VON INA SCHNELTING, SILVIA EIMERS, UND KLAUS WOLLHÖVER, BOCHOLT, UND KONRAD WEISS, ROETGEN

Der Zusammenhang Leichtbau und Gusseisen ruft bei vielen Konstrukteuren zunächst Verwunderung hervor. Gute Herstellbarkeit, gepaart mit Festigkeiten, die für viele Anwendungen ausreichend sind, waren jedoch in der Vergangenheit Grund genug, um in vielen Bereichen Bauteile in Gusseisen zu konstruieren und anzuwenden.

Die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen sind abhängig von seiner chemischen Zusammensetzung sowie von der Art der Abkühlung. Diese Erkenntnis wurde bereits vor mehr als 60 Jahren gewonnen und spiegelt sich in verschiedenen Diagrammen und Formeln wider. In einigen Überschlagsformeln wird der Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften aufgezeigt (Formel sh. kompl. Artikel-pdf unten). Hier wird die chemische Zusammensetzung durch den Sättigungsgrad Sc repräsentiert, wobei die Anteile an Kohlenstoff C, Silizium Si, Phosphor P, Schwefel S, und Mangan Mn berücksichtigt wurden. Neuere Gleichungen berücksichtigen auch andere Eisenbegleiter. Die mechanischen Eigenschaften wie die Zugfestigkeit Rm und die Härte HB wurden über Regressionsgleichungen bestimmt (hier für einen 30-mm-Probestab). Diese Regressionsgleichungen wurden für verschiedene Probendurchmesser und damit für verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten ermittelt.

Die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von den Abkühlungsbedingungen wurde bereits von A. Collaud beschrieben. Er fasste die Erkenntnisse über das Verhalten der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der verwendeten Legierungszusammensetzung sowie den spezifischen Bauteilgeometrien in Form von getrennt gegossenen Probestäben unterschiedlicher Dicke in einem Diagramm zusammen.

Eine Errungenschaft der letzten 40 Jahre ist die Einführung der Erstarrungs-und Abkühlungssimulation. Hierbei werden die lokal vorherrschenden Bedingungen, die zu unterschiedlicher Erstarrung führen, in die Energiegleichungen eingesetzt und diese über numerische Verfahren zu einer Lösung gebracht. Diese Berechnungen können natürlich auch für die weitere Abkühlung genutzt werden. Da den Berechnungen die Eingabe der zu berechnenden Geometrien zugrunde liegt, ist es auch möglich, lokal aufgelöste Informationen über das Abkühlverhalten zu bekommen. Angewandt auf die Diagramme, die zur Vorhersage von mechanischen Eigenschaften und Gefügen herangezogen werden können, erhält man Ergebnisse über die Gefüge und damit auch über die mechanischen Eigenschaften. Die Gefügebestandteile eines Gusseisens, die für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, lassen sich mittels eines ZTU-Schaubildes bestimmen.

Durch die Berechnung der lokalen Abkühlgeschwindigkeiten mittels numerischer Simulation ist es also heute möglich, die Festigkeitseigenschaften in einem gegossenen Bauteil vorherzusagen. Dazu werden zunächst das Erstarrungs- und dann das weitere Abkühlungsverhalten berechnet. Mit Hilfe von ZTU-Diagrammen werden dann die Gefügeanteile und die mechanischen Eigenschaften ermittelt. Die Anteile an den verschiedenen Gefügen werden farbgrafisch dargestellt, lassen sich allerdings auch quantitativ auswerten.

Die Berechnungen setzen voraus, dass die zuständigen ZTU-Schaubilder sowie deren energetische Entstehung bekannt sind. Wie ZTU-Diagramme erstellt werden, wird im Beitrag beschrieben.