Was ist perferritisches Gusseisen (IDI)

Ferritisch-perlitisches Gusseisen zeichnen sich durch eine ausgeprägte Dickenempfindlichkeit aus, die die Abkühlgeschwindigkeit in der Form nach der Verfestigung, folglich die Härte und die mechanischen Eigenschaften bestimmt. Bei perferritisches Gusseisen (IDI) ein austenitisches Gefüge im Gleichgewicht mit einem ferritischen Anteil (dies wird durch eine Austenitisierung im interkritischen Intervall erreicht), deutlich schneller abgekühlt als z. B. in der Erdform (Minuten statt Stunden), bewirkt eine Umwandlung von Austenit in Perlit, die durch eine deutlich geringere Dickenempfindlichkeit und durch eine günstige Verbindung mit der ferritischen Phase (dank der durch die schnelle Abkühlung verursachten verringerten Mobilität des Kohlenstoffs) gekennzeichnet ist. IDI-Gusseisen eignet sich daher besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Gussteilen mit erheblicher und ungleichmäßiger Dicke, für die eine günstige Kombination von Festigkeit und Duktilität erwünscht ist.

Besonderheiten von perferritisches Gusseisen (IDI)

Der Begriff „isotherm“ (isothermed) ist eine Wortneubildung, die in ihrer Bedeutung vom Begriff „isothermisch“ (isothermic) zu unterscheiden ist. Eine isotherme Umwandlung findet definitionsgemäß bei konstanter Temperatur statt (dies ist der Fall bei der Austempering-Wärmebehandlung von ADI). Die dem Begriff „isotherm“ zuzuschreibende Bedeutung ist die einer Strukturumwandlung, die bei einer kontinuierlichen Kühlung (continuous cooling) auftritt, die durch das schnelle Eintauchen des Gussteils in ein Salzbad mit konstanter Temperatur, die höher als die martensitische Umwandlungstemperatur ist, auferlegt wird. Die Temperatur des Salzes ist isotherm, nicht aber die des Gussstücks während der Umwandlung, deren Sinkgeschwindigkeit durch das Salz vorgegeben ist und sich an der Dicke des Gussstücks orientiert. Das thermische Profil ist an allen Punkten des Gussstücks (Temperatur gegenüber Zeit) identisch mit dem, das im Fall einer Austempering-Wärmebehandlung auftreten würde. Was sich ändert, ist die Tatsache, dass im Fall von IDI das Gussteil keine Bindemittel enthält, also die perlitische Nase kreuzt und schließlich ein Gleichgewicht mit der Salztemperatur erreicht, wenn das austenitisches Gefüge bereits in Perlit umgewandelt wurde.

Härten im Salzbad

Mikrosturkturelle Eigenschaften von perferritisches Gusseisen (IDI)?

Bezüglich der mikrostrukturellen Eigenschaften von perferritischem Gusseisen (IDI) ist hervorzuheben, dass die Austenitisierungsphase bei einer Temperatur innerhalb des interkritischen Intervalls (zwischen AC1 und AC3) stattfindet, wie die bei interkritischen ADI-Gusseisen (z.B. SAE J 2477 AD750) der Fall ist, und vor dem Härten besteht das Gefüge aus Austenit und voreutektoidem Ferrit. Beim Überqueren der perlitischen Nase wandelt sich der Austenit in Perlit um, während der voreutektoide Ferrit unverändert bleibt. Im Falle von Gussstücken mit geringer Dicke könnte die durch das Salz auferlegte Abkühlungsgeschwindigkeit ausreichend hoch sein, um die perlitische Nase zu vermeiden, selbst wenn dem Gussstück keine Bindemittel hinzugefügt wurden. Bei solchen Dicken könnten wir ausferritische Strukturen finden, wobei die Umwandlung bei der isothermen Temperatur des Salzbades stattfindet (wie beim Austempering). In jedem Fall wird die Bildung von Martensit verhindert, da die Temperatur des Salzbades höher ist als die der martensitischen Umwandlung (Ms, martensite start).

Dies ist der Hauptgrund, warum IDI-Gusseisen für Gussstücke mit ausreichend hoher und sogar ungleichmäßiger Dicke geeignet sind. Das resultierende Gefüge ist eine Mischung aus Ferrit und Perlit. Die Verteilung der Phasen unterscheidet sich von der traditionellen bei rohem Sphäroguss aufgrund des höheren Güte und der beispiellosen Verbindung zwischen den Phasen selbst. Das Gefüge wird „perferritisch“ genannt: ein Neologismus, der geprägt wurde, um die perlitisch-ferritische Natur des Materials mit der Prognose besserer Eigenschaften als die traditionellen perlitisch-ferritischen Gusseisen zusammenzufassen. Das perferritische Gefüge führt dank der Verbindung der Phasen zu einer größeren strukturellen Perfektion.

IDI – Perferritsches Gefüge (x200)

Mechanische Eigenschaften von perferritisches Gusseisen (IDI)?

Das mechanische Verhalten von IDI-Gusseisen ähnelt naturgemäß dem perlitisch-ferritischen Sphäroguss, wobei es sich in allen Fällen um Gefüge nach der Alpha-Phase (kubisch mit zentriertem Körper) handelt, jedoch mit einer deutlichen Verbesserung des Güteindex (Rm2 x A5), dank der Verfeinerung und Verbindung der Phasen, die den Widerstand (Rm , Rp0,2) bei gleicher Dehnung (A5) erhöhen, die durch den ferritischen Anteil garantiert wird. Da das Salzbad eine drastische Abkühlung des Gussstücks bewirkt, werden die Unterschiede in den Abkühlgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Dicken abgeschwächt, daher werden auch die Unterschiede in den Mikrostrukturen und folglich in den mechanischen Eigenschaften abgeschwächt, wobei die Hauptursache für die Differenzierung eher auf die unterschiedlichen Kugelbildungen als auf die Abkühlungsgeschwindigkeit zurückgeführt werden konnte.

Possible microstructure evolution with different cooling rates

Tabelle 1 – Statische Eigenschaften

Tabelle 2 – Schlagfestigkeit des Rohrs ohne Kerbe

Gebrauchseigenschaften von perferritischem Gusseisen (IDI) und Vergleich mit ADI-Gusseisen

Perferritische Gusseisen werden in verschiedenen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. Einer der wichtigsten Vorteile bezieht sich auf Gussstücken mit sehr großen Dicken, insbesondere bei Vorhandensein von erheblichen Maßungleichmäßigkeiten. Im Fall von dünnwandigen und gleichmäßigen Gussteilen (typischerweise Automobilgussteile wie Ausgleichsgetriebegehäuse) ist es vorteilhafter, qualitativ hochwertige Ergebnisse bei Gussteilen im Gusszustand zu erzielen (Fiat 52215 Gh 60.38.10, +GF+ SiBoDur). Um die bestmögliche Leistung für Gussteile mit nicht übermäßiger Dicke zu erzielen, wird der goldene Standard offensichtlich durch die anwendbare Sorte von ausferritischem Gusseisen (ADI) repräsentiert. ADI-Gussstücke stoßen jedoch auf eine Einschränkung in Bezug auf die Dicke des Gussstücks. In der Tat steigen durch Erhöhen der zur Vermeidung der perlitischen Nase erforderlichen Menge an Bindemitteln die Produktionskosten proportional, was gleichzeitig Ursachen für eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufgrund der Siegerung der Elemente ist, sowohl für den hohen Gehalt als auch für der Abstand zwischen den Graphitknollen.

IDI-Gusseisen haben diese Art von Einschränkung nicht, da sie auch im Rohzustand der Schmelze (ferritisch) die besten Voraussetzungen für die Erzielung eines fehlerfreien Gusses aufweisen. Auf diese Weise wird durch Erhöhen der Dicke des Gussstücks und möglicherweise auch die Ungleichmäßigkeit zwischen den Dicken der Vorteil der Verwendung von ADI-Gusseisen verringert und der Vorteil der Verwendung von IDI-Gusseisen erhöht. Beim Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten der Material- und Verfahrensauswahl gilt es, Illusionen zu vermeiden. Beispiel: Die Erhöhung der Austenitisierungstemperatur bei ADI und damit die Reduzierung des Bindemittelbedarfs löst die Probleme nicht richtig, auch wenn im Zugversuch scheinbar die Vorgaben eingehalten werden. Tatsächlich könnten Bereiche mit instabilem Austenit auftreten, mit einer Beeinträchtigung der Bearbeitbarkeit und in einigen Belastungssituationen. Auch muss man sich von der Vorstellung verabschieden, dass Gusseisen mit Kugelgraphit und hohem Siliziumgehalt die moderne effiziente Lösung darstellt: Was sich im einachsigen Zugversuch zeigt, ist nicht repräsentativ für das Verhalten des Spannungszustands unter dreiachsigen Bedingungen.

Nachfolgend ein Anwendungsbeispiel mit IDI, hergestellt von Zanardi Fonderie S.p.a.:

Komponenten für Hydraulikmotoren

Sektor: Industrie
Anwendung: Hydraulikmotor
Verteilerkörper

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