Gusseisen (CI) Gießen: Zusammensetzung, Farbe & Rissverhütung

Die Legierungsbestandteile beeinflussen die Bruchfarbe: Weißgusseisen enthält Karbid-Einschlüsse, die Rissausbreitung begünstigen. Graugusseisen besitzt Graphitlamellen, die Risse reflektieren und bei Bruch zahllose neue Risse initiieren. Duktiles Gusseisen (SG-Eisen) enthält kugelförmige Graphit-Nodulen, die weitere Rissausbreitung hemmen.

Hauptlegierungselemente: Kohlenstoff (C) 1,8–4 Gew.-%, Silicium (Si) 1–3 Gew.-%. Nur Eisenlegierungen mit minimalem Kohlenstoffgehalt werden als Stahl definiert. Gusseisen ist spröde (Ausnahme: temperierbares Gusseisen). Der relativ niedrige Schmelzpunkt sorgt für gute Fließeigenschaften, hervorragende Zerspanbarkeit, Verformungs- und Verschleißfestigkeit.

Gusseisen hat sich zu einem Konstruktionswerkstoff mit breitem Anwendungsspektrum entwickelt: Rohre, Maschinen, Automobilteile (Zylinderköpfe, Motorblöcke, Getriebegehäuse). Oxidationsbeständigkeit erhöht den Nutzen zusätzlich.

Geschichte des Gusseisengießens

Älteste Gusseisenartefakte datieren auf das 5. Jh. v. Chr., gefunden in Jiangsu, China. Forscher vermuten frühe Nutzung in China für Landwirtschaft, Haushalt und Kriegsgerät.

Im 15. Jh. wurde Gusseisen in Burgund, Frankreich und England für Kanonen verwendet (Reformationszeit) – erforderte Großserienproduktion.

Die erste Gusseisenbrücke (1770) von Abraham Darby III: „The Iron Bridge“ in Shropshire, England. Gusseisen fand breite architektonische Anwendung.

Industrielle Massenproduktion

Gusseisen wird 주로 aus flüssigem Roheisen oder durch Umschmelzen von Roheisen hergestellt – mit erheblichen Mengen Eisen, Stahl, Kalkstein, Kohlenstoff (Koks) und Entfernungsprozessen für unerwünschte Begleitelemente. Je nach Anwendung werden C- und Si-Gehalte auf 2–3,5 % bzw. 1–3 % eingestellt.

Roheisen ist das Produkt der Eisenerzschmelze im Hochofen. Phosphor und Schwefel können aus der Schmelze ausgebrannt werden, wobei auch Kohlenstoff verloren geht und ersetzt werden muss. Gewünschte Legierungselemente werden vor dem Gießen zugegeben. Traditionell Schmelzen im Cupolofen; modern: Elektrische Induktions- oder Lichtbogenöfen. Nach dem Schmelzen wird die Schmelze in einen Vorhalteofen oder eine Gießpfanne überführt.

Eigenschaften von Gusseisen

Legierungselemente verändern die Eigenschaften. Neben Kohlenstoff ist Silicium das wichtigste Element – es verdrängt Kohlenstoff aus der Lösung.

• Niedriger Si-Gehalt → Kohlenstoff bleibt in Lösung → Eisenkarbid (Zementit) → Weißgusseisen.
• Hoher Si-Gehalt → Kohlenstoff wird verdrängt → Graphitbildung → Graugusseisen.

Mangan, Chrom, Molybdän, Titan, Vanadium wirken dem Silicium entgegen, fördern Karbidbildung. Nickel und Kupfer erhöhen Festigkeit und Zerspanbarkeit ohne Graphitmengenänderung.

Graphitischer Kohlenstoff macht Eisen weicher, verringert Schwindung, senkt Festigkeit und Dichte. Schwefel (als Verunreinigung) bildet Eisensulfid, verhindert Graphitbildung, erhöht Härte – macht die Schmelze aber „klebrig“ (Gießfehler). Gegenmaßnahme: Mangan zugabe → Mangansulfid (leichter als Schmelze, geht in Schlacke über). Erforderliches Mn: 1,7 × S-Gehalt + 0,3 %. Übermäßiges Mn bildet Mangankarbid (härter, schneller abkühlend) – Ausnahme: Grauguss bis 1 % Mn erhöht Festigkeit und Dichte.

Veredelungselemente für den Guss

• Nickel: Verfeinert Perlit- und Graphitstruktur, verbessert Duktilität, egalisiert Härteunterschiede bei Wanddickenänderungen.
• Chrom: In kleinen Mengen: reduziert freien Graphit, fördert Abkühlung, starker Karbidstabilisator – oft mit Nickel kombiniert.
• Kupfer (0,5–2,5 %): In Pfanne/Ofen: verringert Neigung zu Kaltfließen, verfeinert Graphit, erhöht Fließfähigkeit.
• Molybdän (0,3–1 %): Erhöht Härtebarkeit, verbessert Graphit/Perlit – oft mit Ni, Cu, Cr für hochfeste Sorten.
• Titan: Entgaser/Entoxidator, erhöht Fließfähigkeit.
• Vanadium (0,15–0,5 %): Stabilisiert Zementit, erhöht Härte, Verschleiß- und Hitzebeständigkeit.
• Zirconium (0,1–0,3 %): Fördert Graphitbildung, entoxidiert, erhöht Fließfähigkeit.
• Wismut (0,002–0,01 %): In temperierbaren Schmelzen: erhöht Si-Wirksamkeit.
• Bor: In Weißguss: fördert temperierbares Gusseisen, mildert groben Wismut-Einfluss.

Der häufigste Typ: Graugusseisen

Graugusseisen zeichnet sich durch Graphit-Mikrostruktur aus (Bruchbild grau). Es ist der am weitesten verbreitete Gusseisentyp und das meistverwendete Gussmaterial nach Gewicht. Typische Zusammensetzung: 2,5–4,0 % C, 1–3 % Si, Rest Fe.

Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit sind niedriger als bei Stahl, Druckfestigkeit vergleichbar mit niedrig/mittellegierten Stählen. Mechanische Eigenschaften werden durch Größe und Form der Graphitlamellen gesteuert (ASTM-Richtlinien).

Zusammenfassend: CI-Gießen ist Gusseisen – Teil der spezialisierten Fe-C-Legierungsgruppe. Entscheidend: Kohlenstoffgehalt > 2 % → sehr niedriger Schmelzpunkt. Die Legierungsbestandteile bestimmen das Bruchverhalten: Weißguss (Karbid = Rissdurchlauf), Grauguss (Graphitlamellen = Rissverzweigung), Duktiles Eisen (Kugelgraphit = Risshemmung).