Einfluss lokaler Abkühlgeschwindigkeiten auf Gefüge und Eigenschaften von Gusseisenlegierungen
Die Gefüge und damit die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenlegierungen sind im Wesentlichen abhängig von
- der chemischen Zusammensetzung,
- dem Keimhaushalt und den lokalen Abkühlgeschwindigkeiten.
- und den lokalen Abkühlgeschwindigkeiten.
Diese drei Einflussgrößen müssen in Simulationsmodellen berücksichtigt werden, um verlässliche Vorhersagen treffen zu können. Den Anteil an eutektischer Phase, die im Gleichgewicht für eine Zusammensetzung bei der Erstarrung auftritt, kann man über den berichtigten Sättigungsgrad SR nach E. Piwowarsky beschreiben (Anteil eutektischer Erstarrung/ Gesamterstarrung) → (C-CE)/(CC-CE). Im folgenden Beispiel einer Legierung mit einem Kohlenstoffäquivalent (CE) von 3,9 %, ergibt sich ein eutektischer Anteil von 83 %.
Abbildung 1: Eutektischer Anteil im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Der Anteil an Primärphase (Primäraustenit) beträgt demnach 17 %.
Abbildung 2: Anteil Primärphase
Die Simulation zeigt aber substanzielle Unterschiede im Primäraustenitanteil, im Wesentlichen durch lokal unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten verursacht. Der theoretische Wert von 17 % wird lediglich im thermischen Zentrum erreicht.
Der Grund dieses Verhaltens ist das unterschiedliche Einsetzen der eutektischen Erstarrung. In schneller abkühlenden Bereichen (dünne Wände, Oberflächen) ist die Unterkühlung unterhalb der eutektischen Temperatur größer als in langsamer abkühlenden Bereichen (thermisches Zentrum, dicke Bereiche). Dies äußert sich auch in den entsprechenden Abkühlkurven.
Abbildung 3: Simulierte Abkühlkurven
Durch das verzögerte Einsetzen der eutektischen Erstarrung verlängert sich aber die Ausscheidungszeit der Primärphase und damit des Primäraustenits, was im Zustandsdiagramm veranschaulicht werden kann.
Abbildung 4: Primäraustenit im Zustandsdiagramm
Es ergeben sich nun unterschiedliche Hebelverhältnisse (x/y) auf den metastabil verlängerten Solidus- und Liquiduslinien im Unterkühlungsbereich, die zu einem veränderten Anteil an Primär- bzw. eutektischer Erstarrung führen. Dies wird in der Simulation lokal abgebildet.