Autoren

bei Anwendungen, bei denen neben hoher Fes-tigkeit und ausreichender Zähigkeit auch noch Verschleißfestigkeit gefordert ist (Zahnkränze, Kurbelwellen, Lauf- und Förderrollen usw.).

Der größte Markt liegt im Bereich Lastwa-gen, Busse und schwere Anhänger. Im ame-rikanischen und europäischen Markt sind An-wendungen im Fahrwerksbereich Allgemein-gut. Volvo, Saab, Freightliner, Iveco, MAN, Na-vistar, DaimlerChrysler, General Motors, Ford, Kenworth und Mack und ihre Tier 1– und Tier 2-Supplier setzen alle ADI-Komponenten ein.

ADI in der Forschung

Die Aktualität des Themas für den europäi-schen Markt zeigt sich auch an einigen For-schungsthemen, die derzeit in Deutschland be-arbeitet werden. Ziel ist der Einsatz von ADI in Sicherheitsbauteilen im Fahrwerksbereich, um

ADI steht für Austempered Ductile Iron und bezeichnet einen wärmebehandelten duk-tilen Sphäroguss, der bei gleicher Bruchdeh-nung eine doppelt so hohe Festigkeit wie kon-ventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit auf-weist. ADI hat als typischer Gusseisenwerkstoff aufgrund seines hohen Graphitanteils eine etwa 10 % geringere Dichte als Stahl und weist das für Gusseisen übliche gute (Geräusch-) Dämpfungsvermögen auf. Die Zugfestigkeit ist vergleichbar mit der vieler Stahlsorten. Im Ver-hältnis zu Sphäroguss liegen die Dauerfestig-keitswerte auf fast doppelt so hohem Niveau (Bild 1). Oberflächenbehandlungen wie Fest-walzen, Shot Peening oder Bearbeitung nach der Wärmebehandlung verbessern sie noch-mals.

Das Kerbempfindlichkeitsverhältnis, das das Verhältnis der Dauerfestigkeit von unge-kerbten und gekerbten Proben bezeichnet, liegt für ADI bei den untersuchten Kerbgeome-trien zwischen 1,2 und 1,6, während es für Schmiedestahl zwischen 2,2 und 2,4 liegt. ADI ist also weniger kerbempfindlich. Anders als bei konventionellen Gusseisensorten mit Ku-gelgraphit verläuft die Dauerfestigkeit von un-gekerbten ADI-Proben nicht proportional zur Zugfestigkeit, sondern zeigt ein Maximum für die Werkstoffe, die aufgrund der Temperatur-führung bei der Wärmebehandlung einen be-sonders hohen Anteil an stabilisiertem Aus-tenit enthalten. Die Zugfestigkeit ist also bei ADI kein Maß für die Dauerfestigkeit [1].

Besonders interessant ist dieser Aspekt selbstverständlich hinsichtlich der tech-nischen Betriebsfestigkeit realer Bauteile und der Abschätzung ihrer Versagenswahrschein-lichkeit unter Schädigung, das heißt der intrin-sische Widerstand eines Werkstoffs gegen Riss-

Kosten- und lastfalloptimiert konstruieren

ADI – Leichtbau mit Gusseisen Bei der Wahl eines geeigneten Werkstoffs hat der Konstrukteur die Qual der Wahl: entweder hochfest, aber spröde (Keramik), oder zäh, aber weniger

fest. Eine Optimierung dieser gegenläufigen Eigenschaften schließt sich bei konventionellen Konstruktionswerkstoffen aus. In diesem Spannungsfeld er-

öffnet die Gruppe der ADI-Gusseisenwerkstoffe völlig neue Horizonte, denn hier gilt: „Strength meets toughness“.

Werkstoff

Kurzzeichen

ZugfestigkeitRm

[N/mm2]

0,2%-Dehngrenze Rp0,2

[N/mm2]

BruchdehnungA5

[%]

HärteHB 30

Bainitisches GusseisenEN-GJS-800-8 > 800 > 500 > 8 260...320EN-GJS-1000-5 > 1 000 > 700 > 5 300...360EN-GJS-1200-2 > 1 200 > 850 > 2 340...440EN-GJS-1400-1 > 1 400 > 1 100 > 1 380...480

Gusseisen mit KugelgraphitEN-GJS-350-22-LT > 350 > 220 22 110...150EN-GJS-400-15 > 400 > 250 15 135...185EN-GJS-700-2 > 700 > 420 2 235...285

Mechanisch-physikalische

Werkstoffdaten für ADI

nach DIN EN 1564 und

zum Vergleich Gusseisen

mit Kugelgraphit nach DIN

EN 1563

Bild 1 Eigenschaften von Guss-

eisenwerkstoffen im Ver-

gleich.

fortschritt. Um die Zähigkeit verschiedener Werkstoffe zu vergleichen, wird gern die jewei-lige Kerbschlagarbeit der Werkstoffe genutzt. Diese Werte sind experimentell mit wenig Auf-wand zu ermitteln, bieten aber keine Hilfe bei der Auslegung von Bauteilen. Die Kerbschlag-arbeit von gekerbten und ungekerbten Charpy-Proben bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen sind geringer als die von Schmiedestählen, aber drei Mal höher als die von konventionellen Gusseisensorten mit Ku-gelgraphit [2].

Aufgrund der hohen Festigkeits- und Deh-nungswerte (Tabelle) können bei vorgege-benen Lasten extrem leichte Bauteile konstru-iert werden – ADI-Konstruktionen können so-gar gegenüber Aluminiumlösungen leichter sein [3]. ADI ist also weit mehr als eine Alter-native zu EN-GJS-600–3 oder St37. Es steht bei niedrigeren Kosten im Wettbewerb mit Stahlguss, mit vergüteten Schmiedestählen mit hoher Festigkeit wie 42CrMo4 und 34CrNiMo6 und sogar zu typischen „Leicht-bauwerkstoffen“ [4].

Großes Marktpotential im Fahr-zeugbau

Zu Beginn des verstärkten ADI-Einsatzes in den USA waren etliche Anwendungen im Zahnradbereich erfolgreich. Dabei stellte sich heraus, dass nicht nur die erforderlichen me-chanischen Eigenschaften erfüllt wurden, son-dern neben den geforderten Lasteigenschaften im Betrieb auch eine deutliche Geräuschmin-derung auftrat. Zusätzlich weisen Bauteile aus ADI wie beispielsweise Zylinder aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts auch gewisse Not-laufeigenschaften auf. ADI bewährt sich auch

Dipl.-Ing. Jens Gründling, Technischer Vertrieb, Tel. 0521/9315–236, Dr.-Ing. Christine Bartels, Produktentwicklung, Tel. 05241/938–234, Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Ulf Schliephake, Technischer Vertrieb, Tel. 0521/9315–254, CLAAS GUSS GmbH, Am Stadtholz 52, 33609 Bielefeld.

Sonderdruck aus Heft 6 (2003)/Heft 7-8/2004

Schmiedeteile zu ersetzen (Gewichts- und Kos-tenvorteile). Für diese dynamisch hochbelaste-ten Bauteile spielt die hohe Dauerfestigkeit die entscheidende Rolle.

Sicherheitsbauteile, die den Vorschriften des Kraftfahrtbundesamtes genügen müssen, müssen ihr Verhalten unter Sonderbelastungen (Überlast- und Unfallsituation) unter Beweis stellen. ADI-Bauteile (und auch Bauteile aus Sphäroguss) können in solchen Situationen eine beträchtliche Verformbarkeit aufweisen. Trotzdem herrscht die Meinung vor, dass Guss-eisenwerkstoffe spröde und ohne nennens-werte plastische Verformungen brechen. Diese Meinung resultiert aus Laboruntersuchungen, bei denen die Bruch- und Kerbschlagzähigkeit von Proben im Vergleich zu anderen Werkstof-fen herangezogen wurden.

Exemplarische Untersuchungen an Real-bauteilen (unter anderem Radnabe, Bild 2) haben aber gezeigt, dass durch eine verbes-serte Gestaltung des Bauteils und eine geeig-nete Werkstoffauswahl die Nachteile überkom-pensiert werden können. Die Gießereitechnolo-gie ist sowohl durch entsprechende Werkstoffe als auch durch die Freiheit der Formgebung in der Lage, unterschiedlichste Forderungen an die Betriebsfestigkeit der Bauteile zu erfüllen. Allerdings müssen hierbei technologie- und werkstoffbedingte Kenntnisse über Gusswerk-stoffe berücksichtigt werden, die derzeit im Rahmen aktueller Forschungsvorhaben ermit-

telt werden. Es stellt sich die Frage, ob klassi-sche bruchmechanische Kennwerte, die nur an einfachen Probegeometrien ermittelt werden, ausreichen, um die komplexen Anforderungen an Sicherheitsbauteile zutreffend zu beschrei-ben.

Parallel dazu sind die aktuellen Möglichkei-ten der Simulationstechniken (Gießereiprozess-simulation und Lastfallanalysen [5; 6]) anzu-wenden, um die prozesssichere Fertigung poren- und mikrolunkerfreien, gleichmäßigen Gefüges sicher zu stellen. Notwendige Hilfsmittel wie 3D-CAD und insbesondere Simulationspro-gramme zur Formfüllung und Erstarrung stehen jedem Gießer zur Verfügung.

V10-TDI-Rädercassette

Ein absolutes Highlight sowohl aus Sicht ei-nes Gießers als auch vieler Motorfachleute stellt eine aktuelle ADI-Anwendung dar. Die Rädercas-sette des VW-10-Zylinder-Diesel-Motors (230 kW), des weltweit leistungsstärksten Pkw-Dieselmotors, wird aus zwei ADI-Gussteilen ge-fertigt. Er ist derzeit unter anderem im VW Toua-reg und im VW Phaeton im Einsatz.

Die Rädercassette (Bild 3) ist das Herzstück des integrierten Steuer- und Nebenaggregate-antriebes des Motors. Die Nockenwelle der Pumpe-Düse-Zylinderköpfe und alle Nebenaggre-gate werden über die in ihr fixierten Stirnradge-triebe angetrieben. Freiräume und Einbaubedin-

Bild 2 ADI-Radnabe (links): 2 %

leichter und 20 % preis-

werter als die vergleich-

bare Aluminiumlösung.

Quelle: WZL, W. Kloepper

gungen sind extrem genau ausgeführt, um den Zahnradverschleiß zu minimieren und gleichzei-tig einen möglichsten geräuscharmen Betrieb zu ermöglichen.

Gießtechnisch bestehen die Herausforde-rungen in einer schon für konventionellen Sphäroguss eng tolerierten Planizität und in einem mikrolunkerfreien Gefüge des Bauteils. Die beiden Seitenteile der Rädercassette sind großflächige dünnwandige Bauteile; trotzdem ist für das Rohmaterial nur eine kleine Toleranz zulässig. Bei der Wärmebehandlung ergibt sich das zusätzliche Problem, das Härteverzug auf jeden Fall vermieden werden muss. Durch Ein-spannung in einer Verschraubung und Eintau-chen in Längsrichtung, um Blasenbildung und Wärmestaus zu vermeiden, konnten diese For-derungen erfüllt werden.

Auch die Bearbeitung steht vor ähnlichen Anforderungen. Aber selbst Tieflochbohrungen sind bei diesem Material beherrschbar – mit den im Automobilmotorenbau üblichen engen Toleranzen.

Fazit

Durch intelligente phantasievolle Kon-struktionen in Gusseisenwerkstoffen können Materialeigenschaften optimal genutzt und signifikante Gewichtsreduzierungen sowie Ei-genschaftsverbesserungen erreicht werden. Mit der Werkstoffgruppe der ADI-Gusseisen-werkstoffe steht eine Alternative zur Ver-fügung, die im Spannungsfeld von Kosten, Be-lastbarkeit, Gewicht und Freiheit im Design ein Potential bietet, das bisher allenfalls in Ansät-zen genutzt wird.

Bild 3 Rädercassette aus ADI –

Herausforderung an Gefü-

ge, Planizität und Repro-

duzierbarkeit der Herstel-

lungsprozesse.

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Literatur

AbstractInhalt

C. Klöpper, U. Schliephake, C. Bartels

Leichtbaupotenziale durch ADI nutzen Strong Benefits in Weight Reduction by the Use of ADI

von ADI. Daher ist ein Vergleich der Kerb-schlagarbeiten für viele Anwendungen wenig aussagefähig. Eine erheblich bessere Kenn-größe ist der KIC-Wert. Vergleicht man diese Werte für ADI und Stahl, so stellt man fest, dass die KIC-Werte für ADI-Werkstoffe nicht nur höher sind als die für alle anderen Guss-eisensorten außer Ni-Resist. Sie sind auch ver-gleichbar oder höher als die der meisten gehär-teten Stähle. Der Werkstoff ist daher auch für den Einsatz als Sicherheitsbauteil im Kfz- und Lkw-Bereich geeignet. Aufgrund der hohen Festigkeits- und Bruchdehnungswerte können bei vorgegebenen Lasten extrem leichte Bau-teile konstruiert werden – in etlichen Anwen-dungsfällen sind diese auch leichter als Lösun-gen aus Aluminium [3].

Austempered Ductile Iron – ADI – ist in den USA neben Grau-

und Sphäroguss eine anerkannte und am Markt etablierte Guss-

eisenqualität. Sie wird in Europa allerdings bisher nur in wenigen

Anwendungsfällen genutzt. Dabei lässt sich durch gezielte Varia-

tion der Wärmebehandlungsparameter der für den jeweiligen An-

wendungsfall optimale Gusseisenwerkstoff designen. Zwischen

800 N/mm2 mit mind. 8% Dehnung und 1600 N/mm2 mit ca.

1% Dehnung ist eine Vielzahl von Lösungen darstellbar – und

das bei erhöhter Verschleißfestigkeit und zugleich drastisch bes-

seren Dämpfungswerten gegenüber Stahl. Bei gleichzeitig dreidi-

mensionaler Möglichkeit der Formgebung (im Gegensatz zum

eher zweidimensionalen Schmieden) sind der Phantasie des Kon-

strukteurs nur noch wenige Grenzen gesetzt.

Along with grey and spherodial cast iron ADI has conquered

an important position within the family of cast iron materi-

als in the US market. In contrast in Europe – up to now – ADI

is only used in a few special applications, although for many

technical problems ADI offers a suitable material grade. The

different grades are produced by variations of the heat treat-

ment parameters. Material properties vary from 800 N/mm2

strength and 8% elongation to fracture up to a strength of

1600 N/mm2 with only 1% elongation. In addition to econo-

mic advantages remarkable positive effects in wear resistance

and drastically improved damping properties can be realised

by using ADI instead of steel. At the same time the almost

unlimited possibilities of three dimensional shaping by cast-

ing (in contrast to only two dimensions available in forging)

give little restrictions to a design engineer’s ideas and visions.

1 Einleitung

ADI bezeichnet einen wärmebehandelten duktilen Sphäroguss, der bei gleicher Bruch-dehnung eine doppelt so hohe Festigkeit und Dauerfestigkeit wie konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit, sowie eine signifikant hö-here Verschleißfestigkeit [1] besitzt. Die Kerb-schlagarbeit von gekerbten und ungekerbten Charpy-Proben bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen sind zwar geringer als die von Schmiedestählen, aber dreimal höher als die von konventionellen Gusseisensorten mit Kugelgraphit [2]. Für den Vergleich des Bruch-verhaltens von ADI und Stahl ist es allerdings wichtig, zu berücksichtigen, dass die Dehn-geschwindigkeitsabhängigkeit des Bruchver-haltens für Stahl erheblich größer ist als die

Bild 1 Ausferritisches Grundgefü-

ge im Vergleich zu

weiteren Gusseisengefügen

Autoren

Dipl.-Ing. Carsten Klöpper Wissenschaftlicher Mitarbeiter Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Steinbachstraße 53 52056 Aachen Tel.: 02 41/80–2 73 64 Fax.: 02 41/80–2 22 93 E-Mail: C.Kloepper@wzl.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Christine Bartels Produktentwicklung Claas Guss GmbH Brockhäger Str. 218 33330 Gütersloh Tel.: 0 52 41/9 38–2 34 Fax: 0 52 41/9 38–2 88 Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Ulf Schliephake Technischer Vertrieb Claas Guss GmbH Am Stadtholz 52 33609 Bielefeld Tel.: 05 21/93 15–2 54 Fax: 05 21/93 15–2 90

2 Herstellung

ADI wird durch eine mehrstufige Wär-mebehandlung aus Sphäroguss hergestellt. Ziel der Wärmebehandlung ist die Einstellung eines Gefüges aus nadeligem Ferrit in einer mit Koh-

Bild 2 Schematische Temperatur-

führung zur Herstellung

von ADI

lenstoff übersättigten Austenitmatrix [4]. Durch den hohen Kohlenstoffgehalt wird der Austenit auch bei Raumtemperatur und bei tie-feren Temperaturen stabilisiert. Als Bezeich-nung für dieses Gefüge hat sich Ausferrit einge-bürgert (Bild 1). Dieser neue Name wird zu-künftig auch mit in Kraft treten der aktuell in Überarbeitung befindlichen Normen offiziell festgelegt. Das Gussstück wird im Schutzgas-ofen bei 840 bis 950° C vollständig austeniti-siert. Im zweiten Behandlungsschritt erfolgt eine schnelle Abkühlung – in der Regel im be-wegten Salzbad – auf eine Umwandlungstem-peratur zwischen 235 und 425° C. Über die Temperatur des Bades wird die Güte des ADI eingestellt. Die maximale Dauer des Abkühl-vorganges für diesen Schritt darf bei unlegier-tem Sphäroguss als Basiswerkstoff 30 s nicht überschreiten (Bild 2). Die wichtigste Bedin-gung für eine einwandfreie Vergütung ist die Vermeidung der Perlitbildung während der Ab-kühlung.

Nach Erreichen der Temperatur für die Um-wandlung des Austenits beginnt die Bildung des nadelförmigen Ferrits. Dieser a-Mischkris-tall im System Fe-C hat eine viel geringere Lös-

lichkeit für Kohlenstoff als der Austenit. Der aus -Mischkristall verdrängte überschüssige Kohlenstoff reichert sich im Austenit an und behindert diesen in seiner Umwandlung zu Fer-rit. So wird der Austenit stabilisiert. Zu Beginn dieses Prozesses kann eine zu frühe Abkühlung auf Raumtemperatur zu einer Umwandlung von nicht ausreichend stabilisiertem Austenit in Martensit und damit zu einer Gefügeversprö-dung führen. Deshalb darf die legierungs-abhängige Mindesthaltedauer keinesfalls un-terschritten werden. Eine zu lange Haltedauer führt zur Carbidbildung und damit ebenfalls zur Versprödung des Werkstoffs, was vermieden werden muss. Auf der Umwandlungstemperatur wird das Gussstück solange gehalten, dass die maximal mögliche Menge an stabilisiertem Austenit nach der anschließenden Abkühlung auf Raumtemperatur vorliegt.

Um die guten Eigenschaften, die die ver-schiedenen ADI-Qualitäten auszeichnen, auf hohem Niveau zu halten, muss besondere Sorg-falt auf eine optimale Magnesiumbehandlung und anschließende Impfung zur Sicherstellung zahlreicher, gut ausgebildeter Sphärolithen ge-legt werden. Die Entstehung von Gefügedefek-ten (Primärcarbide, Seigerungen, Porositäten u.a.) muss vermieden werden. Derartige Fehler sind durch Wärmebehandlungen kaum bzw. nicht zu beseitigen. Aus einer schlechten Guss-qualität kann auch durch eine know-how-trächtige Wärmebehandlung kein hochwertiger Werkstoff mehr hergestellt werden. Durch Mi-krolunker, gestörter Kugelausbildung und Korngrenzencarbide wird die Festigkeit zwar

kaum, die Zähigkeit des Werkstoffs jedoch stark beeinträchtigt [5] (Bild 3).

3 Spanende Bearbeitung von ADI

Einen Diskussionspunkt für die Serienpro-duktion einbaufertiger Teile stellt häufig noch die spanende Bearbeitung dar. Während ADI-Bearbeitungsproblemen bei Kleinserien bisher mit einer getrennten Vorbearbeitung vor der Wärmebehandlung begegnet wurde, ist bei Se-rienanwendungen aus wirtschaftlichen und lo-gistischen Gründen eine komplette Bearbei-tung im vergüteten Zustand sinnvoll. Eine Be-arbeitung vor der Wärmebehandlung wäre aus zerspanungstechnischer Sicht zwar die beste Lösung. Allerdings ist bei derartigem Vorgehen die Volumenzunahme durch die Gefügeum-wandlung durch die ADI-Wärmebehandlung ge-nau zu bestimmen und in der Bearbeitungszug-abe zu berücksichtigen. Die üblicherweise ho-hen Anforderungen an Toleranzen und Oberflä-chenqualität an den Funktionsflächen machen aber i.d.R. eine weitere spanende Bearbeitung nach der Wärmebehandlung erforderlich. Aus diesem Grund geht der Trend beim ADI zu einer möglichst endkonturnahen Rohteilherstellung und einer vollständigen spanenden Bearbei-tung im wärmebehandelten Zustand.

Bei Gusseisen-Werkstoffen wird die Zer-spanbarkeit grundsätzlich stark von Menge und Ausbildung des eingelagerten Graphits beein-flusst. Die Graphiteinlagerungen reduzieren zum einen die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück und unterbrechen zum anderen das metallische Grundgefüge. Dies führt im Ver-gleich zu graphitfreien Stahlwerkstoffen zu günstigen kurzbrechenden Spänen und gerin-geren Zerspankräften. Da ADI trotz seiner stahlähnlichen mechanischen Eigenschaften durch ein graphithaltiges Gussgefüge gekenn-zeichnet ist, gelten diese positiven Zerspan-eigenschaften auch für diesen Werkstoff.

Allerdings muss auch der Einfluss der Härte, die Neigung zur Verfestigung und die Zä-higkeit des metallischen ausferritischen Grundgefüges für eine Bewertung der Zerspan-barkeit und eine Auslegung der Zerspanwerk-zeuge berücksichtigt werden. Härte, Festigkeit und Verfestigung stellen Anforderungen an die

Bild 3 links:

Gefüge Grauguß EN-GJL-300 Vx500

Mitte:

Gefüge Shäroguß N-GJS-500–7

rechts:

Gefüge ADI EN-GJS-1000–5

Schliffbild 1000-fach

mechanische Verschleißfestigkeit der Zerspan-werkzeuge. Zähigkeit und gute Verformbarkeit auf hohem Festigkeitsniveau erfordern weiter-hin thermische Verschleißeigenschaften, die bei konventionellen Gusswerkstoffen eine eher untergeordnete Rolle spielen. Aus diesem Grund empfiehlt sich der Einsatz verschleißfes-ter K-Hartmetalle mit verschleißfesten, ther-misch stabilen Beschichtungen wie TiAlN für Bearbeitungsoperationen wie das Drehen, Boh-ren und Fräsen. Anwendbare Schnittgeschwin-digkeiten liegen hierfür etwas unterhalb derer von konventionellem Gusseisen mit Kugelgra-phit oder Vergütungsstahl, im Vergleich zu Stahl kann aber im allgemeinen mit höheren Vorschüben auf Grund der geringeren mittleren Zerspankräfte gearbeitet werden. Beim Drehen ist auch der Einsatz keramischer Schneidstoffe wie Al2O3+ZrO und whiskerverstärkter Keramik mit wesentlich höheren Schnittgeschwindig-keiten möglich, falls auf eine steife Werkzeug-aufspannung geachtet wird. Ein Vorteil gegen-über vergleichbaren Vergütungsstählen ist weiterhin die generelle Möglichkeit einer Tro-ckenbearbeitung [6](Bild 4).

Probleme bei der Zerspanung von ADI, z.B. beim Bohren und Fräsen, ergeben sich meist durch die Auswahl ungeeigneter Werkzeuggeo-metrien. Durch die speziellen Eigenschaften des ADI liegen die statischen und dynamischen Belastungen nahe an der Schneidkante und führen in Abhängigkeit der Geometrie des Werkzeugs teilweise früh zum Versagen. Durch-geführte Optimierungen für die Fertigungsver-fahren Bohren und Fräsen hinsichtlich der Werkzeuggeometrie aber auch des Schneid-stoffs und der Beschichtung lassen erhebliche Verbesserungen im Vergleich zu Standardwerk-zeugen erkennen und machen den Werkstoff wirtschaftlich bearbeitbar (Bild 5).

4 Anwendungsbeispiel Filterkopf

Die Kombination eines Hochleistungswerk-stoffs mit den Formgebungsmöglichkeiten des Verfahrens Giessen eröffnet für viele Anwen-dungsgebiete neue Möglichkeiten. Ein Beispiel ist das in Bild 6 gezeigte Bauteil. Es handelt es sich um einen Filterkopf für das Hydrauliksys-tem von Kunststoffspritzgussmaschinen. In diesen Filterkopf wird eine Filterpatrone einge-schraubt, die das Hydrauliköl reinigt. Die Kunststoffspritzgussmaschinen fertigen in Reinraumathmosphäre Verpackungen für die Lebensmittelindustrie wie beispielsweise Ma-garinedosen. Diese Maschinen arbeiten das ge-samte Jahr 24 Stunden am Tag, lediglich unter-brochen von einem möglichst kurzen War-tungsintervall. Bei jedem Spritzzyklus wird da-bei das Hydrauliköl und damit auch der Filter-kopf mit einem Druck von 250 bar beauf-schlagt. Da ein Versagen während des Betriebs auf Grund des Reinigungsaufwandes im Rein-

raum mit längeren Stillstandszeiten verbunden wäre, forderte der Hersteller der Kunststoff-spritzgussmaschinen, dass ein Filterkopf 100 Mio. Lastwechsel ertragen müsse.

Diese Anforderung war mit der bisher ver-wendeten Standard-Sphärogussqualität nicht mehr zu erfüllen. Da die Möglichkeit durch kon-struktive Veränderungen die Lebensdauer des Bauteils zu erhöhen, nicht bestand, war also eine Werkstoffsubstitution nötig. Schmiedes-tähle, die wegen ihrer hohen Dauerfestigkeiten häufig für dynamisch stark beanspruchte Bau-teile verwendet werden, schieden hier aus, weil das Verfahren des Schmiedens das Einbringen der gebogenen Kanäle nicht erlaubt. Diese sind aus strömungstechnischen Gründen jedoch er-forderlich. Aus dem gleichen Grund schied auch eine Bearbeitung aus dem Vollen aus.

Ein idealer Werkstoff für die beschriebene Anwendung ist der ausferritische Gusseisen-werkstoff EN-GJS-800–8. Er bietet eine Dauer-festigkeit, die in den Bereich von Schmiedes-tählen reicht. Gleichzeitig erlaubt er als Guss-werkstoff dem Konstrukteur ein hohes Maß an gestalterischer Freiheit. So ist auch das Ein-bringen von komplexen Innengeometrien pro-blemlos möglich. Aufgrund der Expansion des Graphits bei der Erstarrung von Sphäroguss las-sen sich gießtechnisch anspruchsvolle Bau-teile wie der gezeigte Filterkopf lunkerfrei her-stellen. Dies ist in Stahlguss nur mit enormem Aufwand an Speisungstechnik oder überhaupt nicht möglich.

Das Beispiel zeigt, dass sich viele Bautei-lanforderungen nur realisieren und Bauteile optimieren lassen, wenn sich die Kombination

Bild 4 Standzeitvergleich ver-

schiedener Schneidstoffe

beim Drehen von ADI-900

Bild 5 Effektive Bohrbearbeitung

durch optimierte

Werkzeuge

Bild 6 Filterkopf Bild 5

eines geeigneten Formgebungsverfahrens mit einem leistungsfähigen Werkstoff finden lässt. ADI eröffnet hier völlig neue Horizonte, die in den USA heute schon viel stärker genutzt wer-den als in Europa [7] (Bild 7 und 8).

5 Ausblick

Als weiteres Beispiel einer neu designten Werkstoffsorte sei an dieser Stelle das AGI (Austempered Grey Iron) angeführt. Dieser Werkstoff wurde entwickelt, um die hervor-ragenden gießtechnischen Eigenschaften von

Grauguss, die extrem dünne Wandstärken er-möglichen, mit Festigkeitswerten, die denen des Sphärogusses vergleichbar sind, zu ver-einen. AGI ist ausferritischer Grauguss, der die Kombination hohe Festigkeiten, hohe Ge-räusch- und Schwingungsdämpfung, hervor-ragende Wärmeleitfähigkeit und hohe Ver-schleißfestigkeit ermöglicht. In der industriel-len Anwendung stehen Turbinengehäuse, Trommelbremsen, Mehrfachröhrenwerke und Rotoren in der Diskussion [8].

Durch intelligente phantasievolle Kon-struktionen in ADI können signifikante Eigen-

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Bild 8 ADI-Marktverteilung

Nordamerika

Bild 7 Schätzung der weltweiten

ADI-Produktion

schaftsverbesserungen bzw. Gewichtsreduzie-rungen erreicht werden. Es steht eine neue Werkstoffgruppe zur Verfügung, die im Span-nungsfeld von Kosten, Belastbarkeit, Gewicht und Freiheit im Design ein Potenzial bietet, das bisher allenfalls punktuell genutzt wird.

CLAAS GUSS GmbH Am Stadtholz 52 33609 Bielefeld Tel.: 05 21 / 93 15-254 Fax: 05 21 / 93 15-290 Email: info@claasguss.de