Gusseisen Werkstoff CADI dringt in Anwendungen von verschleißfesten Legierungen ein

Der Werkstoff CADI (Carbidisches Austempered Ductile Iron) ist eine Alternative zu den verschleißbeständigen Legierungen aus Stahl oder Gusseisen. Grund dafür ist eine günstige Kombination von Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit. Sie basiert auf einer zweistufigen Wärmebehandlung, von der die Qualität dieses Gusseisens mit Kugelgrafit und karbidischem Gefüge abhängig ist.

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Der Werkstoff ADI (Austempered Ductile Iron) und dessen Wärmebehandlung sind inzwischen allgemein bekannt. Weit weniger ist das beim Werkstoff CADI (Carbidic Austempered Ductile Iron) der Fall. Er wurde entwickelt, um die Verschleißbeständigkeit von ADI zu erhöhen.

Der Grundwerkstoff für ADI – Gusseisen mit Kugelgrafit – wird durch Behandlung mit Magnesium erzeugt. Damit stellt man die Ausscheidung des Grafits als Kugel (Kugelgrafit) sicher. Mit Verwendung von karbidstabilisierenden Elementen (Chrom, Molybdän, Titan) erhält dieser Werkstoff durch besondere Impfbehandlung oder kontrollierte Abkühlung ein karbidisches Gefüge. Das Ergebnis ist CADI.

Genaue Kontrolle bei der Umwandlung des Gusseisens

Wird Gusseisen mit Kugelgrafit durch Wärmebehandlung in ADI umgewandelt, ist eine sorgfältige Kontrolle aller Verfahrensparameter nötig, damit optimale Werkstoffeigenschaften erreicht werden. Das erfordert spezielle Öfen und eine lange Erfahrung bei der Wärmebehandlung. Die ADI Treatment Ltd., West Bromwich/England – eine Tochtergesellschaft der Hulvershorn Eisengiesserei GmbH in Bocholt – hat sich auf die Wärmebehandlung von ADI spezialisiert und dafür ein großes technisches Know-how angeeignet. Das war der Grund, dass der Maschinenbauer Simba, Lincolnshire/England – einer der führenden Hersteller von Ernte- und Bohrmaschinen – ADI Treatment beauftragt hat, zu prüfen, ob der Werkstoff CADI für dessen Maschinenteile geeignet ist, etwa für Pflugscharen, die hohem Verschleiß ausgesetzt werden.

Die Anlagentechnik für die Wärmebehandlung bei ADI Treatment besteht aus einem Chargenofen für die Austenitisierung mit integriertem Dachventilator zur gleichmäßigen Wärmeverteilung und Heizrohren zur schnellen und gleichmäßigen Aufheizung (Bild 1). Zudem umfasst dieses System eine Reinigungskammer und einen geschlossenen Vorraum. Aufgrund dieser Bauweise wird sichergestellt, dass die wärmebehandelten Bauteile auf dem Weg von der Wärmebehandlungskammer zum Salzbad nur kurze Zeit benötigen. Das heißt: Die Teile erfahren nur einen geringen Temperaturverlust, eine Oxidierung wird verhindert.

Das verwendete Salz ist eine Mischung von Nitrat und Nitrit, die bei Temperaturen von 230 bis 400 °C gehalten wird. Die Haltetemperatur hängt von den Ansprüchen an das Bauteil und dessen Konstruktion ab. Um die Homogenität des Prozesses und die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu sichern, zirkuliert das Salzbad zwangsläufig durch die Behandlungscharge. Wird das Salzbad mit Wasser verdünnt, erhöht sich die Abkühlungsgeschwindigkeit. Das ermöglicht die Behandlung von Bauteilen mit größerem Querschnitt, ohne dass Legierungselemente wie Kupfer oder Molybdän nötig sind. Das Salzbad wird aufbereitet und wieder verwendet, die Umwelt nicht belastet.

Ein elektronisches System steuert und überwacht den Wärmebehandlungsprozess. Bild 2 zeigt ein typisches zweistufiges Wärmebehandlungsverfahren, das bei ADI Treatment für den Werkstoff CADI angewandt wird: Dem ersten Austenitisierungsschritt folgt eine kontrollierte Abkühlung im Salzbad und eine dem Bauteil entsprechende Austemperung von 1 bis 2 h. Öl oder Wasser wird als Abkühlungsmittel nicht verwendet, so dass die Behandlungscharge die Temperatur Ms (Martensit) nicht erreicht und sich kein spröder Martensit bildet. Bei dem von ADI Treatment verwendeten Verfahren wird das Gefüge in eine ausferritische Matrize mit Karbideinlagerungen umgewandelt (Bild 3). Diese Gefügeausbildung beim Werkstoff CADI ermöglicht die Eigenschaftskombination aus ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und einer vergleichsweise guten Zähigkeit.

Führende Platzierung beim Werkstoffvergleich

Die Flexibilität im Ablauf und die Kontrollverfahren ermöglichen, den Wärmebehandlungsprozess dem jeweiligen Bauteil anzupassen und so die vom Kunden gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Ferner werden Verzunderung und Spannungsaufbau vermieden sowie eine hohe Maßgenauigkeit erzielt. So sind Bauteile oft ohne eine zusätzliche Bearbeitung verwendbar.

Der nachfolgende Versuchsablauf basiert auf der Zusammenarbeit von ADI Treatment, Hulvershorn Eisengiesserei und der US-amerikanischen Applied Prozess Ltd., Livonia/Michigan, die ADI-Wärmebehandlungsprogramme entwickelt. Applied Prozess hat bei der ADI-Erzeugung 20 Jahre Erfahrung. Der amerikanische Software-Anbieter ist Lizenzgeber bei ADI Treatment.

Um die Verschleißbeständigkeit von CADI zu beurteilen, wurden Proben aus ADI, CADI und den drei verschleißbeständigen Werkstoffen ABRO 500, Ni-Hard und Gusseisen mit 22% Chrom für Versuche hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse dieser Versuche, die vom Maschinenbauer Simba durchführt wurden. Bei ABRO 500 handelt es sich um eine Stahlqualität mit einer Härte HB von mindestens 500. Die Verschleißbeständigkeit von Ni-Hard wurde bei den Versuchen als Referenzgröße mit 1,0 angenommen.

Feldversuch ergibt Vorteile für Chromlegierung

Außerdem wurden Feldversuche mit den Werkstoffen CADI und Gusseisen (22% Chrom) durchgeführt. Über die Versuchsdauer gesehen, hatte das mit Chrom legierte Eisen eine bessere Verschleißbeständigkeit und wurde deshalb zum Beispiel vom Maschinenbauer Simba für den Spitzenschuh eines neuen Pflugs ausgewählt. Allerdings entschied er sich bei der Werkstoffauswahl aufgrund der Versuche für den Spitzenbeinschutz für CADI. Aus CADI hergestellt, ist dieses Bauteil preisgünstiger im Vergleich zu den anderen Werkstoffen und zudem einfacher herzustellen.

Das Verschleißverhalten ist dagegen vergleichbar mit dem des Spitzenschuhs, was einen Wechsel in gleichen Intervallen ermöglicht. Die Bruchzähigkeit ist sehr zufriedenstellend. Auch der Landmaschinenbauer John Deere setzt CADI in den USA für Mähmaschinenteile und Pflugzähne ein. Europäische Maschinenbauer untersuchen momentan ähnliche Anwendungen und prüfen die Verwendung von CADI mit Eisenkarbiden, das dem flüssigen Eisen während des Gießens hinzugefügt werden. Dabei werden zahlreiche Anwendungen auch außerhalb des Landmaschinenbaus gesehen.

Aufgrund der positiven Ergebnisse der Simba-Studie hat ADI Treatment eine weitere Untersuchung veranlasst, um die Verschleißeigenschaften von CADI und von 17% wärmebehandeltem weißen Gusseisen zu vergleichen. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse dieser Untersuchung, mit der die Universität Birmingham beauftragt wurde, zusammengefasst. Für einen umfassenden Vergleich sind früher ermittelte Resultate von ADI- Werkstoffen und verschleißfesten Stahl- und Gusseisenqualitäten mit aufgeführt. Tabelle 2 zeigt, dass CADI eine höhere Verschleißbeständigkeit hat als ADI, martensitischer Kugelgrafitguss und einige weitere verschleißbeständige Stähle.

Zunehmender Karbidanteil erhöht Verschleißfestigkeit

Allerdings wird auch deutlich, dass CADI – obwohl dem Werkstoff Ni-Hard ähnlich – eine geringere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu Gusseisen mit hohem Chrom-Gehalt hat. Dabei muss jedoch bei beiden Werkstoffen die Verschleißbeständigkeit in Relation mit der Bruchzähigkeit gesehen werden. Die Verschleißbeständigkeit von CADI erhöht sich mit zunehmendem Karbidanteil im Gefüge.

Diese Anstieg geht mit einem entsprechenden Rückgang bei der Bruchzähigkeit einher. Die Ergebnisse von Bruchzähigkeitsversuchen mit ungekerbten Charpy-Schlagproben aus einem typischen CADI-Werkstoff (30 bis 45% Karbide) und einer Reihe von konventionellen verschleißbeständigen Werkstoffen verdeutlichen einen wesentlichen Vorteil des Werkstoffs: Die CADI-Bruchzähigkeit von 13 J übertrifft den Wert von weißem Gusseisen, der unter 3 J liegt [1].MM

Dr. Arron Rimmer ist technischer Direktor der ADI Treatment Ltd. in West Bromwich/Großbritannien. Ulrich Becker leitet die Arbeitsgemeinschaft Qualitätsguss e.V. in Haunsheim-Unterbechingen. Weitere Informationen: Hulvershorn Eisengiesserei GmbH & Co. KG, 46365 Bocholt, Tel. (0 28 71) 99 01-0, Fax (0 28 71) 99 01-35, info@hubo.de

Literatur

[1] Hayrenan, K.: Transactions, Page No. 03-088, S. 845–850, American Foundry Society V III, 2003.

[2] N.N.: Climax-F&E-berichte 2006.

[3] Gundlach, R., und J. Janowak: Your Means to improved Performance, Productivity and Cost. 2nd International Conference on austempered ductile iron, 17.–19. März 1986, S. 23–30.

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