Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Graphitnodularität in Gusseisen mit Kugelgraphit mittels digitaler Bildverarbeitung

Die quantitative Bestimmung der Gefügebestandteile von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) ist eine wesentliche Komponente der Materialentwicklung und Qualitätssicherung, da einerseits die Werkstoff- und Bauteileigenschaften davon abhängen, andererseits die Anforderungen der Gussabnehmer erfüllt werden müssen. Das Vorhaben DIAgraph zielt auf die systematische Untersuchung der Einflussgrößen bei der Ermittlung des Gefügekennwertes 'Nodularität' von GJS. Zum jetzigen Stand erfolgt die Graphitformbestimmung durch visuelle Begutachtung nach DIN EN ISO 945-1 sowie durch Bildanalyse anhand der Vorschläge des technischen Reports ISO/TS 945-2, die jedoch beide aufgrund nicht ausreichender Objektivität keine verlässliche und reproduzierbare Auswertung ermöglichen. Die Implementierung eines anlernbaren Klassifikators anhand objektbasierter Parameter (Fläche, Größe, Rundheit, Streckung, Konturkrümmung, Beuligkeit, …) soll es ermöglichen, die Graphitpartikel, insbes. Sphärolithen, zu identifizieren und Graphitentartungen anhand bereichsbezogener Informationen (z.B. Abstand zum nächsten Nachbarn) automatisch zu erkennen. Die Einflüsse bei der Bildaufnahme und -auswertung von Gusseisen mit Kugelgraphit werden untersucht und die unterschiedlichen Ansätze zur Bestimmung der Nodularität miteinander verglichen und evaluiert. Die entwickelten Algorithmen werden von BA-Anbietern und -Anwendern (Gießereien, Testlabore) in Ringversuchen getestet und ausgewertet. Die Ergebnisse werden in die bereits angelaufene Normung der digitalen Bildanalyse und Nodularität (neue Normenvorhaben ISO 945-2 bzw. 945-4) einfließen, die es den Gießereien ermöglicht, Verfahrensanweisungen zur schnellen und reproduzierbaren BA von GJS umzusetzen. Eine so standardisierte Vorgehensweise bei der Graphitformbestimmung erlaubt erstmalig eine allgemeingültige Qualitätsvereinbarung zwischen Gießerei und Gussabnehmer, was die Wettbewerbsfähigkeit der zumeist klein- und mittelständischen Gießereien verbessert.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden umfangreiche Untersuchungen und Entwicklungen zur Bildanalyse von Graphitmorphologien in Gusseisen mit Kugelgraphit durchgeführt. Es wurde verdeutlicht, dass die vorliegenden Graphitmorphologien eine große Variationsbreite aufweisen und visuell nicht immer den stilisierten Graphitformen in bestehenden Richtreihen internationaler Normen zugeordnet werden können, da die aktuellen Klassifikationsnormen nicht die gesamte Vielfalt der Graphitmorphologien abdecken. Es wird dringend empfohlen, die Richtreihen um weitere unrunde Graphitmorphologien und unerwünschte Graphitdegenrationen zu ergänzen, damit Metallographen praktisch alle Graphitpartikel zweifelsfrei klassifizieren können.

Bei Anwendung der Bildanalyse war die Klassifizierung bisher ebenfalls nur teilweise möglich, da die einzelnen Partikel nicht allein über den Parameter Rundheit klassifiziert werden konnten. Um dies zu ermöglichen, wurden ein angepasstes hierarchisches Klassifikationsschema für die Formklassen nach DIN ISO 945-1 und geeignete Formparameter evaluiert, sodass die Kombinationen verschiedener Formparameter (u. a. Rundheit, Eckenzahl, Exzentrizität) zur Klassifikation verschiedener Formklassen genutzt werden kann. Dabei wurde der Platzhalter „Form IV“ für unrunde, isolierte Graphitpartikel anstatt Temperkohle verwendet.

Zudem wurde der gesamte Graphitanalyseprozess evaluiert, um zu einem reproduzierbaren, automatisierten, digitalen Bildanalyseverfahren beizutragen. Neben der Festlegung von Kriterien für eine ausreichende Probenvorbereitung wurde gezeigt, dass Mikroskop- und Kameraeinstellungen mit unterschiedlichen Kalibrierungen und Beleuchtungskonfigurationen die aufgezeichneten Bilddaten und deren Genauigkeit beeinflussen können und somit Gründe für unterschiedliche Graphitanalyseergebnisse sind. Ebenfalls können unterschiedliche Bildverarbeitungsschritte sowie unterschiedliche Implementation verschiedener Größen- und Formparameter zu Abweichungen führen, was durch klarere Richtlinien vermieden werden kann.