Duktileisen: Hochfeste, langlebige Gussteile für industrielle Anwendungen

Gussteile aus duktilem Eisen bieten zahlreiche Vorteile

Duktileisen – auch als spheroidales oder nodulares Gusseisen bezeichnet – ist eigentlich eine Gruppe von Eisenwerkstoffen, die aufgrund ihrer einzigartigen Mikrostruktur hohe Festigkeit, Flexibilität, Langlebigkeit und Elastizität aufweisen. Gusseisen mit Kugelgraphit enthält normalerweise über 3 % Kohlenstoff; es kann gebogen, verdreht oder verformt werden, ohne zu brechen. Seine mechanischen Eigenschaften ähneln denen von Stahl und übertreffen die von normalem Gusseisen bei weitem.

Gussteile aus duktilem Eisen sind massive Metallobjekte, die entstehen, indem flüssiges duktiles Eisen in Hohlräume einer Form gegossen wird. Das duktile Eisen kühlt anschließend ab und erstarrt in der Form des Hohlraums, den es einnimmt.

Was ist Duktileisen?

1943 erfunden, ist duktiles Eisen eine moderne Weiterentwicklung von Gusseisen. Gusseisen und duktiles Eisen weisen kontrastierende physikalische Eigenschaften auf, die durch Unterschiede in ihrer Mikrostruktur verursacht werden.

Der Graphit und Kohlenstoff im Gusseisen liegen in Form von Lamellen vor; Gusseisen zeigt positive Druckfestigkeit, aber Zugbelastung über seine natürliche Zugfestigkeit hinaus kann Risse verursachen, die sich schnell von Spannungspunkten innerhalb der lamellaren Graphitmikrostruktur ausbreiten. Daher hat Gusseisen praktisch keine Dehnung. Es ist ein spröder Werkstoff und daher in seiner Verwendung für Zug- und Stoßbelastungen begrenzt.

Der Graphit im duktilen Eisen tritt als Sphäroide auf, weshalb es manchmal als Kugelgraphit bezeichnet wird. Ebenso leitet sich der Begriff Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) davon ab, dass der Kohlenstoff im duktilen Eisen in Form von Knollen (Nodulen) vorliegt. Diese einzigartige Mikrostruktur bewirkt, dass duktiles Eisen Biegung und Stoßbelastung weitaus besser widersteht als herkömmliches Gusseisen.

Aus was besteht Duktileisen?

Während duktiles Eisen aus Stahl- oder Eisenschrott hergestellt werden kann, ist Roheisen die primäre Rohstoffquelle für die meisten modernen Gießereien für duktiles Eisen. Roheisen bezeichnet die primäre Eisenproduktion eines Hochofens, die über 90 % Eisen enthält.

Der Begriff „Roheisen“ entstand durch die altmodische Methode, Hochofeneisen in Formen zu gießen, die in Sandbetten so angeordnet waren, dass sie von einem gemeinsamen Vorlauf (Gusskanal) gespeist werden konnten. Da die Gruppen von Formen einem Wurf säugender Ferkel glichen, wurden die einzelnen Eisenstücke als „Ferkel“ (pigs) und der Vorlauf als „Sau“ (sow) bezeichnet. Moderne Roheisenbarren werden durch kontinuierliche Roheisengießmaschinen hergestellt.

Roheisen wird in der duktilen Eisenproduktion als primäre Quelle für reines Eisen verwendet. Es bietet eine Reihe einzigartiger Vorteile: Roheisen enthält geringe Rest- oder Schadelemente, hat eine konsistente Chemie, fördert optimale Schlackenbedingungen und verbessert die Prozesskontrolle durch konsistente Aufladeeigenschaften. Die Nachfrage nach Roheisen ist in den letzten Jahren gestiegen, da Gießereien für duktiles Eisen seine Vorteile gegenüber alternativen Eisenquellen wie Eisenschrott oder dem Schmelzen von Stahlschrott mit Kohlenstoffzugabe nutzen.

Vorteile von Duktileisen

Duktileisen bietet Konstrukteuren mehrere Vorteile:

1. Duktileisen lässt sich leicht gießen und bearbeiten.
2. Es hat ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
3. Duktileisen kann zu deutlich geringeren Kosten als Stahl hergestellt werden.
4. Es besitzt ausgezeichnete Gießbarkeit und Zerspanbarkeit.
5. Duktileisen bietet dem Konstrukteur eine außergewöhnliche Kombination aus Zähigkeit, niedrigen Fertigungskosten und Zuverlässigkeit.

Eigenschaften von Duktileisen

Um verschiedene Güten von duktilem Eisen herzustellen, muss die Matrixstruktur um den Graphit während des Gießprozesses oder durch anschließende Wärmebehandlung kontrolliert werden. Die geringfügigen zusammensetzungstechnischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Güten dienen dazu, die gewünschte Matrix (Mikrostrukturen) zu erzeugen.

Duktileisen kann als Stahl betrachtet werden, in dem Graphitsphäroide in seiner Matrix verteilt sind. Die Eigenschaften der metallischen Matrix, in der die Graphitsphäroide suspendiert sind, haben einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften des duktilen Eisens, die Graphitsphäroide selbst jedoch nicht.

Es gibt mehrere Matrizen im duktilen Eisen, die häufigsten sind:

1. Ferrit – ein reines, duktiles, flexibles Eisen mit geringer Festigkeit. Diese Matrix hat schlechte Verschleißfestigkeit, aber hohe Schlagzähigkeit und gute Zerspanbarkeit.
2. Perlit – ein mechanisches Gemisch aus Ferrit und Eisenkarbid (Fe₃C). Er ist relativ hart, mit mäßiger Duktilität. Er hat hohe Festigkeit, gute Verschleißfestigkeit, mäßige Schlagzähigkeit und gute Zerspanbarkeit.
3. Perlit/Ferrit – eine Struktur, die aus einem Gemisch von Perlit und Ferrit besteht, und die häufigste Matrix für kommerzielle Güten von duktilem Eisen.

Gängige Güten von Duktileisen

Obwohl es viele verschiedene Spezifikationen für duktiles Eisen gibt, bieten Gießereien routinemäßig 3 gängige Güten an:

Eigenschaft	ASTM A536, Güte 60-40-18	ASTM A536, Güte 65-45-12	ASTM A536, Güte 80-55-06
Zugfestigkeit, min, psi	60.000	65.000	80.000
Zugfestigkeit, min, MPa	414	448	552
Streckgrenze, min, psi	40.000	45.000	55.000
Streckgrenze, min, MPa	276	310	379
Dehnung in 2 Zoll oder 50 mm, min %	18	12	6
Dichte lb/in³	0,256	0,256	0,256
Dichte g/cm³	7,1	7,1	7,1
Schmelztemperatur (°F)	2.100 – 2.190	2.100 – 2.190	2.100 – 2.190
Schmelztemperatur (°C)	1.150 – 1.200	1.150 – 1.200	1.150 – 1.200
Druckfestigkeit ksi	429	429	429
Druckfestigkeit MPa	2960	2960	2960
UNS-Nummer	F32800	F33100	F33800

Anwendungen von Duktileisen

Duktileisen hat größere Festigkeit und Duktilität als Grauguss. Diese Eigenschaften ermöglichen den effektiven Einsatz in einer Vielzahl industrieller Anwendungen, einschließlich Rohren, Automobilkomponenten, Rädern, Getriebegehäusen, Pumpengehäusen, Maschinenrahmen für die Windkraftindustrie und vielen mehr. Da es nicht wie Grauguss bricht, ist duktiles Eisen auch für schlagschützende Anwendungen sicher, wie z. B. Poller.

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Quellen

• ASTM International. „Standard Specification for Ductile Iron Castings“.
• Ductile Iron Society. „Ductile Iron Data for Design Engineers.“
• Sorelmetal. „The Ductile Iron Family.“