Entwicklung nickelfreier austenitischer und Duplex Sphärogusseisen

Hauptziel dieses Projekts ist die Einführung eines neuen Legierungskonzepts für die Herstellung von Sphäroguss mit austenitischer und duplexer (austenitisch ferritischer) Struktur ohne die Zugabe von Ni. Die hergestellten Eisen mit austenitischer und Duplex Matrix sollen neben hervorragenden Kaltverfestigungseigenschaften eine einzigartige und überlegene Beständigkeit gegen Verschleiß, Erosion und Verzunderung aufweisen. Durch den Verzicht auf Ni als Legierungselement können diese hervorragenden Eigenschaften mit relativ geringen Produktionskosten hergestellt werden. Darüber hinaus wird die Verschleißfestigkeit durch die austenitische Phase, die in die weiche Ferritmatrix eingebettet ist, in Anbetracht der Duplexstruktur erheblich verbessert. Das Konzept der Stabilisierung des Austenits auf Raumtemperatur (RT) beruht auf der Unterdrückung der Martensit Starttemperatur (Ms), so dass diese unter RT liegt. Dies wird durch die Sättigung des Austenits mit Kohlenstoff erreicht, indem eine geeignete Austenitisierung und Wärmebehandlung durchgeführt wird, die zu einer größtmöglichen Unterdrückung von Ms führt. Zusätzlich muss eine angemessene Menge an Mn
hinzugefügt werden, um Ms weiter unter RT zu drücken und somit eine Austenitmatrix bei RT zu erhalten. Abb. 1a zeigt die thermodynamisch berechnete Abhängigkeit des Ms vom Mn Gehalt und T A . Die Abnahme der vorhergesagten Ms mit zunehmender T A ist auf die damit verbundene erhöhte C Sättigung des Austenits zurückzuführen. Um die Machbarkeit dieses Forschungskonzepts zu überprüfen, wurde ein Vorversuch an einem Sphäroguss mit 4,5 % Mn durchgeführt, der vor dem Abschrecken bei 1000 °C austenitisiert wurde. Der Sphäroguss ist nach der Wärmebehandlung aufgrund der Austenitbildung zu einem nichtmagnetischen Werkstoff geworden.

Bei weiterer Variante soll der interkritische Bereich "Ferrit + Austenit" zu höheren Temperaturen verschoben werden. Die Versetzung des interkritischen Bereichs auf eine höhere Temperatur ermöglicht es, den interkritischen Austenit mit einem hohen Kohlenstoffgehalt zu sättigen und ihn dadurch bei RT zu stabilisieren. Das stärkste Element, das diese Rolle spielen kann, ist Si. In diesem Forschungsvorhaben werden die "Ferrit + Austenit" Bereiche innerhalb der vorausberechneten Si basierten Phasendiagramme definiert, die Duplexstruktur mit ausreichend stabilisiertem Austenit entsprechen. Die mit der ThermoCalc Datenbank TCFE8 vorhergesagten Si basierten Phasendiagramme von zwei konzipierten Sphäroguss Legierungen sind in den Abb. 2 a und b dargestellt. Das "Duplexfenster " ist auf diesem Diagramm markiert. Durch Abschrecken aus dem Duplexfenster entsteht eine neuartige Matrix aus Austenit und Ferrit. Bei mechanischer Belastung dieser Struktur wandelt sich der metastabile Austenitanteil progressiv in Martensit um, wodurch die Kaltverfestigungsrate bei höheren Dehnungsniveaus erhöht wird (TRIP-Effekt). Diese erwartungsgemäß höhere Kaltverfestigung wird sowohl für das mechanische als auch für das Verschleißverhalten des Duplex-Gusseisens von Vorteil sein.

Diese Forschungsvorhaben habe ich in zwei Phasen gegliedert. In der ersten Phase sollen die experimentellen Ergebnisse mit den thermodynamischen Vorausberechnungen verglichen werden, um die Genauigkeit der für die Berechnungen verwendeten Datenbasis zu bewerten. In dieser Phase sollen die neu entwickelten Sphärogusseisen hinsichtlich ihrer Mikrostruktur und ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht werden. Die Mikrostruktur soll mittels lichtoptischer und rasterelektronischer Verfahren charakterisiert werden. Es sollen das Verfestigungsverhalten unter Zug- und Druckbelastung ausgewertet und analysiert werden.