Was ist ausferritisches Gusseisen (ADI) und wie erreicht man?

Ausferritische Gusseisen sind eisenhaltige Werkstoffe in Form eines Gussstückes, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie ein ausferritische Eisengefüge aufweisen. Sie werden mittels einer Wärmebehandlung erhalten, die im Wesentlichen aus einer Austenitisierungsphase, gefolgt von einer isothermen Härtephase bei einer Temperatur höher als die Starttemperatur der martensitischen Umwandlung (auch als „Martensitstart“ oder „Ms“ bekannt) besteht.

Mikrosturkturelle Eigenschaften von ausferritischem Gusseisen (ADI)

Die Mikrostruktur von ausferritischem Gusseisen besteht aus einem Eisengefüge, in der Graphitkugeln verteilt sind. Ein weiterer wichtiger Unterschied zu Stahl ist der hohe Siliziumgehalt, der notwendig ist, um dem Kohlenstoff die Diffusionsfähigkeit zu verleihen, um in der Verfestigungsphase die Bildung unerwünschter Strukturen wie Karbide zu verhindern. Die beiden Merkmale Kugeln und Silizium bestimmen den Unterschied im mechanischen Verhalten im Vergleich zu einer Stahlstruktur, die frei von verteilten Diskontinuitäten ist und sich durch typischerweise niedrigere Siliziumgehalte gekennzeichnet ist. Kohlenstoff und Silizium haben eine wichtige Auswirkung, indem sie die Schmelztemperatur deutlich senken, was es ermöglicht, fehlerfreie Gussteile leichter zu erhalten als ein entsprechender Stahlguss.

ADI1050-6 – Ausferritisches Gefüge (x500).

Mechanische Eigenschaften von ausferritischem Gusseisen (ADI)

Die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Beim quasistatischen Zugversuch (ISO 6892-1) ist der maximale Widerstand Rm und die Abweichungsspannung von der Proportionalität Rp0,2 im Wesentlichen auf die isotherme Härtetemperatur zurückzuführen, während die Bruchdehnung A5 nicht nur von dieser Temperatur abhängt, sondern auch von den anderen Parametern der Wärmebehandlung (Austenitisierungstemperatur, Austenitisierungszeit, Haltezeit bei isothermer Temperatur) sowie von der chemischen Zusammensetzung, der Kugelförmigkeit und allgemeiner von der Qualität des Gießverfahrens und der thermischen Behandlungsverfahren. Die Schlagfestigkeit (ISO 148-1) bei Raumtemperatur und bei niedrigen Temperaturen ist noch empfindlicher gegenüber den oben genannten Faktoren.

Tabelle 1 – Statische Eigenschaften

Tabelle 2 – Schlagfestigkeit des Rohrs ohne Kerbe

Die Vorteile von ADI-Gusseisen gegenüber herkömmlichen Stählen und Gusseisen

Ausferritisches Gusseisen (ADI) hat zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Stählen und Gusseisen. Wir fassen die wichtigsten zusammen:

  • Form: Je komplexer die Form, desto größer ist der Vorteil der Verwendung eines Gusseisenteils gegenüber einem geschmiedeten und / oder geschweißten. Tatsächlich haben alle Gusseisen im Vergleich zu Gussstählen eine bessere Fähigkeit, die Form zu füllen (diese Eigenschaft wird auch als „Gießbarkeit“ bezeichnet), was es ermöglicht, komplexere geometrische Formen sogar in Bezug auf geschmiedete Komponenten zu erhalten, für die andererseits der Einsatz spezieller Maschinen (Schmiede) erforderlich ist, um die endgültige Form des Gussstücks zu erhalten, was die Gestaltungsfreiheit weiter einschränkt;
  • Anzahl pro Produktionslos: Je geringer die Anzahl, auch bei einfach geformten Gussstücken, desto größer ist der Vorteil der Verwendung eines Gusseisenteils und / oder einer Schweißkonstruktion gegenüber einer Schmiedekonstruktion;
  • Dicke: Die mechanischen Eigenschaften des ADI-Materials sind umso besser, je geringer die Dicke des Gussstücks ist (was im Allgemeinen bei allen Gussmaterialien der Fall ist). Ab einer bestimmten Dicke und/oder bei Vorliegen deutlich unterschiedlichen Dicken im gleichen Gussstück kann es zweckmäßig sein, das Material IDI anstelle von ADI zu berücksichtigen;
  • Gewichtsreduzierung: Mit ADI ist es möglich, dank der charakteristischen Gestaltungsfreiheit der Gussteile, der mechanischen Eigenschaften und der Dichte des Materials (7,2 kg/dm3 gegenüber 7,8 kg/dm3 von Stahl) vorteilhafte Gewichtsreduzierungen zu erzielen;
  • Verschleißfestigkeit: Der austenitische Teil von Ausferrit, obwohl durch Kohlenstoff stabilisiert, ist anfällig für eine lokale Umwandlung in Martensit in Form von isolierten Nadeln, die in einer nicht umgewandelten Matrix verteilt sind, wenn die aufgebrachte mechanische Spannung einen Schwellenwert überschreitet (PITRAM/SITRAM Druck/Spannung Effekt der induzierten Umwandlung von restlichem Austenit in Martensit). Dieses Phänomen ermöglicht es, ein natürliches Verhalten des Werkstoffs in der Verschleißfestigkeit auszunutzen, das sich im Wesentlichen durch zwei unterschiedliche Mechanismen äußern kann: bei der „Mechanisch gemischten Schicht“, bei den Sorten mit geringerer Härte, oder bei der Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß bei Güten mit größerer Härte (Download Infoblatt 2 Werkstoffeigenschaften überarbeitet von MST nach Verschleiß_2022_06_12 ZFR – ADI-Verschleißgrade). Die hier beschriebene Umwandlung ist etwas anderes als die bei Stählen gefürchtete massive Umwandlung von restlichem Austenit und Ursache möglicher Risse.
  • Schwingungsdämpfung: Alle Materialien, die Gamma-Phase enthalten (kubisch flächenzentriert, Austenit), bieten eine höhere Dämpfungskapazität als die entsprechenden Materialien aus reinen Alpha-Phasen (kubisch raumzentriert, Ferrit/Perlit).
  • Verhalten bei niedrigen Temperaturen: Alle Materialien, die Gamma-Phase enthalten, zeigen ein günstiges Verhalten bei niedrigen Temperaturen (ersichtlich in der Schlagfestigkeitsprüfung) besser als die entsprechenden Materialien, die nur aus Alpha-Phase bestehen.

Die mechanischen Eigenschaften von ADI-Gusseisen sind mit denen von vergüteten Stählen vergleichbar, wobei eine wichtige Einschränkung zu berücksichtigen ist: Im Zugversuch tritt das Brechen der ADI in der Nähe der maximalen Belastung Rm auf, typischerweise ohne eine anschließende Dehnung mit ausgeprägter Einschnürung. Der Unterschied in der Bewältigung der Verdrängungsbewegungen in der Kollapsphase zeigt sich auch in der Schlagfestigkeitsprüfung, die die Energieaufnahme bei ADI-Gusseisen im Vergleich zu Stählen begrenzt, die an den Außenflächen der Probe den Zustand „plane stress“ effektiv nutzen können (shear lips advantage). Dieser Unterschied wirkt sich weder auf das Ermüdungsverhalten noch auf die Bruchzähigkeitsprüfung bei echter „plane strain“, d. h. bei allen Betriebszuständen im linear-elastischen Bereich aus. Der Unterschied zeigt sich nicht nur im Zugversuch, sondern auch in der Bruchmechanik, wenn wie häufig der Spannungszustand „plane stress“ und nicht „plane strain“ vorherrscht.

Industrielle Anwendungen von ausferritischem Gusseisen (ADI)

Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften findet ausferritisches Gusseisen (ADI) heute in unterschiedlichen Sektoren Anwendung, die sich auch hinsichtlich der technischen Anforderungen und Einsatzbedingungen stark voneinander unterscheiden. ADI-Gusseisen finden heute im industriellen Sektor viel Platz für die Herstellung von Hochleistungsgussteilen für Getriebesysteme und Planetengetriebe (Planetenhalterungen auf einer Ebene, Planetenhalterungen auf zwei Ebenen, Planetenhalterungen auf drei Ebenen, Untersetzungsgetriebegehäuse, Ausgleichsgetriebegehäuse und Zahnräder werden immer häufiger). In der industriellen Welt haben sich ADI-Anwendungen in den letzten Jahren auch für Fahrzeuge wie Gabelstapler und Teleskoplader sowie für Verpackungsanlagen entwickelt. ADI-Komponenten für Planetengetriebe finden mittlerweile auch im Energiesektor, insbesondere beim Bau von Windkraftanlagen, zunehmend Anwendung. In der Automobilsektor werden Gelände- und Straßenfahrzeuge, Komponenten für Aufhängungssysteme und Achsen aus ADI hergestellt (es gibt immer mehr Beispiele für obere Aufhängungsarme, untere Aufhängungsarme, Achsschenkel, Ausgleichsgetriebegehäuse und Ausgleichsgetriebekörper). Natürlich dürfen auch Komponenten für den Motor nicht fehlen (z. B. die Kurbelwelle für Geländewagen). ADI-Gusseisen werden auch im Erdbewegungssektor verwendet, typischerweise für den Bau von Komponenten für das Fahrwerk (wie Antriebsräder) und im Landwirtschaftssektor, wo ADI-Anwendungen in Kupplungssystemen (Haken und Schnellkupplungen), in Werkzeugen (wie z. B. als Entastungsmesser für forstwirtschaftliche Anwendungen), aber auch in Aufhängungssystemen, Fahrwerken und Achsen (Raupenachsen, Aufhängungsarme und Achsschenkel) zum einsatz kommen. Angesichts der interessanten Beständigkeit von ADI-Gusseisen unter Verschleißbedingungen sind die härteren Sorten von ADI-Gusseisen (ADI1200, ADI1400 und ADI1600) auch im Bergbau– und Bausektor mit Komponenten für Brech- und Mahlsysteme (Panzerplatten und Hämmer gehören dazu häufigsten Komponenten) zu finden. Auch im Eisenbahnsektor herrscht kein Mangel an ADI-Komponenten für Eisenbahnfahrgestelle, Bremssysteme und Eisenbahnweichen. Diese Vielseitigkeit ist nur dank der hervorragenden und einzigartigen mechanischen Eigenschaften von Ausferritischem Gusseisen (ADI) möglich, die dazu führen, dass diese Materialien in Bezug auf Baustähle, verschleißfeste Materialien (sogar oberflächenbehandelt) und hauch mit Gusseisen mit Kugelgraphit konkurrieren und auch oft siereich hervorgehen.

Anwendungsbeispiele für ADI-Gusseisen

Referenznormen für ADI-Gusseise

Die wichtigsten Bezugsnormen für ADI-Gusseisen sind folgende:

  • ISO 17804 (ähnlich der EN 1564)
  • ASTM A897
  • SAE J2477

Die Gradklassifizierung ist in allen drei Normen ähnlich.
Der Hauptunterschied zwischen der ISO/EN und der amerikanischen ASTM/SAE besteht in der Übernahme der Metrik A4der Amerikaner anstelle der in der ISO / EN übernommenen A5. Die Amerikaner messen die Bruchdehnung vor dem Test auf einer Länge des Nutzabschnitts gleich dem 4-fachen Durchmesser, während die ISO/EN sie auf einem Nutzabschnitt messen, der dem 5-fachen Durchmesser entspricht.
Bei gleichem Material ist die amerikanische prozentuale Dehnung größer als bei ISO/EN, wie in ISO 17804 Anhang B hervorgehoben.
Weiters ist die Klasse SAE AD 750 hervorzuheben, die in den anderen Normen nicht enthalten ist und die diese Klasse ausdrücklich als interkritisch mit dem Vorhandensein von voreutektoidem Ferrit beschreibt (siehe SAE J2477 5.1.1).
Für weitere Informationen führen wir Teile der ISO 17804 an

Dicke des Gussstücks und Gehalt an Bindemitteln in ausferritischem Gusseisen (ADI)

Zu den Grundanforderungen an auferritischem Gusseisen (ADI) zählen die Dicke des Gussstücks und der Gehalt an vorhandenen Bindemitteln: Jeder dieser Faktoren übt einen gewissen Einfluss auf das Material aus. Die Austempering-Wärmebehandlung erfordert tatsächlich, dass die Abkühlungskurve an jedem Punkt des Gusses nicht die perlitische Nase der CCT-Kurven schneidet. Die Abkühlkurve hängt physikalisch mit der Dicke des Gusses und instrumentell mit der Robustheit der Behandlungsanlage zusammen. Die CCT-Kurven hängen vom Material, im Wesentlichen von der Kugelförmigkeit (auch abhängig von der Dicke) und von den zugesetzten Bindemitteln ab. Je größer die Dicke des Gussstücks ist, desto wichtiger ist bei gleichem System die Zugabe von Bindemitteln. Bei gleicher Dicke können unterschiedliche Mischungen von Bindemitteln gewählt werden, die in Kombination mit der Austenitisierungstemperatur den gleichen Effekt bei der Verschiebung der CCT-Kurven bestimmen, die zur Vermeidung der perlitischen Nase erforderlich ist. Die Wahl der Mischungen und ihre Kombination mit der Austenitisierungstemperatur haben jedoch einen wichtigen Einfluss auf die endgültige ausferritische Umwandlung.

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