Hauptmerkmale von zwischenvergütetem Sphäroguss (ADI) und periferritischem Gusseisen (IDI)

• Gusseisen mit Kugelgraphit: mechanische Eigenschaften
• Dauerfestigkeitseigenschaften von ADI- und IDI-Gusseisen

Gusseisen mit Kugelgraphit sind Konstruktionswerkstoffe mit interessanten mechanischen Eigenschaften. Das Gießverfahren, dank dem sie hergestellt werden, ermöglicht es, Komponenten auch mit komplexer Geometrie und mit minimalen Dicken zu erhalten, die denen des Projekts nahe kommen (Net-to-Shape).

Eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann durch Anwendung der Härtungswärmebehandlung in Salzschmelzen erzielt werden.

Eine erste Möglichkeit, um ausferritische Mikrostrukturen zu erhalten, besteht darin, perferritisches Gusseisen einer Austempering-Wärmebehandlung mit einem angemessenen Gehalt an Bindemitteln (C, Mn, Cu, Ni, Mo) zu unterziehen, der durch die beträchtliche Dicke des Gussstücks vorgegeben wird.

Die Behandlungsparameter, deren Auswahl sich nach dem Bindemittelgehalt richtet, können so gesteuert werden, dass die statisch-mechanischen Eigenschaften und nicht die Dauer- oder Verschleißfestigkeit optimiert werden. Zwischenvergütetes Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) stellt daher in einigen Anwendungen eine Alternative zu geschmiedeten oder geschweißten Baustählen dar, auch bei hoher Beanspruchung, wie z. B.: Aufhängungssysteme, Kurbelwellen, Pleuel und Getriebe.

Wenn wir dagegen ein ungebundenes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit im interkritischen Intervall AC1-AC3 austenitisieren, wandelt sich nur ein Bruchteil der ferritischen Matrix in Austenit um. Beim anschließenden Härten im Salzbad wird aus dem ersten Ausgangsaustenit Perlit, während der verbleibende Matrixanteil aus voreutektoidem Ferrit besteht.

Das so gebildete Gefüge wird „perferritisch“ genannt und ist charakteristisch für IDI-Gusseisen. Obwohl die Wärmebehandlung der des Austemperings sehr ähnlich ist, unterscheidet sich das IDI-Gusseisen wesentlich von den interkritischem ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit (IADI): Beim IDI-Gusseisen besteht die Wirkung des Salzbades nur darin, die Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen, um eine schnelle Umwandlung von Austenit in Perlit oberhalb der Martensitstarttemperatur zu erhalten.

Die Eigenschaften von IDI-Gusseisen sind daher mit denen von perlitisch-ferritischem Sphäroguss vergleichbar und nicht mit denen von ADI.

Der Hauptvorteil von IDI-Gusseisen im Vergleich zum herkömmlichen perlitisch-ferritischen Sphäroguss liegt in der neuen perferritischen Struktur: Die geringe Beweglichkeit des Kohlenstoffs bei hoher Abkühlgeschwindigkeit erzeugt ein zusammenhängendes perlitisch-ferritische Gefüge und nicht das klassische Ochsenaue, ein Merkmal, das zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit, verbunden mit einer höheren Duktilität dank der Anwesenheit einer bedeutenden Menge an voreutektoidem Ferrit führt.

Als Folge der Verbreitung von strukturellen Anwendungen, bei denen derartige Materialien zum Einsatz kommen, wurde eine große Versuchsreihe für die Ermüdungscharakterisierung durchgeführt, um spezifische Konstruktionsmodelle zu entwickeln.

Im Allgemeinen hängt die Reaktion von zwischenvertütetem baitanischem Gusseisen mit Kugelgraphit auf zyklische Belastungen von der chemischen Zusammensetzung, den Wärmebehandlungsparametern, der Geometrie des Bauteils (Vorhandensein von Kerben und Dicke) und dem Oberflächenzustand (rau oder bearbeitet) ab. Unter Bezugnahme auf die folgenden Abschnitte ist bekannt, dass die Dauerfestigkeit wesentlich von der Härte der Materialmatrix bestimmt wird: Die Dauerfestigkeit nimmt mit zunehmender Härte zu, bis sie einen Spitzenwert für die Brinell-Härte HBW um 380 (ungefähr HV30 400) erreicht.

Unter den ADI-Gusseisen ist ADI 1050 das Material, das den besten Kompromiss zwischen Dauerfestigkeit und statischer Festigkeit darstellt: Es wird durch Austenitisieren oberhalb des kritischen Bereichs AC1-AC3 und Anlassen in Salzen erhalten, die über der ausferritischen Nase verbleiben (daher die Definition von Upper ADI). Diese ADI-Güte verfügt darüber hinaus über eine gute Verschleißfestigkeit, Stoßfestigkeit und Bearbeitbarkeit.

Bei den niedrigeren Qualitäten, d. h. ADI 800 und ADI 900, werden die Schlagfestigkeit und Bearbeitbarkeit auf Kosten einer niedrigeren Dauerfestigkeit, statischen Festigkeit und Verschleißfestigkeit erhöht.

Die Qualität ADI 1200 hingegen, die durch Härten unterhalb der ausferritischen Nase (daher die Definition lower ADI) erhalten wird und die die Obergrenze für strukturelle Dauerfestigkeitsanwendungen darstellt, werden statische Festigkeit und Verschleißfestigkeit verbessert und gleichzeitig die Dauerfestigkeit, Schlagfestigkeit und Bearbeitbarkeit verringert.

Noch höhere Qualitäten unter den lower ADI, d. h. ADI 1400 und ADI 1600, eigenen sich hauptsächlich für Anwendungen, bei denen Verschleißfestigkeit die wichtigste Anforderung ist. Das IDI-Gusseisen hat hingegen eine Dauerfestigkeit, die mit der eines perlitisch-ferritischen Gusseisensgleicher Härte vergleichbar ist.

In Anbetracht des Fehlens perlitisierender Legierungselemente ist es jedoch möglich, eine Gleichmäßigkeit des perferritischen Gefüges zu erhalten, wenn die Wanddicke variiert. Wie oben beschrieben, bietet es bei gleicher Härte und statischer Festigkeit eines herkömmlichen perlitisch-ferritischen Gusseisens eine höhere Schlagfestigkeit.

Es sollte berücksichtigt werden, dass beide Materialgüten, die durch Wärmebehandlung erhalten werden, eine Einsatzgrenze bei hohen Temperaturen haben: ADI-Gusseisen sind im Wesentlichen auf Temperaturen beschränkt, die indikativ nicht höher sind als die des Austermperings (daher unterschiedlich je nach betrachteter ADI-Güte); IDI-Gusseisen mit einem perlitisch-ferritischen Gefüge sind auf Temperaturen begrenzt, die nicht höher als das Eutektoid sind, was aus der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit resultiert, die durch das Härten im Salzbad auferlegt wird.