Erweiterung des Anwendungsspektrums von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit auf Bauteile mit Wanddickenänderungen durch Ausnutzung inhomogener Festigkeitseigenschaften
Finanzierung: Aif über die Forschungsvereinigung Gießereitechnik (FVG)
Laufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2023
Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) weist eine hohe Zugfestigkeit und auch Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig im Verhältnis hoher Bruchdehnung auf. Trotz dieser sehr guten Bauteileigenschaften und vergleichsweise niedrigen Fertigungskosten findet es nach wie vor keine breite Anwendung. Einen der wesentlichen Gründe hierfür stellt die mögliche Entstehung von inhomogenem Gefüge dar. Dieses bildet sich besonders in dickwandigen Bauteilen oder solchen mit großen Wanddickensprüngen aus. Eine Vorhersage der quasi-statischen Werkstoffeigenschaften sowie der Schwingfestigkeit wird hierdurch erschwert. Besagte Werkstoffeigenschaften werden zum einen über die Zusammensetzung der Legierung bestimmt, jedoch maßgeblich über die nachfolgende Wärmebehandlung. Hierbei wird herkömmliches Gusseisen mit Kugelgraphit vollständig austenitisiert und anschließend in ein vortemperiertes Salzbad transferiert. In dem Salzbad muss das Werkstück so zügig auf Auslagerungstemperatur abgeschreckt werden, dass keine Umwandlung in Perlit stattfinden kann. Gelingt dies wird der Austenit vollständig in Ferrit und stabilisierten kohlenstoffreichen Austenit umgewandelt. Diese Verbindung wird als Ausferrit bezeichnet.
Der Einfluss von unvollständig umgewandeltem Ausferrit in der Gefügematrix auf die Werkstoffeigenschaften kann nicht allumfänglich abgeschätzt werden, dies steht einer breiten Anwendung zum jetzigen Zeitpunkt im Weg. Aus diesem Grund wird meist eine vollständige Umwandlung als Grundvoraussetzung für den Einsatz von ADI gefordert, dies kann bei dickwandigen Bauteilen, wie beispielsweise dem unten dargestellten Planetenträger, nicht sichergestellt werden.
Da jedoch die Beanspruchungen in den meisten Bauteilen nicht über den gesamten Bauteilquerschnitt homogen sind, können geringere Festigkeiten insbesondere im Kern durchaus toleriert werden. Hierzu ist es jedoch notwendig die lokalen Festigkeiten zu kennen, um sie den lokalen Belastungen gegenüberzustellen. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll der Zusammenhang zwischen lokalem Gefüge und der lokalen Schwingfestigkeit erforscht werden. Hierbei werden auch Einflussgrößen wie das Auftreten einer Mittelspannung, der Spannungsgradient und eine variable Amplitude tiergehend beleuchtet, um die Lebensdauer unter Betriebsbeanspruchung abschätzen zu können. Zur Ermittlung der Werkstoffeigenschaften werden Zugversuche durchgeführt und die Wöhlerlinie für axial schwellende sowie wechselnde Belastung sowie für Biegung ermittelt. Des Weiteren werden Gaßnerversuche sowie eine Härteprüfung durchgeführt.
Das Ziel des Projektes ist die vollständige Abbildung des Herstellungsprozesses in Form von Simulationen zum Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozess und die Ableitung der lokalen Festigkeitsparameter. Diese werden im Folgenden einer FEM-Simulation den Belastungen im Bauteil gegenübergestellt, um die Lebensdauer eines Gussbauteils unter schwingender Beanspruchung rechnerisch abschätzen zu können. Im letzten Schritt erfolgt die Übertragung auf ein Demonstratorbauteil an dem die rechnerische Lebensdauerabschätzung experimentellen Untersuchungen gegenübergestellt werden kann, hierzu wird der unten dargestellte Planetenträger verwendet.
