Reduzierung Graphitlamellenlänge) [IfG-Antrag E-374: Stickstofflegieren von GJL ]

21 Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellenlänge und -anordnung) Die Schwingfestigkeit von GJL steigt mit abnehmender Graphitlamellenlänge (D-Graphit) [Fallon, 1990 / Ruf, 1979]

22 Zusammenfassung Die Werkstoffeigenschaften von GJS reagieren auf Gefügeabweichungen (Graphit) zunächst relativ gutmütig. Innerhalb der Gusseisen-Sorten nach DIN EN besteht Spielraum für Eigenschaftsoptimierungen. Der tw. konträre Einfluss der Graphitkugelgröße bzw. zahl auf verschiedene Eigenschaften wird derzeit wenig beachtet. In Abhängigkeit von den geforderten Eigenschaften werden in bestimmten Fällen definierte Spannen an Graphitkugelzahlen einzustellen sein. Das Festigkeitspotential von GJL wird derzeit nicht ausgeschöpft (wanddickenabhängige Eigenschaften). Durch bewusstes Arbeiten mit Legierungselementen (N / Ti) lässt sich das Festigkeitspotential von GJL weiter anheben

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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