Anwendung von ausferritischem Gusseisen (ADI) bei dynamisch beanspruchten Hydraulikkomponenten
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt setzte den Erkenntnistransfer von der Untersuchung der Phasenumwandlungskinetik mittels Neutronendiffraktometrie erfolgreich in die Anwendung um. Die untersuchte technische ADI Legierung (Ni, Cu und Mo legiert) konnte hinsichtlich ihres Umwandlungsverhaltens hinreichend genau charakterisiert werden, um eine Verkürzung der Prozesszeit im Salzbad zu ermöglichen. Im Grundlagenteil des Projektes wurde zunächst der Einfluss des Legierungselementes Mo auf die Phasenumwandlung mittels Neutronendiffraktometrie herausgearbeitet. Die Beginn- und Endzeitpunkte für das Prozessfenster der ADI Wärmebehandlung wurden in Abhängigkeit der Molybdängehalte (0,00 Gew.-%, 0,25 Gew.-%, 0,50 Gew.-%) und Ausferritisierungstemperaturen von 300 °C, 350 °C und 400 °C beschrieben. Während des Austenitisierens und der Ausferritisierung wurde die Entwicklung der Phasenvolumenanteile sowie die Anreicherung des Austenits mit Kohlenstoff verfolgt und der Zeitpunkt des maximalen Kohlenstoffgehalts bestimmt. Der Zerfall des Restaustenits bei der 400 °C Stufe wurde zusätzlich mit metallographischen Methoden untersucht. Um ein besseres Verständnis des Einflusses der vorhandenen Legierungselemente zu erhalten, kamen Atomsondentomogpraphie Messungen zum Einsatz. Die anfängliche These der Anreicherung des Mo in den Interfacezonen von Restaustenit und Ferrit konnte widerlegt werden. Das Molybdän ist in der Nähe der Grenzflächen von Ferrit und Restaustenit Kristalliten gleichmäßig verteilt. Mit zunehmendem Abstand von den Graphitkugeln wurde jedoch eine Zunahme des Mo-Gehalts beobachtet. Die in der Literatur beschriebene Seigerung in den zuletzt erstarrten Bereichen der Probe wurde somit bestätigt. Im Rahmen der ADI Wärmebehandlung ist die kritische Abschrecktiefe ins Bauteil in Abhängigkeit der Legierungselemente von besonderem Interesse. Oberhalb der kritischen Abschrecktiefe tritt Perlitbildung auf und es wird kein vollständiges ausferritisches Gefüge erreicht, was mit einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften einhergeht. Die Abschrecktiefe ist eine Kombination aus der Bauteilgeometrie, den thermophysikalischen Eigenschaften des Werkstoffs und den Umgebungseigenschaften im Salzbad. Die Erfassung des Temperaturfelds von Proben mit Bauteil relevanter Dicke mit Thermoelementen dienten als Eingangsdaten für die simulative Beschreibung des Wärmebehandlungsvorgangs und der Vorhersage des Ortes und Zeitpunktes der Perlitbildung. Innerhalb der Grundlagenversuche konnte über das Projekt hinausgehend mittels Synchrotrondiffraktometrie und APT Messungen weiterer Aufschluss über die Verteilung des Kohlenstoffs insbesondere unter Berücksichtigung der Anreicherung im Ferrit und Karbidbildung im ADI Gefüge gegeben werden. Im Anschluss an die Grundlagenuntersuchung zum Einfluss des Molybdäns wurden die entwickelten Methoden auf eine technische ADI-Legierung angewandt. Die Neutronendiffraktometrie erlaubt im Gegensatz zur Messung der Phasenumwandlung am Dilatometer die Unterscheidung zwischen der Längenänderung aus der Bildung von Ferrit und der Anreicherung des Restaustenits mit Kohlenstoff. Der Abschluss der Umwandlung zum ausferritischen Gefüge konnte somit eindeutig bestimmt werden. Er war Ausgangspunkt für die Variation der Ausferritisierungszeiten, die mit mechanischen Kennwerten hinterlegt wurden. Im Fall der 100% Stufe, die dem aktuellen Serienprozess entsprach, konnte die Zeit um 10% gesenkt werden, ohne signifikante Nachteile zu erhalten. Zielsetzung für den Einsatz von ADI bei hydraulischen Komponenten war eine Steigerung der Dauerfestigkeitsgrenze und der Zeitfestigkeitswerte gegenüber dem Standardmaterial GJS 400-15. Dies wurde im Rahmen der Umlaufbiegeprüfungsversuche nachgewiesen. Die aus den Pulsdummyversuchen abgeleiteten Wöhlerkurven wiesen hingegen eine deutlich geringere Verbesserung auf. Der Einfluss von oberflächennahen Kerben durch die Gusshaut wirkt sich sehr negativ auf das Bauteilverhalten bei den hydrodynamischen Versuchen aus. Das Einbringen von Druckeigenspannungen über den Stahlkugelstrahlprozess führte zu einer leichten Erhöhung der Dauerfestigkeit gegenüber dem Kolene-Prozess, hinterlässt aber weiterhin Kerben auf der Oberfläche. Die These der Martensitbildung an der Rissspitze konnte durch Nanoindentation aufgrund starker Streuung der Ergebnisse nicht eindeutig geklärt werden. Parallel zu den ADI Versuchen wurde IDI als weiteres Material für den Einsatz bei hydraulischen Komponenten geprüft. Die Phasenumwandlungskinetik wurde ebenfalls mittels Neutronendiffraktometrie untersucht. Gleichzeitig kamen Dilatometermessungen und Schliffbildanalysen zum Einsatz, um den Einfluss verschiedener Abkühlraten auf die Gefügeausprägung zu charakterisieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Investigation of strain induced martensite transformations kinetic in Austempered Ductile Iron (ADI) using neutron and synchrotron diffraction”, Garching, 2018
Xiaohu Li
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2019. Carbon Redistribution Process in Austempered Ductile Iron (ADI) During Heat Treatment - APT and Synchrotron Diffraction Study, Metals, 9(7), 789
X.H. Li, J.N. Wagner, A. Stark, R. Koos, M. Landesberger, M. Hofmann, G. Fan, W.M. Gan und W. Petry
