Einführung in Gusseisen:Geschichte, Arten, Eigenschaften und Verwendung

Gusseisen ist ein vielseitiges Metall und hat viele einzigartige Anwendungen in der kommerziellen und industriellen Welt

Die Präsenz von Eisen im Alltag begann um 1200 v. Chr. und umfasste eine breite Palette von Anwendungen, von landwirtschaftlichen Geräten bis hin zu Kriegswaffen. Schmiede wurden zu einem wichtigen Beruf, der mit Eisen arbeitete, um seine Eigenschaften zu verändern und das Material zu Werkzeugen zu formen. Jedes Dorf und jede Stadt hatte eine Schmiede, in der Sicheln, Pflugscharen, Nägel, Schwerter, Leuchterhalter und mehr hergestellt wurden.

Die Entdeckung des Wertes von Eisen führte aufgrund der Dominanz dieses Materials in sozialen und militärischen Anwendungen zur sogenannten Eisenzeit. Ein weiterer Meilenstein für Metalle sollte folgen – die industrielle Revolution veränderte die Art und Weise, wie Metalle hergestellt und zu Produkten, einschließlich Eisen, verarbeitet wurden.

Eisenarten

Es werden zwei Hauptarten von Eisen hergestellt:Schmiedeeisen und Gusseisen. Innerhalb dieser umfasst Gusseisen eine eigene Metallfamilie.

Schmiedeeisen

Die erste Eisenart, die von Schmieden hergestellt und bearbeitet wurde, war Schmiedeeisen. Es ist praktisch reines elementares Eisen (Fe), das in einem Ofen erhitzt wird, bevor es mit Hämmern auf einem Amboss geschmiedet (bearbeitet) wird. Das Hämmern von Eisen treibt den größten Teil der Schlacke aus dem Material und verschweißt die Eisenpartikel miteinander.

Während der industriellen Revolution und der damit verbundenen Beschleunigung der Bautätigkeit wurde eine neue Verwendung für Schmiedeeisen entdeckt. Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit (Bruchfestigkeit unter Spannung) eignet es sich ideal für Träger in großen Bauprojekten wie Brücken und Hochhäusern. Die Verwendung von Schmiedeeisen für diesen Zweck wurde jedoch im frühen 20. Jahrhundert weitgehend aufgegeben, als Stahlprodukte mit überlegener Leistung gegenüber Eisen für Bauanwendungen entwickelt wurden.

Schmiedeeisen ist für dekorative Stücke berühmt geworden. Kirchen aus dem 15. und 16. Jahrhundert enthalten feine schmiedeeiserne Stücke, die von erfahrenen Handwerkern hergestellt wurden. In der modernen Welt werden Geländer, Türen und Bänke immer noch als Sonderanfertigungen aus Schmiedeeisen hergestellt.

Gusseisen

Gusseisen wird durch Schmelzen von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 % hergestellt. Nach dem Schmelzen wird das Metall in eine Form gegossen. Der Hauptunterschied in der Produktion zwischen Schmiedeeisen und Gusseisen besteht darin, dass Gusseisen nicht mit Hämmern und Werkzeugen bearbeitet wird. Es gibt auch Unterschiede in der Zusammensetzung – Gusseisen enthält 2–4 % Kohlenstoff und andere Legierungen sowie 1–3 % Silizium, was die Gießleistung des geschmolzenen Metalls verbessert. Kleine Mengen Mangan und einige Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor können ebenfalls vorhanden sein. Unterschiede zwischen Schmiedeeisen und Gusseisen finden sich auch in den Details der chemischen Struktur und der physikalischen Eigenschaften.

Obwohl sowohl Stahl als auch Gusseisen Spuren von Kohlenstoff enthalten und ähnlich erscheinen, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den beiden Metallen. Stahl enthält weniger als 2 % Kohlenstoff, wodurch sich das Endprodukt in einer einzigen mikrokristallinen Struktur verfestigen kann. Der höhere Kohlenstoffgehalt von Gusseisen führt dazu, dass es als heterogene Legierung erstarrt und daher mehr als eine mikrokristalline Struktur im Material vorhanden ist.

Es ist die Kombination aus hohem Kohlenstoffgehalt und dem Vorhandensein von Silizium, die Gusseisen seine hervorragende Gießbarkeit verleiht. Verschiedene Arten von Gusseisen werden mit unterschiedlichen Wärmebehandlungs- und Verarbeitungstechniken hergestellt, darunter Grauguss, Weißguss, Temperguss, Sphäroguss und Gusseisen mit verdichtetem Graphit.

Grauguss

Grauguss zeichnet sich durch die Flockenform der Graphitmoleküle im Metall aus. Wenn das Metall bricht, tritt der Bruch entlang der Graphitflocken auf, was ihm die graue Farbe auf der Oberfläche des gebrochenen Metalls verleiht. Von dieser Eigenschaft leitet sich der Name Grauguss ab.

Größe und Matrixstruktur der Graphitflocken lassen sich während der Produktion durch Anpassung der Abkühlgeschwindigkeit und -zusammensetzung steuern. Grauguss ist nicht so duktil wie andere Gusseisenformen und auch seine Zugfestigkeit ist geringer. Es ist jedoch ein besserer Wärmeleiter und weist eine höhere Schwingungsdämpfung auf. Es hat eine 20- bis 25-mal höhere Dämpfungskapazität als Stahl und ist allen anderen Gusseisen überlegen. Grauguss ist auch einfacher zu bearbeiten als andere Gusseisen und seine Verschleißfestigkeitseigenschaften machen es zu einem der meistverkauften Gusseisenprodukte.

Unsere Hardscape-Produkte werden aus Grauguss hergestellt. Vibrationsdämpfung und Verschleißfestigkeit sind Eigenschaften, die dieses Material für viele Straßenanwendungen zum richtigen Material machen. Roher Grauguss erzeugt zudem eine Patina, die ihn auch im Außenbereich vor zerstörerischer Korrosion schützt.

Weißes Eisen

Mit dem richtigen Kohlenstoffgehalt und einer hohen Abkühlgeschwindigkeit verbinden sich Kohlenstoffatome mit Eisen zu Eisenkarbid. Das bedeutet, dass im erstarrten Material wenig bis keine freien Graphitmoleküle vorhanden sind. Beim Scheren von Weißeisen erscheint die Bruchfläche aufgrund des Fehlens von Graphit weiß. Die mikrokristalline Zementitstruktur ist hart und spröde mit hoher Druckfestigkeit und guter Verschleißfestigkeit. Bei bestimmten Spezialanwendungen ist es wünschenswert, weißes Eisen auf der Oberfläche des Produkts zu haben. Dies kann erreicht werden, indem ein guter Wärmeleiter verwendet wird, um einen Teil der Form herzustellen. Dadurch wird dem geschmolzenen Metall in diesem bestimmten Bereich schnell Wärme entzogen, während der Rest des Gussstücks langsamer abkühlt.

Eine der beliebtesten Qualitäten von Weißeisen ist Ni-Harteisen. Der Zusatz von Chrom- und Nickellegierungen verleiht diesem Produkt hervorragende Eigenschaften für Anwendungen mit geringer Schlagfestigkeit und Gleitabrieb.

Weißes Eisen und ni-hartes Eisen fallen unter eine Klassifikation von Legierungen, die als ASTM A532 bezeichnet wird; die „Standardspezifikation für abriebfeste Gusseisen“.

Temperguss

Weißeisen kann durch Wärmebehandlung zu Temperguss weiterverarbeitet werden. Ein erweitertes Heiz- und Kühlprogramm führt zum Abbau der Eisencarbidmoleküle, wodurch freie Graphitmoleküle in das Eisen freigesetzt werden. Durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten und die Zugabe von Legierungen entsteht ein Temperguss mit mikrokristalliner Struktur.

Sphäroguss (Sphäroguss)

Sphäroguss oder Sphäroguss erhält seine besonderen Eigenschaften durch die Zugabe von Magnesium in die Legierung. Das Vorhandensein von Magnesium bewirkt, dass sich der Graphit im Gegensatz zu den Flocken aus Grauguss in einer kugelförmigen Form bildet. Die Zusammensetzungskontrolle ist im Herstellungsprozess sehr wichtig. Geringe Mengen an Verunreinigungen wie Schwefel und Sauerstoff reagieren mit dem Magnesium und beeinflussen die Form der Graphitmoleküle. Durch Manipulation der mikrokristallinen Struktur um das Graphitkügelchen herum werden unterschiedliche Qualitäten von duktilem Eisen gebildet. Dies wird durch den Gießprozess oder durch eine Wärmebehandlung als nachgelagerten Verarbeitungsschritt erreicht.

Da sich duktiles Eisen beim Aufprall verformt, anstatt in Scherben zu zerbrechen, verwenden wir das Material zur Herstellung unserer Poller aus Gusseisen. Das Aufprallprofil von duktilem Gusseisen macht es zu einem guten Gusseisen für Poller in der Nähe von Fahrzeugverkehr.

Verdichtetes Graphiteisen

Verdichtetes Graphiteisen hat eine Graphitstruktur und die damit verbundenen Eigenschaften, die eine Mischung aus Grau- und Weißeisen sind. Die mikrokristalline Struktur wird um stumpfe Graphitflocken gebildet, die miteinander verbunden sind. Um die Bildung von Kugelgraphit zu unterdrücken, wird eine Legierung wie Titan verwendet. Verdichtetes Graphiteisen hat im Vergleich zu Grauguss eine höhere Zugfestigkeit und verbesserte Duktilität. Die mikrokristalline Struktur und Eigenschaften können durch Wärmebehandlung oder die Zugabe anderer Legierungen angepasst werden.

Zusammenfassung der Gusseisenzusammensetzungen

Eine vom Engineer’s Handbook entwickelte Tabelle zeigt die unterschiedlichen Zusammensetzungsbereiche für die verschiedenen Gusseisenarten:

SORTIMENT AN ZUSAMMENSETZUNGEN FÜR TYPISCHE UNLEGIERTE GUSSEISEN
WERTE IN PROZENT (%)

EISENART

KOHLENSTOFF

SILIKON

MANGAN

SCHWEFEL

PHOSPHOR

Grau

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,02 – 0,25

0,02 – 1,0

Dehnbar

3,0 – 4,0

1,8 – 2,8

0,1 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Verdichteter Graphit

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Formbar (Gussweiß)

2,0 – 2,9

0,9 – 1,9

0,15 – 1,2

0,02 – 0,2

0,02 – 0,2

Weiß

1,8 – 3,6

0,5 – 1,9

0,25 – 0,8

0,06 – 0,2

0,06 – 0,2

EISENART

KOHLENSTOFF

Grau

2,5 – 4,0

Dehnbar

3,0 – 4,0

Verdichteter Graphit

2,5 – 4,0

Formbar (Gussweiß)

2,0 – 2,9

Weiß

1,8 – 3,6

EISENART

SILIKON

Grau

1,0 – 3,0

Dehnbar

1,8 – 2,8

Verdichteter Graphit

1,0 – 3,0

Formbar (Gussweiß)

0,9 – 1,9

Weiß

0,5 – 1,9

EISENART

MANGAN

Grau

0,2 – 1,0

Dehnbar

0,1 – 1,0

Verdichteter Graphit

0,2 – 1,0

Formbar (Gussweiß)

0,15 – 1,2

Weiß

0,25 – 0,8

EISENART

SCHWEFEL

Grau

0,02 – 0,25

Dehnbar

0,01 – 0,03

Verdichteter Graphit

0,01 – 0,03

Formbar (Gussweiß)

0,02 – 0,2

Weiß

0,06 – 0,2

EISENART

PHOSPHOR

Grau

0,02 – 1,0

Dehnbar

0,01 – 0,1

Verdichteter Graphit

0,01 – 0,1

Formbar (Gussweiß)

0,02 – 0,2

Weiß

0,06 – 0,2

Mechanische Eigenschaften von Gusseisen

Die mechanischen Eigenschaften eines Materials geben an, wie es sich unter bestimmten Belastungen verhält, was hilft, seine Eignung für verschiedene Anwendungen zu bestimmen. Spezifikationen werden von Organisationen wie der American Society for Testing and Materials (ASTM) festgelegt, damit Benutzer Materialien mit der Gewissheit kaufen können, dass sie die Anforderungen für ihre Anwendung erfüllen. Die am häufigsten verwendete Graugussspezifikation ist ASTM A48.

Um Gussprodukte gemäß ihren Spezifikationen zu qualifizieren, ist es eine Standardpraxis, einen Teststab zusammen mit den konstruierten Gussteilen zu gießen. Die ASTM-Tests werden dann auf diesen Teststab angewendet und die Ergebnisse werden verwendet, um die gesamte Gusscharge zu qualifizieren.

Spezifikationen sind auch beim Zusammenschweißen von Gusseisenteilen wichtig. Die Schweißnaht muss die mechanischen Eigenschaften des zu verschweißenden Materials erfüllen oder übertreffen – andernfalls können Brüche und Ausfälle auftreten.

Einige allgemeine mechanische Eigenschaften für Gusseisen sind:

• Härte – Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Abrieb und Eindrücke
• Zähigkeit – die Fähigkeit des Materials, Energie zu absorbieren
• Dehnbarkeit – die Fähigkeit des Materials, sich ohne Bruch zu verformen
• Elastizität – die Fähigkeit des Materials, zu seinen ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren, nachdem es verformt wurde
• Formbarkeit – die Fähigkeit des Materials, sich unter Druck zu verformen, ohne zu reißen
• Zugfestigkeit – die größte Belastung in Längsrichtung, die ein Material ertragen kann, ohne zu zerreißen
• Dauerfestigkeit – die höchste Belastung, der ein Material für eine bestimmte Anzahl von Zyklen standhalten kann, ohne zu brechen

Diese Tabelle fasst einige der wichtigsten mechanischen Eigenschaften verschiedener Gusseisensorten zusammen. Weitere Informationen finden Sie unter „Eisenlegierungen“, einem großartigen Referenzdokument der American Foundry Society.

BRINELLHÄRTE

ZUGFESTIGKEIT

ELASTIZITÄTSMODUL

% LÄNGUNG (IN 50 MM)

Grauguss Klasse 25

187

29,9 ksi

16,1 Msi

–

Grauguss Klasse 40

235

41,9 ksi

18,2 Msi

–

Duktile Gusseisensorte 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24,5 Msi

–

Sphäroguss Güte 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25,5 Msi

–

CGI-Klasse 250

179 maximal

36,2 ksi-Min.

3

CGI-Klasse 450

207 – 269

65,2 ksi-Min.

1

BRINELLHÄRTE

Grauguss Klasse 25

187

Grauguss Klasse 40

235

Duktile Gusseisensorte 60-40-18

130 – 170

Sphäroguss Güte 129-90-02

240 – 300

CGI-Klasse 250

179 maximal

CGI-Klasse 450

207 – 269

ZUGFESTIGKEIT

Grauguss Klasse 25

29,9 ksi

Grauguss Klasse 40

41,9 ksi

Duktile Gusseisensorte 60-40-18

60 ksi

Sphäroguss Güte 129-90-02

120 ksi

CGI-Klasse 250

36,2 ksi-Min.

CGI-Klasse 450

65,2 ksi-Min.

ELASTIZITÄTSMODUL

Grauguss Klasse 25

16,1 Msi

Grauguss Klasse 40

18,2 Msi

Duktile Gusseisensorte 60-40-18

24,5 Msi

Sphäroguss Güte 129-90-02

25,5 Msi

CGI-Klasse 250

CGI-Klasse 450

% LÄNGUNG (IN 50 MM)

Grauguss Klasse 25

–

Grauguss Klasse 40

–

Duktile Gusseisensorte 60-40-18

–

Sphäroguss Güte 129-90-02

–

CGI-Klasse 250

3

CGI-Klasse 450

1

Häufige Anwendungen von Gusseisen

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Gusseisensorten eignet sich jede Sorte für spezifische Anwendungen.

Graugussapplikationen

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Grauguss ist seine Fähigkeit, Verschleiß zu widerstehen, selbst wenn die Schmiermittelversorgung begrenzt ist (z. B. die oberen Zylinderwände in Motorblöcken). Grauguss wird zur Herstellung von Motorblöcken und Zylinderköpfen, Krümmern, Gasbrennern, Getrieberohlingen, Einfassungen und Gehäusen verwendet.

Weiße Eisenapplikationen

Der zur Herstellung von Weißeisen verwendete Kühlprozess führt zu einem spröden Material, das sehr verschleiß- und abriebfest ist. Aus diesem Grund wird es zur Herstellung von Mühlenauskleidungen, Strahldüsen, Eisenbahnbremsbacken, Schlammpumpengehäusen, Walzwerkwalzen und Brechern verwendet.

Ni-Hard Iron wird speziell für Mischerpaddel, Schnecken und Matrizen, Auskleidungsplatten für Kugelmühlen, Kohlerutschen und Drahtführungen zum Ziehen von Drähten verwendet.

Sphärogussanwendungen

Sphäroguss selbst kann in verschiedene Qualitäten unterteilt werden, jede mit ihren eigenen Eigenschaftsspezifikationen und den am besten geeigneten Anwendungen. Es ist leicht zu bearbeiten, hat eine gute Ermüdungs- und Streckgrenze und ist gleichzeitig verschleißfest. Seine bekannteste Eigenschaft ist jedoch die Duktilität. Sphäroguss kann zur Herstellung von Achsschenkeln, Pflugscharen, Kurbelwellen, Schwerlastgetrieben, Aufhängungskomponenten für Autos und Lastwagen, Hydraulikkomponenten und Scharnieren für Autotüren verwendet werden.

Tempergussanwendungen

Unterschiedliche Tempergussqualitäten entsprechen unterschiedlichen mikrokristallinen Strukturen. Spezifische Attribute, die Temperguss attraktiv machen, sind seine Fähigkeit, Schmiermittel zurückzuhalten und zu speichern, die nicht abrasiven Verschleißpartikel und die poröse Oberfläche, die andere abrasive Partikel einfängt. Temperguss wird für hochbelastbare Lagerflächen, Ketten, Kettenräder, Pleuelstangen, Antriebsstrang- und Achskomponenten, Schienenfahrzeuge sowie landwirtschaftliche und Baumaschinen verwendet.

Anwendungen aus verdichtetem Graphit

Verdichtetes Graphiteisen beginnt sich in kommerziellen Anwendungen durchzusetzen. Die Kombination der Eigenschaften von Grauguss und Weißguss ergibt ein Produkt mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit – geeignet für Dieselmotorblöcke und -rahmen, Zylinderlaufbuchsen, Bremsscheiben für Züge, Auspuffkrümmer und Getriebeplatten in Hochdruckpumpen. P>

Bearbeitung und Veredelung

Die Härteeigenschaften von Gusseisen erfordern eine sorgfältige Auswahl der Werkstoffe für Werkzeugmaschinen. Beschichtete Hartmetalle sind in Produktionsbearbeitungsumgebungen effektiv, aber mit der Verbesserung der Technologie werden ständig neue Materialien entwickelt.

Die Oberflächenveredelung von Gusseisenprodukten ist je nach Verwendungszweck sehr unterschiedlich. Einige gängige Anwendungen:

• Galvanik
• Heißtauchen
• Thermisches Spritzen
• Diffusionsbeschichtung
• Konversionsbeschichtung
• Porzellan-Emaillierung
• Flüssige organische Beschichtung
• Organische Trockenpulverbeschichtung

Gusseisen und die Zukunft

Seit seiner frühen Verwendung vor über 3.000 Jahren ist Eisen ein fester Bestandteil der menschlichen Gesellschaft geblieben. Iron production has come a long way since the centuries of working iron by blacksmiths to the invention of cast iron in the industrial age.

Since then, wrought iron has become largely obsolete except for decorative uses. Contrastingly, cast iron is still progressing in terms of composition, microstructure, and mechanical properties—continuing to make its mark in the modern world.

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