Gusseisen enthüllt: Geschichte, Typen, Eigenschaften und moderne Anwendungen

Ein vielseitiges Metall – Gusseisen hat viele einzigartige Anwendungen in der kommerziellen und industriellen Welt

Die Präsenz von Eisen im Alltag begann um 1200 v. Chr. und umfasste ein breites Spektrum von Anwendungen von landwirtschaftlichen Geräten bis zu Kriegswaffen. Schmiede wurden zu einem kritischen 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, wo Sicheln, Pflugscharen, Nägel, Schwerter, Kerzenhalter und mehr hergestellt wurden.

Die Entdeckung des Wertes von Eisen führte zum sogenannten Eiszeitalter, aufgrund der Dominanz dieses Materials in sozialen und militärischen Anwendungen. Ein weiterer Meilenstein für Metalle folgte – die Industrielle Revolution veränderte die Art, wie Metalle produziert und zu Produkten verarbeitet wurden, einschließlich Eisen.

Eisentypen

Es gibt zwei Haupttypen von produziertem Eisen: Schmiedeeisen und Gusseisen. Innerhalb davon umfasst Gusseisen seine eigene Metallfamilie.

Schmiedeeisen

Der erste produzierte und von Schmieden bearbeitete Eisentyp war Schmiedeeisen. Es ist praktisch reines elementares Eisen (Fe), das in einem Ofen erhitzt und dann auf einem Amboss mit Hämmern geschmiedet (bearbeitet) wird. Das Hämmern treibt die meiste Schlacke aus dem Material und schweißt die Eisenpartikel zusammen.

Während der industriellen Revolution und der damit verbundenen Beschleunigung der Bautätigkeiten wurde eine neue Verwendung für Schmiedeeisen entdeckt. Seine hohe Zugfestigkeit (Widerstand gegen Bruch unter Spannung) machte es ideal für Träger in großen Bauprojekten wie Brücken und Hochhäusern. Die Verwendung von Schmiedeeisen für diesen Zweck wurde jedoch Anfang des 20. Jahrhunderts weitgehend aufgegeben, als Stahlprodukte mit überlegener Leistung für Bauanwendungen entwickelt wurden.

Schmiedeeisen wurde für dekorative Stücke berühmt. Kirchen des 15. und 16. Jahrhunderts enthalten feine Schmiedeeisenarbeiten von qualifizierten Handwerkern. In der modernen Welt werden Geländer, Türen und Bänke noch als Sonderanfertigungen aus Schmiedeeisen hergestellt.

Gusseisen

Gusseisen wird durch Verhütten von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt über 2 % hergestellt. Nach dem Verhütten wird das Metall in eine Form gegossen. Der primäre Unterschied in der Produktion zwischen Schmiede- und Gusseisen ist, 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 der Schmelze verbessert. Kleine Mengen Mangan und einige Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor können ebenfalls vorhanden sein. Unterschiede finden sich auch in den Details der chemischen Struktur und physikalischen Eigenschaften.

Obwohl sowohl Stahl als auch Gusseisen Spuren von Kohlenstoff enthalten und ähnlich aussehen, gibt es signifikante Unterschiede. Stahl enthält weniger als 2 % Kohlenstoff, was es dem Endprodukt ermöglicht, in einer einzigen mikrokristallinen Struktur zu erstarren. Der höhere Kohlenstoffgehalt von Gusseisen bedeutet, dass es als heterogene Legierung erstarrt und daher mehr als eine mikrokristalline Struktur im Material aufweist.

Es ist die Kombination aus hohem Kohlenstoffgehalt und der Anwesenheit von Silizium, die Gusseisen seine ausgezeichnete Gießbarkeit verleiht. Verschiedene Arten von Gusseisen werden durch unterschiedliche Wärmebehandlungs- und Verarbeitungstechniken hergestellt, darunter Grauguss, Weißguss, Temperguss, Sphäroguss und Vermicularguss (Kompaktgraphitguss).

Grauguss

Grauguss zeichnet sich durch die plättchenförmige Form der Graphitmoleküle im Metall aus. Wenn das Metall bricht, erfolgt der Bruch entlang der Graphitplättchen, was die graue Farbe auf der Bruchoberfläche ergibt. Der Name Grauguss kommt von dieser Eigenschaft.

Es ist möglich, die Größe und Matrixstruktur der Graphitplättchen während der Produktion durch Anpassung der Abkühlrate und Zusammensetzung zu kontrollieren. Grauguss ist nicht so duktil wie andere Gusseisenformen und seine Zugfestigkeit ist auch niedriger. Er ist jedoch ein besserer Wärmeleiter und hat ein höheres Schwingungsdämpfungsvermögen. Seine Dämpfungskapazität ist 20–25-mal höher als Stahl und überlegen gegenüber allen anderen Gusseisen. Grauguss ist auch leichter zu zerspanen als andere Gusseisen, und seine Verschleißfestigkeit macht ihn zu einem der volumenstärksten Gusseisenprodukte.

Unsere Hardscape-Produkte bestehen aus Grauguss. Schwingungsdämpfung und Verschleißfestigkeit machen dies zum richtigen Material für viele Straßenanwendungen. Roher Grauguss bildet auch eine Patina, die ihn auch im Freien vor zerstörerischer Korrosion schützt.

Weißguss

Bei richtiger Kohlenstoffzusammensetzung und hoher Abkühlrate verbinden sich Kohlenstoffatome mit Eisen zu Eisenkarbid. Das bedeutet, dass im erstarrten Material wenig bis keine freien Graphitmoleküle vorhanden sind. Beim Scheren von Weißguss erscheint die Bruchfläche weiß aufgrund der Abwesenheit von Graphit. Die Zementit-Mikrokristallstruktur ist hart und spröde mit hoher Druckfestigkeit und guter Verschleißfestigkeit. In bestimmten Spezialanwendungen ist es wünschenswert, Weißguss an der Produktoberfläche zu haben. Dies kann durch Verwendung eines guten Wärmeleiters für einen Teil der Form erreicht werden. Dies zieht Wärme schnell aus dem flüssigen Metall an dieser spezifischen Stelle, während der Rest des Gusses langsamer abkühlt.

Einer der beliebtesten Weißguss-Güten ist Ni-Hard-Eisen. Die Zugabe von Chrom- und Nickellegierungen verleiht diesem Produkt hervorragende Eigenschaften für niedrige Schlagbeanspruchung, Gleitverschleißanwendungen.

Weißguss und Ni-Hard-Eisen fallen unter die Klassifizierung ASTM A532; die „Standard Specification for Abrasion-Resistant Cast Irons“.

Temperguss

Weißguss kann durch einen Wärmebehandlungsprozess weiter zu Temperguss verarbeitet werden. Ein ausgedehntes Programm von Erhitzen und Abkühlen führt zum Zerfall der Eisenkarbidmoleküle und setzt freie Graphitmoleküle im Eisen frei. Unterschiedliche Abkühlraten und Legierungszugaben erzeugen einen Temperguss mit mikrokristalliner Struktur.

Sphäroguss (Nodularguss)

Sphäroguss erhält seine besonderen Eigenschaften durch die Zugabe von Magnesium in die Legierung. Die Anwesenheit von Magnesium bewirkt, dass der Graphit in Kugelform statt in Plättchen wie beim Grauguss erstarrt. Die Zusammensetzungskontrolle ist im Herstellungsprozess sehr wichtig. Kleine Mengen an Verunreinigungen wie Schwefel und Sauerstoff reagieren mit dem Magnesium und beeinflussen die Form der Graphitmoleküle. Verschiedene Güten von Sphäroguss werden durch Manipulation der mikrokristallinen Struktur um den Graphitkugel herum gebildet. Dies wird durch den Gussprozess oder durch Wärmebehandlung als nachgelagerten Verarbeitungsschritt erreicht.

Da Sphäroguss bei Aufprall verformt statt in Scherben zu zerspringen, verwenden wir das Material für unsere Gusseisenpoller. Das Aufprallprofil von Sphäroguss macht es zu einem guten Gusseisen für Poller in der Nähe von Fahrzeugverkehr.

Vermicularguss (Kompaktgraphitguss)

Vermicularguss hat eine Graphitstruktur und assoziierte Eigenschaften, die eine Mischung aus Grau- und Weißguss sind. Die mikrokristalline Struktur bildet sich um stumpfe Graphitplättchen, die miteinander verbunden sind. Eine Legierung wie Titan wird verwendet, um die Bildung von kugelförmigem Graphit zu unterdrücken. Vermicularguss hat eine höhere Zugfestigkeit und verbesserte Duktilität im Vergleich zu Grauguss. Die mikrokristalline Struktur und Eigenschaften können durch Wärmebehandlung oder Zugabe anderer Legierungen angepasst werden.

Zusammenfassung der Gusseisenzusammensetzungen

Eine vom Engineer's Handbook entwickelte Tabelle zeigt die unterschiedlichen Zusammensetzungsbereiche für die verschiedenen Gusseisentypen:

ZUSAMMENSETZUNGSBEREICHE FÜR TYPISCHE UNLEGIERTE GUSSEISEN
WERTE IN PROZENT (%)

EISENTYP

KOHLENSTOFF

SILIZIUM

MANGAN

SCHWEFEL

PHOSPHOR

Grauguss

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,02 – 0,25

0,02 – 1,0

Sphäroguss

3,0 – 4,0

1,8 – 2,8

0,1 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Vermicularguss

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Temperguss (Weißguss gegossen)

2,0 – 2,9

0,9 – 1,9

0,15 – 1,2

0,02 – 0,2

0,02 – 0,2

Weißguss

1,8 – 3,6

0,5 – 1,9

0,25 – 0,8

0,06 – 0,2

0,06 – 0,2

Mechanische Eigenschaften von Gusseisen

Die mechanischen Eigenschaften eines Materials zeigen, wie es unter spezifischen Belastungen reagiert, 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 Vertrauen kaufen können, dass sie die Anforderungen für ihre Anwendung erfüllen. Die am häufigsten verwendete Spezifikation für Grauguss ist ASTM A48.

Um Gussprodukte nach ihren Spezifikationen zu qualifizieren, ist es gängige Praxis, einen Prüfstab zusammen mit den konstruierten Gussteilen zu gießen. Die ASTM-Tests werden dann auf diesen Prüfstab angewendet und die Ergebnisse qualifizieren den gesamten Gussbatch.

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

Einige gängige mechanische Eigenschaften für Gusseisen sind:

• Härte – Widerstand des Materials gegen Abrieb und Eindrücken
• Zähigkeit – Fähigkeit des Materials, Energie zu absorbieren
• Duktilität – Fähigkeit des Materials, sich ohne Bruch zu verformen
• Elastizität – Fähigkeit des Materials, nach Verformung in seine ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren
• Formbarkeit – Fähigkeit des Materials, sich unter Druck ohne Riss zu verformen
• Zugfestigkeit – die größte Längsspannung, die ein Material aushalten kann, ohne auseinanderzureißen
• Ermüdungsfestigkeit – die höchste Spannung, die ein Material für eine gegebene Anzahl von Zyklen ohne Bruch aushalten kann

Diese Tabelle fasst einige der wichtigsten mechanischen Eigenschaften für verschiedene Gusseisengüten zusammen. Für weitere Informationen siehe „Iron Alloys“, ein großartiges Referenzdokument der American Foundry Society.

BRINELL-HÄRTE

ZUGFESTIGKEIT

ELASTIZITÄTSMODUL

% DEHNUNG (IN 50 MM)

Grauguss Klasse 25

187

29,9 ksi

16,1 Msi

–

Grauguss Klasse 40

235

41,9 ksi

18,2 Msi

–

Sphäroguss Güte 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24,5 Msi

–

Sphäroguss Güte 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25,5 Msi

–

Vermicularguss Güte 250

179 max

36,2 ksi min

3

Vermicularguss Güte 450

207 – 269

65,2 ksi min

1

Häufige Anwendungen von Gusseisen

Die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Gusseisentypen führen dazu, dass jeder Typ für spezifische Anwendungen geeignet ist.

Grauguss-Anwendungen

Eine der Schlüsselmerkmale von Grauguss ist seine Fähigkeit, Verschleiß auch bei begrenzter Schmierung zu widerstehen (z. B. obere Zylinderwände in Motorblöcken). Grauguss wird für Motorblöcke und Zylinderköpfe, Verteiler, Gasbrenner, Getrieberohlinge, Gehäuse und Verkleidungen verwendet.

Weißguss-Anwendungen

Der Abschreckprozess zur Herstellung von Weißguss ergibt ein sprödes Material, das sehr verschleiß- und abriebfest ist. Deshalb wird er für Mühlenauskleidungen, Strahldüsen, Eisenbahnbremsbacken, Schlamm-pumpengehäuse, Walzwerkwalzen und Brecher verwendet.

Ni-Hard-Eisen wird speziell für Mischpaddel, Schnecken und Matrizen, Auskleidungsplatten für Kugelmühlen, Kohlenrutschen und Drahtführungen zum Ziehen von Drähten verwendet.

Sphäroguss-Anwendungen

Sphäroguss selbst kann in verschiedene Güten unterteilt werden, jede mit eigenen Eigenschaftsspezifikationen und geeignetsten Anwendungen. Er ist leicht zu zerspanen, hat gute Ermüdungs- und Streckgrenze, ist verschleißfest. Sein bekanntestes Merkmal ist jedoch die Duktilität. Sphäroguss kann für Lenkknorren, Pflugscharen, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Fahrwerkskomponenten für Autos und LKW, Hydraulikkomponenten und Autotürscharniere verwendet werden.

Temperguss-Anwendungen

Verschiedene Güten von Temperguss entsprechen unterschiedlichen mikrokristallinen Strukturen. Spezifische Attribute, die Temperguss attraktiv machen, sind seine Fähigkeit, Schmierstoffe zu speichern, die nicht-abrasiven Verschleißpartikel und die poröse Oberfläche, die andere abrasive Partikel einfängt. Temperguss wird für schwere Lagerflächen, Ketten, Kettenräder, Pleuelstangen, Antriebsstrang- und Achskomponenten, Eisenbahnfahrzeuge sowie Land- und Baumaschinen verwendet.

Vermicularguss-Anwendungen

Vermicularguss beginnt, sich in kommerziellen Anwendungen zu etablieren. Die Kombination der Eigenschaften von Grau- und Weißguss schafft ein hochfestes, hochwärmeleitendes Produkt – geeignet für Dieselmotorblöcke und -rahmen, Zylinderlaufbuchsen, Bremsscheiben für Züge, Auspuffkrümmer und Zahnradplatten in Hochdruckpumpen.

Bearbeitung und Oberflächenveredelung

Die Härteeigenschaften von Gusseisen erfordern eine sorgfältige Auswahl der Werkzeugmaterialien. Beschichtete Hartmetalle sind in der Serienbearbeitung effektiv, aber neue Materialien werden kontinuierlich entwickelt, da sich die Technologie verbessert.

Die Oberflächenveredelung von Gusseisenprodukten variiert stark je nach Verwendungszweck. Einige gängige Anwendungen:

• Galvanisieren
• Feuerverzinken
• Thermisches Spritzen
• Diffusionsbeschichtung
• Umwandlungsbeschichtung
• Porzellanemaillierung
• Flüssige organische Beschichtung
• Trockene Pulverbeschichtung

Gusseisen und die Zukunft

Von seiner frühen Verwendung vor über 3.000 Jahren ist Eisen ein integraler Bestandteil der menschlichen Gesellschaft geblieben. Die Eisenproduktion hat einen langen Weg zurückgelegt seit den Jahrhunderten der Schmiedearbeit bis zur Erfindung von Gusseisen im Industriezeitalter.

Seitdem ist Schmiedeeisen weitgehend veraltet, außer für dekorative Zwecke. Im Gegensatz dazu entwickelt sich Gusseisen in Bezug auf Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften weiter – und setzt seinen Stempel in der modernen Welt fort.

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