Design der nächsten Generation von mischkristallverfestigten Gusseisen mit Kugelgraphit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459577017

Silizium mischkristallverfestigte duktile Gusseisen (Si-GJS) bieten hervorragende mechanische Eigenschaften durch eine verbesserte Kombination aus Festigkeit und Duktilität im Vergleich zu konventionellen duktilen Gusseisen. Allerdings ist bekannt, dass sich ein übermäßig hoher Si-Gehalt auch nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften auswirken kann und insbesondere die Kerbschlagzähigkeit von Si-GJS beeinträchtigt. Dies wird auf die Einschränkung der Versetzungsbewegung aufgrund der Bildung von B2- und DO3-Überstrukturen zurückgeführt. Aufgrund dessen wurden im Vorgängerprojekt die Schädigungsmechanismen von Si-GJS durch einen gekoppelten experimentellen und simulativen Ansatz untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Entwicklung neuer Si-GJS Sorten genutzt werden. Dabei soll die durch Überstrukturbildung verursachte Versprödung bei erhöhten Si-Gehalten durch gezielte Einstellung der Si-Seigerungen vermieden werden. Es wird davon ausgegangen, dass die aktuelle Obergrenze für den Si-Gehalt in Si-GJS (4,3 Gew.-%) durch Zugabe geeigneter Legierungselemente und eine Anpassung des Gießverfahrens erhöht werden kann, sodass die Versprödung reduziert und die Festigkeitssteigerung vergrößert werden kann. Unter Berücksichtigung der ersten Projektphase zielt das beantragte Projekt auf die Entwicklung der nächsten Generation Si-GJS-Legierungen ab, die den aktuellen Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität überwindet und den drastischen Zähigkeitsabfall aufgrund des erhöhten Si-Gehalts ausgleicht. Es soll zum ersten Mal eine neue Si-GJS-Sorte entwickelt werden, bei der die Mischkristallverfestigung durch Erhöhung des Si-Gehalts größtmöglich ausgenutzt wird, ohne die mechanischen Eigenschaften durch Überstrukturbildung zu beeinträchtigen. Dies wird auch durch die Zugabe weiterer Legierungselemente und die Anpassung der Abkühlbedingungen erreicht. Um dieses Ziel auf möglichst effektive Weise zu erreichen, werden mehrere neue innovative Methoden entwickelt, die auch zukünftige Forschungsarbeiten im Themenfeld GJS unterstützen. Die Arbeiten verfolgen einen gekoppelten Ansatz aus numerischer Berechnung und experimenteller Untersuchung: Das Vorhandensein von Überstrukturen soll qualitativ durch eine thermodynamisch gekoppelte Mikroseigerungsmodellierung für Si-GJS vorhergesagt werden. TEM-Untersuchungen zur Überstrukturbildung werden mit Nanoindentation Mappings korreliert. Die Ergebnisse werden mit Eigenspannungssimulationen kombiniert um Prozesseinflüsse auszuschließen. Die so ermittelte Korrelation zwischen der Überstrukturbildung und den mikromechanischen Eigenschaften wird dann zur Optimierung der Abkühlbedingungen genutzt. Die simulierten Mikroseigerungsprofile werden zudem mit realen Seigerungsprofilen aus verglichen, um eine Simulationsmethode zur Vorhersage der Gefüge zu entwickeln. Schließlich werden die Gefüge und die mechanischen Eigenschaften einer optimierten Si-GJS-Güte unter statischer und zyklischer Beanspruchung charakterisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen