Gusseisen 101: Zusammensetzung, Verwendung, Vor- & Nachteile

In diesem Artikel lernen Sie Definition, Anwendungen, Eigenschaften, Zusammensetzung und Arten von Gusseisen kennen – sowie Vor- und Nachteile.

Was ist Gusseisen?

Gusseisen ist eine Gruppe von Kohlenstofflegierungen mit 2–4 % Kohlenstoff und variierenden Mengen Silicium und Mangan. Enthält Verunreinigungen wie Phosphor und Schwefel. Herstellung: Reduktion von Eisenerz im Hochofen, Primärmaterial ist Roheisen aus verhüttetem Eisenerz. Direkt aus flüssigem Roheisen oder durch Umschmelzen von Roheisen, oft mit erheblichen Mengen Eisen, Kalkstein, Stahl oder Koks.

Schmelzen in speziellen Hochofen (Cupola) möglich, häufiger in elektrischen Induktions- oder Lichtbogenöfen.

Weiterlesen: Eigenschaften und Zusammensetzung von Roheisen.

Herstellung im Kupolofen: Roheisen, Kalkstein, Koks von oben einbringen, erhitzen. Verunreinigungen des Roheisens werden durch Oxidation teilweise entfernt → flüssiges Eisen. Schlacke wird regelmäßig von der Schmelzeoberfläche abgenommen. Flüssiges Eisen in Formen gießen für gewünschte Formen.

Anwendungen von Gusseisen

Im Ingenieurwesen weit verbreitet: Maschinenbau, Baustellen, Holzwerkstätten. Anwendungen:

• Zierguss: Tore, Laternenpfähle, Konsolen, Eisenstützen für kleine Überdachungen
• Druckbeanspruchte Bauteile
• Behälter, Wasserrohre, Gasrohre, Abwasserkanäle, Sanitärarmaturen, Schachtabdeckungen
• Schienenketten, Wagenräder etc.

Weiterlesen: Schmiedeeisen verstehen.

Typische Anwendungen nach Gusseisenart:

• Grauguss: Verschleißfest → Motorblöcke, Zylinderköpfe, Krümmer, Gasbrenner-Zahnradrohlinge, Gehäuse
• Weißguss: Spröde durch Chill-Verfahren → verschleiß- und abriebfest: Strahldüsen, Mühlenauskleidungen, Bahnbremsbacken, Walzen, Schlamm-pumpengehäuse, Brecher
• Temperguss (duktile): Verschiedene Güten, gut zerspanbar, gute Ermüdungs- und Streckgrenze, guter Verschleißwiderstand → Lenkköpfe, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Fahrwerkskomponenten, Hydraulikkomponenten, Türscharniere
• Malleableisen: Speichert Schmierstoffe, poröse Oberfläche fängt Abrieb → schwere Lagerflächen, Ketten, Kettenräder, Pleuel, Antriebsstrang-/Achskomponenten, Eisenbahnrollmaterial

Mechanische Eigenschaften

• Härte – Widerstand gegen Abrieb und Eindrücken
• Zähigkeit – Energieaufnahmefähigkeit
• Duktilität – Verformung ohne Bruch
• Elastizität – Rückfederung nach Verformung
• Formbarkeit – Verformung unter Druck ohne Riss
• Zugfestigkeit – Maximale Längsspannung vor Reißen
• Ermüdungsfestigkeit – Höchstspannung für gegebene Zyklenzahl ohne Bruch

Weitere Legierungselemente und Wirkung:

• Mangan: Verschleiß-/Abriebfestigkeit
• Chrom: Härtbarkeit, Verschleiß-, Korrosions-, Oxidationsbeständigkeit
• Nickel: Zugfestigkeit
• Wolfram: Warmhärte, Warmfestigkeit
• Molybdän: Härtbarkeit
• Vanadium: Härtbarkeit, Warmhärte
• Silicium: Härtbarkeit, elektrischer Widerstand
• Aluminium: Entoxider in Stahl
• Titan: Entoxider in Stahl
• Niob: Verringert Härtbarkeit, erhöht Duktilität → höhere Kerbschlagzähigkeit
• Kobalt: Verringert Härtbarkeit, widersteht Erweichung bei hohen Temperaturen

Arten von Gusseisen

Grauguss:

Graue Erscheinung durch graphitische Mikrostruktur → Bruchfarbe. Geringere Zugfestigkeit als Stahl, Druckfestigkeit vergleichbar mit niedrig-/mittelkohlenstoffhaltigem Stahl. Basiert auf Größe/Form der Graphitflakes.

Weißguss:

Weiße Bruchflächen durch Eisenkarbid („Zementit“). Durch niedrigen Siliciumgehalt und schnelle Abkühlung. Kohlenstoff fällt als metastabiles Zementit (Fe3C) aus statt Graphit. Zementit als große Partikel. Entzug von Kohlenstoff aus Schmelze → Bewegung Richtung eutektisch, verbleibende Phase: eisen-kohlenstoffhaltiges Austenit (kann bei Abkühlung zu Martensit transformieren).

Weiterlesen: Stahlerzeugungsverfahren.

Temperguss (Malleableisen):

Beginnt als Weißguss, wird bei ~950 °C geglüht und 1–2 Tage abgekühlt. Kohlenstoff im Eisenkarbid wandelt zu Graphit und Ferrit + Kohlenstoff (Austenit). Langsamer Prozess → Oberflächenspannung formt Graphit zu sphärischen Partikeln statt Flakes.

Duktileisen (Nodularer Guss):

Entwickelt 1948. Graphit als winzige Nodulen mit konzentrischen Schichten. Eigenschaften: schwammiger Stahl ohne Spannungskonzentration durch Graphitflakes. 0,02–0,1 % Mg, 0,02–0,4 % Ce verlangsamen Graphitausscheidung durch Bindung an Graphitebenen-Kanten.

Weiterlesen: Spanarten beim Metallschneiden.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

• Gute Gießeigenschaften
• Groß verfügbar
• Niedrige Materialkosten
• Grauguss: gute Zerspanbarkeit
• Gute Empfindlichkeit (Sensorik?)
• Exzellenter Verschleißwiderstand
• Konstante mechanische Eigenschaften 20–350 °C
• Hohe Haltbarkeit
• Verformungswiderstand

Nachteile:

• Schlechte Zugfestigkeit
• Rostanfällig
• Querschnittsempfindlich (langsame Abkühlung dicker Wandungen)
• Hohe Sprödigkeit
• Weißguss nicht zerspanbar
• Keine Streckgrenze

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