Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines ganzheitlichen Bewertungskonzeptes und einer lebensdauerbasierten Bauteilauslegung mittels gefügeabhängiger Schwingfestigkeitsbeurteilung von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) ist einer der wichtigsten Gusswerkstoffe in Deutschland. Aufgrund der heterogenen Mikrostruktur von Gussbauteilen bestehen Unsicherheiten bzgl. der Beurteilung der lokalen zyklischen Bauteilbeanspruchbarkeit von GJL, was die Konstrukteure vor Herausforderungen bei der korrekten Bauteilbemessung stellt und die Umsetzung von Leichtbaukonzepten insbesondere in der Antriebstechnik verhindert. Während diese Problematik von Seriengießern durch aufwändige Bauteil-Untersuchungen umgangen werden kann, steht den KMU Gießereien diese Möglichkeit aufgrund der geringen Losgrößen nicht zur Verfügung.

Ziel von OptiGuss ist es, das zyklische dehnungs- und spannungsbasierte Werkstoffverhalten von GJL unter Berücksichtigung des spannungsmechanischen, statistischen und technologischen Größeneinflusses korrekt zu beschreiben. Dabei ist der technologische Größeneinfluss des Graphits entscheidend, da die Wanddickenabhängigkeit seiner komplexen Morphologie im Vergleich zu anderen Werkstoffen die Eigenschaften deutlich beeinflusst.

Zum Erreichen des Ziels werden Gefügeparameter auf Basis von industriellen Bauteilen und Versuchsabgüssen in Bezug auf die Schwingfestigkeit charakterisiert und gezielt variiert. Eine zu entwickelnde ganzheitliche Gefügeklassifikation für den Lamellengraphit gewährleistet hierbei eine belastbare Korrelation des Gefüges mit den entsprechenden zyklischen Werkstoffkennwerten, während modernste Mikroschwingversuche Erkenntnisse zu den Versagensmechanismen des Gefüges liefern.

Für die Gießer und Konstrukteure wird somit ein geeignetes Werkzeug entwickelt, das es ihnen erlaubt, zuverlässig Bauteile aus GJL beanspruchungsgerecht auszulegen und die Werkstoffeigenschaften innerhalb einer einfachen Bemessungsroutine zu prüfen. Dies nutzt insbesondere KMU-Gießern, die hierdurch ihren Kunden eine korrekte Bemessung des Bauteils ohne aufwändige zerstörende Realbauteilprüfung gewährleisten können.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte erfolgreich eine metallurgische Route erarbeitet werden, die die gezielte und reproduzierbare Einstellung definierter Gefügezustände erlaubt. Mit Hilfe dieser Route konnte ein umfassendes Portfolio an gezielt eingestellten GJL-Proben mit einer Lamellenanordnung nach Typ A und E in je feiner und grober Ausbildung durch den Einsatz von Cr und Cu erzeugt werden. Die erarbeitete metallurgische Route und die Einflüsse der Elemente Cr und Cu können von der Industrie verwendet werden (AP2).

Zur quantitativen Analyse der erzeugten Proben wurde die Freeware ImageJ und die Software MATLAB verwendet, um definierte Gefügeparameter zu bestimmen und eine umfängliche Grundlage zu schaffen. Zur Nutzung beider Softwares wurden genaue Anleitungen geschrieben, sodass in Kombination mit der Vielzahl an verschiedenen Gefügeparametern eine umfassende Charakterisierung des Gefüges für die Industrie ermöglicht wird (AP3).

Die Analyse der mechanischen Eigenschaften erfolgte durch quasi-statische und zyklische Untersuchungen. Hierbei wurden für die quasi-statischen Zugprüfungen sowohl die Probenform B nach DIN 50215 und Probenform D nach DIN EN 1561 verwendet und die Zugfestigkeit ermittelt. Es zeigten sich geringere Schwankungen und höhere Zugfestigkeiten für die Probenform D. Im Rahmen der zyklischen Untersuchungen wurden Größeneinflüsse ermittelt, die bei der Auslegung von Bauteilen berücksichtigt werden müssen, um eine optimierte Auslegung zu gewährleisten und das Leichtbaupotenzial auszuschöpfen (AP 5).

Aus der Quantifizierung des Gefüges und der mechanischen Untersuchung konnte ein Bewertungskonzept erarbeitet werden. Die hierbei erzeugten statistischen Modelle zeigten eine mäßige bis gute statistische Signifikanz, sodass die Modelle für die Vorhersage der mechanischen Kennwerte zum Teil genutzt werden können. Daher besteht hier weiterhin Forschungsbedarf, um die Modelle zu verbessern und höhere Genauigkeiten bei der Vorhersage zu ermöglichen (AP 6).