Ausvergütete Gussteile aus duktilem Eisen: Eigenschaften, Verfahren und Anwendungen

Der Kompressorhersteller hat uns kürzlich gebeten, einen Zylinderguss zu überprüfen, der nach etwa 8.000 Betriebsstunden immer wieder Risse am Auslassventilsitz aufwies. Das Teil wurde aus herkömmlichem Sphäroguss hergestellt und die Versagensart kombinierte Schlagermüdung mit Gleitverschleiß. Das ist genau die Situation, in der Gussteile aus vergütetem Sphäroguss einen genauen Blick verdienen, bevor jemand das Bauteil in Stahl umzieht.

Austemperierter Sphäroguss, allgemein als ADI bezeichnet, ist Sphäroguss, der wärmebehandelt wurde, um seine Festigkeit etwa zu verdoppeln und gleichzeitig die Formfreiheit eines Gussteils beizubehalten. Bei vielen Bauteilen, die derzeit aus geschmiedetem oder gefertigtem Stahl hergestellt werden, bietet ADI vergleichbare mechanische Eigenschaften bei geringeren Teilekosten und einem geringeren Gewicht. In diesem Artikel wird erklärt, was ADI ist, wie der Austempering-Prozess funktioniert, welche Eigenschaften Sie angeben können und wo Sie zweimal darüber nachdenken sollten.

Was ist austemperiertes duktiles Eisen?

ADI beginnt als Sphäroguss, auch bekannt als Sphäroguss oder Kugelgraphitguss. Der Graphit bildet in seiner Struktur kleine Kugeln und nicht die Flocken, die in Grauguss vorkommen, und diese Kugelform verleiht Sphäroguss seine Zähigkeit und Dehnung. Wenn Sie eine Auffrischung darüber benötigen, wie Sphäroguss hergestellt wird und wie es sich von Grauguss unterscheidet, Diese Übersicht über Sphäroguss erklärt die Grundlagen.

Die Austempering-Behandlung wandelt die Metallmatrix um diese Graphitknötchen in eine Struktur namens Ausferrit um. Ausferrit ist eine Mischung aus feinem nadelförmigem Ferrit und kohlenstoffangereichertem Austenit. Es ist kein Perlit, kein Bainit und kein angelassener Martensit. Die Kombination dieser harten, ermüdungsbeständigen Matrix mit duktilen Graphitkügelchen verleiht ADI sein ungewöhnliches Eigenschaftspaket.

Ein häufiges Missverständnis besteht darin, dass es sich bei ADI einfach um eine stärkere Sphärogusssorte handelt. Das Ausgangsmaterial ist Sphäroguss, die hochfesten Güten entstehen jedoch erst durch die Wärmebehandlung. Herkömmliches Sphäroguss bietet Zugfestigkeiten im Bereich von 400 bis 700 MPa; ADI-Qualitäten beginnen bei etwa 850 MPa und reichen über 1.400 MPa.

Wie der Austempering-Prozess funktioniert

Austempering ist eine dreistufige Wärmebehandlung, die weitaus mehr Kontrolle erfordert als ein typischer Abschreck- und Anlasszyklus.

1. Austenitisieren: Das Gussstück wird in den Austenitbereich erhitzt, normalerweise 830 bis 930 °C, und gehalten, bis die Matrix vollständig austenitisch ist.
2. Abschrecken: Das Gussstück wird schnell in ein geschmolzenes Salzbad mit einer Temperatur von 230 bis 400 °C überführt. Das Salzbad kühlt das Teil schnell genug ab, um die Bildung von Ferrit oder Perlit zu verhindern, aber dennoch gleichmäßig genug, um Verformungen zu minimieren.
3. Isotherme Umwandlung: Das Gussstück wird für eine definierte Zeit auf der Salzbadtemperatur gehalten, während sich Austenit in Ausferrit umwandelt.

Das geschmolzene Salzbad macht das Verfahren praktisch. Das Abschrecken mit Wasser ist für komplexe Gussteile zu aggressiv und die Luftkühlung ist für die meisten Abschnitte zu langsam. Salz sorgt für eine gleichmäßige, kontrollierbare Abkühlungsrate. Nach dem isothermen Halten wird der Guss entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die Salzbadtemperatur hat direkten Einfluss auf die Endnote. Niedrigere Temperaturen, etwa 230 bis 315 °C, führen zu höherer Festigkeit und Härte bei geringerer Duktilität. Höhere Temperaturen, etwa 315 bis 400 °C, führen zu größerer Zähigkeit und Dehnung. Derselbe Grundguss kann durch einfache Anpassung der Wärmebehandlung auf mehrere unterschiedliche Qualitäten vorvergütet werden.

Mechanische Eigenschaften von ADI-Gussteilen

ADI-Eigenschaften sind international standardisiert, am häufigsten unter ASTM A897/A897M. Die Sortenbezeichnung enthält drei Zahlen: Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnungsprozentsatz. Die folgende Tabelle fasst die Standard-ADI-Klassen zusammen.

Was diese Zahlen in der Praxis bedeuten: Eine Sorte 900-650-10 verhält sich wie ein zähes Struktureisen mit einer Festigkeit, die weit über der von herkömmlichem Sphäroguss liegt. Eine Sorte 1400-1100-1 verhält sich eher wie ein Verschleißteil, das auch erhebliche Belastungen trägt.

ADI verfügt außerdem über ein starkes Ermüdungsverhalten. Die ausferritische Matrix widersteht der Rissbildung und die durch das Austempern entstehenden Druckeigenspannungen verbessern die Biegeermüdungsfestigkeit. Generell schneidet ADI im Vergleich zu vergüteten Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen gut ab, was es zu einem Kandidaten für Komponenten macht, bei denen derzeit das Schmieden oder Herstellen von Stahl die Standardeinstellung ist.

Anwendungen von Gussteilen aus austemperiertem duktilem Eisen

ADI kommt in Automobilantriebssträngen, landwirtschaftlichen Geräten, Bergbaumaschinen, Eisenbahnkomponenten und der industriellen Flüssigkeitshandhabung zum Einsatz. Das gemeinsame Gewinde ist ein Teil, das Lasten trägt, Ermüdungs- oder Verschleißerscheinungen unterliegt und den Vorteil hat, dass es sich um ein Gussstück und nicht um ein Schweiß- oder Schmiedestück handelt.

Kompressorkomponenten

Kompressoren verursachen Druckwechsel, Gleitkontakt und hohe lokale Spannungen. Zylinder, Kurbelgehäuse, Ventilplatten und Auspuffsitze benötigen ein Material, das sich über Zehntausende von Stunden nicht abnutzt, nicht verschleißt oder reißt. ADI-Zylindergussteile profitieren von der Kombination aus Bohrungsoberflächenhärte und Druckfestigkeit. Eine Gießerei, die bereits produziert Gussteile für Kompressorzylinder in duktilem Eisen verfügt über die grundlegenden Materialkenntnisse, die zur Bewertung einer austemperierten Version für eine Hochleistungsanwendung erforderlich sind.

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Gussteile für Pumpen und Ventile

Pumpen und Ventile sind mit Kavitationserosion, abrasiven Medien und Anforderungen an die Druckhaltung konfrontiert. Die hohe Härte von ADI widersteht Kavitation und Partikelerosion besser als herkömmliches Sphäroguss, während die Duktilität der niedrigeren Qualitäten das Teil bei Stoßbelastungen sicher hält. Laufräder, Verschleißringe und Ventilkörper sind natürliche Kandidaten. Für Pumpenkörpergussteile Im Hochdruck- oder Schlammbetrieb kann die Angabe einer vergüteten Güte die Lebensdauer deutlich verlängern.

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Werkzeugmaschinenstrukturen

Führungssysteme und Strukturbauteile von Werkzeugmaschinen benötigen Steifigkeit, Dämpfung und verschleißfeste Oberflächen. Ausvergütetes Sphäroguss bietet eine höhere Härte als herkömmliches Gusseisen und behält gleichzeitig den vibrationsdämpfenden Charakter bei, der Gusseisen für Werkzeugmaschinen wertvoll macht. Führungen, Schlitten usw Grundgussteile für Werkzeugmaschinen kann mit der nahezu endkonturnahen Form eines Gussstücks hergestellt und anschließend auf die endgültige Geometrie geschliffen oder geschabt werden.

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Kosten- und Designüberlegungen

ADI ist nicht automatisch für jedes Casting die richtige Antwort. Durch die Wärmebehandlung entstehen zusätzliche Kosten, und die zusätzlichen Kosten müssen gerechtfertigt sein.

Gewichtsreduktion

Da ADI etwa doppelt so stark ist wie herkömmliches Sphäroguss, können die Abschnitte dünner hergestellt werden. Gewichtsreduzierungen von 20 bis 30 Prozent sind realistisch, wenn ein bestehendes Sphärogussteil in ADI neu konstruiert wird. Beim Austausch einer Stahlkonstruktion sind die Kosten pro Kilogramm ADI geringer und Sie sparen sich die Schweiß- und Nachbearbeitungsarbeiten, die für eine Stahlschweißkonstruktion erforderlich sind.

Bearbeitung nach Austempering

Austemperiertes Eisen ist hart, typischerweise 300 HB und mehr. Bohren, Gewindeschneiden und Fräsen nach der Wärmebehandlung erfordern Hartmetallwerkzeuge und erhöhen die Bearbeitungskosten. Viele Hersteller bearbeiten das Teil im Zustand aus Sphäroguss und vergüten es anschließend als fast letzten Schritt. Das funktioniert, wenn die Wärmebehandlung das Teil nicht über die Toleranz hinaus verformt. Wenn nach dem Austempern eine Bearbeitung erfolgen muss, halten Sie die Aufmaße klein und planen Sie härtere Werkzeuge ein.

Abschnittsgröße und Prozessempfindlichkeit

Die Reaktion des Austemperings hängt von der Abschnittsdicke ab. Schwere Abschnitte können in der Mitte zu langsam abkühlen, wodurch eine gemischte Struktur mit schlechteren Eigenschaften entsteht, als das Teststück anzeigt. Gleichmäßige Wandstärken und fließende Übergänge schützen Sie vor dieser Gefahr. Ihre Gießerei sollte bestätigen, dass die gewählte Qualität im dicksten Abschnitt des Teils erreicht werden kann.

Qualitätsüberprüfung

ADI-Eigenschaften können nicht allein durch Härtemessung überprüft werden. Testproben aus derselben Schmelze, Zugprüfungen, metallografische Auswertungen und Härteuntersuchungen im gesamten Gussstück sind die übliche Verifizierungssuite. Wenn ein Lieferant diese Dokumentation nicht bereitstellen kann, behandeln Sie die Materialspezifikation mit Vorsicht. Im Wärmebehandlungsschritt entsteht ADI-Qualität oder geht verloren.

Partnerschaft mit einer Gießerei, die sich mit duktilem Eisen auskennt

Der Basisguss bestimmt, wie weit Sie mit der Austemperierung gelangen können. Schmelzequalität, Knötchenbildung, Schrumpfungskontrolle und eine konsistente chemische Zusammensetzung werden in der Gießerei festgelegt, bevor das Teil in ein Salzbad gelangt. Hier schafft eine spezielle Gusseisengießerei einen Mehrwert.

Haian Aoyu Machinery Manufacturing Co., Ltd. ist eine Gießerei für duktiles Eisen und Grauguss in Nantong, China, die Gussteile für Kompressoren, Pumpen, Ventile und Werkzeugmaschinen an Kunden in Nordamerika, Europa und Asien liefert. Mit einer Jahreskapazität von 20.000 Tonnen produziert das Unternehmen genau die Komponentenfamilien, bei denen ADI am häufigsten zum Einsatz kommt, darunter Kompressorgehäuse und -zylinder, Pumpengehäuse und Werkzeugmaschinenbasen. Das Ingenieurteam überprüft bei jedem Projekt die Lastbedingungen und Betriebsumgebungen. Daher ist die Angebotsphase der richtige Zeitpunkt, um zu fragen, ob eine austemperierte Sorte in Betracht gezogen werden sollte.

Wenn Sie sich wegen ADI an eine Gießerei wenden, bringen Sie drei Dinge mit: den vollständigen Belastungsverlauf des Teils, den erwarteten Verschleißmechanismus und die Maßtoleranzen, die die Wärmebehandlung überstehen müssen. Viele Komponenten, die derzeit aus konventionellen Sphäroguss- oder Stahlschmiedeteilen hergestellt werden, könnten als austemperierte Gussteile aus Sphäroguss hergestellt werden. Das Material hat sich seit Jahrzehnten in der Produktion bewährt, und die einzige Möglichkeit herauszufinden, ob es zu Ihrem Bauteil passt, ist ein Gespräch mit einer Gießerei, die den Prozess versteht.