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Temperguss

Metallurgie

Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, der hinsichtlich seines Kohlenstoff- und Siliziumgehalts so eingestellt ist, dass er graphitfrei (ledeburitisch) erstarrt und durch eine anschließende Wärmebehandlung (Tempern) seine eigentlichen charakteristischen Güteeigenschaften (gute Zähigkeit und Bearbeitbarkeit) erhält.

Temperrohguss ist ein nach dem metastabilen System Eisen-Kohlenstoff weiß erstarrtes Gusseisen, in dem der gesamte Kohlenstoff in gebundener Form als Eisencarbid (Zementit) vorliegt (Bild 1). Temperrohguss ist hart und spröde und praktisch nicht bearbeitbar. Erst die anschließende Glühbehandlung (Tempern) des Rohgusses bewirkt eine Ausscheidung des Kohlenstoffs als flockenförmige Temperkohle. Gegenüber dem Lamellengraphit übt die mehr kompakte Temperkohle eine geringere Kerbwirkung in der Gefügegrundmasse aus, sodass sich der Werkstoff Temperguss ähnlich wie Gusseisen mit Kugelgraphit durch seine Duktilität auszeichnet. Aus diesem Grund wird Temperguss vorwiegend für Bauteile eingesetzt, die dynamischen Beanspruchungen schwingend oder stoßartig ausgesetzt sind und hohen Kräften standhalten müssen. Seine besonderen Eigenschaften, wie Dünnwandigkeit, Zähigkeit, Druckdichtheit, Warmfestigkeit, Maßgenauigkeit, Verschleißbeständigkeit unter anderem, machen ihn zu einem bevorzugten Werkstoff für den Einsatz in der Elektroindustrie, im Rohrleitungsbau für Schalt-, Steuer- und Getriebeelemente im Maschinenbau, bei Werkzeugen, Schlössern und Beschlägen, in der Bauindustrie und im Kraftfahrzeugbau. Verfahrensbedingt setzt Temperguss eine Fertigung in Serien und Großserien voraus. Allerdings befindet sich der Temperguss auch im Wettbewerb mit dem Werkstoff Gusseisen mit Kugelgraphit; beide Werkstoffe werden als duktile Gusseisen bezeichnet.

Das Tempern des Rohgusses besteht aus einem Graphitisierungsglühen zur Zerlegung des carbidischen, im Ledeburit gebundenen Kohlenstoffs in elementaren Kohlenstoff (Temperkohle). Hierbei werden zwei Verfahrensprinzipien unterschieden, nämlich das entkohlende und das nichtentkohlende Tempern, wobei sich auch gewisse Unterschiede im Gefüge ergeben. Entkohlend geglühter Temperguss hat, zumindest in den Randzonen, ein helles, weißes Bruchgefüge und wird daher auch als „weißer Temperguss“ bezeichnet, während bei nichtentkohlendem Glühen das Bruchgefüge dunkel ist und daher dieser Werkstoff „schwarzer Temperguss“ genannt wird. In Europa wurde lange Zeit der weiße Temperguss bevorzugt, in Nordamerika dagegen der schwarze Temperguss.

Die ursprünglich nach dem Bruchaussehen vorgenommene Werkstoffeinteilung ist an sich durch die Weiterentwicklung des Tempergusses nicht mehr absolut eindeutig.

Vielmehr unterscheiden sich heute beide Sorten vornehmlich in der Zusammensetzung, die dem jeweiligen Temperglühverfahren angepasst und in erster Linie durch die Elemente Kohlenstoff und Silizium charakterisiert sind:

1. Weißer Temperguss ist entkohlend geglühter Temperguss mit folgender Richtanalyse:

3,0bis3,4% C
0,8bis0,4% Si
0,40bis0,60% Mn
0,12bis0,25% S


2. Schwarzer Temperguss ist nichtentkohlend geglühter Temperguss mit folgender Richtanalyse:

2,3bis2,6% C
1,5bis1,2% Si
0,40bis0,50% Mn
0,10bis0,15% S


Kohlenstoff und Silizium müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass auch die stärksten Querschnitte eines Tempergussstückes nach der Erstarrung ein weißes, graphitfreies Gefüge aufweisen. Nicht als Carbid gebundener Kohlenstoff würde nämlich in Lamellenform aus der Schmelze auskristallisieren und infolge ihrer Kerbwirkung eine erhebliche Verminderung der Zähigkeitseigenschaften verursachen.

Der Mangangehalt wird, um mit wirtschaftlich vertretbaren Haltezeiten beim Tempern auszukommen, nach der bekannten, zur stöchiometrischen Abbindung des Schwefels in Mangansulfid geltenden Beziehung eingestellt:

% Mn = 1,7 · % S + 0,2.

Weißer (entkohlend geglühter) Temperguss:

Zur Erschmelzung dient vorwiegend der Kupolofen. Ein Duplizieren ist nicht unbedingt erforderlich. Wegen der entkohlenden Glühbehandlung der Gussstücke liegt der Kohlenstoffgehalt höher als beim schwarzen Temperguss. Der weißerstarrte Rohguss ist sehr spröde und hat ein helles, strahliges Bruchgefüge.

Das entkohlende Temperglühen wird in einer gesteuerten, oxidierenden Ofenatmosphäre durchgeführt, die aus einem Gasgemisch von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf (Gastempern) besteht. Diese Glühatmosphäre wird durch Einblasen von Luft und Wasserdampf laufend regeneriert. Sie wirkt oxidierend und entzieht den Gussstücken von der Randzone ausgehend den Kohlenstoff, der oxidiert ohne das Eisen zu verzundern.

Das früher gebräuchliche Erztempern (Glühen der Gussstücke in Temperöfen mit einer sauerstoffabgebenden Packung aus Frischerz, zum Beispiel Roteisenstein) wurde mehr und mehr durch das Gastempern abgelöst.

Die Glühtemperatur beim Tempern beträgt etwa 1050 °C. Dabei findet der Graphitisierungsprozess, das heißt der Zerfall der ledeburitischen Carbide in Austenit und Temperkohle statt, außerdem aber auch die von der Gussstückoberfläche ausgehende Entkohlung. Diese Umsetzung erfolgt unmittelbar an den Gussflächen und entzieht dem Glühgut Kohlenstoff. Zum Ausgleich des Konzentrationsgefälles diffundiert weiterer Kohlenstoff vom Innern der Gussstücke an die Oberfläche nach, der dann ebenfalls an den Gussflächen vergast. Auf diese Weise entsteht die für weißen Temperguss charakteristische Gefügeskala mit einem von innen nach außen abnehmenden Kohlenstoffgehalt (Bilder  2 und 3). Die Entkohlungstiefe hängt unter anderem von der Glühtemperatur und Glühdauer ab. Eine typische Glühkurve ist in Bild 4 für die Tempergusssorten GJMW-350–4 und GJMW-400–5 dargestellt. Die Haltezeit auf Glühtemperatur richtet sich nach der Gussstückwanddicke und dem angestrebten Entkohlungsgrad. Bei schweißbarem, weißem Temperguss GJMW-360–12 wird in gleicher Weise verfahren, jedoch mit verlängerter Haltezeit auf Glühtemperatur, um eine möglichst weitgehende Entkohlung zu erreichen.

Normalerweise entsteht im Kern ein Gefüge aus streifigem (lamellarem) Perlit und Temperkohle. Streifiger Perlit hat allerdings nur eine relativ geringe Dehnung und lässt sich nicht besonders gut bearbeiten. Zur Erzielung hoher Güteeigenschaften, wie sie zum Beispiel für die Tempergusssorte GJMW-450–7 gelten, wird eine Luftvergütung vorgenommen. Hierzu wird, wie Bild  5 zeigt, im Anschluss an das entkohlende Glühen rasch an bewegter Luft abgekühlt und danach auf etwa 700 bis 720 °C angelassen. Es entsteht auf diese Weise körniger Perlit (+ Temperkohle), wie er in der Werkstoffnorm für diese Sorte vorgeschrieben ist. Tabelle 1 enthält eine Übersicht über die in DIN-EN 1562 genormten Sorten und Eigenschaften des entkohlend geglühten (weißen) Tempergusses.

Weißer Temperguss ist gut schweißbar, sofern die Wanddicke 4 mm nicht überschreitet. Der speziell für Schweißarbeiten entwickelte und in Tabelle  1 genannte weiße Temperguss GJMW-360–12W kann bis zu Wanddicken von 8 mm ohne Einschränkung geschweißt werden. Er muss dazu nach dem Gastempern einen relativ hohen Entkohlungsgrad in den betreffenden Querschnitten aufweisen. So dürfen in Wanddicken bis 8 mm maximal nur 0,3 % C enthalten sein. Als Richtanalyse für die Sorte GJMW-360–12W sei genannt:

2,9bis3,1 %C
0,4bis0,25 %Si
0,60bis0,80 %Mn
< 0,1 % S  
Schwarzer (nicht entkohlend geglühter) Temperguss:

Das Eisen wird vorwiegend im Heißwind-Kupolofen erschmolzen und im Elektroofen dupliziert, weil das Rinneneisen wegen seines niedrigen Kohlenstoffgehaltes von durchschnittlich 2,5 % mit relativ niedriger Überhitzung anfällt. Der Elektroofen bietet außerdem die Möglichkeit, etwa erforderliche Analysenkorrekturen vorzunehmen. Der niedrige Kohlenstoffgehalt ist notwendig, weil bei der Glühbehandlung des schwarzen Tempergusses keine Entkohlung stattfindet und die ausgeschiedene Temperkohle eine Festigkeitsverminderung hervorrufen würde, wenn ihr Anteil zu hoch bemessen werden sollte. Demgegenüber wird der Kohlenstoffgehalt bei weißem Temperguss höher eingestellt, sodass das Eisen mit der erforderlichen Überhitzung auch im Kaltwind-Kupolofen erschmolzen werden kann, obgleich auch hier der Heißwindofen den Vorzug genießt. Der erforderliche Abbau des Kohlenstoffgehaltes beim weißen Temperguss geschieht dann durch die entkohlende Temperglühbehandlung.

Der graphitfrei weißerstarrte Temperrohguss hat helles, strahliges Bruchgefüge und ist spröde. Die Wärmebehandlung des schwarzen Tempergusses erfolgt in zwei Glühstufen:

Im ersten Abschnitt, der ersten Graphitisierungsstufe, werden die ledeburitischen Carbide (Fe3C) zum Zerfall gebracht, wobei sich Temperkohle ausscheidet: Fe3C 3Fe + C. Dies geschieht in neutraler Ofenatmosphäre bei Temperaturen von rund 950 °C. In der folgenden zweiten Glühstufe wird das gewünschte Grundgefüge eingestellt und damit die betreffende, in Tabelle 2 aufgeführte Werkstoffsorte erhalten.

Tabelle  2 zeigt die mechanischen Eigenschaften von nicht entkohlend geglühtem Temperguss.

Die Glühtemperatur der ersten Stufe liegt etwas niedriger als bei der Wärmebehandlung von weißem Temperguss, weil hier keine Entkohlung vorgenommen und der Siliziumgehalt etwas höher bemessen wird. Auch die Haltezeit in der ersten Glühstufe ist kürzer als beim Gastempern des weißen Tempergusses. Bild 6 zeigt den Einfluss von Glühtemperatur und Siliziumgehalt auf die erforderliche Glühzeit in der ersten Graphitisierungsstufe bei schwarzem Temperguss mit 2,5 % C.

Mit der zweiten Glühstufe lassen sich ferritisches oder perlitisches Grundgefüge, aber auch typisches Vergütungsgefüge einstellen. Ferritischer, schwarzer Temperguss (Sorte GJMB-350–10) wird dadurch erzeugt, dass man von der ersten Glühstufe auf etwa 760 °C abkühlt, dann aber mit geregelter, sehr langsamer Abkühlungsgeschwindigkeit von 3 bis 5 K/h den eutektoiden Temperaturbereich durchfährt (Bild 7). Danach kann in beliebiger Weise auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Durch diese ferritisierende Wärmebehandlung zerfällt der Austenit in Ferrit + Graphit, und man bezeichnet daher diesen zweiten mit Graphitausscheidung verbundenen Vorgang auch als zweite Graphitisierungsstufe. Das Ergebnis ist ein in allen Wanddicken homogener Werkstoff mit ferritischem Grundgefüge und eingebetteten Temperkohleflocken (Bild 8).

Wird nach der ersten Glühstufe, das heißt also nach dem Zerfall der ledeburitischen Carbide in Austenit und Temperkohle, rasch abgekühlt, so wird eine Weiterführung der Graphitisierung verhindert, und es entstehen je nach den gewählten Abkühlungsbedingungen Umwandlungsprodukte des Austenits vom Martensit bis zum streifigen Perlit (Bild 9).

Um perlitisches Gefüge zu erzielen, erfolgt die Abschreckung nach der ersten Glühstufe in Luft oder Öl (Bild  10). Danach wird in der zweiten Glühstufe auf einer Temperatur unterhalb der Perlitumwandlung angelassen, und man erhält je nach Höhe der Anlasstemperatur eine Gefügegrundmasse, die aus lamellarem bis körnigem Perlit allein oder gemeinsam mit Ferrit besteht. Bei höherer Anlasstemperatur wird mehr Ferrit gebildet, der die Dehnung verbessert, die Zugfestigkeit aber senkt. Auf diese Weise werden die perlitischen Werkstoffsorten hergestellt (Bild 11).

Wird eine relativ niedrige Anlasstemperatur, zum Beispiel 600 °C gewählt (Bild  12), erhält man typisches Vergütungsgefüge, wie es der Sorte GJMB-700–2 entspricht (Bild 13).

Im Gegensatz zum weißen Temperguss mit seinem wanddickenabhängigen Gefüge (Bild  2) hat schwarzer Temperguss stets gleiches, Temperkohle enthaltendes Gefüge in allen Wanddickenbereichen (Bild 14).

Neben den mechanischen Eigenschaften Festigkeit und Dehnung sind vor allem Zerspanbarkeit, Härtbarkeit und Schweißbarkeit wichtige Kriterien für die Wahl der bestgeeigneten Tempergusssorte.

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