DeGra - Beurteilung des Einflusses von degeneriertem Graphit auf das zyklische Werkstoffverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit für dickwandige Komponenten; Schlussbericht zum Teilvorhaben: Ableitung des zyklischen Werkstoffverhaltens für dickwandiges Gusseisen mit Kugelgraphit unter Berücksichtigung von Graphitdegenerationen und Graphitformabweichungen

Abstract

Der Bedarf an Gusseisenbauteilen für die Windenergie, die Antriebstechnik sowie den Allgemeinen Maschinenbau wird in den nächsten Jahren aufgrund steigender Nachfrage und den vorteilhaften Werkstoffeigenschaften sowie gestalterischen Freiheiten durch den Fertigungsprozess Gießen weiter zunehmen. Dabei bietet Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) aufgrund der zahlreichen Sorten von duktil bis hochfest unterschiedlichste und anwendungsspezifische Eigenschaften, die sich maßgeblich durch die Graphitstruktur und die Matrixeigenschaften ergeben. Insbesondere im Bereich der Windenergie ist aktuell der Trend zu deutlich größer dimensionierten Komponenten zu beobachten. Dies führt neben Herausforderungen bei Herstellung und Transport auch zu Schwierigkeiten, Graphitentartungen, wie Graphitdegenerationen und Graphitformabweichungen, im Bauteil unterdrücken zu können, die mit höherer Wanddicke tendenziell häufiger entstehen. Zur Gewährleistung der Sicherheit und Funktionalität dieser Komponenten, gerade im Hinblick auf den Leichtbau, ist es somit notwendig, das zyklische Werkstoff- und Ermüdungsverhalten von GJS auch im Falle auftretender Graphitentartungen zu verstehen. Graphitdegenerationen in GJS können aufgrund von Stör- und Legierungselementen sowie unterschiedlichen, wanddickenabhängigen Abkühlbedingungen auftreten, bei denen im Gefüge neben Kugeln lokal auch Chunky- oder Spiky-Graphit vorliegt. Die kritischen Gehalte verschiedener Störelemente, ab denen bei einer bestimmten Erstarrungsgeschwindigkeit der Graphit degeneriert wächst, sind nur unzureichend bekannt. Dabei wirken Chunky- und Spiky-Graphit innerhalb des Werkstoffes als Kerben, was zu Versprödungseffekten und damit zu einer Verringerung von Duktilität und Schwingfestigkeit führt. Zusätzlich sind aber auch Effekte aus einer Änderung der Graphitform auf die quasi-statische und zyklische Beanspruchbarkeit zu berücksichtigen. Allerdings existieren bislang keine Kennwerte, die eine Bauteilbemessung ermöglichen und aufzeigen, welche Reserven durch eine Verschlechterung der Graphitform hin zu spitzeren Formen dennoch bestehen. In diesem Zusammenhang wurden im Gesamtprojekt „DeGra“ ein Beurteilungskonzept zur Abschätzung der Auswirkungen von Graphitentartungen auf die quasi-statischen und zyklischen Materialeigenschaften entwickelt sowie die Entstehung und Neutralisation von Graphitdegenerationen durch verschiedene Einflussfaktoren analysiert. Untersuchungen im Zusammenhang mit dem Gießprozess konnten die metallurgischen Hintergründe für die Entstehung der Graphitdegenerationen genauer beleuchten und ein Legierungs- und Behandlungskonzept ermöglichen, das die Entstehung solcher Graphitentartungen eindämmt oder gänzlich vermeidet. Dabei wurden vor allem die Interaktionen von Störelementen in der Legierungszusammensetzung untersucht, die für die Bildung der Graphitdegenerationen verantwortlich sind. Im Teilprojekt „Ableitung des zyklischen Werkstoffverhaltens für dickwandiges Gusseisen mit Kugelgraphit unter Berücksichtigung von Graphitdegenerationen und Graphitformabweichungen“ lag der Fokus auf den Auswirkungen der Graphitdegenerationen auf die mechanischen Eigenschaften der GJS-Werkstoffe. Vor allem der Einfluss auf die Schwingfestigkeit war dabei von großem Interesse. Dafür wurden Untersuchungen mit quasi-statischen und zyklischen Beanspruchungen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Erkenntnissen aus mikrostrukturellen Werkstoffuntersuchungen korreliert. Dies ermöglichte bei graphitdegenerationbehaftetem GJS genauere Aussagen zum Versagensausgang sowie die Definition kritischer Gefügekenngrößen und Abminderungsfaktoren, die abschließend in ein Bemessungs- und Beurteilungskonzept einflossen. Datei-Upload durch TIB