Gusseisenwerkstoffe – insbesondere Sphäroguss (GJS) – sind aus der modernen Anlagentechnik nicht wegzudenken. Gerade im Bereich der regenerativen Energiegewinnung, etwa bei Windenergieanlagen (WEA), werden eine Vielzahl technisch relevanter Großbauteile wie Rotor Hubs mit bis zu 50 t Gewicht aus modernen GJS-Varianten hergestellt. Der Werkstoff bietet gegenüber Guss mit Lamellen- (GJL) oder Vermiculargraphit (GJV) gesteigerte Duktilität und Festigkeit, hohe Gestaltungsfreiheit bei komplexer Geometrie sowie vergleichsweise geringe Herstellkosten. Bei gewichts- und volumenmäßig großen Gussbauteilen treten jedoch ausgeprägte Gefügegradienten auf, die aus lokal unterschiedlichem Erstarrungs- und Abkühlverhalten resultieren und die lokale Werkstofffestigkeit, Härte und Ungänzenausprägung maßgeblich beeinflussen. Ziel des Vorhabens ist es daher, den Begriff der Eisengussqualität neu zu fassen: als bedarfsgerechte Beschreibung einer lokalen Werkstoffqualität auf Basis lokaler Gefügeinformationen.

Bisherige Ansätze zur Beschreibung der lokalen Gussqualität stützen sich überwiegend auf zerstörende Prüfungen (Zug- und Kerbschlagbiegeversuche, metallographische Gefügeuntersuchungen). Zerstörungsfreie Verfahren (ZfP) werden bisher nur eingeschränkt eingesetzt und stoßen etwa bei der Ultraschallprüfung an Grenzen der erreichbaren Defektauflösung. Das Forschungsvorhaben setzt genau hier an: Durch den Einsatz komplementärer ZfP-Verfahren auf Basis der Magnetik, der Resistometrie und der Ultraschalltechnik (inkl. Phased-Array) sollen Informationen über das reale Gussgefüge gewonnen werden, ohne die Strukturintegrität des Bauteils zu beeinträchtigen. Auf dieser erweiterten methodischen Basis kann eine neue, gefügebasierte Definition der Eisengussqualität aufgebaut werden, die lokale Werkstoffeigenschaften und die ihnen innewohnenden Unsicherheiten bewertbar macht.

Als hochgradig gefügesensitive Eigenschaft wird die Schwingfestigkeit exemplarisch als Demonstrator gewählt. Die Arbeitshypothese des Vorhabens lautet, dass durch die Kombination von zerstörungsarmer und zerstörungsfreier Werkstoffprüfung, mikromechanischer Simulation und der Kopplung mit dem lokalen Erstarrungs- und Abkühlverhalten eine lokale Eisengussqualität spezifiziert und damit das Bauteilpotential gesteigert werden kann. Betrachtet wird die weit verbreitete Güte EN-GJS-400-18 LT, die sich durch ihre Kombination aus Festigkeit und Duktilität besonders gut für die instrumentierte Werkstoffprüfung eignet und die methodische Akzeptanz steigert. Die entwickelten Methoden sind grundsätzlich auf weitere Gusseisenvarianten, insbesondere GJV- und GJL-Güten, übertragbar.

Die angestrebten Forschungsziele lassen sich in vier Leitbegriffen zusammenfassen: Beschreibbarkeit (optimierte Bestimmung von Gefügedeskriptoren aus der Korrelation von ZfP- und metallographischen Informationen sowie Nachweis der ZfP-Messauflösung im industriellen Kontext), Vorhersagbarkeit (Prognose der Ermüdungsfestigkeit mit reduzierter Probenanzahl über Lebensdauerprognoseverfahren, validiert durch statistisch abgesicherte Ermüdungsversuche), Überwachbarkeit (direkte Aussage über die vorhandene Werkstoffqualität durch Integration schadensrelevanter Gefügeparameter in die Berechnung der Schwingfestigkeit) und Übertragbarkeit (Skalierung der Ergebnisse auf unterschiedliche Abgussvolumina und repräsentative Bauteilgussqualitäten).

Methodisch gliedert sich das Vorhaben in sechs Arbeitspakete: die zerstörende Gefügecharakterisierung der Abgüsse (Lichtmikroskopie, REM, EBSD/EDX, n-Punkt-Statistik), die zerstörungsfreie Gefügecharakterisierung mittels Magnetik, Resistometrie und Ultraschall, die Bestimmung einer gefügeabhängigen Ermüdungsfestigkeit über statistisch abgesicherte Werkstoffprüfung und Lebensdauerprognoseverfahren, die experimentelle und simulative mikromechanische Werkstoffprüfung auf Basis repräsentativer Volumenelemente und eines Tanaka-Mura-Modells, die multivariate Korrelation von Gefügedeskriptoren, ZfP-Messwerten und Schwingfestigkeit mittels Random-Forest-Regression sowie eine abschließende Machbarkeitsstudie an einem Demonstratorbauteil.

Das Projekt wird gemeinsam vom Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM) der RWTH Aachen und dem Fachgebiet Werkstoffwissenschaft und -technik der Hochschule Kaiserslautern (WWHK) in enger Kooperation mit Industriepartnern durchgeführt. Durch die systematische Einbindung der Partner entlang der gesamten Projektlaufzeit werden praxisnahe Lösungen erarbeitet und ein kurzfristiger Transfer der entwickelten Methoden in die industrielle Anwendung ermöglicht. Damit leistet das Vorhaben einen wesentlichen Beitrag zu einem ressourceneffizienteren und zugleich betriebssicheren Werkstoffeinsatz, zur Vermeidung von Überdimensionierung sowie zur nachhaltigen Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit von KMU und des Gießtechnologiestandorts Deutschland.