Bewertung der Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) anhand der Graphitmorphologie

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) ist einer der wichtigsten Werkstoffe für zahlreiche Bauteile in PKW-, Nutzfahrzeug- und Schiffsmotoren, Energieerzeugungsaggregaten, Hydraulik- und Getriebegehäusen sowie Maschinenbetten. Die Eigenschaften des Werkstoffs werden maßgeblich durch die Graphitmorphologie bestimmt, die von der chemischen Zusammensetzung, der metallurgischen Prozessroute und den lokalen Abkühlbedingungen am Bauteil beeinflusst werden. Die fehlende Kenntnis über den Einfluss der lokalen Gefügeausbildung, insbesondere in Bezug auf die Graphitmorphologie, erschwert die Bemessung zyklisch beanspruchter Bauteile aus GJL und erschwert die konsequente Umsetzung des Leichtbaus durch eine erhöhte Werkstoffausnutzung. Um die Bauteilbemessung zu optimieren, muss es daher das Ziel sein, anhand geeigneter Parameter zur Beschreibung der Graphitmorphologie eine Abschätzung der lokalen, zyklischen Werkstoff- bzw. Bauteilbeanspruchbarkeit vorzunehmen. Für die Untersuchung werden Versuchskörper aus GJL mit der Graphitanordnung A abgegossen. Durch die Zugabe von Chrom und Kupfer wird innerhalb der Versuchskörper die Graphitpartikelgröße variiert. Zur Bestimmung der Schwingfestigkeit werden Rundproben aus den Versuchskörpern entnommen und kraftgeregelte Ermüdungsversuche durchgeführt. Mit einer digitalen Bildanalyse an metallographischen Schliffen, entnommen aus Ermüdungsproben, werden relevante Parameter zur Beschreibung der Graphitmorphologie von GJL ermittelt. Unter Verwendung statistischer Methoden wird anhand der gewonnenen Daten ein Bewertungskonzept entwickelt, das eine Abschätzung der lokalen Schwingfestigkeit des Bauteils in Abhängigkeit der Graphitmorphologie ermöglicht.

Lamellar graphite iron (LGI) is one of the most important materials for numerous components in car, commercial vehicle and ship engines, power generation units, hydraulic and gearbox housings, and machine beds. The properties of the material are largely determined by the graphite morphology, which is influenced by the chemical composition, the metallurgical process route and the local cooling conditions on the component. The lack of knowledge about the influence of the local microstructure formation, especially regarding the graphite morphology, complicates the design of cyclically stressed components made of LGI and prevents the consistent implementation of lightweight design by increased material utilization. In order to optimize the component design, the aim must therefore be to estimate the local cyclic material and component strength using suitable parameters to describe the graphite morphology. For the investigation, blocks are cast from LGI with the graphite arrangement type A. The graphite particle size is varied within the blocks by adding either chromium or copper. To determine the fatigue strength, round specimens are removed from the blocks and stress-controlled fatigue tests are carried out. Digital image analyses on metallographic sections removed from fatigue specimens are used to determine relevant parameters for describing the graphite morphology of LGI. Using statistical methods, an evaluation concept is developed based on the data obtained, which enables the local fatigue strength of the component to be estimated as a function of the graphite morphology.