Anwendung von ausferritischem Gusseisen (ADI) bei dynamisch beanspruchten Hydraulikkomponenten

• Antragsteller: Professor Dr. Winfried Petry; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289765656

Ausferritisches Gusseisen (engl.: Austempered Ductile Iron, ADI) und perferritisches Gusseisen (engl.: Isothermed Ductile Iron, IDI) sind wärmebehandelte Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS). Die Wärmebehandlung von ADI besteht aus den Schritten Austenitisieren, Abschrecken und isothermem Ausferritisieren. Während der Austenitisierung reichert sich der Austenit mit Kohlenstoff an. Durch eine partielle Umwandlung zu Ferrit während der isothermen Ausferritisierung wird der verbleibende Austenit weiter mit Kohlenstoff angereichert und ist somit auch bei Raumtemperatur stabil. Bei IDI hingegen erfolgt eine interkritische Austenitisierung gefolgt von einem kontrollierten Abkühlprozess. Die Abkühlgeschwindigkeiten werden dabei so gewählt, dass sich Perlit ausbildet. Das Gefüge nach der Wärmebehandlung ist durch voreutektoiden Ferrit und Perlit charakterisiert.Gegenüber dem Ausgangszustand (GJS) können die Zugfestigkeit oder die Bruchdehnung bei ADI auf mehr als das Doppelte gesteigert werden. IDI zeigt mechanische Eigenschaften zwischen ADI und Gusseisen. Diese Werkstoffe sind daher für hydraulisch belastete Bauteile wie Ventilsteuerblöcke interessant. Durch steigende hydraulische Drücke bei gleichem vorhandenem Bauraum sind hier die Handlungsspielräume zur Erhöhung der Bauteildauerfestigkeit mit klassischem Gusseisen begrenzt.Das zentrale Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es daher, die Betriebsfestigkeit von Bauteilen, welche einer dynamischen Öldruckbelastung ausgesetzt sind, durch den Einsatz von ADI Werkstoffen zu erhöhen. Als mögliche, kostengünstige Alternative zu ADI wird ebenfalls der Werkstoff IDI für diesen Anwendungsfall geprüft.Aufbauend auf umfangreichen Vorarbeiten zur Phasenumwandlungskinetik wird die Wärmebehandlung der eingesetzten Ausgangsmaterialien mithilfe der Neutronendiffraktometrie charakterisiert. Die Zusammenführung der Ergebnisse aus Vorarbeiten und neu generierten Daten erlaubt eine fundierte Legierungsentscheidung mit Blick auf die speziellen Anforderungen der eingesetzten Demonstratorbauteile. Eine geeignete Wärmebehandlungsstrategie wird durch statische und dynamische Werkstoffprüfungen erarbeitet. Darauf aufbauend erfolgt die Herstellung von ADI- und IDI- Prüfkörpern, welche unter hydrodynamischen Lasten getestet werden.Die Prüfkörper aus den zahlriechen dynamischen Prüfungen werden für die Analyse der Umwandlung von Austenit zu Martensit unter dynamischen Lasten weiter genutzt. Die gebrochenen Prüfkörper werden hierfür mittels Metallografie und Diffraktometrie hinsichtlich einer Martensitbildung untersucht um den vermuteten Zusammenhang von Umwandlung und Rissfortschritt zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Bosch Rexroth AG; Zanardi Fonderie S.p.A.
• Mitverantwortlich: Dr. Michael Hofmann