Bainitischer Sphäroguss als Alternative für die Konstruktion

Zusätzlich hat ADI als typischer Gusseisen-Werkstoff aufgrund seines hohen Kohlenstoffanteils ein etwa 10 Prozent geringeres Gewicht als Stahl(-guss) und weist das für Gusseisen übliche gute (Geräusch-) Dämpfungsvermögen auf. Im Vergleich mit den genormten Sphäroguss-Sorten nach DIN EN 1563 liegen die Dauerfestigkeitswerte auf fast doppelt so hohem Niveau.
Das Absinken der Werte bei größeren Wandstärken fällt aufgrund der hohen Zähigkeit (bis zu 10 Prozent Bruchdehnung) deutlich geringer aus als etwa bei EN-GJS-700-2 (früher GGG 70). Grundsätzlich ist die Zugfestigkeit vergleichbar mit der vieler Stahlsorten. Der E-Modul (um 160 kN/mm2) liegt allerdings etwa 20 Prozent unter dem von Stahl, was bei der Konstruktion zu berücksichtigen ist, bei Getriebeanwendungen aber nicht unbedingt von Nachteil sein muss. Die Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß wird nur noch von karbidischem Gusseisen wie zum Beispiel Ni-Hard übertroffen.
Aufgrund der hohen Festigkeits- und Dehnungswerte können bei vorgegebenen Lasten extrem leichte Bauteile konstruiert werden, so dass ADI-Konstruktionen gegenüber Aluminiumlösungen leichter ausfallen können. ADI ist also weit mehr als eine Alternative zu EN-GJS-600-3 oder St37. Es steht bei niedrigeren Kosten im Wettbewerb mit Vergütungsstählen hoher Festigkeit wie 42CrMo4 und 34CrNiMo6 und den derzeit trendigen sogenannten Leichtbau-Werkstoffen.

Die Herstellung
ADI wird durch eine mehrstufige Wärmebehandlung aus Sphäroguss hergestellt. Ziel der Wärmebehandlung ist die Einstellung eines Gefüges aus nadeligem Ferrit in einer mit Kohlenstoff übersättigten Austenitmatrix, die durch den hohen Kohlenstoffgehalt stabilisiert wird. Als Bezeichnung für dieses Gefüge hat sich Ausferrit eingebürgert. Dieser neue Name wird zukünftig auch mit In-Kraft-Treten der in Überarbeitung befindlichen Normen offiziell festgelegt. Das Gussstück wird im Schutzgasofen bei 840 bis 950 ºC mindestens zwei Stunden gleichmäßig austenitisiert. Im zweiten Behandlungsschritt erfolgt eine schnelle Abkühlung, in der Regel im bewegten Salzbad, auf eine Umwandlungstemperatur zwischen 235 bis 425 ºC. Über die Temperatur des Bades wird die Güte des ADI eingestellt. Die maximale Dauer des Abkühlvorganges für diesen Schritt darf bei unlegiertem Sphäroguss als Basiswerkstoff 30 Sekunden nicht überschreiten. Die wichtigste Bedingung für eine einwandfreie Vergütung ist die Vermeidung der Perlitbildung während der Abkühlung.
Nach Erreichen der Temperatur für die Umwandlung des Austenits in nadelförmigen Ferrit (a-Mischkristall im System Fe-C mit sehr geringer Löslichkeit für Kohlenstoff) reichert sich der überschüssige Kohlenstoff im noch nicht umgewandelten Austenit an, der durch diese Anreicherung zusätzlich stabilisiert wird. Zu Beginn dieses Prozesses kann eine zu frühe Abkühlung auf Raumtemperatur zu einer Umwandlung von nicht ausreichend stabilisertem Austenit in Martensit und damit zu einer Gefügeversprödung führen. Deshalb darf die legierungsabhängige Mindesthaltedauer keinesfalls unterschritten werden. Eine zu lange Haltedauer führt zur Carbidbildung und damit zur Versprödung des Werkstoffs, was ebenfalls zu vermeiden ist. Auf der Umwandlungstemperatur wird das Gussstück solange gehalten, bis sich die gesamte Grundmasse umgewandelt hat. Erst danach erfolgt die langsame Abkühlung auf Raumtemperatur.
Um die guten Eigenschaften der verschiedenen ADI-Qualitäten auf hohem Niveau zu halten, muss besondere Sorgfalt auf die optimale Magnesiumbehandlung und anschließende Impfung zur Sicherung gut ausgebildeter, zahlreicher Sphärolithen gelegt werden. Die Entstehung von Gefügedefekten muss vermieden werden. Derartige Fehler sind durch Wärmebehandlungen nicht zu beseitigen. Aus schlechter Gussqualität kann kein hochwertiger Werkstoff entstehen. Als Folge von Mikrolunkern, gestörter Kugelausbildung und Korngrenzencarbiden werden Kernschlagarbeit und Dehnung stark beeinträchtigt.

Die Anwendungen
Zu Beginn des ADI-Einsatzes in den USA waren etliche Anwendungen im Zahnradbereich erfolgreich. Dabei stellte sich heraus, dass nicht nur die erforderlichen mechanischen Eigenschaften erfüllt wurden, sondern neben den geforderten Lasteigenschaften im Betrieb auch eine deutliche Geräuschminderung auftrat. Zuerst nahm man an, dass ADI-Zahnräder wegen ihres hohen Kohlenstoffgehaltes gegenüber Stahl leiser waren. Mittlerweile wurde festgestellt, dass ihre ¿Anpassungsfähigkeit¿ der entscheidende Faktor ist. Ihre geringere Steifigkeit (etwa 75 Prozent derjenigen von Stahl) führt zu einer elastischen Verformung der Oberfläche und damit zur Ausbildung größerer Kontaktflächen. Ein reduzierter Geräuschpegel ist die Folge.
Ein bekanntes Praxisbeispiel stellt der Motorträger des Renault Laguna 2,2 l Diesel dar. Die starke Geräuschentwicklung des aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Bauteils erforderte eine Neukonstruktion aus Gusseisen, die weder schwerer noch teurer sein sollte als die bisherige Lösung. Die akustisch optimierte Neukonstruktion aus EN-GJS-1000-5 weist bei einem Gewicht von 1100 Gramm (vorher 1000 Gramm) ein Bauteilvolumen von nur noch 160 cm3 (vorher 370 cm3) auf. Nicht nur die Geräuschentwicklung sondern auch die Kosten wurden durch Werkstoffsubstitution und Geometrieanpassung deutlich reduziert.
Außerdem bewährt sich ADI bei Anwendungen, bei denen neben hoher Festigkeit und ausreichender Zähigkeit auch Verschleißfestigkeit gefordert ist (Zahnkränze, Kurbelwellen, Lauf- und Förderrollen). Der größte Markt liegt im Bereich Lastwagen, Busse und schwere Anhänger. Im amerikanischen und europäischen Markt sind Anwendungen im Fahrwerksbereich Allgemeingut. Volvo, Saab, Freightliner, MAN, Iveco, Navistar, DaimlerChrysler, General Motors, Ford, Kenworth und Mack sowie ihre Tier 1 und 2 Supplier setzen ADI-Komponenten ein. Die Akualität des Themas für EU-Markt zeigt sich auch an einigen Forschungsthemen, die derzeit in Deutschland bearbeitet werden. Ziel ist der Einsatz von ADI für Sicherheitsbauteile im Fahrwerksbereich, um Schmiedeteile zu ersetzen (Gewichts- und Kostenvorteile). Für diese dynamisch hochbelasteten Bauteile spielt die hohe Dauerfestigkeit die entscheidende Rolle.

Die Forschung
Solche Sicherheitsbauteile, die den Vorschriften des Kraftfahrzeugbundesamtes genügen müssen, haben ihr Verhalten unter Sonderbelastungen unter Beweis zu stellen. ADI-Bauteile (und auch bereits Bauteile aus Sphäroguss) können in solchen Situationen eine beträchtliche Verformbarkeit aufweisen. Trotzdem herrscht die Meinung vor, dass Gusseisen-Werkstoffe spröde und ohne plastische Verformungen brechen. Diese Meinung resultiert aus Laboruntersuchungen, bei denen die Bruch- und Kerbschlagzähigkeit von Proben im Vergleich zu anderen Werkstoffen herangezogen wurden. Exemplarische Untersuchungen an Realbauteilen (u.a. Radnabe) haben aber gezeigt, dass durch eine verbesserte Gestaltung des Bauteils und eine geeignete Werkstoffauswahl die Nachteile überkompensiert werden können. Die Giesserei-Technologie ist sowohl durch entsprechende Werkstoffe als auch durch die Freiheit der Formgebung in der Lage, unterschiedlichste Forderungen an die Betriebsfestigkeit der Bauteile zu erfüllen. Allerdings müssen hierbei technologie- und werkstoffbedingte Kenntnisse über Gusswerkstoffe berücksichtigt werden, die derzeit im Rahmen aktueller Forschungsvorhaben ermittelt werden. Klassische bruchmechanische Kennwerte, die sich ausschließlich auf das Rissfortschrittsverhalten beziehen und an einfachen Probegeometrien ermittelt werden, reichen heutzutage nicht mehr aus, um die komplexen Anforderungen an Sicherheitsbauteile zutreffend zu beschreiben.
Die spanende Bearbeitung
Einen Problempunkt für die Serienproduktion einbaufertiger Teile stellt zur Zeit noch die mechanische Bearbeitung dar. Während ADI-Bearbeitungsproblemen bei Kleinserien bisher mit einer getrennten Vorbearbeitung vor der Wärmebehandlung begegnet wurde, ist bei Serienanwendungen aus wirtschaftlichen und logistischen Gründen eine komplette Bearbeitung im vergüteten Zustand erforderlich. Ein Bearbeiten vor der Wärmebehandlung wäre aus zerspanungstechnischer Sicht zwar die beste Lösung. Allerdings ist bei derartigem Vorgehen die Volumenzunahme durch die Gefügeumwandlung beim Vergüten genau zu bestimmen und am Modell zu berücksichtigen. Die üblicherweise hohen Anforderungen an Toleranzen und Oberfläche an den Funktionsflächen machen aber meist die weitere spanende Bearbeitung nach der Wärmebehandlung erforderlich. Aus diesem Grund geht der Trend beim ADI zu einer möglichst endkonturnahen Rohteilherstellung und einer spanenden Bearbeitung im vergüteten Zustand - auch der höherfesten Sorten.
Die besonderen Eigenschaften von ADI verändern in starkem Maße die für Gusseisen-Werkstoffe üblichen Zerspanbarkeitseffekte. Bedingt durch die hohe Verformbarkeit und die damit aufgenommene Verformungsenergie werden steigende Anforderungen an die thermischen Eigenschaften der Schneidstoffe gestellt. Die bei Gusseisen üblichen Schneidwerkstoffe neigen zu starkem Kolkverschleiß. Gleiches gilt für die Schneidkanten-Präparation insbesondere beim Bohren. Hartmetalle können nur bei geringen Schnittgeschwindigkeiten von 120 bis 200 m/min eingesetzt werden, wobei der Einsatz von Kühlschmiermitteln die thermisch aktivierten Vorgänge der Verschleißentwicklung senkt und den Kolkverschleiß eliminiert. Schneidkeramiken wie Siliciumnitrid und PCBN sind nicht einsetzbar. Al2O3 dagegen hat sich unter bestimmten Voraussetzungen bei Schnittgesschwindigkeiten von bis zu 400 m/min bewährt. Im Gegensatz zu konventionellen Gusseisen-Werkstoffen hat das ADI-Mikrogefüge eine höhere Verschleißfestigkeit und eine höhere Zähigkeit. Inwieweit sich diese veränderten Eigenschaften auf die Zerspanbarkeit auswirken, ist aktuelles Forschungsthema.

Fazit
Durch intelligente phantasievolle Konstruktionen in Gusseisen-Werkstoffen können Materialeigenschaften optimal genutzt und signifikante Gewichtsreduzierungen beziehungsweise Eigenschaftsverbesserungen erreicht werden. Mit den ADI-Gusseisen-Werkstoffen steht eine neue Werkstoffgruppe zur Verfügung, die im Spannungsfeld von Kosten, Belastbarkeit, Gewicht und Freiheit im Design ein Potenzial bietet, das bisher allenfalls punktuell genutzt wird.

Dr.-Ing. Christine Bartels

Produktentwicklung

Claas Guss, Bielefeld, Tel. 05241/938234, Fax 938288

Autoren:
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Ulf Schliephake Technischer Vertrieb Claas Guss, Bielefeld Tel. 0521/9315254, Fax 9315290
Dr.-Ing. Arron Rimmer Geschäftsführer ADI Treatments, GB-West Bromwich, Tel. 0044/121/525-0303, Fax 121/5250404
Dipl.-Ing. Christian Gündisch Geschäftsführer Hulvershorn Eisengiesserei, Bocholt, Tel. 02871/9901-0, Fax 990135

Zum Thema
Auf der Suche nach dem geeigneten Werkstoff hat der Konstrukteur die Qual der Wahl: Entweder hochfest aber spröde (siehe Keramik) oder zäh aber weniger fest. Die Optimierung solch gegenläufiger Materialeigenschaften schließt sich bei konventionellen Konstruktionswerkstoffen aus. In diesem Spannungsfeld eröffnet die Gruppe der ADI-Guss-Werkstoffe völlig neue Perspektiven. Sie zeichnet sich durch eine günstige Kombination von Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit aus. Dadurch können Gusskomponenten aus ADI oft Guss- und Schmiedestücke aus Stahl oder Aluminium substituieren.
ms

Links: http://www.claasguss.de, http://www.hulvershorn.de