Bross - Ermittlung des Einflusses korrosiver Beanspruchungen und lokaler Fehlstellen auf die Beanspruchbarkeit von Bronze-Gusswerkstoffen; Teilvorhaben: Entwicklung verbesserter Bronze-Gusswerkstoffe für die Herstellung von Schiffspropellern(MatProp)

Abstract

In dem Teilvorhaben matProp sind Zusammen mit dem Partner LBF Dauerschwingfestigkeitsuntersuchungen mit verschiedenen Aluminiumbronzen unter Luft und Korrosion bei Wechsel- und Schwellbelastung durchgeführt worden. Hierfür ist die Zusammensetzung der Aluminiumbronze innerhalb der international festgelegten Standards Cu3 und Cu4 der IACS variiert worden. Ziel ist es Einflüsse der Legierung auf das Betriebsfestigkeitsverhalten zu überprüfen. Des Weiteren sind mit einer Legierung Einflüsse des Fertigungsprozesses auf das Werkstoffverhalten untersucht worden. Hierzu sind Modifikationen am Formstoff und der Dicke der Gusskörper veranlasst worden. Propellerflügel variieren in der Dicke von der Propellerspitze zur Nabe hin. Der Einfluss der unterschiedlichen Erstarrung des Gusses konnte hiermit evaluiert werden. Die Untersuchungen dienen langfristig dazu die Bemessung und Auslegung von Propellern für realistische Szenarios zu pr¨ufen und zu erweitern. Daraus können Verbesserungen im Konstruktionsprozess abgeleitet werden, die zu Materialeinsparungen führen. Für die Bearbeitung des Vorhabens sind zunächst im Rahmen einer Literaturstudie Werkstoffkennwerte aus bisherigen Arbeiten zusammengetragen und analysiert worden. Für die Abnahme fertiger Propeller sind die Standards der Klassifikationsgesellschaften von Bedeutung. Daher sind diese ebenfalls analysiert und bzgl. der Dimensionierung von Propellern für die Betriebsfestigkeit untersucht worden. Zusätzlich gibt es unternehmensinterne Verfahren zur Auslegung von Propellern. In einem Beispielfall für ein Containerschiff sind die Einflüsse der Auslegung auf die Propellermasse für unterschiedliche Klassifikationen mit den eigenen Ergebnissen gegenübergestellt worden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen sind zwischen den Partner ein Versuchsprogramm und die Versuchsdurchführung inklusive Probengeometrie abgestimmt worden. Hierbei wird sich an der DNV CG-0039 [4] orientiert, da hierin bereits weitgehend eine Prozedur vorhanden ist. Um die Versuche im Rahmen des Vorhabens durchzuführen und ausreichend mit Langzeitfestigkeitsbereich zu testen, ist die Schwingfrequenz in den Versuchen erhöht worden. Zusätzlich ist durch Absprache mit dem DNV sichergestellt worden, dass Ergebnisse der Versuche später auch für mögliche Zertifizierungen genutzt werden können. Für die Durchführung der Versuche sind zunächst die Gusskörper entwickelt worden. Hierbei stand im Vordergrund, dass sich aus diesen möglichst viele qualitativ gleichwertige Proben schneiden lassen. Insgesamt wurden für die Versuche drei verschiedene Gusskörper (zwei für die Legierungsvariation und einer für die Formstoffmodifikation und Dickenvariation) erarbeitet. Für die Legierung sind fünf Varianten ermittelt worden. Diese wurden in neun verschiedenen Chargen abgegossen. Aus den Gusskörpern konnten insgesamt 498 Proben entnommen werden. Von diesen Proben sind einige für Zugversuche genutzt worden, um die statischen Kennwerte des Materials zu ermitteln. Alles weitere Rohmaterial für Proben ist mittels einer RT-Prüfung auf grobe Fehlstellen untersucht worden. Danach standen 398 Rohlinge zur Probenfertigung für den Partner LBF zur Verfügung. Zusätzlich sind additive Prüfkörper gefertigt und bereitgestellt worden. Die Probenrohlinge sind vorgedreht dem Partner LBF für die eigentlichen Versuche zur Verfügung gestellt worden. Beprüfte Proben sind zu der MMG zurückgekommen und auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht worden. Zudem sind in Zusammenarbeit mit dem LBF Schliffbilder für die Gefügecharakterisierung erstellt und ausgewertet worden. Die chemische Zusammensetzung, die statischen und dynamischen Ergebnisse, sowohl wie die weiteren Untersuchungen der Schliffbilder sind umfassend den Probennummern zugeordnet dokumentiert worden. Die Nachverfolgbarkeit und Nachnutzung der Ergebnisse ist damit sichergestellt. Damit ist nachvollziehbar, wie Formstoffmodifiaktion, Dicke und Legierungsvarianten das Gefüge im Material beeinflussen und welche Auswirkungen dies auf die Dauerfestigkeitswerte hat. Der Partner LBF war federführend in der Durchführung und Auswertung der Dauerschwingversuche. Die unter Luft und Korrosion ermittelten Kennwerte sind im Teilvorhaben aufbereitet und analysiert worden. Es ergeben sich unter Korrosion für die Cu3 Bronze vergleichbare Werte wie in der Literatur für die Wechselspannung. Für die Untersuchungen unter Schwellbelastung sind kaum Ergebnisse im untersuchten Lasthorizont verfügbar. Hier resultiert aus den Auswertungen des LBF eine nahezu horizontale Wöhlerkurve. Die Ergebnisse wurden in bestehende Auswertenmethoden des DNV eingebracht und deren Einfluss auf die Propellerdimensionierung überprüft. Aus den Versuchsergebnissen resultiert eine niedrigere Betriebsfestigkeitsgrenze für die Wechselbelastung als bisher in Leitlinien des DNV vorgesehen ist, obwohl die Proben mehr Lastwechsel bei gleicher Amplitude ertragen. Dies liegt maßgelich an der Auswertemethodik und ist im Abschlussbericht des Partner LBF erläutert[14]. Mit Hilfe der Untersuchungen der Schwelllast ergibt sich eine Mittelspannungsempfindlichkeit, welche stark von bisherigen Annahmen abweicht. Dies soll in der Verwertung der Ergebnisse weiter geprüft werden. Durch das Vorhaben konnten umfangreiche Erkenntnisse im Bereich des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Aluminium-Bronze erarbeitet werden. Insbesondere die umfangreichen Versuche führen dazu, dass erstmals statistisch abgesicherte Werkstoffkennwerte unter Luft und Korrosion im Langzeitfestigkeitsbereich existieren. Es zeigte sich, dass die bisherigen Bemessungsgrenzen zum Teil - gerade bei Schwellbelastung - nicht durch die Versuche bestätigt werden konnten. Daher werden die Auslegungsprozesse im Unternehmen weiter angepasst. Es ergeben sich in der Betriebsfestigkeit weitere Fragestellungen hin zum Werkstoffverhalten bei Schwingspielzahlen > 5 · 108. Diese sollen in einem weiteren Vorhaben untersucht werden. Durch die Kombination mit den Gefügeunteruschungen, ermöglicht das Vorhaben dem Unternehmen seine Gießereiprozesse weiter zu optimieren. Es werden weitere Versuche zur Legierungsvariation durchgeführt. Zusätzlich werden die günstigen Chargenvarianten mittelfristig in die industrielle Anwendung überführt.