Freitag, 23. Februar 2018
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Euroguss: Den Materialfehlern auf der Spur

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Interview mit Dr.-Ing. Christoph Bleicher, Fraunhofer LBF

16.01.2018

Materialeinschlüsse wie Dross lassen sich beim Guss oft nicht vermeiden - sie gelten als unerwünscht, da sie die Belastbarkeit von Komponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit deutlich herabsetzen. Forscher arbeiten derzeit daran, solche Werkstoffungänzen zu detektieren und zu analysieren. DIE MESSE sprach darüber mit Dr. Christoph Bleicher vom Fraunhofer LBF.

 - Dross in dickwandigem Gusseisen mit Kugelgraphit: Gussoberfläche nach fluoreszierender Magnetpulver-Prüfung
© Fraunhofer LBF
Dross in dickwandigem Gusseisen mit Kugelgraphit: Gussoberfläche nach fluoreszierender Magnetpulver-Prüfung

Herr Dr. Bleicher, warum lassen sich trotz gießtechnischer Tricks Materialeinschlüsse wie Schlacke – genannt Dross – beim Guss oft nicht vermeiden?
Dross ist eine Form von Werkstoff­ungänzen, die insbesondere bei dickwandigen Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit immer wieder auftritt und nicht zwingend mit Schlacke zu vergleichen ist. Die Schlacke wird nämlich meist bewusst vor dem Abguss erzeugt, um etwa Verunreinigungen der Schmelze vor dem Abguss entfernen zu können.

Der Dross besteht dabei im Wesentlichen aus Magnesium, Schwefel und Silizium und bildet sich im Beisein von Sauerstoff und bei hohen Wanddicken mit langen Erstarrungszeiten. Und dort liegt auch die Herausforderung für den Gießer, nämlich einen möglichst geringen Sauerstoffgehalt in der Schmelze zu haben. Das bedeutet, im Zweifelsfall muss der Gießer sein Bauteil im Vakuum abgießen, was natürlich bei Bauteilmassen bis 320 Tonnen absolut unmöglich ist. Der Sauerstoffanteil wird zwar so weit wie möglich reduziert, in dem entgast oder mit geringer Turbulenz gegossen wird, aber auch Verunreinigungen der Gießeinrichtung oder der Einsatzstoffe können zur Drossbildung führen, was nicht immer zu vermeiden ist.

Welche Probleme können solche Materialfehler verursachen?
Das wesentliche Problem bei vorhandenem Dross ist, dass dieser die lokale Werkstofffestigkeit, Duktilität und Betriebsfestigkeit teilweise stark reduziert und das Bauteil letztlich versagen kann, bevor es die gewünschte Lebensdauer erreicht. Bisher gibt es noch keine Klassifizierungsmöglichkeiten für die Ausprägungsform des Drosses am Bauteil mit Hilfe der zerstörungsfreien Prüfung sowie Korrelationen zu lokalen Bauteilfestigkeitskennwerten wie der Schwingfestigkeit. Es liegt entweder Dross vor oder nicht. Dabei weiß man durchaus, dass es zum Beispiel auf mikrostruktureller Ebene unterschiedliche Ausprägungsformen von Dross gibt. Für die Gießer bedeutet die Unkenntnis des genauen Werkstofffestigkeitsverhaltens von Dross, dass Sie diesen sehr aufwendig abarbeiten oder das Bauteil zu Ausschuss deklarieren müssen. Das kostet Geld, Zeit und Ressourcen.

 - Dr.-Ing. Christoph Bleicher, Abteilung Werkstoffe und Bauteile: Bauteilgebundenes Werkstoffverhalten, Fraunhofer LBF
© Fraunhofer LBF
Dr.-Ing. Christoph Bleicher, Abteilung Werkstoffe und Bauteile: Bauteilgebundenes Werkstoffverhalten, Fraunhofer LBF

Im BMWi-Projekt „unverDROSSen“ arbeiten Sie daran, diese Werkstoff­ungänzen zu detektieren und zu analysieren. Wie gelingt dies?
Wir haben uns zunächst einmal damit beschäftigt, unterschiedliche zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Ultraschallprüfung oder mikromagnetische Verfahren dahin gehend zu testen, ob und wie genau diese Dross detektieren können. Dabei haben wir einerseits festgestellt, dass manche Verfahren auch im Labormaßstab nicht für die Drossdetektion einsetzbar sind. Andererseits konnten wir bisher zeigen, dass mit speziellen Ultraschallmethoden der Dross viel feiner in seiner Struktur aufgelöst und eine Detektion von Dross auch von der Drossseite her erfolgen kann, dies war bisher nicht möglich. Auch lässt sich mit Ultraschall eine gute Verteilung des Drosses in Tiefenrichtung im Bauteil aufzeigen. Man erhält so eine dreidimensio­nale Vorstellung des mit Dross befallenen Volumens am Bauteil. Darüber hinaus führen wir an Probekörpern auch Röntgen-Computertomographie-Untersuchungen durch. Diese lassen sich zwar momentan am Großgussbauteil auf Grund technischer Randbedingungen nicht durchführen, sie geben uns aber in kleinem Maßstab einen Eindruck davon, wie der Dross aufgebaut ist und welche Dichteverteilung er besitzt. Dabei erscheint uns insbesondere die Dichte ein guter Indikator zu sein, um daraus Festigkeitskennwerte wie die Werkstoffsteifigkeit ableiten zu können. Finden wir dann Möglichkeiten, beispielsweise die Dichte und die Verteilung der Drossausprägungen mit gängigen, zerstörungsfreien Prüfmethoden in der Gießerei auch am Bauteil zu detektieren, können wir dem Gießer und Konstrukteur nach dem Abguss lokale Festigkeitskennwerte für einen Bauteillebensdauernachweis zur Verfügung stellen.

Warum setzen Sie dabei auf einen Methodenmix aus mechanisierter Ultraschallprüfung und magnetischer/elektromagnetischer Prüfung?
Die zerstörungsfreie Prüfung bietet eine Vielzahl an Methoden, doch nicht alle sind immer und an jedem Bauteil einsetzbar. Daher versuchen wir redundante Möglichkeiten zu erarbeiten, um ein Verfahren für die Drossklassifizierung einzusetzen, bei der das andere Verfahren etwa auf Grund geometrischer Randbedingungen nicht anwendbar ist. Das erlaubt uns, bauteilangepasst die maximal mögliche Eigenschaftsinformation aus dem Dross herauszuholen.

Außerdem gehen Ultraschall- und die Magnetpulverprüfung völlig unterschiedlich vor. Während die erste einen Nachweis im Bauteilvolumen ermöglicht, ist die Magnetpulverprüfung ein Nachweismittel für die Oberfläche. Die Anwendung beider Verfahren erlaubt – so hoffen wir – am Ende des Vorhabens die Ermittlung der Drossstruktur an der Oberfläche mit der Magnetpulverprüfung und die Bestimmung der Tiefenausdehnung des Drosses mittels Ultraschall. Beide Informationen sind für den Festigkeits- beziehungsweise Lebensdauernachweis und für die Entscheidung, ob das Bauteil nachgearbeitet werden muss, unerlässlich.

Sie erarbeiten ein experimentell abgesichertes Dross-Festigkeitsklassen-System. Was geben Sie damit Herstellern und Anwendern an die Hand?
Ein Ziel ist es, den am Entstehungsprozess eines Gussbauteils beteiligten Parteien eine Methode an die Hand zu geben, wie das Bauteil zerstörungsfrei zu untersuchen ist und wie anschließend die gefundenen Drossanzeigen zu beurteilen sind. Hier hilft uns das Dross-Festigkeitsklassen-System, das gefundene Anzeigen in Festigkeitskennwerte quasi übersetzt. Das bietet dem Konstrukteur die Chance, die lokale Bauteillebensdauer rechnerisch zu überprüfen und zu entscheiden, ob das Bauteil wirklich Ausschuss ist, nachgearbeitet werden muss oder voll zum Einsatz kommen kann.

Ein Ausblick: Welche Vorteile ergeben sich künftig durch „unverDROSSen“ für die Industrie?
Die Reduktion von Ausschuss und die Zeit zur Beurteilung des mit Dross behafteten Bauteils. Wir hoffen, dass wir damit einen großen Beitrag für die Gießereien liefern können, damit Großgussbauteile aus Gusseisen mit Kugelgraphit noch effizienter und schneller produziert und eingesetzt werden können.

https://www.lbf.fraunhofer.de/guss