Schrotttolerante Auslegung von hochfesten GJS-Recyclinglegierungen
Das Projekt STAR entwickelt neue hochfeste Gusseisenlegierungen, die auch mit Recycling-Schrotten zuverlässig hergestellt werden können. Dabei werden hohe Festigkeit und ausreichende Duktilität gezielt kombiniert. So wird der Materialeinsatz reduziert und die Kreislauffähigkeit von GJS deutlich verbessert. STAR fokussiert sich auf die Entwicklung schrotttoleranter, hochfester GJS-Recyclinglegierungen für den zukünftigen Einsatz komplexerer Schrottsorten in der GJS-Produktion. Das Projekt untersucht, wie Begleit-, Stör- und Spurenelemente, insbesondere aus hochmanganhaltigen und mikrolegierten Stählen, die Mikrostruktur, Prozessstabilität und mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit beeinflussen. Das Projekt verfolgt zwei miteinander verknüpfte Ziele: die Verbesserung der Festigkeits-Duktilitäts-Balance von GJS im Gusszustand und die Sicherstellung stabiler Werkstoffeigenschaften beim Einsatz von Schrotten mit erhöhten Gehalten kritischer Begleitelemente. Ziel ist ein GJS-Werkstoff im Gusszustand mit einer Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa und einer Bruchdehnung von etwa 10 %. Diese Eigenschaftskombination kann ermöglichen, Gussbauteile, beispielsweise in Automobilanwendungen, mit reduzierten Wanddicken und geringerem Bauteilgewicht auszulegen. Störelemente, die über komplexe Schrottsorten eingebracht werden, darunter Titan, Vanadium, Molybdän, Niob, Mangan und weitere relevante Elemente, müssen berücksichtigt werden, da sie oberhalb kritischer Grenzwerte die Graphitmorphologie, die Ausbildung der metallischen Matrix, die Karbidbildung, die Prozessstabilität und damit die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen können. STAR zielt daher darauf ab, Legierungskonzepte und zulässige Elementgehalte zu definieren, die eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit mit einer breiteren und flexibleren Schrottnutzung verbinden. Die experimentellen Arbeiten umfassen den Abguss von GJS-Legierungen mit definierten chemischen Zusammensetzungen, die aus statistischen Versuchsplänen abgeleitet werden, gefolgt von mechanischer Prüfung und detaillierter mikrostruktureller Charakterisierung. Ein zentrales Ergebnis des Projekts wird ein Werkstoffmodell für den gezielten Einsatz neuer Schrottsorten in der GJS-Produktion sein. Das Modell wird experimentelle Legierungsdaten, chemische Analysen, mikrostrukturelle Informationen, mechanische Kennwerte, schrottbezogene Elementdaten und Ergebnisse der industriellen Validierung zusammenführen. Die Entwicklung dieses Werkstoffmodells basiert auf der Kombination experimenteller und digitaler Methoden. Design of Experiments, Response Surface Methodology, modellbasierte Auswertung, datengetriebene Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um die Effekte einzelner Legierungs- und Spurenelemente zu erfassen und zu bewerten. Dieser kombinierte Ansatz bildet die Grundlage für eine modellbasierte Legierungsentwicklung und für die Optimierung des Schrotteinsatzes bei gleichzeitig stabiler Prozessführung und zuverlässigen Werkstoffeigenschaften. Das Modell soll die Vorhersage von GJS-Eigenschaften bei variierenden Schrottzusammensetzungen unterstützen und dazu beitragen, geeignete Zusammensetzungsbereiche sowie zulässige Grenzwerte für Störelemente zu definieren. Unter industriellen Bedingungen verfolgt das Projekt das Ziel, den Einsatz von mindestens 25 % hochmanganhaltigem und mikrolegiertem Schrott ohne Einbußen bei Prozessstabilität oder Materialeigenschaften zu ermöglichen. STAR trägt damit zu einer breiteren Schrottbasis, zur digitalen Legierungsentwicklung und zur experimentellen Validierung neuer GJS-Werkstoffe bei. Gleichzeitig unterstützt das Projekt Versorgungssicherheit, Kreislaufwirtschaft, Ressourcenschonung und die Reduktion von Treibhausgasemissionen, mit dem Ziel, Material- und CO2-Einsparungen von mindestens 15 % zu erreichen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der strukturierten Handhabung der im Projekt erzeugten Forschungsdaten. Versuchspläne, chemische Zusammensetzungen, Prozessdaten, mechanische Kennwerte und metallografische Ergebnisse werden dokumentiert und gemäß den FAIR-Prinzipien aufbereitet. Die Integration in die Plattform MaterialDigital (PMD) unterstützt Nachverfolgbarkeit, Wiederverwendbarkeit und zukünftige modellbasierte Werkstoffentwicklung. Das Projekt verbindet wissenschaftliche Werkstoffentwicklung, industrielle Gießereipraxis und Expertise aus dem Schrottrecycling. Beteiligte Partner sind die Technische Universität Clausthal – Institut für Metallurgie, Abteilung Gießereitechnik, FONDIUM Group GmbH, FONDIUM Mettmann GmbH, RWP Gesellschaft beratender Ingenieure für Berechnung und rechnergestützte Simulation m.b.H. sowie die Firma Westrecycling GmbH als assoziierter Partner. Die Technische Universität Clausthal bringt DoE-gestützte Legierungsentwicklung, Gießversuche, mechanische Prüfungen, mikrostrukturelle Analyse und Validierung ein. FONDIUM trägt industrielle Gießereiexpertise, Produktionsdaten und Validierung unter praxisnahen Bedingungen bei. RWP bringt Modellierung, Simulation und datenbasierte Vorhersagemethoden ein. Westrecycling unterstützt das Projekt mit Kenntnissen zu Schrottmärkten, Schrottverfügbarkeit und relevanten Schrottzusammensetzungen. Gemeinsam verfolgen die Partner das Ziel, die entwickelten schrotttoleranten GJS-Legierungskonzepte und Werkstoffmodelle in Richtung industrieller Anwendung zu überführen. Die daraus resultierenden Legierungskonzepte und modellbasierten Empfehlungen sollen Gießereien dabei unterstützen, geeignete Schrottsorten auszuwählen, zulässige Elementgrenzwerte zu definieren und stabile GJS-Eigenschaften trotz zunehmender Schrottvariabilität sicherzustellen.
