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Metall

ADI – leichter als Aluminium, härter als Stahl

| Autor/ Redakteur: Ulf Schliephake / Simone Käfer

Seit Jahrzehnten stehen Bauteile aus Aluminium, Titan oder Magnesium für eine Gewichtsoptimierung anspruchsvoller Konstruktionsbauteile. ADI könnte das ändern.

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Der Gusseisenwerkstoff ADI wird aus Sphäroguss hergestellt. Das Gefügebild zeigt nadeligen Ferrit.
Der Gusseisenwerkstoff ADI wird aus Sphäroguss hergestellt. Das Gefügebild zeigt nadeligen Ferrit.
( Bild: Brechmann-Guss )
  • Der Gusseisenwerkstoff ADI weist bei gleicher Bruchdehnung eine doppelt so hohe Festigkeit auf wie konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit.
  • Der Festigkeitsbereich von ADI reicht von 800 N/mm2 bei Dehnungen von mindestens 10 % und hohen Dauerfestigkeiten bis zu verschleißfesten Sorten mit 1600 N/mm2.
  • Aufgrund der hohen Festigkeits- und Dehnungswerte können bei vorgegebenen Lasten extrem leichte Bauteile mit großer Geometriefreiheit konstruiert werden.

Bei der Entscheidung für einen geeigneten Werkstoff hat der Konstrukteur die Qual der Wahl: entweder hochfest, aber spröde oder zäh, aber weniger fest. Eine Annäherung dieser gegenläufigen Eigenschaften schließt sich bei konventionellen Konstruktionswerkstoffen aus. In diesem Spannungsfeld eröffnet die Gruppe der Gusseisenwerkstoffe ADI neue Horizonte, denn hier gilt: „Strength meets toughness.“ ADI steht für austempered ductile iron und bezeichnet einen wärmebehandelten, duktilen (verformbaren) Sphäroguss, der bei gleicher Bruchdehnung (bis 10 %) eine doppelt so hohe Festigkeit (bis 1600 N/mm2) wie konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit aufweist. Die Zugfestigkeit ist vergleichbar mit der von Stahlsorten wie 16MnCr5 oder 42CrMo4 – bei exponentiell besseren Formgebungseigenschaften. Im Verhältnis zu anderen Sphärogussen liegen die Dauerfestigkeitswerte auf fast doppelt so hohem Niveau. 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.

Festigkeitsbereiche und KID-Werte von ADI

Die Werkstoffgruppe der ausferritischen Gusseisenwerkstoffe nach DIN EN 1564, also ADI-Werkstoffe, schließt die Lücke zwischen Vergütungsstählen für Massivumformung und den altbekannten Gusseisensorten mit Kugelgraphit (EN-GJS). Stahlguss kann durch ADI teilweise ersetzt werden. Der Festigkeitsbereich des Werkstoffs reicht von 800 N/mm2 bei Dehnungen von mindestens 10 % und hohen Dauerfestigkeiten bis zu verschleißfesten Sorten mit 1600 N/mm2.

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Das Kerbempfindlichkeits­verhältnis gibt das Verhältnis der Dauerfestigkeit von ungekerbten und gekerbten Proben an. Für ADI liegt der Wert bei den untersuchten Kerbgeometrien zwischen 1,2 und 1,6, während er für Schmiede­stahl schlechtere Werte zwischen 2,2 und 2,4 erreicht. Anders als bei konventionellen Gusseisensorten mit Kugelgraphit verläuft die Dauer­festigkeit von ungekerbten ADI-Proben nicht proportional zur Zugfestigkeit, sondern zeigt ein Maximum für die Werkstoffe, die aufgrund der Temperaturführung bei der Wärmebehandlung einen besonders hohen Anteil an stabilisiertem Austenit enthalten. Die Zugfestigkeit ist bei ADI kein Maß für die Dauerfestigkeit – eine Beurteilung sollte also über die KIC/KID-Werte (nach Charpy oder Izod) erfolgen. Diese Empfehlung entspricht aktuellen Konzepten der Bruchmechanik wie dem instrumentierten Stab-Kerbschlagversuch, um dynamische Bruchzähigkeitsparameter KID zu bestimmen beziehungsweise die Bruchzähigkeit im ebenen Dehnungszustand KIC zu ermitteln.

Wie aus Sphäroguss ADI entsteht

ADI wird durch eine mehrstufige Wärmebehandlung aus Sphäroguss hergestellt. Ziel der Wärmebehandlung ist die Einstellung eines Gefüges aus nadeligem Ferrit in einer mit Kohlenstoff übersättigten Austenitmatrix. Durch den hohen Kohlenstoffgehalt wird der Austenit auch bei Raumtemperatur und bei tieferen Temperaturen stabilisiert. Als Bezeichnung für dieses Gefüge hat sich Ausferrit eingebürgert. Das Gussstück wird in einem Schutzgasofen bei 840 bis 950 °C vollständig austenitisiert. Im zweiten Behandlungsschritt erfolgt eine schnelle Abkühlung, meist im bewegten Salzbad, auf eine Umwandlungstemperatur zwischen 235 und 425 °C. Über die Temperatur des Bades wird die Güte des ADI eingestellt. Die maximale Dauer des Abkühlvorgangs für diesen Schritt darf bei un­legiertem Sphäroguss als Basiswerkstoff 30 s nicht überschreiten. Die wichtigste Bedingung für eine einwandfreie Vergütung ist die Vermeidung der Perlitbildung während der Abkühlung.

Nach Erreichen der Temperatur für die Umwandlung des Austenits beginnt die Bildung des nadelförmigen Ferrits. Dieser α-Mischkristall im System Fe-C hat eine viel geringere Löslichkeit für Kohlenstoff als der Austenit. Der aus dem α-Mischkristall verdrängte überschüssige Kohlenstoff reichert sich im Austenit an und behindert diesen in seiner Umwandlung zu Ferrit. So wird der Austenit stabilisiert – eine Art Kühlschrank­effekt. Solange die Betriebstemperatur des Bauteils nicht an die 300 °C herankommt, bleibt das so erzeugte Gefüge stabil.

Freiheit in der Formgebung und dünnere Wände

Aufgrund der hohen Festigkeits- und Dehnungswerte können bei vorgegebenen Lasten extrem leichte Bauteile konstruiert werden. ADI-Konstruktionen können sogar leichter als Aluminiumbauteile sein. ADI steht bei niedrigeren Kosten im Wettbewerb mit Stahlguss, mit vergüteten Schmiedestählen mit hoher Festigkeit wie 16MnCr5, 42CrMo4 und 34CrNiMo6, andererseits aber auch bei höheren mechanischen Anforderungen zu typischen Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium.

Einen oft unterschätzten Aspekt bringen erst die wesentlichen Vorteile der ausferritischen Guss­eisen­qualitäten zur Geltung. Im Vergleich zu Stahlguss- oder Stahlschmiedeteilen besticht ADI durch eine weitgehende Freiheit der Formgebung, die darauf beruht, dass die Basislegierung ein Sphäroguss ist. Diese Legierung bestimmt die Form- und Gießbarkeit. Während Stahlguss eher träge fließt und zur Lunkerbildung neigt, ist Sphäroguss geradezu pflegeleicht. Dadurch erweitern sich die Möglichkeiten der Formgebung und der Kreislaufanteil am Gussstück sowie die Lunker­gefahr sind bei dem Werkstoff deutlich niedriger.

Außerdem kann man ADI-Bauteile filigraner bauen als solche mit Stahlguss, bei dem bedingt durch den Werkstoff Wandstärken ab 8 mm möglich sind. Aber auch mit ADI sollte man nicht unter 5 mm gehen. Das bedeutet für einen Kostenvergleich, dass nur ein mit dem entsprechenden Werkstoff konstruktiv optimiertes Bauteil vergleichbar ist. Denn bionische, Lastfall angepasste Konstruktionen in ADI sind die Zielrichtung, keine geometriegleichen Bauteile. Bei Geometriegleichheit erhält man eine vage Kosteninformation, der technische Vorteil fehlt.

* Ulf Schliephake arbeitet im technischen Vertrieb bei Brechmann-Guss in 33758 Schloß Holte-Stukenbrock

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