Sondergusseisen, chromlegiert

Allgemein

Chrom ist, wie vom unlegierten Gusseisen bekannt, ein Element, das die Ausscheidung des Kohlenstoffs in carbidischer Form fördert und das Carbid stabilisiert. Die Weißeinstrahlungstiefe wird daher durch Chrom erhöht, und von Gehalten ab etwa 2 bis 3 % erstarrt das Gusseisen weiß. Das Chrom reichert sich zum Teil im Zementit (Fe3C) an und bildet ein Mischcarbid (Fe,Cr)3C. Bei höheren Chromgehalten entstehen Cr-reiche Sondercarbide (Bilder  1 und 2). In üblicherweise eutektisch oder naheutektisch zusammengesetzten Sondergusseisensorten tritt ab 10 % Cr das Carbid (Fe, Cr)7C3 neben Zementit auf. Bei Gehalten > 14 % Cr kommt es allein vor (Bild 3). Das Eutektikum, das dieses Carbid enthält, hat einen vom Ledeburit deutlich verschiedenen Erstarrungstyp, wobei die Abkühlgeschwindigkeit einen merklichen Einfluss auf die Gefügeausbildung im Gusszustand ausübt (Bilder 4 und 5). Mit zunehmender Gussstückwanddicke beziehungsweise langsamerer Erstarrung wird das Gefüge gröber. Übereutektische und somit hochkohlenstoffhaltige Legierungen erstarren unter Ausscheidung von Primärcarbiden des Typs (Fe,Cr)7C3, die sich in Form großer Kristalle im Austenit-Carbid-Eutektikum verteilen (Bild  5). Die grobblockige und meist sternförmige Struktur dieser Primärcarbide ist ungünstig für das Zähigkeits- und Verschleißverhalten des Werkstoffs, und daher werden übereutektische Eisenzusammensetzungen in der Praxis vermieden.

Bei hoher Temperatur ist der Austenit (γ- Mischkristall) beständig, wie aus den isothermen Schnitten in Bild 2 hervorgeht.

Wird im Gleichgewichtszustand abgekühlt, wandelt sich der Austenit oberhalb 700 °C in Ferrit + Carbid um. Erfolgt jedoch die Abkühlung nicht im Gleichgewichtszustand, wie dies gewöhnlich bei der Gussertigung zutrifft, wird der Austenit an Kohlenstoff und Chrom übersättigt. Dies kann unter Umständen zusammen mit der Anwesenheit anderer, die Umwandlungskinetik des Austenits beeinflussender Legierungselemente (Mo, Ni, Mn, Cu) dazu führen, dass Restaustenit auch bei Raumtemperatur noch vorhanden ist. Eisenzusammensetzung und Abkühlgeschwindigkeit bestimmen darüber, ob der bei der Erstarrung entstandene Austenit bis auf Raumtemperatur erhalten bleibt oder teilweise oder auch vollständig in ferristisch-carbidische Umwandlungsprodukte zerfällt oder aber auch in Martensit umgewandelt wird.

Um in hochchromhaltigen Sondergusseisen eine Umwandlung des Austenits in Martensit herbeizuführen, muss eine ausreichende Härtbarkeit gegeben sein, damit eine Umwandlung des Austenits in ferritisch-carbidische Bestandteile, wie Perlit oder Bainit, verhindert wird. In den meisten Fällen wird martensitisches Gefüge in hochchromhaltigen Gusseisen durch eine Wärmebehandlung erzielt. Durch Glühen bei hoher Temperatur wird das Gefüge wieder austenitisiert, wobei sich Sekundärcarbide in der Grundmasse ausscheiden, und bei der Wiederabkühlung kann sich der Austenit in Martensit umwandeln. Die erforderliche Härtbarkeit wird häufig durch Legierungszusätze, zum Beispiel Molybdän oder Nickel, erreicht.

Chromlegiertes Sondergusseisen ist ein Werkstoff von hoher Beständigkeit gegen Korrosion, Verschleiß und Hitzeeinwirkung. Die Chromgehalte betragen etwa 10 bis 35 %, wobei der Kohlenstoffgehalt so eingestellt wird, dass das Eisen höchstens eutektisch ist. Das Gefüge besteht aus Carbideutektika und einer Grundmasse, die je nach Legierungszusammensetzung, Abkühlungsgeschwindigkeit und eventueller Wärmebehandlung perlitisch, ferritisch, austenitisch, martensitisch oder bainitisch ist. Häufig sind in der Grundmasse sekundäre Sondercarbide eingelagert. Chrom erweitert das α-Gebiet (Ferrit) und engt den γ-Bereich (Austenit) ein (Bild 6). Die Temperatur der eutektoiden Umwandlung wird daher in höhere Bereiche verschoben. Ab etwa 20 % Cr ist das Sondergusseisen bei niedrigen Kohlenstoffgehalten völlig ferritisch und umwandlungsfrei. Bei den höher kohlenstoffhaltigen Sorten wird dieser Punkt erst bei Chromgehalten von fast 30 % erreicht. Silizium erweitert ebenfalls das Ferritgebiet. Umwandlungsfreie Werkstoffe sind nicht härtbar.

Werkstoffe mit niedrigem Chromgehalt haben eine perlitische Grundmasse. Durch Zusatz von Nickel und insbesondere Molybdän werden sie martensitisch härtbar (martensitisches Gusseisen). Mit Gehalten von 12 bis 15 % Ni wird das Sondergusseisen stabil austenitisch. Ein wichtiger Kennwert für die Ausbildung des Grundgefüges im Gusszustand beziehungsweise für die Grenze zwischen Austenit- und Ferritbereich ist das Cr/C-Verhältnis, wobei auch die Wanddicke und eventuelle Legierungsgehalte an Nickel und Molybdän zu berücksichtigen sind.

In DIN EN 12513 sind verschleißbeständige Gusseisensorten mit Chromgehalten von 1,5 bis 30 % genormt. Im Vordergrund stehen Werkstoffe mit hohem Chromgehalt von 11 und 20 %. Die Kohlenstoffgehalte liegen zwischen 1,8 und 3,6 %, wobei die Verschleißbeständigkeit mit dem C-Gehalt zunimmt, die Schlagbeanspruchbarkeit aber abnimmt. Die Abkühlgeschwindigkeit in der Gießform und somit die Gussstückwanddicke haben Einfluss auf die Gefügeausbildung im Gusszustand. Die Einstellung eines martensitischen Gefüges erfolgt fast immer durch Wärmebehandlung. Um in hochchromhaltigen Gusseisen eine Umwandlung des Austenits in Martensit zu erreichen, muss eine ausreichende Härtbarkeit gewährleistet sein, und hierzu dienen in erster Linie Molybdänzusätze, die eine Umwandlung des Austenits in ferritisch-carbidische Phasen, wie Perlit oder Bainit, verhindern.

Die hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe beruht auf der passivierenden Wirkung des Chroms. Zur Erzielung einer sicheren Passivierung ist ein Mindestchromgehalt von 12 bis 14 % erforderlich, da der Kohlenstoff erhebliche Chrommengen in Form von Carbiden bindet (1 % C bindet etwa 10 % Cr). Die Zunderbeständigkeit wird durch steigende Chromgehalte progressiv erhöht. Während die Zundergrenze beim unlegierten Gusseisen etwa zwischen 600 und 700 °C liegt, bleiben Werkstoffe mit 30 % Cr auch bei Temperaturen bis über 1200 °C zunderfrei.

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