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J. Crespo Casanova:
"Gefügeprognose für Sphäroguss mittels Differenzial-Thermo-Analyse";
Supervisor, Reviewer: H.P. Degischer, C. Verdu; Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2011; oral examination: 07-01-2011.

Der Einsatz von Differenzial Thermo-Analyse (DTA) für eine schnelle und genaue Prüfung der Schmelzequalität bei der Herstellung von Kurbelwellen aus Sphäroguss stellt eine große technische Herausforderung dar. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in einer signifikanten Ausschussreduktion. DTA misst den Temperaturverlauf während der Erstarrung des Gusseisens von 1400°C bis 950°C. Die Abkühlkurven werden durch charakteristische Temperaturen klassifiziert, das sind Liquidus- T$_{LIQ}$, Unterkühlungs- T(UK), Eutektikum- T(EUT), und Rekaleszenztemperatur T(RC).

Anschließend werden die DTA-Abkühlkurven, insbesondere die erhobenen, charakteristischen Temperaturen, mit der computergestützten quantitativen Analyse von lichtmikroskopischen Schliffbildern (QBA) anhand von Graphitanteil und Partikeldichte korreliert.

Das Ergebnis zeigt, dass der Unterschied (T(LIQ)-T(UK)) und (T(LIQ)-T(EUT)) zur Partikeldichte verkehrt bzw. direkt proportional ist, wobei die höchste Partikeldichte bei übereutektischer Erstarrung gebildet wird. Der Graphitanteil steigt leicht mit dem Rekaleszenztemperaturanstieg über die Unterkühlungstemperatur (T(RC)-T(UK)), ergibt aber keine Korrelation zum Typ der DTA-Kurve.

Weiters wird die Graphitverteilung in verschiedenen Stellen des fertigen Bauteils ausgewertet. In dieser Arbeit werden drei Fälle von Lunkerbildung in kritischen Bereichen der untersuchten 46 Kurbelwellen identifiziert. Die Partikeldichte in diesen Kurbelwellen ist relativ niedrig (< 250 /mm2). In zwei Kurbelwellen mit hohem Wert für (T(RC)-T(UK))xt werden keine Lunker gefunden. Sowohl die Graphitverteilung als auch Lunker und Mikroporen im Sphäroguss werden ausserdem dreidimensional mit Röntgen-Computertomografie abgebildet.

Lunker aufgrund mangelhafter Nachspeisung bilden eine 3D Struktur in interdendritischer Anordnung an der Position, die von der Erstarrungsimulation vorhergesagt wird. Derartige Lunkeräste setzen sich in Form von Mikrolunker und Graphitzeilen in das Gussteil fort. Mikrolunker (5µm - 200µm) treten in allen Gussteilbereichen auf.

Graphitteilchen (>30µm) und Mikrolunker >20µm werden in Proben mit Durchmesser <4µm mittels Röntgen Computertomografie abgebildet.

Durch den Einsatz von Synchrotron-Röntgenstrahlung (1,6µm)3/Voxel kann an Proben mit Durchmessern <1,5mm die Detailerkennbarkeit auf >5µm gesteigert werden, wobei auch eine Diskriminierung zwischen Graphitteilchen und Mikroporen möglich ist.

Eine SCT-Aufnahme benötigt weniger als 10 s, sodass der Rissfortschritt mittels in-situ Zugversuchen während der Verformung tomografiert und mit der lokalen Verteilung der Graphitteilchen und Mikroporen in Zusammenhang gebracht werden kann.

Hier wird beobachtet, dass die Bruchfläche die größten Ausdehnungen der Mikrolunker (Porenanteil >50% über dem Mittel) quer zur Zugrichtung einschließt und durch Graphitanhäufungen in 45°-Scherrichtung verläuft. Der Fortschritt des Risses verläuft zu den nächstgelegenen Graphitteilchen. Graphitteilchen lösen sich von der sich plastisch verformenden Matrix im Bereich des Bruchs kurz vor dem Versagen ab.

Trotz diesem 0,1-0,3% Porenanteil (>5µm) im Ausgangszustand erreichen die Proben Festigkeiten um ca. 20% über dem genormten Wert für makroskopische Normproben. Bei niedrigem volumetrischen Porenanteil <0,1% steigt die Festigkeit noch um ca. weitere 5%.