Kupfer im Gusseisen

Metallurgy
Kupfer gehört zu den stets vorhandenen Legierungselementen im Gusseisen. Es begünstigt die Erstarrung nach dem stabilen System Eisen-Graphit, wirkt bei der Austenit-Ferrit-Umwandlung perlitstabilisierend und erhöht als Mischkristallbildner Zugfestigkeit und Härte.

Kupfer und Eisen sind im flüssigen Zustand lückenlos miteinander mischbar, das Austenitgebiet wird dabei erweitert. Die maximale Löslichkeit für Kupfer im Austenit beträgt bei 1094 °C 8,5 %. Der eutektoide Punkt des Austenitzerfalles liegt bei etwa 3 % Kupfer und 835 °C. Bei dieser Temperatur sind nur 1,4 % Kupfer im Ferrit löslich. Da Kupfer nur wenig im Ferrit löslich ist, reichert sich Kupfer bei der Ferritausscheidung unmittelbar an der Grenzfläche an, so dass sich um den Ferrit eine stark mit Kupfer angereicherte Zone ausbilden kann. Diese wirkt als Diffusionssperre für den Kohlenstoff, so dass die Umwandlung des Austenits in Perlit begünstigt wird, die mit einer Erhöhung der Zugfestigkeit und Härte des metallischen Grundgefüges verbunden ist. Die perlitisierende Wirkung von Kupfer kann durch geringe Gehalte an Antimon oder Zinn deutlich verstärkt werden.

Kupfer erhöht die stabile eutektische Temperatur und senkt gleichzeitig die metastabile eutektische Temperatur ab. Der Bereich der stabilen Erstarrung vergrößert sich und erklärt die graphitisierende Wirkung von Kupfer. Diese Wirkung des Kupfers ist umso deutlicher, je kleiner die Siliziumgehalte sind.

Kupfer begünstigt die Ausbildung des Lamellengraphits der Form A, die Neigung zur Bildung der Formen B und D wird vermindert.

In einem Basiseisen zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit wird die Kugelausbildung durch Kupferzusätze bis circa 2 % dann nicht beeinflusst, wenn ein niedriger Störelementepegel im Eisen vorliegt. Liegen jedoch merkliche Gehalte an Blei und Titan vor, so kann bereits ein Kupfergehalt von 1 % negative Auswirkungen haben. Durch Zusätze von Cer oder Cer-Mischmetall kann die Störwirkung vermindert werden. Generell neigen aber kupferhaltige GJS-Sorten stärker zu Graphitentartungen als kupferfreie Sorten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass vermutlich Magnesium die Löslichkeit von Kupfer im Eisen vermindert. Bei 0,1 % Magnesium sind schon ab 1 % Kupfer örtliche Kupferausscheidungen im Werkstoff festgestellt worden.

Ferritische GJS-Sorten sind im Gusszustand nur mit geringen Kupfergehalten zu erzeugen.

In hochlegierten Gusseisenwerkstoffen erhöhen steigende Nickelgehalte die Löslichkeit von Kupfer im Eisen. Bei einigen austenitischen Gusswerkstoffen mit Lamellengraphit wird auf dieser Basis ein Teil des Nickels durch Kupfer substituiert.

Taschenbuch der Gießerei-Praxis

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