Gusseisen

Metallurgie

Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit mindestens 2 % Kohlenstoff und weiteren Legierungsbestandteilen, insbesondere Silizium. Grundsätzlich wird nach der Ausbildung des Kohlenstoffs zwischen grau und weiß erstarrtem Gusseisen unterschieden. Grau erstarrtes Gusseisen zeigt eine graue Bruchfläche und wird auch als graphitisches Gusseisen bezeichnet. Hierzu gehören Gusseisen mit Lamellengraphit, auch als Grauguss benannt, Gusseisen mit Kugelgraphit und Gusseisen mit Vermiculargraphit. Weiße, metallisch glänzende Bruchflächen haben Tempergusseisen (Temperrohguss) und Hartguss in den verschiedenen Legierungsvarianten wie austenitisches Gusseisen, bainitisches Gusseisen, martensitisches Gusseisen, Sondergusseisen, verschleißbeständiges legiertes Gusseisen und zwischenstufenvergütetes Gusseisen mit Kugelgraphit.

Gusseisen wird durch Zusammenschmelzen der Rohstoffe (Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott, Kreislaufeisen und weitere Zusätze) im Kupolofen oder Elektroofen erzeugt. Für bestimmte Verwendungszwecke werden auch legierte Gusseisensorten und Sondergusseisen hergestellt.

Nach dem Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild wird zwischen dem stabilen Fe-C-(Eisen-Graphit)- und dem metastabilen Fe-Fe3C-(Eisen-Zementit)-System unterschieden. Die chemische Zusammensetzung des Gusseisens, insbesondere die Gehalte an Kohlenstoff und Silizium, hat einen grundlegenden Einfluss auf die graue oder weiße Erstarrung. Diese Bedingung zielt im Wesentlichen auf eine Beeinflussung des Intervalls zwischen der stabilen und der metastabilen eutektischen Gleichgewichtstemperatur ab. Durch Siliziumgehalte wird dieses Intervall aufgeweitet, so dass die Schmelze auch bei stärkerer Unterkühlung noch mit Sicherheit grau erstarrt (Bildung des Graphiteutektikums, Grauerstarrung). Umgekehrt wird, wenn Weißerstarrung beabsichtigt ist, die Eisenzusammensetzung so gewählt, dass das Intervall der beiden eutektischen Temperaturen gering ist.

Bild 1a: Gusseisendiagramm nach Laplanche für Probestäbe von 30 mm Durchmesser© GIESSEREI LEXIKON
Bild 1b: Gusseisendiagramm nach Laplanche in der Bearbeitung von R. Döpp© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Beziehung zwischen Sättigungsgrad und Zugfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit (nach Heller und Jungbluth)© GIESSEREI LEXIKON

Die Bereitschaft zur Grau- beziehungsweise Weißerstarrung hängt aber nicht nur von der Eisenzusammensetzung allein ab, sondern auch von der Überhitzung, von der Abkühlungsgeschwindigkeit und damit auch von der Gussstückwanddicke, desgleichen von den Erstarrungsbedingungen der Schmelze. Metallurgische Maßnahmen wie das Impfen der Schmelze beeinflussen den Keimbildungszustand und in der Folge auch die Kristallisation des Graphiteutektikums, so dass beispielsweise die Schrecktiefe verringert und eine Kornfeinung des eutektischen Gefüges erreicht wird. Die mechanischen Eigenschaften im Gussstück werden verbessert. Auch die erreichbare Gefügestruktur hängt somit von den Gehalten an Kohlenstoff und Silizium sowie von der Impfwirkung ab. Außerdem ist der eutektoide Zerfall des Austenits in Perlit (im metastabilen System) beziehungsweise in Ferrit und Graphit (im stabilen System) zu berücksichtigen (Eisen-Kohlenstoff-Legierung). Die letztgenannte Umwandlung erfolgt jedoch im grau erstarrten Gusseisen nur bei sehr langsamer Abkühlung, so dass sich normalerweise Perlit bildet. Dies bedeutet, dass der eutektoide Zerfall des Austenits bei der Abkühlung des grauen Gusseisens mehr oder minder rasch in das metastabile System umschlägt. Lediglich bei einer Eisenzusammensetzung mit relativ hoher Graphitisierungstendenz oder bei sehr langsamer Abkühlung (große Gussstückwanddicke) kann sich vorwiegend Ferrit bilden. Im Allgemeinen wird aber ein perlitisches Gefüge im grauen Gusseisen bevorzugt. Die Schwefelbeimengungen sind dabei möglichst niedrig zu halten. Zur Bindung des Schwefels als Mangansulfid soll der Mangangehalt des Eisens auf

Mn(%) = 1,7 · S(%) + (0,2 bis 0,3)

eingestellt werden. Dennoch kann eine Schwefelseigerung rund um die eutektischen Körner entstehen. Zur Vermeidung derartiger Seigerungszonen muss der Mangangehalt noch höher eingestellt werden.

Für Gusseisen mit Kugelgraphit gelten besondere Bedingungen.

Um ein bestimmtes Gefüge zu erzielen, sind wie schon erwähnt, die Kohlenstoff- und Siliziumgehalte entsprechend einzustellen, die primär die Graphitisierungstendenz beeinflussen. Hierzu kann das Laplanche-Diagramm (Bild  1) benutzt werden, in dem auch der Sättigungsgrad eingetragen ist, (Graphitisierungsfaktor).

Die Einführung des Sättigungsgrades stellt eine wichtige Verbindung zu den Festigkeitseigenschaften im Gussstück her. Bei gleichem Sättigungsgrad bleiben die Anteile an Primärkristallen beziehungsweise der eutektischen Körner trotz verschieden hoher C- und Si-Gehalte nahezu gleich, während sich dagegen die Anteile an eutektischem und vor allem an Gesamtgraphit beträchtlich ändern. Mithin hängt die Festigkeit vom Sättigungsgrad und von der Wanddicke ab (Bild 2). Die hier angegebenen Beziehungen für Gusseisen mit Lamellengraphit stellen aber keine strenge Abhängigkeit dar; vielmehr handelt es sich um Mittelwerte aus einer großen Anzahl von stark streuenden Einzelwerten. Als Maß für das Streufeld wurde der Reifegrad als Verhältnis der gemessenen Zugfestigkeit zu der nach Bild  2 errechneten Normalzugfestigkeit eingeführt. Unterschiedliche Reifegrade kommen durch die verschiedenen Ausbildungsformen der Primärdendriten und der Graphitausscheidungen sowie durch das  Si/C-Verhältnis zustande.

Entscheidend für die Festigkeit eines Gusseisens ist zuallererst das Primärerstarrungsgefüge. Je größer der Anteil an Primäraustenitdendriten, desto höher ist die Festigkeit. Dies ist der Hauptgrund für den Festigkeitsanstieg mit abnehmendem Sättigungsgrad beziehungsweise Kohlenstoffäquivalent (Bild 2). Dabei spielt aber auch die Graphitform eine sehr wichtige Rolle. Die Graphitteilchen schwächen das Gefüge und unterbrechen die Kontinuität der metallischen Gefügegrundmasse. Die Ausbildungsform des Graphits ist daher für die Einteilung der graphitischen Gusseisenwerkstoffe entscheidend: Gusseisen mit Lamellengraphit, Gusseisen mit Kugelgraphit und Gusseisen mit Vermiculargraphit.
 

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