Einfluss von Legierungselementen auf die Gefügeausbildung und mechanische Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit

Wüller, Eike; Bührig-Polaczek, Andreas; Deike, Rüdiger

doi:34617

Einfluss von Legierungselementen auf die Gefügeausbildung und mechanische Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit = Influence of alloying elements on the microstructure and Mechanical Properties of Ductile iron

Wüller, Eike

2015

VerantwortlichkeitsangabeEike Wüller

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2015

Umfang116 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-944601-06-9

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung / Giesserei-Institut, RWTH Aachen University ; 17

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Deike, Rüdiger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-01-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-011678
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463984/files/463984.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463984/files/463984.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gusseisen mit Kugelgraphit ist einer der meist produzierten Werkstoffe, welcher ein großes Eigenschaftsspektrum besitzt. Während die Eigenschaftsänderungen durch die Variation des Gehaltes eines Elementes in der chemischen Zusammensetzung weitestgehend bekannt sind, so ist die Wechselwirkung mehrerer Elemente nur wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Legierungselemente Silizium, Kupfer und Nickel auf die Gefügeeigenschaften und die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit untersucht. Die Untersuchung der Eigenschaftsänderungen hinsichtlich dieser Merkmale dient dazu, dass nicht nur der Einfluss der Legierungszusammensetzung auf die einzelne Eigenschaften untersucht wird, sondern auch der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften auf unterschiedlichen Größenskalen. Bei den mechanischen Eigenschaften werden die Größen Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte betrachtet. Das Gefüge wird hinsichtlich der Graphitausbildung, die Flächenverteilung von Ferrit und Perlit in der Matrix, sowie die chemische Zusammensetzung bzw. Seigerungen und Mikrohärte der Matrixkomponenten analysiert. Darüber hinaus werden thermodynamische Berechnungen durchgeführt, um die Vorgänge bzw. Ursachen für die Eigenschaftsänderung näher zu betrachten. Für ein möglichst genaues Ergebnis mit einem großem Anwendungsfeld und einer hohen statistischen Sicherheit bei möglichst geringem Versuchsumfang, wird die Versuchsplanung mithilfe eines DoE-Versuchsplan gestaltet. Bei dem verwendeten Versuchsplan handelt es sich um einen zentral zusammengesetzten Versuchsplan. Dieser wird gewählt, da durch dessen Verwendung lineare Einzel- und Wechselwirkungen der Komponenten sowie quadratische Effekte der Einzelkomponenten dargestellt werden können. Durch Varianzanalysen werden die Ergebnisse ausgewertet, um die Parameter mit statistisch signifikanten Einfluss zu identifizieren, um anschließend eine Korrelation zwischen der chemischen Zusammensetzung und den Gefügeeigenschaften bzw. mechanischen Eigenschaften durchzuführen. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden wiederholt anhand des Bestimmtheitsmaßes der Regressionsgleichung überprüft. Als Ergebnis konnten Gleichungen für die Eigenschaften Zugfestigkeit, Dehnung, Streckgrenze, Härte, Ferritanteil, sowie die Mikrohärte von Ferrit und Perlit ermittelt werden. Keine statistisch relevanten Gleichungen konnten für die Größen Rundheit des Graphits und Sphärolitendichte gefunden werden. Bei der Korrelation der makroskopischen mit den mikroskopischen Eigenschaften konnte festgestellt werden, dass die makroskopischen Eigenschaften im Wesentlichen von dem Ferritanteil in der Matrix und dessen Härte abhängen. Die thermodynamischen Berechnungen und die quantitative Elementenanalyse zeigen, dass mit steigendem Siliziumgehalt die Kohlenstoffkonzentration in der Matrix abnimmt, durch steigenden Kupfer- und Nickelgehalt zunimmt. Es kommt zum Einen zur Verfestigung des Ferrits durch Silizium bzw. Kohlenstoff und zum Anderen zur Verfestigung der Matrix durch Perlitbildung auf Grund hoher Kohlenstoffgehalte in der Matrix.

The versatile material known as ductile iron is one of the most produced materials today. The effect of each individual element in the wide range of ductile iron properties is well documented but the combined effect of some of these elements is yet not fully understood. This work is aimed to investigate the individual and combined effect of silicon, copper and nickel in the tensile strength, yield strength, elongation and macro-hardness of ductile iron. This work also shows the results of the investigations done at a microstructural level, namely the influence of these chemical elements in the graphite morphology and the area distribution, hardness and chemical segregation of the pearlite and ferrite present in the matrix. Furthermore, this work is also aimed to find the fundamental reasons for the changes in the ductile iron properties associated with the combined influence of these three elements based on the results of thermodynamic calculations. The experiments were defined based on a design of experiments tool so to decrease the number of experiments while assuring statistical precision of the results. The statistical evaluations performed were based on linear and exponential regressions of single and multiple variables, accounting for the weight of each individual variable in the case of the multiple regressions. These statistic evaluations make it possible to find correlations between the chemical elements, in individual form or combined, and the mechanical properties and microstructure of ductile iron. The results of these evaluations made it possible to establish equations describing the correlation between silicon, copper, nickel and tensile strength, yield strength, elongation, hardness, amount of ferrite and hardness of ferrite and pearlite. No significant correlations were found for both nodularity and nodular density. Regarding the correlation between macro and micro properties the analysis showed that the macroscopic properties are mostly dependent on the amount and hardness of ferrite. The thermodynamic calculations and the quantitative element analysis show that increasingly higher silicon contents lead to lower carbon concentration in the matrix whereas the increase in both copper and nickel lead to higher carbon concentrations. Silicon and carbon harden the ferrite and carbon hardens the matrix due to its pearlite promoting effect.

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