Arten von Eisengussteilen
Arten von Eisengussteilen
In diesem Kapitel werden die verschiedenen Arten von Eisengussteilen besprochen.
Grauguss
Charakteristisch für Grauguss ist die grafische Mikrostruktur, die Brüche im Material verursachen und ein graues Aussehen verleihen kann. Grauguss ist die am häufigsten verwendete Gusseisenart und auch das am häufigsten verwendete Gussmaterial gemessen am Gewicht. Die meisten Graugussteile bestehen aus 2,5 bis 4 Prozent Kohlenstoff, 1 bis 3 Prozent Silizium und der Rest aus Eisen.
Diese Art von Gusseisen hat im Vergleich zu Stahl eine geringere Zugfestigkeit und Stoßfestigkeit. Seine Druckfestigkeit ist vergleichbar mit der von kohlenstoffarmem und mittelkohlenstoffarmem Stahl.
Alle diese mechanischen Eigenschaften werden durch die Form und Größe der Graphitflocken gesteuert, die in der Mikrostruktur des Graugusses vorhanden sind.
Weißguss
Diese Eisenart weist aufgrund des Vorhandenseins eines Eisenkarbid-Niederschlags namens Zementit weiße Bruchflächen auf. Der im weißen Gusseisen enthaltene Kohlenstoff scheidet sich aus der Schmelze als stabiler Zementit und nicht als Graphit ab. Dies wird durch einen geringeren Siliziumgehalt als Graphitierungsmittel und eine schnellere Abkühlung erreicht. Nach dieser Ausfällung bildet sich der Zementit in Form großer Partikel.
Während der Ausfällung des Eisenkarbids entzieht der Niederschlag der ursprünglichen Schmelze Kohlenstoff und bewegt so die Mischung näher an ein Eutektikum heran. Die verbleibende Phase ist die Senkung des Eisens zu Kohlenstoffaustenit, der sich nach dem Abkühlen in Martensit umwandelt.
Diese enthaltenen eutektischen Karbide sind zu groß, um den Vorteil der Ausscheidungshärtung zu nutzen. In manchen Stählen können deutlich kleinere Zementitausscheidungen vorhanden sein, die die plastische Verformung fördern, indem sie die Bewegung von Versetzungen durch die reine Eisenferritmatrix behindern. Sie haben den Vorteil, dass sie die Gesamthärte des Gusseisens allein aufgrund ihrer Härte und ihres Volumenanteils erhöhen. Dadurch kann die Gesamthärte durch eine Mischungsregel approximiert werden.
Diese Härte geht in jedem Fall auf Kosten der Zähigkeit. Weißguss kann allgemein als Zement klassifiziert werden, da Karbid einen größeren Anteil des Materials ausmacht. Weißguss ist zu spröde für den Einsatz in Strukturbauteilen, kann aber aufgrund seiner guten Härte, Abriebfestigkeit und niedrigen Kosten als Verschleißfläche von Schlammpumpen eingesetzt werden.
Es ist schwierig, dicke Gussteile schneller abzukühlen, als es zum Erstarren der Schmelze zu weißem Gusseisen ausreicht. Durch schnelles Abkühlen kann jedoch eine Schicht weißen Gusseisens erstarren, wobei ein Rest langsamer abkühlt und so einen Kern aus grauem Gusseisen bildet. Dieser resultierende Guss wird als Hartguss bezeichnet und bietet den Vorteil einer harten Oberfläche, jedoch eines zäheren Inneren.
Mit hochchromhaltigen Weißgusslegierungen war es möglich, massive Gussteile eines etwa 10 Tonnen schweren Laufrads im Sandgussverfahren herzustellen. Dies liegt daran, dass Chrom die zur Karbidbildung durch die größere Materialdicke erforderliche Abkühlgeschwindigkeit reduziert. Chromelemente erzeugen außerdem Karbide mit hervorragender Abriebfestigkeit.
Temperguss
Temperguss wird zunächst als Weißgussteil hergestellt, dann zwei oder einen Tag lang bei Temperaturen von etwa 950 °C wärmebehandelt und anschließend für die gleiche Zeit abgekühlt.
Der Kohlenstoff im Eisencarbid wandelt sich durch diesen Erhitzungs- und Abkühlungsprozess in Graphit und Ferrit plus Kohlenstoff um. Dies ist ein Prozess mit geringer Wärmeentwicklung, der jedoch durch die Oberflächenspannung dazu führt, dass der Graphit in kugelförmige Partikel und nicht in Flocken umgewandelt wird.
Die Sphäroide sind aufgrund ihres geringen Längen-/Breitenverhältnisses relativ kurz und liegen weiter auseinander. Sie weisen außerdem einen geringeren Querschnitt, einen sich ausbreitenden Riss und ein Photon auf. Im Gegensatz zu Flocken weisen sie stumpfe Ränder auf, die zur Linderung der Spannungskonzentrationsprobleme bei Grauguss beitragen. Insgesamt ähneln die Eigenschaften des Tempergusses eher denen von weichgeglühtem Stahl.
Sphäroguss
Dieses Gusseisen wird manchmal auch als Sphäroguss bezeichnet und hat seinen Graphit in Form von sehr kleinen Knötchen, wobei der Graphit die Form von Schichten hat, die konzentrisch sind und so die Knötchen bilden. Dadurch sind die Eigenschaften vonduktiles Gusseisensind die eines schwammartigen Stahls, bei dem es keine Spannungskonzentrationseffekte durch die Graphitflocken gibt.
Die enthaltene Kohlenstoffkonzentration beträgt etwa 3 bis 4 Prozent, die von Silizium etwa 1,8 bis 2,8 Prozent. Geringe Mengen von 0,02 bis 0,1 Prozent Magnesium und nur 0,02 bis 0,04 Prozent Cer verlangsamen bei Zugabe zu diesen Legierungen die Geschwindigkeit, mit der Graphitausscheidungen durch Bindung an die Ränder der Graphitbahnen wachsen.
Aufgrund der sorgfältigen Kontrolle anderer Elemente und des richtigen Timings während des Prozesses kann sich Kohlenstoff beim Erstarren des Materials in Form kugelförmiger Partikel abscheiden. Die entstehenden Partikel ähneln Temperguss, es können jedoch Teile mit größeren Querschnitten gegossen werden.
Legierungselemente
Die Eigenschaften von Gusseisen werden durch die Zugabe verschiedener Legierungselemente verändert. Ähnlich wie Kohlenstoff verdrängt Silizium Kohlenstoff aus der Lösung. Ein geringerer Siliziumanteil kann dies jedoch nicht vollständig erreichen, da Kohlenstoff in der Lösung verbleibt und so Eisenkarbid und weißes Gusseisen entsteht.
Ein höherer Anteil oder eine höhere Konzentration an Silizium kann den Kohlenstoff aus der Lösung verdrängen und so Graphit bilden und Grauguss erzeugen. Weitere, nicht aufgeführte Legierungsbestandteile sind Mangan, Chrom, Titan und Vanadium. Diese wirken dem Silizium entgegen und fördern die Kohlenstoffbindung und damit die Bildung von Karbiden. Nickel und das Element Kupfer haben den Vorteil, dass sie die Festigkeit und Bearbeitbarkeit erhöhen, können aber die gebildete Kohlenstoffmenge nicht beeinflussen.
Der in Form von Graphit vorliegende Kohlenstoff macht das Eisen weicher und reduziert so die Schrumpfung, die Festigkeit und die Dichte. Schwefel ist meist eine Verunreinigung und bildet Eisensulfid, das die Graphitbildung verhindert und die Härte erhöht.
Der Nachteil von Schwefel besteht darin, dass er geschmolzenes Gusseisen zähflüssig macht, was zu Defekten führt. Um die Auswirkungen von Schwefel auszugleichen und zu beseitigen, wird der Lösung Mangan zugesetzt. Dies geschieht, weil sich bei der Kombination von Mangan und Eisensulfid Mangansulfid bildet. Das entstehende Mangansulfid ist leichter als die Schmelze und neigt dazu, aus der Schmelze aufzuschwimmen und in die Schlacke zu gelangen.
Die ungefähre Manganmenge, die benötigt wird, um die Wirkung von Schwefel aufzuheben, beträgt 1,7 Einheiten Schwefelgehalt plus 0,3 Prozent zusätzlich. Die Zugabe einer höheren Manganmenge führt zur Bildung von Mangankarbid, was die Härte und die Abschreckung erhöht. Ausnahmen bilden Graugussteile, bei denen bis zu 1 Prozent Mangan die Festigkeit und Dichte erhöhen können. Nickel ist eines der häufigsten Legierungselemente, da es Perlit und Graphitstruktur verfeinert, wodurch die Zähigkeit verbessert und Härteunterschiede zwischen den Querschnittsdicken ausgeglichen werden.
Chrom wird in geringen Mengen zugegeben, um den freien Graphit zu reduzieren und eine Kühle zu erzeugen. Chrom ist ein starker Karbidstabilisator und kann in manchen Fällen mit Nickel kombiniert werden. Zusätzlich zu Chrom kann eine kleine Menge Zinn zugegeben werden. Kupfer wird in der Pfanne oder im Ofen in einer Menge von 0,5 bis 2,5 Prozent zugegeben, um die Kühle zu senken, den Graphit zu verfeinern und die Fließfähigkeit zu erhöhen. Molybdän kann ebenfalls in einer Menge von 0,3 bis 1 Prozent zugegeben werden, um die Kühle zu erhöhen, den Graphit zu verfeinern und die Perlitstruktur zu verfeinern.
Es wird üblicherweise in Kombination mit Nickel, Kupfer und Chrom zugesetzt, um hochfestes Eisen herzustellen. Das Element Titan dient als Entgaser und Desoxidationsmittel und erhöht die Fließfähigkeit. Vanadium wird dem Gusseisen in Anteilen von 0,15 bis 0,5 Prozent zugesetzt und trägt zur Stabilisierung des Zementits bei, erhöht die Härte und widersteht Verschleiß und Hitzeeinwirkungen.
Zirkonium trägt zur Graphitbildung bei und wird in Anteilen von etwa 0,1 bis 0,3 Prozent zugesetzt. Dieses Element trägt außerdem zur Desoxidation und Erhöhung der Fließfähigkeit bei. Um den Siliziumanteil in Tempergussschmelzen zu erhöhen, wird Wismut in einem Anteil von 0,002 bis 0,01 Prozent zugegeben. In Weißguss wird das Element Bor zugesetzt, das die Bildung von Temperguss unterstützt und die Vergröberung durch Wismut verringert.