Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll die Anwendung der hochsiliziumhaltigen GJS-Werkstoffe im Leichtbausektor vorangetrieben werden, indem eine systematische Untersu-chung der Gieß- und Erstarrungseigenschaften mittels dünnwandiger Probengeometrien durchgeführt wird (siehe Bild 1a). Hierdurch soll eine kritische Wanddicke bezüglich der Formfüllung sowie der Eigenschaften des Gefüges ermittelt werden. Zudem soll eine Optimierung des Speisereinsatzes beim Gießen dieser Werkstoffe in dickwandigen Gussteilen erreicht werden. Hierzu werden die Expansions- und Kontraktionseffekte während der Erstarrung experimentell und durch Simulation erforscht sowie das in dickwandigen Gussteilen auftretende Porositätsvolumen quantitativ analysiert, um den Speisungsbedarf zu quan-tifizieren und ein mögliches Prozessfenster für das speiserlose Gießen zu erhalten. Die hier-für benötigte Probengeometrie, bestehend aus zahlreichen Gussteilen mit verschiedenen thermischen Moduln, soll nach Möglichkeit in ein einzelnes Gießsystem integriert werden, um gleiche Füllbedingungen zu gewährleisten (siehe Bild 1b). Es wird der Einfluss der Gießtemperatur und der Impfung auf die Gießeigenschaften aller hochsiliziumhaltigen so-wie eines konventionellen GJS-Werkstoffes untersucht.

Um zum Projektabschluss eine Speiser- und Wandstärkenreduzierung für die Gusseisensorten EN-GJS-450-18, EN-GJS-500-14 und EN-GJS-600-10 anzuwenden, ohne die Belastbarkeit des Bauteils negativ zu beeinflussen, sind gießtechnologischen Eigenschaften dieser Werkstoffe zu gewährleisten, die eine porenfreie Herstellung hoher Wandstärken bei minimalem Speisereinsatz und eine genaue Abbildung eines dünnwandigen Formhohlraums garantieren. Dazu wurden Untersuchungen besteht aus einer systematischen Analyse der Gieß- und Erstarrungseigenschaften unter Berücksichtigung der relevanten Prozessparameter wie Siliziumgehalt, Gießtemperatur und Impfzustand durchgeführt. Ergänzend zu diesen Hauptversuchen werden Modellbildungs- und Simulationsarbeiten mit Hilfe thermodynamisch-kinetischer Werkstoffsimulation und Prozesssimulationen durchgeführt und mit grundlagenorientierten experimentellen Untersuchungen verglichen. Dies führt zu einem vertieften Verständnis der experimentellen Befunde und zu weiteren Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Gieß- und Erstarrungseigenschaften.

Die Wandstärke, der in Bild 1 zu sehenden Gießgeometrie für die Dünnwandversuche, ist durch eine modulare Sandform zwischen 1 und 5 mm in 0,5 mm-Schritten einstellbar und beträgt für die Geometrien der Speisungsversuche 25, 120 und 180 mm. Die chemische Zusammensetzung wurde für alle Versuche leicht übereutektisch konstant gehalten. Aufgrund mehrerer serieller Versuchsabgüsse konnte die Gießtemperatur zwischen erster und zuletzt vergossener Form variiert werden. Für die Impfung wurde sowohl die Impfmenge als auch die Impfmethode (Pfannenimpfung, Formimpfung oder kombiniert) gezielt verändert.

Für die Definition eines Prozessfensters für Leichtbauanwendungen konnte in mehreren Versuchen gezeigt werden, dass die kritische Wandstärke bezüglich der Formfüllung und des Gussgefüges durch eine Kombination aus Pfannen- und Formimpfung reduziert werden konnte. Der limitierende Faktor ist dabei die Formfüllung, da Proben bei einer Wandstärke von 1,5 mm ein zementitfreies, perlitisch-ferritisches Gefüge aufweisen, allerdings nicht vollständig gefüllt wurden. Ein vollständig ferritisches Gefüge hingegen wurde lediglich ab einer Wandstärke von 3 mm und bei höheren Siliziumgehalten (ab 3,8 Gew.-%) erreicht (vgl. Bild 2.).

Das Selbstspeisungsvermögen und das sich daraus ergebende Fehlvolumen wurden durch Analysen des Porenvolumens im Gusskörper sowie der Einfallstellen ermittelt. Dazu wurde die Dichtebestimmung durch Auftrieb nach dem Prinzip von Archimedes herangezogen. Es konnte ein klarer Zusammenhang zwi-schen dem sich bei der Erstarrung ausbildenden Fehlvolumen und den untersuchten Prozessparametern (Siliziumgehalt, Impfung und Gießtemperatur) aufgezeigt werden. Dadurch konnten Richtwerte für einen minimalen, aber dennoch erforderlichen und unter den untersuchten Anfangs- und Rahmenbedingungen reproduzierbaren Speisereinsatz für hochsiliziumhaltiges Gusseisen mit Kugelgraphit festgelegt werden.