Chunky-Graphit

Dieser Fehler tritt vor allem in dickwandigen Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgrafit oder dort in sehr langsam abkühlenden Bereichen (z. B. unter exothermen Speisehilfen, s. exotherme Speiser, oder im Speiserhals) auf und wird gelegentlich auch als "Graupelgrafit" bezeichnet. Dieser Fehler tritt unabhängig vom Formverfahren und Gießverfahren auf. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Duktilität des Werkstoffes, werden durch Chunky-Grafit erheblich beeinflusst.

Kennzeichnend ist die lokale, zellenförmige Anordnung von sehr fein verteiltem Grafit, mit kurzen, abgerundeten Lamellen, also mit sehr hoher Partikelzahl, die man dann schon wieder als kompakt bezeichnen kann. Das übrige Gefüge ist meist grobsphärolithisch, wobei stets eine Häufung dieser lokalen Entartung im thermischen Zentrum der Gussteile gefunden wird. In der Schnitt- oder Bruchfläche werden Bereiche mit Chunky-Grafit als dunkle Flecken sichtbar (nicht mit Dross verwechseln), ansonsten wird dieser Fehler im metallografischen Schliff sichtbar.

Diese Grafitausbildung ist ebenso wie der Vermiculargrafit in einen Übergangsbereich zwischen Lamellen- und Kugelgrafit einzuordnen. Der korallenförmige Verbund, der im Schliffbild nur als isoliert erscheinende einzelne Grafitteilchen erkennbar ist, kann durch Tiefenätzung (Bilder 1 bis 3) sichtbar gemacht werden.

Die Bildung von Chunky-Grafit wird durch zunehmende Gehalte an Silizium, Kupfer, Nickel, Kalzium und Cer gefördert; entgegengesetzt wirken Blei, Antimon, Arsen, Wismut, Zinn und Bor.

Vor allem wenn das Rohmaterial sehr geringe Gehalte an Spurenelementen aufweist und trotzdem mit Cer-Mischmetall (Cer-MM) gearbeitet wurde, ist in den Zentren dickwandiger Gussteile Chunky-Grafit gefunden worden.

Der Einfluss von Nickel ist so groß, dass bei austenitischem Gusseisen mit Kugelgrafit bereits in dünnen Querschnitten Chunky-Grafit auftritt. Ein erhöhtes Kohlenstoffäquivalent, etwa CE > 4,1 %, scheint die Bildung von Chunky-Grafit zu fördern, auch dann, wenn kein Cer-MM zugesetzt wird.

Wenn der Siliziumgehalt unter 2,0 % liegt, wird generell weniger Chunky-Grafit festgestellt. Kalzium fördert die Bildung von Chunky-Grafit, wenn es erst spät im Schmelzprozess durch kalziumhaltiges Ferrosilizium in das Eisen gelangt. Siliziumzusätze zur Einstellung des Siliziumgehaltes sollten deshalb schon in der festen Charge vor dem Schmelzen erfolgen.

Die Sphärolithendichte in Zonen mit Chunky-Grafit ist stets gering, offensichtlich als Folge der geringen Abkühlungsgeschwindigkeit in dickwandigen Teilen trotz einer effektiven Impfbehandlung (s. Impfen). Bezüglich der Bildungsbedingungen werden verschiedene, einander teilweise widersprechende Mechanismen diskutiert, vor allem:

  • Lokale Störung oder Zerstörung der die primär gebildeten Sphärolithen umgebende Austenithülle durch thermische Turbulenzen der Restschmelze,
  • Bersten großer, grober Sphärolithen infolge starker innerer Spannungen,
  • extensive Verzweigung des Grafits infolge seigerungsbedingter Verminderung der Grenzflächenenergien (vor allem durch Kalzium).

Der Austenithülle wird bei der Entstehung von Chunky-Grafit große Bedeutung beigemessen, wobei es sich dabei um gebrochene Sphärolithen handeln soll. Bei zu schwacher Austenitschale ist es möglich, dass Sphärolithen zerstört werden und die Bruchstücke anschließend in die interdendritischen Hohlräume gelangen.

Metallografische Untersuchungen ergaben bei ein und demselben Gussstück, dass sowohl größere Bereiche mit sehr feinem Chunky-Grafit als auch kleinere Gebiete mit einer gröberen Ausbildung auftreten. Der Chunky-Grafit liegt zu einem großen Teil um Dendritenäste (s. Dendrit), also in den interdendritischen Räumen.

Es ist von besonderem Interesse, wie sich die Grafitkugeln ab einer bestimmten Größe, vorwiegend in sehr langsam erstarrenden Gussstückbereichen, in Kugelsektoren auflösen (Bild 4). Es ist leicht vorstellbar, dass solche Kugeln, wenn sie bei der Erstarrung der Schmelze bewegt werden, zerfallen oder auch zerbrechen können. Befinden sich solche Kugeln in der Restschmelze, so können sie je nach Länge der Fließwege und Erstarrungsdauer weiter zerkleinert werden. REM-Aufnahmen bestätigen, dass es sich bei den Chunky-Grafit-Teilchen nicht um kleine Kugeln oder Lamellen handelt, sondern um Kugelsektoren (Bild 5).

Chunky-Grafit entsteht unzweifelhaft durch ein teilweise gekoppeltes Wachstum von Grafit und Austenit und ist bezüglich seiner Morphologie dem Vermiculargrafit ähnlich, so dass Verwechslungen möglich sind. Er unterscheidet sich vor allem in seiner größeren Feinheit und dem nur lokalen Auftreten.

Maßnahmen zur Vermeidung (nach S. Hasse, FT&E):

1. Chemische Zusammensetzung

  • Das Kohlenstoffäquivalent (CE = % C + 1/3 % Si) sollte bei dickwandigen Gussstücken < 4,1 % liegen,
  • Siliziumgehalte sollten möglichst verringert werden (2,0 bis max. 2,2 %); bei Anwesenheit von Nickel sind diese nochmals um 0,2 bis 0,4 % zu vermindern,
  • in Cer-freiem austenitischem Gusseisen mit Kugelgrafit kann Chunky-Grafit vermieden werden, wenn das Eisen folgender Bedingung entspricht:
    % C + 0,2 % Si + 0,06 % Ni < 4,4 %

2. Zugabe bestimmter Elemente

  • Bei reinen Einsatzstoffen ohne Cer (Ce-MM) arbeiten,
  • von den vielen Elementen, welche die Chunky-Grafitbildung unterdrücken (Pb, Cu, As, Te, Bi, Sb, Sn, B usw.) ist ohne Einschränkungen nur Antimon geeignet. Die mechanischen Eigenschaften, d. h. auch Gefügeänderungen werden, durch Antimonzugaben von 0,002 bis 0,005 % kaum beeinflusst.

3. Gelenkte Erstarrung ermöglichen

  • Kühlkokillen und/oder Formstoffe mit großem Wärmeentzugsvermögen (Zirkonsand oder Chromitsande als Anlegesande) verwenden.

4. Impfung

  • Sb- oder Bi-haltige einsetzen,
  • maximal 0,2 % Impfmittel zusetzen,
  • möglichst spät impfen (Formimpfung oder Gießstrahlimpfung), die mit steigender Wanddicke abnehmende Kugelzahl und die dabei auftretende Grafitentartung kann dadurch vermieden werden,
  • möglichst kalziumfreies Ferrosilizium verwenden.

 

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