SiMo1000 – Ein aluminiumlegiertes Gusseisen für ...

HEFT 11/12 GIESSEREI-RUNDSCHAU 57 (2010)Bild 7: Larson-Miller-Diagramm von SiMo1000 im Vergleich mitklassischen SiMo-Gusseisen und austenitischen GusseisenBild 4: Technische Spannungs-Dehnungs-Kurven von SiMo1000von Raumtemperatur bis 850°CBild 5: Zugfestigkeit in Abhängigkeit der Temperatur fürSiMo1000, GJS-SiMo und GJSA-XNiSiCr35-5-2bekanntermaßen gute Kriechfestigkeit der austenitischen Gusseisenjedoch nicht erreichen. Hier zeigt sich ganz klar der obenerwähnte, werkstoffphysikalische Vorteil des kfz-Gitters deraustenitischen Eisensorten gegenüber dem krz-Gitter der ferritischenSorten.Bei den thermophysikalischen Eigenschaften zeigen dieferritischen SiMo-Gusseisen klare Vorteile gegenüber demGJSA-XNiSiCr35-5-2, sowohl eine höhere Wärmeleitfähigkeit(Bild 8) als auch eine geringere Wärmeausdehnung (Bild 9),was den Aufbau von thermisch induzierten Spannungen beizyklischer Temperaturbelastung reduziert.Aufgrund seines erhöhten Legierungselementanteils erreichtSiMo1000 nicht ganz die Wärmeleitfähigkeitseigenschaftendes normalen GJS-SiMo, obwohl die teilweise vermikulareAusbildung des Graphits eigentlich eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeitmit sich bringen sollte. Der positive Effekt derGraphitform wird offenbar durch die Verminderung der Leitfähigkeitder ferritischen Matrix durch die erhöhte Menge an imMischkristall gelösten Legierungselementen mehr als zunichtegemacht.Verglichen mit GJS-SiMo weist SiMo1000 zwar eine leichthöhere Wärmeausdehnung auf, doch über weite Teile des fürAbgas führende Komponenten relevanten Temperaturbereichsliegt die Wärmeausdehnung von SiMo1000 immer noch deutlichunter derjenigen des austenitischen GJSA-XNiSiCr35-5-2.Die geringe Wärmeausdehnung von GJSA-XNiSiCr35-5-2 beitiefen Temperaturen bis rund 200 °C steht im Zusammenhangmit dem Invar-Effekt, entspricht doch der Nickelgehalt derBild 6: Warmzugfestigkeit in Abhängigkeit der Temperatur fürSiMo1000, GJS-SiMo u. GJSA-XNiSiCr35-5-2Bild 8: Wärmeleitfähigkeit von SiMo1000, GJS-SiMo und GJSA-XNiSiCr35-5-2233

GIESSEREI-RUNDSCHAU 57 (2010) HEFT 11/12VerzunderungDie Verbesserung der Zunderbeständigkeit gegenüber den klassischenSiMo-Gusseisen war eines der Hauptziele bei der Entwicklungvon SiMo1000. Verzunderung führt einerseits zu einerSchwächung der Wanddicke der typischerweise schondünnwandigen Bauteile wie Abgaskrümmer und Turboladergehäuse,andererseits kann abplatzender Zunder zu Beschädigungender Turbine oder Funktionsbeeinträchtigungen vonPartikelfilter und Katalysator führen.Die Zunderbeständigkeit ist keine absolute Werkstoffkennzahl,welche in einem genormten Test ermittelt werden könnte.Verzunderungsversuche sind deshalb meistens nur Relativvergleichezwischen verschiedenen Werkstoffen. Im Bereichbis rund 750 °C ist die Messung der Gewichtszunahme eine geeigneteMethode zur Quantifizierung der Verzunderung, da indiesem Temperaturbereich noch keine Entkohlung stattfindet,und auch die Haftfähigkeit der Zunderschicht in der Regelnoch unproblematisch ist. In Bild 10 ist die Verzunderung bei700 °C unter normaler Luftatmosphäre dargestellt. SiMo1000zeigt dabei eine rund fünf- bis zehnmal geringere Verzunderungals die anderen SiMo-Gusseisen und ist bei dieser Temperatursogar dem GJSA-XNiSiCr35-5-2 überlegen. Dieses Bildbestätigte sich auch bei höheren Temperaturen bis rund850 °C; darüber beginnt auch SiMo1000 verstärkt zu verzundern,während sich der GJSA-XNiSiCr35-5-2 selbst dort nochzunderbeständig zeigt.Bild 9: Wärmeausdehnungskoeffizient von SiMo1000, GJS-SiMound GJSA-XNiSiCr35-5-2Matrixzusammensetzung dieser Gusseisensorte ziemlich genaudemjenigen der klassischen Invar-Legierung FeNi36. Der Invar-Effekt nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab und verschwindetoberhalb der Curie-Temperatur vollständig.Fazit und AusblickDurch die Entwicklung des SiMo1000 ist es gelungen, dasEinsatzgebiet der ferritischen Gusseisen zu höheren Temperaturenhin zu erweitern. Mit seinem gegenüber den klassischenSiMo-Gusseisen deutlich verbesserten Eigenschaftsprofil– einer markant verbesserten Zunderbeständigkeit, einererhöhten Warmfestigkeit und einer höherenUmwandlungstemperatur – kann SiMo1000 bis zu einerBauteiltemperatur von rund 860 °C den teureren, austenitischenWerkstoff GJSA-XNiSiCr35-5-2 sehr gut substituieren.Aufgrund der Umwandlungstemperatur von etwa 900 °Csind kurzfristig auch etwas höhere Bauteiltemperaturen zulässig.Bei gleicher Geometrie des Bauteils bietet SiMo1000wegen seiner geringeren Dichte zudem ein Gewichtseinsparpotentialvon etwa 8 %.Das Hauptaugenmerk der laufenden Legierungsoptimierungliegt auf einer weiteren Steigerung der Warmfestigkeit.Erste Versuche mit einer geringen Zugabe von karbidbildendenElementen der Gruppen 4 und 5 des Periodensystemsweisen darauf hin, dass eine Steigerung der Warmfestigkeitum rund 20 % reproduzierbar erreicht werden kann.Literatur[1] R. Krebs et al., MTZ 66 (2005) Nr. 11, S. 844–856.[2] W. Kallen, K. Röhrig, konstruieren + giessen 26 (2001) Nr. 4,S. 17–39.[3] R. Bürgel in: Handbuch Hochtemperaturwerkstofftechnik: Grundlagen,Werkstoffbeanspruchungen, Hochtemperaturlegierungenund -beschichtungen, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden,3. Auflage 2006.[4] K. Röhrig, D. Wolters in: Legiertes Gusseisen: Band 1, Giesserei-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1970.[5] H. Ishii et al., Materials Transactions 44 (2003) Nr. 9, S. 1679–1681.[6] N. Aleksandrov et al., Patent DE2623239, 1977.[7] B. Black et al., SAE Paper No. 2002-01-2115, 2002.[8] S. Hasse in: Duktiles Gusseisen: Handbuch für Gusserzeuger undGussanwender, Fachverlag Schiele Schön GmbH, Berlin, 1996.Der Beitrag wurde bereits in der GIESSEREI 10/2010, S. 28/34publiziert. Wir danken für die Zustimmung zum Nachdruck.Bild 10: Gewichtszunahme verschiedener Gusseisen durch Verzunderungbei 700°C an ruhender LuftKontaktadressen:Dr. Simon Kleiner,c/o Berner Fachhochschule,Abtlg. Technik und Informatik,CH-2501 Biel, Quellgasse 21, Postfach,Tel.: +41 32 321 62 22,simon.kleiner@bfh.chIng. Kurt Track,Georg Fischer Eisenguss GmbH,3130 Herzogenburg/NÖ, Wienerstraße 41–43,Tel.: +43 (0)2782 800 2262,kurt.track@georgfischer.com234