Gusseisen-Gussteile: Grundlagen und industrielle Bedeutung

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 war die Industrielle Revolution, die die Art veränderte, wie Metalle produziert und in Produkte einschließlich Eisen umgewandelt wurden.

Gusseisen

Gusseisen wird durch Schmelzen von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt über 2 % hergestellt. Nach dem Schmelzen wird das Metall in die Form gegossen. Der Hauptproduktionsunterschied zwischen Schmiedeeisen und Gusseisen ist, dass Gusseisen nicht mit Hämmern und Werkzeugen bearbeitet wird. Es gibt auch Zusammensetzungsunterschiede – Gusseisen enthält 2–4 % Kohlenstoff und andere Legierungen sowie 1–3 % Silizium, was die Gießeigenschaften der Schmelze verbessert. Es können auch kleine Mengen Mangan und Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor vorhanden sein. Unterschiede zwischen Schmiede- und Gusseisen finden sich auch in den Details der chemischen Struktur und physikalischen Eigenschaften.

Obwohl sowohl Stahl als auch Gusseisen Spuren von Kohlenstoff enthalten und ähnlich erscheinen, gibt es signifikante Unterschiede. Stahl enthält unter 2 % Kohlenstoff, was das Endprodukt in einer einzigen mikrokristallinen Struktur erstarren lässt. Der höhere Kohlenstoffgehalt von Gusseisen bedeutet, dass es als heterogene Legierung erstarrt, mit mehr als einer mikrokristallinen Struktur im Material.

Diese Kombination aus hohem Kohlenstoffgehalt und Silizium gibt Gusseisen exzellente Gießbarkeit. Verschiedene Gusseisen-Typen werden durch verschiedene Wärmebehandlungs- und Verarbeitungsverfahren hergestellt, einschließlich Grau-, Weiß-, Temper-, Kugelgraphit- und Kompaktgraphitguss.

Gusseisen-Brücke

Gusseisen-Konstruktionsdetails werden durch Schmelzen des Metalls und Gießen in eine Form hergestellt.

Grauguss

Grauguss zeichnet sich durch die lamellenförmige Form der Graphitteilchen im Metall aus. Beim Bruch erfolgt der Bruch entlang der Graphitlamellen, was der Bruchfläche eine graue Farbe verleiht. Der Name Grauguss stammt von dieser Eigenschaft.

Es ist möglich, Größe und Struktur der Graphitlamellen-Matrix 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. Die Dämpfungskapazität beträgt 20-25-mal die von Stahl und ist allen anderen Gusseisenarten überlegen. Grauguss ist auch leichter zu bearbeiten als andere Gusseisen, und sein Verschleißwiderstand macht ihn zu einem der volumenstärksten Gusseisenprodukte.

Unsere Hardscape-Produkte werden aus Grauguss gefertigt. Schwingungsdämpfung und Verschleißwiderstand machen es zu einem geeigneten Material für viele Straßenanwendungen. Roher Grauguss bildet auch eine Patina, die ihn auch im Außenbereich vor schädlicher Korrosion schützt.

Weißguss

Bei geeignetem Kohlenstoffgehalt und hoher Abkühlrate verbinden sich Kohlenstoffatome mit Eisen zu Eisenkarbid. Das bedeutet, dass im erstarrten Material wenig oder keine freien Graphitteilchen vorhanden sind. Beim Scheren von Weißguss erscheint die Rissfläche weiß aufgrund des Fehlens von Graphit. Die mikrokristalline Struktur von Zementit ist hart und spröde mit hoher Druckfestigkeit und gutem Verschleißwiderstand. In einigen Spezialanwendungen ist es wünschenswert, Weißguss an der Produktoberfläche zu haben. Dies lässt sich durch Verwendung eines guten Wärmeleiters für die Formteile erreichen. Dies entzieht der Schmelze an dieser spezifischen Stelle schnell Wärme, während der Rest des Gusses langsamer abkühlt.

Einer der beliebtesten Weißguss-Typen ist Ni-Hard-Eisen. Die Zugabe von Chrom- und Nickel-Legierungen gibt diesem Produkt exzellente Leistung bei niedrigem Schlag-Schleifverschleiß.

Weißguss und Ni-Hard-Eisen fallen in die Legierungsklassifizierung nach ASTM A532: "Standard Specification for Abrasion-Resistant Cast Iron".

Temperguss

Weißguss kann durch einen Wärmebehandlungsprozess weiter zu Temperguss verarbeitet werden. Ein ausgedehntes Erhitzungs- und Abkühlprogramm zersetzt die Eisenkarbidteilchen und setzt freie Graphitteilchen im Eisen frei. Durch unterschiedliche Abkühlraten und Legierungszugaben wird Temperguss mit mikrokristalliner Struktur erhalten.

Kugelgraphitguss (Duktiles Eisen)

Kugelgraphitguss erhält seine besonderen Eigenschaften durch Magnesiumzugabe zur Legierung. Das Magnesium bewirkt, dass der Graphit eine kugelförmige Form annimmt, im Gegensatz zu den Grauguss-Lamellen. Zusammensetzungskontrolle ist im Produktionsprozess sehr wichtig. Kleine Mengen an Verunreinigungen wie Schwefel und Sauerstoff reagieren mit Magnesium und beeinflussen die Form der Graphitteilchen. Verschiedene Güten von Kugelgraphitguss werden durch Manipulation der mikrokristallinen Struktur um eine Graphitkugel herum hergestellt. Dies wird entweder durch den Gussprozess oder die Wärmebehandlung als nächsten Verarbeitungsschritt erreicht.

Da Kugelgraphitguss bei Aufprall verformt statt in Stücke zu brechen, verwenden wir dieses Material für unsere Gusseisen-Pfosten. Das Aufprallprofil von Kugelgraphitguss macht es zu einem guten Gusseisen für Poller in Verkehrsnähe.

Kompaktgraphitguss

Kompaktgraphitguss hat eine Graphitstruktur und zugehörige Eigenschaften, die eine Mischung aus Grau- und Weißguss sind. Die mikrokristalline Struktur bildet sich um stumpfe Graphitlamellen, die miteinander verbunden sind. Eine Legierung wie Titan dient zur Inhibition der Bildung von kugelförmigem Graphit. Kompaktgraphitguss hat höhere Zugfestigkeit und bessere Duktilität im Vergleich zu Grauguss. Struktur und mikrokristalline Eigenschaften können durch Wärmebehandlung oder Zugabe anderer Legierungen angepasst werden.

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VON GUSSEISEN

Die mechanischen Eigenschaften eines Materials zeigen, wie es unter bestimmten Bedingungen 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 Nutzer Materialien mit Vertrauen kaufen können, dass sie die Anforderungen für ihre Anwendung erfüllen. Die am häufigsten verwendete Grauguss-Spezifikation ist ASTM A48.

Zur Qualifizierung von Gussteilen nach ihren Spezifikationen ist der Standardweg, einen Prüfstab zusammen mit den technischen Gussteilen zu gießen. ASTM-Tests werden dann auf diesen Prüfstab angewendet und die Ergebnisse qualifizieren den gesamten Gusscharge.

Spezifikationen sind auch beim Schweißen von Gusseisenteilen wichtig. Die Schweißnaht muss die mechanischen Eigenschaften des zu schweißenden Materials erfüllen oder übertreffen, sonst können Risse und Schäden entstehen.

Gusseisen-Schweißen

Beim Schweißen ist es extrem wichtig, dass die Schweißnaht die mechanischen Eigenschaften des Materials erfüllt oder übertrifft, um Risse und Ausfälle zu verhindern.

Einige gängige mechanische Eigenschaften von Gusseisen umfassen:

• 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 ursprüngliche Abmessungen zurückzukehren
• Formbarkeit – Fähigkeit des Materials, sich unter Druck ohne Reißen zu verformen
• Zugfestigkeit – größte Längsspannung, die ein Material ohne Zerreißen aushält
• Ermüdungsfestigkeit – höchste Spannung, die ein Material für eine gegebene Zyklenzahl ohne Bruch aushält