TECHNOLOGIE & TRENDS Mischkristallverfestigte EN-GJS-Werkstoffe für Groß- und Schwergussteile Grundrahmen und Lagerdeckel (Gesamtmasse: 11, t) aus mischkristallverfestigtem GJS. Oben rechts: Mikrogefüge einer Angussprobe, 7 mm Wanddicke (Zugfestigkeit R m :, MPa,, %-Dehngrenze R p, : 6, MPa, Dehnung A : 1, %). FOTOS UND GRAFIKEN: MEUSELWITZ GUSS VON HERBERT WERNER, INGO LAPPAT UND BENJAMIN AURICH, MEUSELWITZ Die Basisnorm für Gusseisen mit Kugelgrafit (EN-GJS) DIN EN 16 [1] wurde vor ca. Jahren um die mischkristallverfestigten Qualitäten GJS -18, -1 und 6-1 erweitert. Damit stehen neben den klassischen Güten GJS -1, -7 und 6- Sorten mit verbessertem Eigenschaftsniveau zur Verfügung. Die neu aufgenommenen, rein ferritischen Güteklassen GJS -18, -1 und 6-1 (Bild 1) werden durch einen angehobenen Si-Gehalt erzeugt und zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen ferritisch-perlitischen Varianten durch folgende Eigenschaften aus: > Erhöhung der Duktilität ohne Festigkeitsverlust, > Steigerung des Streckgrenzenverhältnisses (, %-Dehngrenze R p, /Zugfestigkeit R m ) auf ca.,8 (von ca.,6), > Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch ein homogen-ferritisches Grundgefüge (genormte Härtedifferenz DHBW = ; vorher zwischen -8). Vor dem Hintergrund der wachsenden kundenseitigen Nachfrage wurden durch die Forschungsabteilung der Meuselwitz Guss Eisengiesserei GmbH Versuchsreihen durchgeführt, um diese Werkstoffe prozesssicher herzustellen und an spezielle Kundenanforderungen anzupassen. Stand der Technik Gusseisen mit Kugelgrafit (EN-GJS) ist ein stabil erstarrender Eisengusswerkstoff mit sphäroidischer Kohlenstoffmorphologie. Diese Grafitform führt zu einer minimierten inneren Kerbwirkung gegenüber dem klassischen Grauguss (EN-GJL) und garantiert Zugfestigkeiten von R m = - 9 MPa bei Dehnungen von A = - %. Erfahrungsgemäß erfolgt die Definition des Eigenschaftsniveaus über das Ferrit-Perlit-Verhältnis. Dabei kann mit Hilfe 8 GIESSEREI 1 /16 TT B8.indd 8 9.1.16 1:
von Legierungselementen wie beispielsweise Mn, Cu oder Sn der Anteil an Perlit im Grundgefüge beeinflusst und auf diesem Wege in Form eines steigenden Perlitanteils zur Verfestigung beigetragen werden. Mit steigender Festigkeit sinken allerdings die duktilen Eigenschaften. Aufgrund von variierenden Abkühlungsverhältnissen bei geometrisch komplexen Bauteilen ist ein definiertes Ferrit-Perlit- Verhältnis im Gusszustand nicht in allen Fällen darstellbar. Abweichungen diesbezüglich äußern sich in einer wechselnden mechanischen Bearbeitbarkeit. Mischkristallverfestigte Gusseisenqualitäten werden dagegen über die Zugabe von Silizium erzeugt, das den Ferrit stabilisiert, ihn verfestigt und gleichzeitig die Perlitbildung unterdrückt. Bild verdeutlicht die entstehenden mikrostrukturellen Unterschiede. Während sich die konventionellen Siliziumgehalte im Gusseisen mit Kugelgrafit zwischen 1,9-,7 %* bewegen, enthalten die modifizierten Sorten bis zu, % Silizium. Der Wirkungsmechanismus ist auf zwei Haupteffekte zurückzuführen: > zunehmende Ferritisierung des Grundgefüges und > Mischkristallverfestigung des stabilisierten Ferrits. KURZFASSUNG: Erst durch die Verwendung von Silizium wird ein Eisengusswerkstoff wahrhaftig gießbar. Doch die Wirkung von Silizium im Gusseisen beschränkt sich nicht nur auf die Verringerung der Kohlenstofflöslichkeit und die Verschiebung der Gleichgewichtstemperaturen des Ausgangssystems Fe-C, es werden damit ebenso die mechanischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Die Forschungsaktivitäten von Löblich u. a. [, ] sowie die Aufnahme der neuen Sphärogussgeneration in das Normenwerk führten zu einer gesteigerten Marktattraktivität und erhöhter kundenseitiger Nachfrage. Mittlerweile beinhalten selbst Unternehmensstandards Anforderungen an mischkristallverfestigte GJS-Werkstoffe, welche das genormte Eigenschaftsprofil übersteigen. Dem Si-Legieren sind praktisch keine Grenzen gesetzt. Für die Gewährleistung der geforderten mechanischen Eigenschaften bedarf es dennoch einer restriktiven Einhaltung des Prozessfensters. In diesem Beitrag wird über die Einführung und die Erprobung von mischkristallverfestigten GJS-Werkstoffen in der Meuselwitz Guss Eisengießerei GmbH berichtet. Bild visualisiert die Aufweitung des stabilen eutektoiden Umwandlungsbereiches (Austenit -> Ferrit + Grafit) mit steigendem Si-Gehalt. Damit wird die Ferritbildung auch bei schnelleren Abkühlungsgeschwindigkeiten (kleinere Wanddicken) begünstigt und eine homogene metallische Grundmatrix entsteht. Aufgrund der zunehmenden Gefügehomogenität (vgl. Bild ) ist anhand der Mikrostruktur anschließend keine eindeutige Aussage über die zu erwartende mechanische Eigenschaft zu treffen. Die Mischkristallverfestigung wird durch unterschiedliche Atomradien von Eisen und Silizium hervorgerufen. Silizium besetzt reguläre Gitterplätze der kubischraumzentrierten Elementarzelle (Ferrit) und bildet daher einen in atomarer Sichtweise verspannten Substitutionsmisch- 8,8 Empfohlener Si-Gehalt für mischkristallverfestigtes GJS in %,,8, Zugfestigkeit R m in MPa 7 6 1 R p, / R m,7,6, 6-,, 6-1 A -1-18 A ferrit/perlit -7 (Rm) Si-legiert 6-18 mischkristallverfestigt konventionell 1 6 8 1 1 1 16 18 Bruchdehnung A in % Streckgrenze R p, in MPa Bild 1: Übersicht des Eigenschaftsniveaus unterschiedlicher EN-GJS-Qualitäten im Vergleich. *Sofern nicht anders erwähnt, handelt es sich bei den prozentualen Angaben zur Zusammensetzung um Massenanteile GIESSEREI 1 /16 9 TT B8.indd 9 9.1.16 1:
TECHNOLOGIE & TRENDS Eigenschaftssteuerung beim klassischen GJS: Ferrit-Perlit-Verhältnis GJS--18 GJS--7 GJS-6- GJS--1 GJS-6-1 Eigenschaftssteuerung beim MK-GJS: Si-Gehalt GJS--18 Bild : Mikrostrukturen von ferritischperlitischem und Si-legiertem GJS. Umwandlungstemperatur in C 8 86 pm Austenit 8 rsi = 117,6 pm Austenit + Ferrit rfe = 1 pm 7 Ferrit kubisch-raumzentriert Si in % Bild : Si-Beeinflussung des eutektoiden Umwandlungsbereiches, nach []. Bild : Si-induzierter Substitutionsmischkristall, nach []. a b Elementzugabe keine Mn,6 % Cr, % Mn 1 % Cr,6 % V,6 % 6 6 Zugfestigkeit Rm in MPa, % Si Bruchdehnung in %, % Si 1 1 Elementzugabe keine Mn,6 % Cr, % Mn 1 % Cr,6 % V,6 % 6 7 Siliziumgehalt in % Siliziumgehalt in % GIESSEREI 1 TT B8.indd 6 7 Bild : Zugfestigkeit (a) und Bruchdehnung (b) bei steigenden Si-Gehalten, nach []. /16 9.1.16 1:
kristall (vgl. Bild ). Damit steigt mit zunehmenden Si-Gehalten der Grad der Verfestigung. Aktuelle Veröffentlichungen [,, 6] beschreiben die Auswirkungen eines steigenden Si-Gehaltes (bis zu 6 %) auf die mechanischen Eigenschaften von EN-GJS (Bild ). mm 1 mm Aus den Ergebnissen von Löblich u. a. [] konnte ein Si-Grenzgehalt von, % ermittelt werden. Ein Überschreiten führt zu einem drastischen Abfall der Dehnung, begleitet von reduzierten Festigkeiten. Dies wird auf die Bildung einer Überstruktur mit reduzierten mechanischen Eigenschaften zurückgeführt. Daraus ist abzuleiten, dass eine sehr exakte Einhaltung der chemischen Zusammensetzung Grundvoraussetzung ist, um diese Werkstoffe prozesssicher herzustellen. 8 mm Bild 6: Flügelprobe (Nettogewicht kg). 6 mm Versuchsdurchführung bei Meuselwitz Guss Um die Auswirkungen einer veränderten Schmelztechnologie auf das für die Gießerei typische Produktionsspektrum zu übertragen, fanden Voruntersuchungen an einer Flügelprobe (Bild 6) statt. Mit Hilfe dieses Probekörpers können Werkstoffprüfungen mit verschiedenen Wanddicken (hier -1 mm) durchgeführt werden. In Bild 7 finden sich die Verläufe von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung für Wanddicken von 8 und 1 mm. Aus den Voruntersuchungen können Grenzwerte des zulässigen Si-Gehalts definiert werden dieser sollte zwischen,1-, % liegen. Zu erkennen ist, dass der Steilabfall der Dehnung dem Festigkeitsverlust vorauseilt. Einen Vergleich zwischen den normativen Mindestanforderungen und den ersten erhaltenen Festigkeiten und Dehnungen im Versuchsteil zeigt Bild 8. Dieser Vergleich zeigt, dass die Anforderungen erfüllt und in den meisten Fällen auch deutlich übererfüllt werden. Für die mischkristallverfestigen EN-GJS-Werkstoffe existieren bei Wanddicken jenseits von 6 mm keine normativen Richtwerte, was einen Vergleich diesbezüglich verhindert. Zusammenfassung Mischkristallverfestigtes EN-GJS zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Primär ist eine Erhöhung von Zugfestigkeit und Streckgrenze zu verzeichnen. Des Weiteren ist das Niveau der Dehnung dem von ferritisch-perlitischen EN-GJS-Sorten deutlich überlegen. Metallurgisch ist ein Si- GIESSEREI 1 /16 1 TT B8.indd 1 9.1.16 1:
TECHNOLOGIE & TRENDS 6 R m und R p, in MPa 1 1 1 A in %,,,6,8,,,6,8,,,6 Si-Gehalt in % Rm - 8 mm Rm - 1 mm Rp, - 8 mm Rp, - 1 mm A - 8 mm A - 1 mm Bild 7: Ergebnisse der Flügelprobe. R m und R p, in MPa 6 1-18C-LT -18C 6-1C 6 8 111161868 6 8 1 6 6 Grenzwert von ca., % einzuhalten, um einen Verlust der positiven Eigenschaften zu vermeiden. Ferner liefert ein gesteigertes Streckgrenzenverhältnis neue Möglichkeiten für den Konstrukteur, das Leichtbaupotential von Gusseisenwerkstoffen weiter auszuschöpfen. Wanddicke in mm Bild 8: Vergleich der Mindesteigenschaften (Richtwerte aus Gussstückproben) lt. DIN EN 16 (hellgrün und hellblau) mit den erhaltenen Eigenschaften der Flügelprobe (dunkelgrün und dunkelblau). 1 1 Erste Voruntersuchungen und Abgüsse im Hause Meuselwitz Guss konnten den aktuellen Stand der Technik am Gussteil verifizieren. Die skizzierten Erkenntnisse zeigen, dass sich mischkristallverfestigte EN-GJS-Werkstoffe auch für den Einsatz im Bereich Großguss qualifizieren. A in % Im Rahmen weiterführender Untersuchungen zur prozesssicheren Herstellung dieser Werkstoffgruppe wurde es durch geeignete metallurgische Maßnahmen möglich, auch bei größeren Wanddicken entsprechende Kennwerte nachzuweisen. Weiterhin konnten von der DIN-Norm abweichende Variationen erstellt werden, die an spezielle Anforderungen des Kunden angepasst wurden. Derzeit werden bei Meuselwitz Guss die mischkristallverfestigten Gusseisen mit Kugelgrafit für Gussteile aus den Bereichen Mühlenherstellung (Zement, Kalkstein, Kohle), Kunststoffeinspritzmaschinen, Pressenbau, Antriebstechnik und Windkraftanlagen eingesetzt. Dipl.-Ing. Herbert Werner, Dipl.-Ing. Ingo Lappat und Dipl.-Ing. Benjamin Aurich, Meuselwitz Guss Eisengießerei GmbH, Meuselwitz Literatur: [1] D. D. I. f. N. e. V.: DIN EN 16:11 Gießereiwesen Gusseisen mit Kugelgrafit. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 1. [] Rio Tinto Iron & Titanium Inc.: Sorelmetal Gusseisen mit Kugelgrafit. Montreal, Québec,. [] Askeland, D. R.: Materialwissenschaften. Springer, 1. [] Giesserei 1 (1), [Nr. 7], S. -7. [] Giesserei 1 (1), [Nr. 8], S. -. [6] China Foundry (9), [Nr. 11], S. - 1. GIESSEREI 1 /16 TT B8.indd 9.1.16 1: