Gusseisen mit Vermiculargrafit

Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoff, dessen als Grafit vorliegender Kohlenstoffanteil vorwiegend in vermicularer (kompakter) Form vorliegt. Aus dieser Erscheinungsform im Schliffbild leitet sich die Bezeichnung Gusseisen mit Vermiculargrafit ab.

Das Grundgefüge kann sich ferritisch, perlitisch/ferritisch und überwiegend perlitisch ausbilden. Die Einteilung der Werkstoffsorten erfolgt nach der Zugfestigkeit. Gusseisen mit Vermiculargrafit ist in der DIN EN 1560 standardisiert und ordnet sich hinsichtlich seiner mechanischen und physikalischen Eigenschaften zwischen Gusseisen mit Lamellengrafit und Gusseisen mit Kugelgrafit ein. Anhaltswerte über wichtige Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Bei gleicher metallischer Grundmasse hängen die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, E- Modul, Dauerfestigkeit, Bruchdehnung) von der Grafitform den Spannungskonzentrationen ab, die bei Belastung an den Grafiteinschlüssen entstehen. Diese Konzentrationen sind am größten bei den spitz zulaufenden Grafitlamellen (GJL), am niedrigsten bei Grafitkugeln (GJS) und in einer mittleren Lage beim Gusseisen mit Vermiculargrafit (GJV).So hat beispielsweise bei eutektischer Zusammensetzung (rund 3,6 % C und 2,1 % Si) und perlitischer Grundmasse GJL eine Zugfestigkeit um 200 MPa ‚ GJV um 500 MPa und GJS um 700 MPa.Beim GJV wird eine eutektische Zusammensetzung angestrebt, wie sie etwa beim GJL-150 bis 200 üblich ist, der Eigenschaftsvergleich erfolgt aber normalerweise mit dem unter- bis naheutektisch zusammengesetzten GJL-250; mit einem Werkstoff also, der durch GJV beispielsweise beim Kurbelgehäuse zu substituieren ist. Einen Eigenschaftsvergleich auf dieser Basis zeigt Tabelle 2.

Ähnlich wie beim Gusseisen mit Kugelgrafit werden aber auch die Eigenschaften des GJV stark durch das Ferrit/Perlitverhältnis im Grundgefüge bestimmt.

Gusseisen mit Vermiculargrafit zeichnet sich gegenüber Gusseisen mit Lamellengrafit durch folgende Eigenschaften aus:

- höhere Festigkeit und Bruchdehnung
- höhere Bruchzähigkeit
- geringere Wanddickenabhängigkeit der Eigenschaften

Gegenüber Gusseisen mit Kugelgrafit bietet Gusseisen mit Vermiculargrafit folgende Vorteile:

- niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient
- höhere Wärmeleitfähigkeit
- niedrigerer E-Modul
- geringeres thermisch induziertes Eigenspannungsniveau
- bessere Temperaturwechselbeständigkeit und geringere Verzugsneigung aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften
- besseres Dämpfungsvermögen
- bessere gießtechnische Eigenschaften (geringere Lunkerneigung, besseres Formfüllungs- und Fließvermögen)

Demzufolge eignet sich der Werkstoff vor allem für Komponenten, die sowohl thermischen als auch mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierzu gehören beispielsweise Zylinderköpfe, Auspuffkrümmer, Bremsenteile und Laufbüchsen. Neben Kupplungsgehäusen für PKW werden Zylinderkurbelgehäuse für Nutzfahrzeuge und auch für PKW in immer größeren Umfang aus Gusseisen mit Vermiculargrafit gefertigt.

Der ehemals „unsichere“ Werkstoff kann heute durch eine treffsichere Herstellung mit hoher Zuverlässigkeit produziert werden, wobei allerdings dem metallurgischen Zustand des Basiseisens eine bedeutende Rolle zukommt.

Es gibt zwei prinzipielle Wege, um Gusseisen mit Vermiculargrafit herzustellen:


- Schmelzebehandlung durch Zusatz geringer Mengen kugelgrafitfördernder Elemente
- Schmelzebehandlung durch gemeinsamen Zusatz von kugelgrafitfördernden Elementen und kugelgrafitstörenden Elementen

Für eine treffsichere Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargrafit haben sich im Wesentlichen vier Verfahren herausgebildet:

1. Behandlung des flüssigen Eisens mit Legierungen, die sowohl kugelgrafitfördernde Elemente (Magnesium, seltene Erden) als auch kugelgrafitstörende Elementen (Titan, Aluminium) enthalten.

2. Behandlung des flüssigen Eisens mit seltenen Erden.

3. Gezielte Unterbehandlung von Gusseisenschmelze mit Magnesium oder magnesiumhaltigen Vorlegierungen.

4. Ausgewogene Behandlung von gewöhnlichen, hochschwefelhaltigen Gusseisenschmelze mit Magnesium und seltenen Erden bzw. einen Schwefelzusatz nach der Behandlung.

Jedes von diesen vier Verfahren hat seine Besonderheiten mit gewissen Vor- und Nachteilen. Ein Nachteil für die magnesiumhaltigen Verfahren ist, dass beim magnesiumbehandelten Gusseisen mit Vermiculargrafit die Gefahr der verstärkten Kugelgrafitbildung höher ist als bei Gusseisen mit Vermiculargrafit, das mit Cer-Mischmetall allein hergestellt wurde, weil Magnesium der stärkere Kugelbildner ist. Darüber hinaus ist die Behandlung mit Magnesium auch mit einem starken Pyroeffekt mit Rauchentwicklung verbunden. Als Vorteil wird die angeblich etwas geringere Neigung zur Weißerstarrung, die bessere Auflösung in der Schmelze und das schnellere Aufsteigen der Behandlungsrückstände (Oxide und Sulfide) gegenüber dem Cer-Verfahren angegeben.

Sind Magnesium und Cer gleichzeitig vorhanden, so wirkt zunächst Cer entschwefelnd, da es gegenüber MgS das thermodynamisch stabilere Sulfid CeS bildet. Erst nach vollständigem Cer-Verbrauch wird Magnesium zur Schwefelabbildung beansprucht. Durch die gleichzeitige Anwesenheit von Kalzium können kleinere Schwankungen im Schwefelgehalt aufgefangen werden, weil Kalzium nach Cer und noch vor Magnesium als Sulfidbildner wirksam wird.

Dem heutigen Stand der Technik entsprechend wird bei der Herstellung von GJV in aller Regel eine Mg-Unterbehandlung durchgeführt und sofort anschließend die Schmelze mittels Thermonalyse kontrolliert. Eine anschließende Mg-Feinkorrektur, meistens mit Mg-Draht sowie eine Impfung stellt die treffsichere Vermicularausbildung des Grafits sicher. Durch die gezielte Unterbehandlung einer schwefelarmen Schmelze mit Magnesium erhält man außerdem einen Werkstoff mit den am wenigsten störenden Einschlüssen. Das so genannte Prozessfenster in Bild 1 in dem der gewünschte exakte Vermiculargrafit vorliegt ist sehr eng, deshalb muss bei der Herstellung besondere Sorgfalt an den Tag gelegt werden. Führende Anbieter von treffsicheren Methoden zur Herstellung von GJC sind heute die Firmen OCC GmbH, NovaCast und SinterCast S.A.

Wie in den Bildern 2 bis 4 zu erkennen ist, besteht die Grafitphase bei Gusseisen mit Vermiculargrafit aus einzelnen wurmähnlichen oder vermicularen Teilchen. Diese Grafitteilchen sind wie bei Gusseisen mit Lamellengrafit länglich und unregelmäßig orientiert, sind aber kürzer und dicker und haben gerundete Enden (s. Vermiculargraphit).

Im Gefüge von Gusseisen mit Vermiculargrafit tritt unvermeidlich etwas Kugelgrafit auf. Mit steigendem Anteil an Kugelgrafit nehmen Festigkeit und Steifigkeit zu, was aber mit einem Verlust an Gießeigenschaften, Bearbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit verbunden ist. Die Spezifikationen für das Gefüge müssen daher sowohl an die Herstellungsbedingungen als auch an die Einsatzverhältnisse des Bauteils angepasst werden.

Gusseisen mit Vermiculargrafit kann mit unterschiedlichen Perlitgehalten erzeugt werden, um an die jeweilige Anwendung angepasst zu werden. Abgaskrümmer erfordern mehr als 95 % Ferrit, um ein Wachsen bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden (Bild 5). Demgegenüber werden Zylinderblöcke und -köpfe in der Regel mit einer vorwiegend perlitischen Grundmasse hergestellt, um höchste Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen und zugleich die Bearbeitung über eine gleichmäßige Gefügeausbildung zu erleichtern (Bild 6). Gusseisen mit Vermiculargrafit kann auch mit einer gemischten ferritisch-perlitischen Grundmasse vorgeschrieben werden. Im Bereich von 60 bis 80 % Perlit hat Gusseisen mit Vermiculargrafit mit 190 bis 225 HB etwa die gleiche Härte wie übliches vollständig perlitisches Gusseisen mit Lamellengrafit (siehe Tabelle 1).

Weiterführende Stichworte:

Metallische Grundmasse von Gusseisen
Gefügeausbildung von Gusseisen

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