1 - Einleitung

Gusseisen zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Erstarrung der Schmelze der gesamte freie Kohlenstoff als Graphit ausgeschieden wird. Bei Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss) ist der Graphit Lamellenförmig ausgeschieden - die Graphitform VI.

Die Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit sind abhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit, der chemischen Zusammensetzung und vom Keimzustand der Schmelze.

2.- Gefüge und Einstellungen

Gusseisen mit Lamellengraphit ist ein Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, in dem der Kohlenstoff in drei Erscheinungsformen auftritt:

  • in gebundener Form als Carbid Fe3C (Zementit) entsprechend dem metastabilen System (Bild 1, oben) beim Vorliegen von Perlit und evtl. Weisserstarrung
  • als freier Kohlenstoff (Graphit) in lamellenförmiger Ausbildung entsprechend dem stabilen System (Bild 1, unten) bei Grauerstarrung
  • als gelöster Kohlenstoff im γ- und α-Mischkristall

Die wichtigste Rolle für die Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit spielt das metallische Grundgefüge, welches aus Ferrit oder Perlit oder aus einer Mischung von beiden Gefügearten bestehen kann. Außerdem kommt es in technischen Gussteilen infolge unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten vor, dass nicht aller Kohlenstoff in freier Form als Graphit vorliegt, sondern auch Zementit im Gefüge vorhanden ist.

Bild 1 oben metastabiles -, unten stabiles System


Ferrit ist die Bezeichnung für den α-Mischkristall im stabilen System Fe-C. Der gesamte Kohlenstoff wird bei der Erstarrung als Graphit ausgeschieden. Ferrit ist ein praktisch kohlenstofffreies Eisen, das nur relativ niedrige Härte besitzt.

Perlit ist der im metastabilen System aus dem Austenit entstandene eutektoide Gefügebestandteil. Der eutektoide Zerfall des Austenits in Perlit erfolgt bei 723°C. Der Perlit besteht aus α-Mischkristall (Ferrit) und Eisencarbid Fe3C (Zementit). Die eutektoide Konzentration beträgt 0.8%C. In einem perlitischen Gefüge im Gusszustand ist der Zementit innerhalb der Ferrits lamellenförmig eingelagert. Bild 2 gibt dafür ein Beispiel. Die beiden für Gusseisen möglichen Arten der eutektischen Erstarrung und damit die Voraussetzung zur jeweiligen Gefügeausbildung sind in Bild 3 schematisch dargestellt.

Bild 2 Abkühlungskurve eines untereutektischen
Bild 3 Graugussgefüge mit A-Graphit, frei von Carbiden

Bei höherer Abkühlungsgeschwindigkeit kann das Eisen bis unter die Temperatur des metastabilen Systems Eisen-Zementit abkühlen, so dass sich Eisencarbid (Fe3C) zu bilden vermag, dies trifft vor allem in dünneren Querschnitten und an Gussstückkanten zu. Wird bei der eutektischen Reaktion viel Wärme frei, kann die Temperatur der Restschmelze wieder über die eutektische Temperatur des metastabilen System steigen und Grauerstarrung auslösen. Siehe Bild 4. Das Ergebnis ist ein meliertes, weiß-grau erstarrtes Gefüge wie im Beispiel Bild 7.

Bild 4 Abkühlungskurve eines Gusseisen mit ungenügendem
Bild 5 Graugussgefüge mit B-Graphit (Rosettengraphit). 100:1


Bleibt es jedoch bei der Weisserstarrung unterhalb der eutektischen Temperatur des metastabilen Systems (Bild 8), erhält man das Gefüge eines typischen weißen Gusseisen (Bild 9).

 

Bild 6 Abkühlungskurve eines vollständig weiss
Bild 7 Gefüge eines weiss erstarrten Gusseisen. 100:1


Carbide können auch später, gegen Ende des Erstarrungsvorganges, gebildet werden. Mit fortschreitender eutektischer Erstarrung wird in der Regel genügend Wärme frei, um die Temperatur anzuheben (rekalenz), aber gegen Ende der Erstarrung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab, und die Temperatur beginnt wieder zu fallen. Dabei kann es vor kommen, dass die verbleibende Restschmelze unter die eutetische Temperatur des metastablilen System abkühlt und Carbide gebildet werden (Bild 6). Sie bauen sich an den Grenzen der gewachsenen eutektischen Körner auf (Bild 9) und werden als Korngrenzencarbide bezeichnet.

Bild 8 Abkühlungskurve eines grauen Gusseisen mit Korngrenzencarbiden.
Bild 9 Gefüge eines weissen Gusseisen. 100:1


Gusseisenwerkstoffe werden des weiteren ganz wesentlich vom Siliziumgehalt beeinflusst. Das Eutektikum wird mit steigenen Siliziumgehalten zu geringeren Kohlenstoffwerten verschoben, die Zusammensetzung wird durch das

Kohlenstoffäquivalent   CE = % Cmax + 1/3 (%Si + %P)

oder

den Sättigungsgrad     Sc = % Cmax / (4.3 - 1/3 (%Si + %P)

definiert.

Menge eutektischen Graphits (MEG)    MEG=C%-1,3+0,1(Si%+P%)

Bild 10 Abkühlungskurve eines grauen Gusseisen
Bild 11 Gefüge eines grauen Gusseisen mit Korngrenzencarbiden. 100:1

3.- Abkühlungsgeschwindigkeit

Der Parameter Abkühlungsgeschwindigkeit wird direkt durch die Wanddicke eines Werkstoffes beeinflusst. Beim Grauguss werden die Sorten nach der Zugfestigkeit eingeteilt. Die Zugfestigkeit wird an einem separat gegossenem Probestab von 30 mm Durchmesser, bei konstanter Abkühlungsgeschwindigkeit gemessen. Da dickwandige Gusstücke aber langsamer abkühlen als der 30 mm Probestab, ist die Zugfestigkeit geringer. Bei dünnwandigen Gusstücken, die schneller abkühlen als der Probestab, ist die Zugfestigkeit folglich höher.

4.- Chemische Zusammensetzung

Beim Grauguss werden die besten Eigenschaften dann erzielt, wenn der Graphit in der Graphitanordnung A ausgebildet ist und die Grundmasse aus Perlit besteht. Die Graphitanordnung A wird dann erreicht, wenn die chemische Zusammensetzung der Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. Wanddicke angepasst ist. Mit den Parametern Kohlenstoff- und Siliziumgehalt kann die Festigkeit beeinflusst werden. Somit ist es auch möglich, dem Einfluss der jeweiligen Abkühlungsgeschwindigkeit auf die Gefügebildung vorzubeugen. Die Kennzahlen dafür sind das Kohlenstoffäquivalent (CE) und die Menge eutektischen Graphits (MEG). Um also das gewünschte Gefüge und damit die geforderten Eigenschaften zu erzielen, verlangen dickwandige Gusstücke beispielsweise tiefere Werte des Kohlenstoffäquivaltents (CE):

5.- Keimzustand der Schmelze

Die Ausbildung des Graphits ist zudem abhängig vom Keimzustand der Schmelze. Keimreiche Schmelzen begünstigen die Graphitanordnung A, keimarme Schmelzen haben die Graphitanordnung D zur Folge. Voraussetzungen für keimreiche Schmelzen sind: Eine geeignete Schmelzführung und eine entsprechende Impfbehandlung.

6.- Spurenelemente

Die günstigsten mechanischen Eigenschaften weden dann erzielt, wenn die Graphitanordnung vom Typ A ist und zudem die Lamellen nicht spitz auslaufen, sondern abgerundet sind. Dieser Zustand weist darauf hin, dass die für die Schmelze verwendeten Einsatzstoffe arm an Spurenelementen sind. Ein grösserer Anteil von Spurenelementen wie Blei, Antimon, Wismut haben einen Graphit zur Folge, der Ansätze zeigt (Stacheldraht-Graphit) und bei höheren Gehalten an diesen schädlichen Elementen maschenförmig entarten kann (Widmannstätten-Graphit). Diese Graphitform hat einen katastrophalen Abfall der mechanischen Eigenschaften zur Folge.

Bei nicht angepasster chemischer Zusammensetzung oder ungünstigem Keimzustand, kann sich der Kohlenstoff in Form von Karbiden ausscheiden, was zu ungünstigen mechanischen Eigenschaften und zu Bearbeitungsschwierigkeiten führt

7.- Eigenschaften

Der Grauguss weist eine Reihe hervorragender Eigenschaften auf:

  • hohe Dämpfungsfähigkeit
  • gute Verschleissfestigkeit
  • gute Notlaufeigenschaften
  • günstige Kombination von Elastizitätsmodul und Wärmeleitfähigkeit
  • bei wärmebeanspruchenden Teilen
  • ausgezeichnete Druckfestigkeit

Diese Eigenschaften sind vor allem durch die lamellenförmige Ausbildung des Graphits bedingt. Andererseits schwächt das räumliche Gebilde des Lamellengraphits die metallische Matrix, was zu tiefen Festigkeitswerten bei zügiger Beanspruchung und tiefen Zähigkeitswerten führt.