Entwicklung nickelfreier austenitischer und Duplex-Sphärogüsse

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mohamed Soliman
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509433619

Gusseisen ist bekanntlich ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der verteilte und eingebettete Graphitteilchen in der Matrix enthält. Aufgrund seiner relativ niedrigen Herstellungskosten, seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und seiner guten tribologischen Eigenschaften wird es häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Bauteil Verschleiß und Hitze ausgesetzt ist. Der Hauptgrund für die guten tribologischen Eigenschaften ist auf die Anwesenheit von Graphit als Festphasen-Selbstschmiermittel in der Matrix zurückzuführen. Eine zusätzliche Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Gusseisen wird durch die Erzeugung einer austenitischen Matrix erreicht. Bei den austenitischen Gusseisen handelt es sich um eine Reihe von Werkstoffen, die als Ni-Resist-Gusseisen bekannt sind und typischerweise einen hohen Nickelgehalt von 18 bis 36 % aufweisen. Das primäre Ziel dieses Antrags ist die Einführung eines neuen Legierungskonzepts zur Herstellung von Sphäroguss sowohl mit austenitischem als auch mit Duplex (austenitisch-ferritischem) Gefüge ohne Zugabe von Ni. Das Konzept zur Stabilisierung des Austenits in diesem Vorhaben beruht hauptsächlich auf seiner Sättigung mit dem maximal möglichen Kohlenstoffgehalt durch Anwendung einer Hochtemperatur-Austenitisierung mit anschließendem Abschrecken auf Raumtemperatur (RT). Zusätzlich soll eine ausreichende Zugabe von Mn erfolgen, sodass die Martensitstarttemperatur (Ms) weiter unter RT gedrückt wird, um somit eine Austenit-Matrix bei RT zu erhalten. Eine weitere Variante, bei der die Herstellung von Sphäroguss mit Duplex-Matrixstruktur angestrebt wird. Bei dieser Variante wird der Si-Gehalt erhöht, um den interkritischen Bereich "Ferrit + Austenit" auf hohe Temperaturen zu versetzen und somit einen gesättigten interkritischen Austenit mit hohem Kohlenstoffgehalt zu erhalten. Durch Abschrecken kann eine neuartige Matrix aus Austenit und Ferrit erzeugt werden. In diesem Antrag werden die Zusammensetzungs-Temperaturbereiche innerhalb der vorausberechneten Si-basierten Phasendiagramme definiert, die erforderlich sind, um die Duplexstruktur mit ausreichend stabilisiertem Austenit (Duplexfenster) zu erhalten. Bei mechanischer Belastung der Duplex-Matrix wandelt sich der metastabile Austenitanteil progressiv in Martensit um, wodurch die Kaltverfestigungsrate bei höheren Dehnungsniveaus erhöht wird (TRIP-Effekt). Diese erwartungsgemäß höhere Kaltverfestigungscharakteristik wäre sowohl für das mechanische als auch für das Verschleißverhalten des Duplex-Gusseisens von Vorteil. Im Rahmen des beantragten Projektes sollen die Legierungszusammensetzungen und Prozessparameter für ein kostengünstiges Legieren der austenitischen und Duplex-Sphärogüsse definiert werden. Zusätzlich sollen die Auswirkungen der Mn- und Si-Gehalte und der Prozessrouten auf die Gefügeentwicklung und das mechanische Verhalten der entwickelten Werkstoffe untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen