Gusseisen: Wichtige Eigenschaften, Arten & praktische Anwendungen

Was ist Gusseisen?

Gusseisen ist eine Eisenlegierung, die 2 bis 4 % Kohlenstoff enthält, sowie variable Mengen an Silicium und Mangan und Spuren von Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor. Es wird durch Reduktion von Eisenerz in einem Hochofen hergestellt.

Kohlenstoff in Gusseisen existiert normalerweise in zwei Formen, die miteinander verbunden sind:

(1) Als Verbindung Zementit, d. h. in einem Zustand chemischer Verbindung, und das Eisen wird als Weißguss bezeichnet, und

(2) Als freier Kohlenstoff, d. h. in einem Zustand mechanischer Mischung. Kohlenstoff in der ersten Form wird „verbundener Kohlenstoff“ genannt, und in der letzteren Grauguss.

Ein intermediärer Stadium zwischen diesen beiden Eisenarten zeigt Flecken von Grau in der weißen Struktur. Dieses Eisen wird Geschecktes Eisen (Mottled Iron) genannt.

Geschecktes Gusseisen (MCI) ist ein Material, das im Walzwerk insbesondere in den letzten Walzgerüsten verwendet wird, aufgrund seiner Kombination aus hoher: Verschleißfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Elastizitätsmodul. Im MCI resultieren die mikrostrukturellen Bereiche von Weißguss und Grauguss aus der Erstarrung.

Die Qualität von Gusseisen hängt somit nicht nur von der absoluten Menge des enthaltenen Kohlenstoffs ab, sondern auch von den Bedingungen, in denen dieser Kohlenstoff existiert. Die gängigen Gusseisensorten sind:

Arten von Gusseisen

Die gängigen Gusseisensorten sind:

1. Grauguss (Grey Cast Iron)
2. Weißguss (White Cast Iron)
3. Temperguss (Malleable Cast Iron)
4. Kugelgraphitguss / Duktiles Gusseisen (Nodular / Ductile Iron)
5. Kaltvergütetes Gusseisen (Chilled Cast Iron)
6. Legiertes Gusseisen (Alloy Cast Iron)
7. Meehanite-Gusseisen (Meehanite Cast Iron)

1. Grauguss (Grey Cast Iron)

Dies wird durch langsames Abkühlen und Erstarren der Schmelze erhalten. Beim Erstarren enthält der Eisen den größten Teil des Kohlenstoffs in Form von Graphitlamellen (Graphitflakes).

Grauguss enthält große Mengen Kohlenstoff und relativ kleine Mengen der anderen Elemente, z. B. Silicium, Phosphor, Schwefel und Mangan.

Er zeigt eine matte graue, kristalline oder granulare Struktur und starkes Licht erzeugt einen Glitzereffekt durch Reflexion der freien Graphitlamellen. Das Vorhandensein dieses freien Graphits zeigt sich auch beim Feilen oder Bearbeiten von Gusseisen, da es die Hände schwarz macht.

Das Gusseisen ist spröde und kann leicht brechen, wenn ein schwerer Hammer verwendet wird. Die Festigkeit des Eisens ist in Druck viel größer als in Zug. Die maximale Zugfestigkeit von Grauguss variiert zwischen 12 bis 13 kp/mm² (120 bis 300 N/mm²) und hängt von der Zusammensetzung des Eisens ab. In Druck hält Grauguss etwa 60 bis 75 kp/mm² (600 bis 750 N/mm²) stand, bevor er bricht, während seine Scherfestigkeit etwa 15 bis 22 kp/mm² (150 bis 225 N/mm²) beträgt. Die Härte reicht von 150 bis 240 HBW. Hauptvorteile für seine Verwendung sind: (1) seine Billigkeit, (2) seine niedrige Schmelztemperatur (1.150 °C bis 1.200 °C) und Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand, und (3) es lässt sich leicht bearbeiten. Eine weitere gute Eigenschaft von Gusseisen ist, dass der freie Graphit in seiner Struktur als Schmiermittel wirkt, und wenn große Maschinenführungen daraus hergestellt werden, wird eine sehr freigängige Wirkung erzielt. Die Fließfähigkeit des Eisens ermöglicht seine breite Verwendung für die Herstellung von Gussstücken mit komplexen Formen in fast allen Gusseisenformen.

2. Weißguss (White Cast Iron)

Weißguss enthält Kohlenstoff ausschließlich in Form von Zementit (Eisenkarbid). Dies wird durch das Vorhandensein relativ großer Mengen Mangan, einer sehr kleinen Menge Silicium und durch schnelles Abkühlen erreicht. Die normale Abkühlrate in Sand erzeugt freien Graphit, während schnelles Abkühlen die Bildung von Zementit begünstigt. Zudem fördert Mangan die Karbidbildung. Die ungefähre chemische Zusammensetzung von Weißguss ist in Tabelle 4.2 angegeben.

Weißguss ist sehr hart (Härte 400 bis 600 HBW) und spröde, und seine Bruchfläche hat ein silbrig-metallisches Aussehen. Aus ingenieurtechnischer Sicht hat Weißguss begrenzte Anwendung. Dies liegt an der Schwierigkeit der Bearbeitung und seiner allgemein relativ schlechten mechanischen Bearbeitbarkeit. Diese Eisensorte wird häufig zur Herstellung von Schmiedeeisen verwendet. Weißguss wird auch als Zwischenmaterial für die Herstellung von Temperguss gegossen. Weißguss rostet nicht so stark wie die graue Sorte.

3. Temperguss (Malleable Cast Iron)

Das gewöhnliche Gusseisen ist hart und spröde. Es ist daher für Gegenstände ungeeignet, die dünn, leicht und Stoß- und Vibrationsbelastungen ausgesetzt sind, oder für kleine Gussstücke, die in verschiedenen Maschinenkomponenten verwendet werden.

Die Anwendung des Begriffs „temperguss“ (malleable) auf Gussstücke ist eher ein Missverständnis, weil sie nicht sehr formbar sind, wenn man sie mit den Standards der Formbarkeit vergleicht. Verglichen mit Graugussstücken, die jedoch ziemlich spröde sind, besitzen Tempergussstücke jedoch einen Grad an Zähigkeit, und das ist wahrscheinlich der Grund, warum sie so benannt wurden.

Tempergussstücke werden zunächst aus einem Eisen hergestellt, das seinen gesamten Kohlenstoff in verbundener Form hat, d. h. aus Weißguss. Zwei Methoden werden dann zum Tempern der Gussstücke verwendet: (1) Weißherz-Verfahren (White Heart) und (2) Schwarzherz-Verfahren (Black Heart). Die Namen beziehen sich auf die Farbe des Bruchs, die von den Gussstücken jedes Verfahrens gegeben wird. Die ungefähren chemischen Zusammensetzungen für beide Sorten sind in Tabelle 4.3 angegeben.

4. Kugelgraphitguss / Duktiles Gusseisen (Ductile Iron)

Kugelgraphit-Eisen, auch Kugelgraphitguss genannt, ist von höherer Qualität, weil der Graphit nicht in Form von Lamellen, sondern in Form von Sphäroiden (Kugeln) ausfällt. Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, z. B. durch Zugabe eines der folgenden Elemente: Magnesium, Cer, Calcium, Bismut, Zink, Cadmium, Titan oder Bor.

Ferrosilicium wird auch als Impfmittel (Inokulant) verwendet. Kugelgraphitguss kann in dickeren Stücken hergestellt werden als Temperguss. Hervorragende Eigenschaften von Kugelgraphitguss sind hohe Fließfähigkeit, die das Gießen komplexer Formen erlaubt, und eine ausgezeichnete Kombination aus Festigkeit und Duktilität. Die Zugfestigkeit dieses Eisens beträgt etwa 33 kp/mm² (330 N/mm²). Dieses Material ist auch als Duktiles Gusseisen bekannt.

Kugelgraphitguss wird häufig in Gussteilen verwendet, wo Dichtheit und Druckfestigkeit eine hoch erwünschte Qualität sind. Dazu gehören Hydraulikzylinder, Ventile, Rohre und Rohrverbindungen, Zylinderköpfe für Kompressoren und Dieselmotoren. Walzen für Walzwerke und viele Arten von schleuderggegossenen Teilen werden ebenfalls aus Kugelgraphitguss hergestellt.

5. Kaltvergütetes Gusseisen (Chilled Cast Iron)

Schnelles Abkühlen wird „Kaltvergüten (Chilling)“ genannt und das so erzeugte Eisen ist „Kaltvergütetes Eisen“. Alle Gussstücke werden an ihrer Außenoberfläche durch Kontakt mit dem kühlen Sand in der Form kaltvergütet. Da Gusseisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Sand hat, durchlaufen die kaltvergüteten Bereiche des Gussstücks eine schnelle Erstarrung und Abkühlung und erzeugen dadurch eine harte Oberfläche. Aber diese Härte dringt nur etwa 1 bis 2 mm in die Tiefe ein.

Manchmal wird ein Gussstück absichtlich kaltvergütet und manchmal wird es versehentlich in geringer Tiefe kaltvergütet. Absichtliches Kaltvergüten wird durchgeführt, indem Gusseisen anstelle von Sand für diejenigen Teile der Form verwendet wird, an denen harte Oberflächen erforderlich sind. Wo diese vom flüssigen Metall berührt werden, wird die Oberfläche plötzlich abgekühlt und in Weißguss umgewandelt. Beim Kaltvergütungsguss werden Dauerformen aus hitzebeständigem Stahl oder Gusseisen mit Lamellengraphit verwendet.

Kaltvergüter (Chills) werden an jenen Gussstücken verwendet, bei denen einige Teile die Härte von Weißguss erfordern, während andere einen relativ weichen und zähen Kern aus Grauguss haben sollen.

6. Legiertes Gusseisen (Alloy Cast Iron)

Legiertes Gusseisen wurde in den letzten Jahren entwickelt, um bestimmte inhärente Mängel im gewöhnlichen Gusseisen zu überwinden und Eigenschaften zu verleihen, die für spezielle Zwecke besser geeignet sind. Die Zugabe von Nickel, Chrom, Molybdän, Titan, Silicium, Kupfer und anderen Legierungselementen verleiht diesem Gusseisen besondere Eigenschaften.

Die Verwendung von 1 bis 2 % Nickel bei guter Eisenqualität bietet ein einfaches und wirksames Mittel zur Verbesserung der Eigenschaften und der Lebensdauer von Eisengussstücken. Es gewährleistet Zerspanbarkeit und Gleichmäßigkeit der Struktur des Gusseisens. Durch die Verwendung von Nickel in der Größenordnung von 25 % kann auch in Teilen, die abrasivem Verschleiß ausgesetzt sind, eine erhöhte Lebensdauer erzielt werden.

7. Meehanite-Gusseisen

Zylinder oder Zylinderlaufbuchsen aller Größen von den kleinsten bis zu den größten bieten hervorragende Beispiele. Nickelgusseisen wird auch zur Beständigkeit gegen ätzende Korrosion eingesetzt. Aus diesem Grund wird es häufig für die Herstellung von Ätztöpfen, Rohren und anderen Gussstücken verwendet, die mit ätzenden Laugen in Kontakt kommen.

Die Zugabe von nur 1 % Nickel bringt einen Rundumvorteil für diesen Zweck. Der prominenteste Faktor für die Verwendung von Nickel in Gusseisen ist die Erlangung von Dichtheit und Druckfestigkeit in Gussstücken mit großen und variierenden Querschnitten. Dies hat zur Anwendung von Nickelguss für viele Teile von Dampf- und Hydraulikmaschinen, Kompressoren und Verbrennungsmotoren geführt.

Wenn Verbesserung der Verschleißfestigkeit wichtig ist, werden Chromzusätze mit dem Nickel oft als nützlich befunden. Auf diese Weise legiertes Gusseisen findet breite Anwendung für Pumpen aller Art, in denen Reibungs- sowie Erosionsverschleiß berücksichtigt werden müssen. Legiertes Gusseisen mit 10 bis 30 % Chrom und 1 bis 3 % Gesamtkohlenstoff zeigt auch einen hohen Grad an Hitzebeständigkeit in Kombination mit Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Gusseisen, legiert mit 10 % Nickel und 6 % Mangan, wird nicht-magnetisch. Ein spezielles patentiertes nicht-magnetisches Gusseisen ist unter dem Namen „Nomag“ bekannt.

MEEHANITE-GUSSEISEN

Gusseisen, in dem das Metall mit Calciumsilicid behandelt wurde, ist unter dem Handelsnamen Meehanite bekannt. Calciumsilicid wirkt als Graphitisierungsmittel und erzeugt eine feine Graphitstruktur, die ein Gusseisen mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften liefert. Die hohen Qualitäten von Meehanite-Eisen sind jedoch nicht allein auf die Verwendung von Calciumsilicid zurückzuführen, sondern auch auf die sorgfältige Kontrolle aller Faktoren, die beim Schmelzen des Eisens im Cupola- oder Elektroofen und beim Formen des Gussstücks beteiligt sind. Sehr wenig Calciumsilicid verbleibt im Eisen nach der Erstarrung.

Das verwendete Metall ist niedrig an Silicium, mäßig niedrig an Kohlenstoff, der auf etwa 2,5 bis 3 % begrenzt ist. Dies wäre normalerweise Weißguss, wenn es gegossen würde, aber die Graphitisierung durch das Meehanite-Kontrollsystem bietet eine Reihe von Materialien, die den breiten Anforderungen der Ingenieurindustrie entsprechen.

Es gibt derzeit insgesamt mehr als sechsundzwanzig Arten von Meehanite-Metall unter fünf breiten Klassifikationen: (a) Allgemeines Maschinenbau, (b) Hitzebeständig, (c) Verschleißfest, (d) Korrosionsbeständig, (e) Kugelgraphit 'S'-Typ.

Alle Meehanite-Eisen haben hohe Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und leichte Zerspanbarkeit. Sie beanspruchen daher, die Lücke zwischen gewöhnlichem Gusseisen und Stahl zu schließen. Die Gussstücke wiegen von 500 bis 6.000 kg. Das Metall ist feinkörnig und zeigt eine Brinell-Härte von 200 bis 210.

Meehanite-Eisen spricht auf Wärmebehandlung an, im Gegensatz zu gewöhnlichem Grauguss, und kann vollständig oder an der Oberfläche gehärtet werden. Es kann auch durch geeignete Behandlung zähiger gemacht werden für den Einsatz als Maschinenbett-Guss.

Gusseisenherstellung

Gusseisen wird aus Roheisen hergestellt, das das Nebenprodukt der Schmelzung von Eisenerz in einem Hochofen ist. Gusseisen kann direkt aus flüssigem Roheisen oder durch Umschmelzen von Roheisen, oft mit erheblichen Mengen an Eisen, Stahl, Kalkstein, Kohlenstoff (Koks) und verschiedenen Schritten zur Entfernung unerwünschter Verunreinigungen, hergestellt werden. Phosphor und Schwefel können aus flüssigem Eisen ausgebrannt werden, aber dies verbrennt auch den Kohlenstoff, der ersetzt werden muss. Kohlenstoff- und Siliciumgehalt werden auf die gewünschten Werte eingestellt, die je nach Anwendung von 2–3,5 % und 1–3 % reichen können. Andere Elemente können dann nach Bedarf zur Schmelze hinzugefügt werden, bevor die endgültige Form gegossen wird.

Gusseisen wird manchmal in einer speziellen Art von Hochofen, dem sogenannten Cupola-Ofen, geschmolzen, aber in modernen Anwendungen wird es häufiger in elektrischen Induktionsöfen oder Lichtbogenöfen geschmolzen. Das flüssige Gusseisen wird nach Abschluss des Schmelzprozesses in einen Vorhalteofen oder eine Gießpfanne gegossen.