Statische Eigenschaften von ADI- und IDI-Gusseisen

Mechanische Bauteile werden häufig unter Berücksichtigung statischer und zyklischer Belastungen in Bezug auf maximale Vergleichsspannungen ausgelegt, die die herkömmliche Streckgrenze Rp0,2 nicht überschreiten.

Der Konstruktionsprozess eines mechanischen Bauteils beginnt jedoch erst nach der Identifizierung des geeigneten Materials, weshalb es für den Ingenieure unerlässlich ist, alle für ihn notwendigen Daten zur Verfügung zu haben.

ADI-Gusseisen unterscheiden sich wie Gusseisen mit Kugelgraphit auch anhand der Sorten, anhand derer Gusseisen nach ihrer Festigkeit unterschieden werden.

Sorten ADI JS/800-10 (Rp0,2 = 500 Mpa), ADI JS/900-8 (Rp0,2 = 600 Mpa) und ADI JS/1050-6 (Rp0,2 = 700 Mpa) aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und hervorragende Bearbeitbarkeit, sind interessant für die Herstellung von Bauteilen wie:

  • Aufhängungsarme und Achsschenkel für Aufhängungssysteme für Straßen– und Geländefahrzeuge
  • Untersetzungsgetriebegehäuse und Planetenträger mit einer, zwei der drei Ebenen für Planetengetriebe für Wind- und Industrieanlagen
  • Ausgleichsgetriebegehäuse und Antriebsachsen für Mähdrescher und Traktoren
  • Antriebsräder und Losräder für das Fahrwerk
  • Schnellkupplungen und Kupplungssysteme für die Land- und Forstwirtschaft.

Wenn es um strukturelle Anwendungen geht, ist das Feld sowohl in Bezug auf Anwendungen als auch auf Marktsektoren sehr breit aufgestellt.

Die Sorte ADI JS1200/3 ist eine Sorte, die in der mittleren Zone zwischen Ermüdungs– und Verschleißanwendungen positioniert ist. Im Laufe der Jahre wurden folgende Bauteile realisiert:

  • Panzerplatten und Hämmer für den Bergbausektor
  • Messer für den forstwirtschaftlichen Einsatz, aufgrund der hervorragenden Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig guter Dauerfestigkeit
  • Verzahnte Komponenten für Übertragungssysteme oder Schwingungsdämpfungssysteme (Gehäuse und Abdeckungen) für Eisenbahnfahrgestelle.

Die Sorten ADI JS/1400-1 (Rp0,2 = 1100 Mpa), ADI HBW400 (Rp0.,2 = 1100 Mpa) und ADI HBW450 (Rp0,2 = 1400 Mpa) werden in der Regel für Anwendungen gewählt, bei denen eine hervorragende Verschleißfestigkeit erforderlich ist zum:

  • Schutzplatten
  • Panzerplatten und Hämmer
  • Antriebsräder für das Fahrwerk.

Die Sorte IDI 800-6 (Rp0,2 = 480 MPa), besonders geeignet zur Verwendung bei der Herstellung von Gussteilen, für die eine vorteilhafte Kombination aus Festigkeit und Duktilität erwünscht ist, ist optimal, insbesondere bei großen Dicken und wenn es nicht möglich ist, eine ausreichende Gleichmäßigkeit beizubehalten.

Das Fehlen von Perlitisierungsmitteln und die Erzielung des Gefüges durch Wärmebehandlung ermöglichen tatsächlich gleichmäßige mechanische Eigenschaften bei unterschiedlichen Wandstärken.

Durch die Modulation des Siliziumgehalts (im Bereich, der normalerweise für ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit zulässig ist) können die Festigkeit oder die Duktilität optimiert werden.

Abbildung 1

ADI – Mindestwerte laut internationaler Norm ISO17804:2020 (separat gegossene Proben) IDI – Zanardi-Datenbank (separat gegossene Proben) Zugversuch laut Norm EN ISO 6892-1:2009, Durchmesser der Einzelprobe Φ14 mm; Härteprüfung nach Brinell laut Norm EN ISO 6506-1:2014.

Abbildung 2

Schlagfestigkeit

Es wurde vorgeschlagen, dass der Unterschied in der während der Schlagfestigkeitsprüfung absorbierten Energie zwischen den beiden Materialfamilien aus dem „Shear Lips Advantage“ der Stähle besteht, in einem Zustand der ebenen Spannung an den Außenflächen Probe für die Schlagfestigkeitsprüfung für eine größere Ausdehnung als das, was Gusseisen mit Kugelgraphit auszeichnet.

Aus diesem Konzept lässt sich ableiten, dass der Hauptunterschied zwischen Gusseisen mit Kugelgraphit und Stählen im Nach-Necking-Verhalten liegt, bei dem übliche Stähle im Gegensatz zu Gusseisen mit Kugelgraphit, wo dies durch das Vorhandensein von Graphitknollen verhindert wird, eine deutliche Einschnürung zeigen.

Daher ist die Schlagfestigkeit von Gusseisen (unkerbt und Charpy) aufgrund des unterschiedlichen Bruchverhaltens bei ebenen Zugbedingungen nicht mit der von Stählen vergleichbar; die Schlagfestigkeit ist folglich innerhalb der gleichen Materialfamilie anwendbar.

Zusätzlich zu dem Beschriebenen ist die Schlagfestigkeit für die Bestimmung der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur nüzlich und stellt ein gültiges Werkzeug für die Prozesskontrolle dar.

Abbildung 3

Bei ausferritischem Gusseisen ADI können Ingenieure berücksichtigen, dass neben der gebotenen hohen Festigkeit die Übergangstemperatur duktil-spröde dank des ausferritischen Gefüges sehr niedrig ist.

Weiter zu IDI-Gusseisen, die im Vergleich zu perlitisch-ferritischem Gusseisen gleicher Festigkeit eine mäßig höhere Duktilität bieten und auch stabiler bei Temperaturschwankungen sind.

Durch die Modulation des Siliziumgehalts (im Bereich, der normalerweise für ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit zulässig ist) können die Festigkeit oder die Duktilität optimiert werden: Mit einem niedrigen Siliziumgehalt wird die beste Schlagfestigkeit erzielt, auch wenn sie nicht auf dem Niveau von ADI800-10, ADI900-8 und ADI1050-6 liegt; mit zunehmendem Siliziumgehalt steigt die Festigkeit auf Kosten der Duktilität.

Abbildung 3

Zanardi-Versuchsdatenbank (separat gegossene Proben). Schlagfestigkeitsprüfung nach Norm UNI EN ISO148-1:2016; Probengröße 10 x 10 x 55 mm ungekerbt, Schlagradius R2 mm, Anfangsenergie 450 J. Die Schlagfestigkeitsprüfung ist an vier ungekerbten Probekörpern durchzuführen; der niedrigste Aufprallenergiewert wird verworfen und der Durchschnitt der drei verbleibenden Werte wird gemäß ISO 17804:2020 verwendet.

Dasselbe Verfahren wird für IDI verwendet.

Schlagfestigkeit auf Verschleiß

Unter den Gusseisen mit Kugelgraphit ist das für Verschleißanwendungen am besten geeignete Material ADI-Gusseisen: Alle ausferritischem Gusseisen bieten eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit gegenüber konventionellem Gusseisen und auch gegenüber IDI-Gusseisen, insbesondere bei den hohen Güten.

Tabelle 3

Mindestwerte laut internationaler Norm ISO17804:2020 (separat gegossene Proben). Zugversuch laut Norm EN ISO 6892-1:2009, Durchmesser der Einzelprobe Φ14 mm; Härteprüfung nach Brinell laut Norm EN ISO 6506-1:2014.

DasVorhandensein von restlichem Austenit bringt in der Tat ein weiteres sehr wichtiges Merkmal für ADI-Gusseisen mit sich: Es kann der sogenannten „betriebsbedingten Spannungsumwandlung“ ausgesetzt werden, wenn es hohen Normalspannungen ausgesetzt wird.

Stressinduzierte Umwandlung von ADI-Gusseisen während des Betriebs

Diese Umwandlung, die ADI-Gusseisen eine beträchtliche Verschleißfestigkeit verleiht, ist effektiver als einfaches Härten.

Die Umwandlung erfolgt in der Tat mit einer lokalisierten Volumenzunahme, die im betroffenen Bereich einen Zustand oberflächlicher Kompression verursacht.

Die mögliche Bildung und die Ausrbreitung von Rissen wird somit gehemmt und die Dauerfestigkeit des Materials erhöht. ADI-Gusseisen weisen eine bessere Verschleißfestigkeit auf als martensitische Stähle gleicher Härte.

Die Hauptanwendungen betreffen tribologische Systeme, bei denen der Verschleißprozess aus Abrieb (z. B. Fahrwerkskomponenten wie Kettenrad, Hammer für Mühlen, Panzerplatten) oder Gleitrollen (z. B. Zahnräder, Nockenstößelsysteme) besteht.

Im ersten Fall überwiegt in der Regel der Aspekt der Härte und bis zu einem gewissen Grad die Schlagfestigkeit (≥ ADI1400). Im zweiten Fall sind neben Verschleißfestigkeit auch hohe Dauerfestigkeit und gute Bearbeitbarkeit gefordert (ADI800-ADI1050-ADI1200); Die hervorragende Verschleißfestigkeit hinsichltich Wälz-Gleitbeanspruchung wird auch dank der Rolle von Graphitkugeln erreicht, die als Festschmierstoff zwischen den Kontaktkörpern wirken und die Reibung und gleichzeitig den Verschleißkoeffizienten verringern.

Die Charakterisierung des Verschleißvorgangs durch Abrieb kann durch PAT (Pin Abrasion Test) erfolgen und ist in der Lage, den abrasiven Verschleißmechanismus bei unterschiedlichen Belastungszuständen, Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern und Dauer zuverlässig wiederzugeben.

Abbildung 3

In unserem Fall wurden Tests mit dem Ziel durchgeführt, verschiedene Materialien, einschließlich der Konkurrenz, unter den folgenden Bedingungen zu vergleichen:

  • Gemäß Norm ASTM G132-96;
  • Testbedingungen: Stift (zu testendes Material) φ 8 mm, ZrO P100-Schleifscheibe, Wasserkühlung, durchschnittliche Gleitgeschwindigkeit 1,05 m/s, Belastung 0,7 MPa;
  • Relativer Verschleißwiderstand nach Definition:

Gleichung 2

wobei W die Verschleißrate des entfernten Materials darstellt. Als Referenzmaterial wurde Ni-Hard-Gusseisen (Wr = 100 %) verwendet. Die Ergebnisse in Bezug auf die relative Verschleißfestigkeit sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 2

Die Charakterisierung des Gleit-Wälz-Verschleißvorgangs kann zuverlässig mit einem Disc-on-Disc-Test (der mit zwei unterschiedlich schnell aufeinander abrollenden und gleitenden Scheiben durchgeführt wird, um die typischen Betriebsbedingungen von Getrieben nachzubilden) durchgeführt werden, sowohl bei geschmierten als auch trockenen Scheiben (Reibung und Verschleiß der sich berührenden Bauteile hängen stark vom Zustand der Schmierung ab).

Bei vorhandener Schmierung ist es möglich, Phänomene der Kontaktermüdung (Pitting) zu reproduzieren, die typisch für den Eingriff von Zahnrädern am Teilkreisdurchmesser sind (Paper PDF).

In unserem Fall ist es durch den Trockenbetrieb möglich, die Rolle der Mikrostruktur im Verschleißverhalten verschiedener Materialien besser zu analysieren, indem die adhäsiven und triboxidativen Verschleißmechanismen nachgebildet werden (Paper PDF).

Bei mechanisch bearbeiteten Proben nach der Wärmebehandlung (ADI 800, ADI 1050 und IDI) ist der Verschleißmechanismus die Adhäsion. Da der Verschleiß unter trockenen Bedingungen normalerweise mäßig ist, wenn der Mechanismus Tribooxidation ist, wurden Proben untersucht, die mit einem anderen Verfahren (Wärmebehandlung am Ende der mechanischen Bearbeitung) hergestellt wurden, um eine Oberflächenoxidschicht zu erhalten, die in der Lage ist, mäßigen tribo-oxidativen Verschleiß zu begünstigen (ADI 1200- ADI 1400-ADI WR2).

Der trockene Wälz-Gleit-Verschleißversuch wurde mit Hilfe eines Tribometers (Universal-Tribometer Mod. Amsler A135) in Disk-to-Disk-Konfiguration durchgeführt.

Abbildung 6

Die wiedergegebenen Testbedingungen sind in Bild 7 dargestellt.

Abbildung 7

Die erhaltenen Ergebnisse in Bezug auf die Verschleißrate zeigen, dass niedriges ADI-Gusseisen (Upper ADI, ADI800-10, ADI900-8 und ADI1050-6) ein besseres Verschleißverhalten aufweisen, auch aus nitriertem Stahl der Konurrenz, mit sehr geringen Verschleißraten.

„Oxidierte“ Gusseisen hingegen zeigen ein schlechteres (und vielfältigeres, aber typisch für mäßigen triboxidativen Verschleiß) Verhalten als Stahl.

Die Gusseisen ADI 800 und ADI 1050 (und auch die IDI-Gusseisen) verschleißen durch einen Adhäsionsmechanismus und erreichen niedrigere Werte hinichtlich der Verschleißrate für jede aufgebrachte Last; Der Vorteil liegt in der Entwicklung einer tribologischen Schich namens „Mechanically Mixed Layer“ und in der Schmierwirkung der Graphitkugeln, die den Reibungskoeffizienten senkt.

Abbildung 8. Trend der Verschleißrate als Funktion der aufgebrachten Last

Abbildung 9. Mechanisch gemischte Schicht

Es kann die Bildung einer Oberflächenschicht aufgrund der starken plastischen Verformung im Kontaktbereich festgestellt werden. Die betreffende tribologische Schicht wird MML (mechanically mixed layer) genannt.

Es wird angenommen, dass die MML gebildet wird, wenn eine kritische Verformung, erreicht wird, die turbulente Bewegungen des Materials auslöst, die durch die intensive Scherwirkung gefördert werden, wodurch eine Art Schutz mit hoher Härte entsteht.

Die durch die nach der mechanischen Bearbeitung durchgeführten Wärmebehandlungen zunächst oxidierten Proben verschleißen durch die Zertrümmerung der oxidierten Schicht.

Die Härtezunahme des Materials führt zu einer Abnahme der Duktilität, die es nicht mehr ermöglicht, die harte tribologische Schutzschicht MML zu bilden.

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ADI-Sorten für strukturelle Anwendungen

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ADI-Klassen für Anwendungen mit hoher Abnutzung (bewerten, ob mit dis on disc integriert werden soll)

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