Gusseisen mit Lamellengrafit

Ein in der europäischen Norm DIN EN 1561 genormter Werkstoff, bei dem der Hauptanteil des Kohlenstoffs im Gusszustand überwiegend in Form von lamellarem Grafit vorliegt (s. Lamellengrafit, Bild 1).

Die Norm unterscheidet, ob die maßgeblichen Eigenschaften für die Abnahme eines Gussstückes die Zugfestigkeit oder die Brinellhärte sind. Die Festlegung der kennzeichnenden Eigenschaft muss in der Gussstückbestellung angegeben sein. Die einzuhaltenden Zugfestigkeits- oder Brinellhärtewerte sind nach den Gussstückwanddicken gestaffelt. Dickwandige Gussstücke haben eine geringere Festigkeit und Härte als aus der gleichen Schmelze hergestellte Teile mit dünneren Wanddicken. Diese Tatsache ist bei GJL durch den Einfluss der Abkühlungsgeschwindigkeit auf die Grafitkristallisation besonders ausgeprägt (Bild 2).

Bei GJL kann die Brinellhärte nicht ohne weiters in die Zugfestigkeit umgerechnet werden, wie es bei Stahlguss möglich ist. Bei GJL ist die Proportionalität zwischen Rm und HB nur abschnittsweise linear (Bild 3). Die gelegentlich verwendete Formel (Glg. 1) nach W. Patterson und R. Döpp ist jedoch hinreichend genau und lautet

Glg. 1:R_m = 2,33 cdot HB - 234 lbrack MPa brack

Das Verhältnis von Zugfestigkeit und Härte wird durch eine Impfbehandlung (Impfen) stark beeinflusst (Bild 4). Dabei wird im Bereich niedriger Sättigungsgrade, also höherer Festigkeit, das Verhältnis Rm/HB (siehe Zugfestigkeit/Härte-Quotient) zu höheren Werten verschoben, d. h. bei gleicher Festigkeit wird eine niedrigere Härte erhalten, was wiederum die Bearbeitbarkeit verbessert. Gleichzeitig wird die Gefahr der Kantenhärte (Weißeinstrahlung) in dünnen Wanddicken verringert.

Hohe Festigkeit im Gusseisen mit Lamellengrafit wird in erster Linie durch hohen Anteil an Primäraustenit bei der Erstarrung erzielt. Dies ist der Hauptgrund für den Festigkeitsanstieg mit abnehmendem Sättigungsgrad bzw. Kohlenstoffäquivalent. Es bedeutet praktisch die Einstellung eines niedrigeren Kohlenstoffgehaltes, doch sind damit auch relativ schlechtere Gießeigenschaften verbunden; außerdem können harte Stellen (Karbid) im Gefüge entstehen, die die Bearbeitung stören.

Gusseisen mit Lamellengrafit wir vorwiegend mit perlitischem Grundgefüge hergestellt, wobei sich die Sorteneinteilung primär durch die Grafitmenge und Grafitform und damit letztlich durch den Kohlenstoffgehalt ergibt. Je höher der Kohlenstoffgehalt desto größer ist der Grafitgehalt im Gusseisen und umso niedriger sind die Festigkeiten.

Festigkeitsverbesserungen lassen sich durch Verminderung des Anteils an eutektischem Grafit erreichen, also durch Senkung des Sättigungsgrades, was ja auch den Anteil an Primäraustenit erhöht. Da die lamellenförmigen Grafitteilchen aber auch spannungserhöhend wirken, ist es zweckmäßig, sie möglichst klein zu halten, d. h. die eutektische Kornzahl zu erhöhen, wodurch sich eine Steigerung der Festigkeit ergibt.

Beim Abkühlen aus dem schmelzflüssigen Zustand scheidet sich entsprechend des Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubildes (Bild 5) an der Linie BC Austenit und entsprechend CD Grafit oder Eisenkarbid (Fe3C, Zementit) aus. Diese Primärkristallisation endet bei Erreichen der eutektischen Temperatur ECF, wobei die Zusammensetzung der Restschmelze derjenigen des Eutektikums C entspricht. Die darauf folgende eutektische Erstarrung erfolgt entweder stabil in Austenit und Grafit oder metastabil in Austenit und Eisenkarbid. Ledeburit nennt man dabei das metastabile Eutektikum. Im weiteren Verlauf der Abkühlung scheidet sich aus dem Austenit entlang der Linie ES Kohlenstoff aus, der an den bereits vorhandenen Grafit ankristallisiert. Bei Erreichen der eutektoiden Temperatur PSK zerfällt der Austenit in Grafit und Ferrit (stabil) oder metastabil in Ferrit und Eisenkarbid. Das metastabile Eutektoid wird Perlit genannt. Diese Umwandlungsvorgänge während der Erstarrung und weiteren Abkühlung sind entscheidend für die Endfestigkeiten im Gussstück.

Da höchste Festigkeit nur mit vollperlitischem Gefüge erreichbar ist, kommt es auf eine gezielte treffsichere Perlitbildung an. Es muss also bei Erreichen der A1-Temperatur noch genügend Restaustenit vorhanden sein, der in Perlit umwandelt.

Das Verbleiben von Restaustenit wird weitgehend vom Kohlenstoffgehalt des Austenits bestimmt. Jede Maßnahme, welche die Kohlenstoffdiffusion (Grafitisierung) vom Austenit zum Grafit hemmt, erhöht die Bereitschaft zum Verbleiben von Restaustenit. Nützlich für die Erzielung eines perlitischen Gefüges sind daher grob verteilter Grafit (A-Grafit) und rasche Abkühlung, damit kein freier Ferrit gebildet wird (Bild 6).

Ein geringer Zusatz bestimmter Legierungselemente fördert die Umwandlung in Perlit dadurch, dass sie im ZTU-Diagramm das Feld der Perlit- und Ferritumwandlung zu längeren Zeiten und tieferen Temperaturen verschieben (Bild 7). Ein bei niedrigerer Temperatur gebildeter Perlit ist feiner und daher auch fester, härter, und verschleißbeständiger. Dieser Effekt der Perlitfeinung ist somit für die Festigkeitssteigerung nützlich, kann aber auch durch Heißausleeren und beschleunigte Abkühlung erreicht werden. Gängige Legierungselemente sind Kupfer, Chrom, Molybdän, Zinn und Nickel sowie Kombinationen davon. Generelle wird der Sättigungsgrad naheutektisch (Sc = 0,85 bis 0,95) eingestellt.

Weiterführende Stichworte:
Metallische Grundmasse von Gusseisen
Gefügeausbildung von Gusseisen
Gusseisen mit Kugelgrafit
Gusseisen mit Vermiculargrafit
Austenitisches Gusseisen, Bainitisches Gusseisen, Karbidisches Gusseisen, Eutektisches Gusseisen, ferritisches Gusseisen, Synthetisches Gusseisen




Zurück zur Übersicht