Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

So schwingt das Eisen - Neues Analyseverfahren spart Ressourcen und Energie beim Eisenguss

04.10.2012
Seit rund 5000 Jahren nutzt der Mensch Eisen in unterschiedlicher Form. Dennoch gilt auch für diesen vermeintlich geheimnislosen Stoff: Es gibt immer noch etwas zu optimieren.
Zum Beispiel bei der Beurteilung der Schwingfestigkeit von Eisenguss, der als preisgünstiges Verfahren häufig zur Herstellung von Bauteilen von Autos, Maschinen und Windkraftanlagen eingesetzt wird. Forscher des Fraunhofer LBF fanden eine Methode, die Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugel- und Vermikulargraphit bereits in der Entwicklungsphase zu beurteilen. Damit erhöht sich die Ausfallsicherheit nicht nur in der Produktion, sondern auch die Sicherheit des Endprodukts.

Die Methode erlaubt es, die Lebensdauer von Gussbauteilen zu berechnen, deren Belastbarkeiten besser abzuschätzen und die Kosten im Herstellungsprozess zu optimieren. Insbesondere im Automobilbau wird das Verfahren Eisengießen jetzt besser ausreizbar und damit wirtschaftlicher, denn es lassen sich Ressourcen und Energie einsparen.

Der Gießprozess beeinflusst die Schwingfestigkeit von Eisengussbauteilen. Neben einer tragenden metallischen Matrix enthalten sie Graphitpartikel - mechanisch gesehen sind dies Hohlräume. Deren Anzahl, Form und Lage kann die Lebensdauer eines ansonsten fehlerfreien Gusseisens um den Faktor zehn beeinflussen. Um die Schwankungen der inhomogen verteilten Schwingfestigkeit derartiger Gusseisengefüge bewerten zu können, haben die Darmstädter Wissenschaftler neue Methoden entwickelt.
Hohlräume beeinflussen Lebensdauer

Nach dem Stand der Technik wird die Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugel- oder Vermikulargraphit aus Kennwerten des statischen Zugversuchs abgeschätzt. In ihrem Forschungsprojekt unternahmen die LBF-Forscher Versuche an Proben aus Gussprobekörpern sowie aus Bauteilen. An etwa zehn Prozent aller Proben führten sie Gefügeanalysen durch. Anhand der Bildanalysen und Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche untersuchten sie Korrelationen zwischen ausgewählten Gefügekenngrößen und Parametern von Dehnungs- und Spannungswöhlerlinien.

Berechnete Schwingfestigkeiten eines Lagerbocks für Lastkraftwagen auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung).

Grafik: Fraunhofer LBF


Berechnete Schwingfestigkeiten eines Maschinenträgers einer Windenergieanlage auf Basis von Ergebnissen der Gießereisimulation (Schnittdarstellung).

Grafik: Fraunhofer LBF

Das Ergebnis: Korrelationen, die den Perlitgehalt, die Kugelzahl und die Nodularität - ein Maß für die Kugelförmigkeit des Graphits in Gusseisen – enthalten, versprechen eine zuverlässige rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit. Darüber hinaus schlug das Team einen modifizierten Ansatz zur Berücksichtigung von Spannungskonzentrationen bei der Bauteilauslegung basierend auf dem höchst beanspruchten Werkstoffvolumen vor.

Anschließend führten die Darmstädter Wissenschaftler rechnerische Lebensdaueranalysen von Versuchen an LKW-Lagerböcken und an Zylinderkurbelgehäusen unter Zuhilfenahme der erarbeiteten Korrelationsgleichungen durch. Die Aussagegüte dieser Analysen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte sich sowohl für die Lebensdauer als auch für den Anrissort signifikant.

Der Projektpartner MAGMA implementierte ein Korrelationsmodell mit reduzierter Anzahl an Gefügekenngrößen in das Gießereisimulationsprogramm Magmasoft®. Es zeigte sich, dass die Versuchsergebnisse an Proben und Bauteilen gut mit den durch die Simulation ermittelten Schwingfestigkeiten übereinstimmen.

Frühzeitiges Beurteilen

Die von den LBF-Forschern erarbeiteten Ergebnisse ermöglichen bereits in der Entwicklungsphase eine Beurteilung der Schwingfestigkeit von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugel- und Vermikulargraphit. Zudem kann durch quantitative Metallographie die lokale Qualität des Bauteils zielgerichtet eingeschätzt werden. Prozessbedingte Schwankungen der Schwingfestigkeit, die bisher durch erhöhte Sicherheitsfaktoren Zufallsschwankungen zugeordnet wurden, können systematisch erfasst werden. Dadurch lassen sich Abschätzungen der Eigenschaftsstreuungen identifizieren und der Gießprozess in Hinblick auf die örtlich am Bauteil erforderliche Schwingfestigkeit optimieren.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes machen Sensitivitätsstudien möglich, mit denen Mittelwerte und Schwankungsbreiten von Schwingfestigkeiten am Bauteil abgeschätzt werden können. Fertigungsspezifische Schwingfestigkeitsstreuungen, die für Eisenguss kleiner sind als in Richtlinien angenommen, können im Bemessungsprozess verwendet werden. Somit lassen sich materialbezogene Sicherheitsfaktoren senken.

Anke Zeidler-Finsel | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.lbf.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht BMBF-Forschungsprojekt AutoAdd: Wegbereiter der additiven Fertigung für die Automobilindustrie
12.11.2018 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Tadellos gefügt: Hohe Festigkeit von EMPT-geschweißten Aluminium-Stahl-Verbindungen
06.11.2018 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

Im Focus: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Was das Meer zur Klimaregulierung beiträgt: Neue Erkenntnisse helfen bei der Berechnung

14.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Die Umgebung macht das Molekül zum Schalter

14.11.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics