Niedrig legiertes Gusseisen mit Kugelgraphit

Die in Normen und Regelwerken festgeschriebenen mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit beruhen auf Werten, die an unlegierten (Ausnahme bilden dickwandige Teile aus GJS-700 und GJS-800, dessen perlitische Matrix nur mit Hilfe entsprechender Legierungselemente erreichbar ist) und nicht wärmebehandelten Eisen ermittelt werden. Daher ist nur wenig bekannt, dass sich durch Legieren, sei es im Gusszustand oder nach einer Wärmebehandlung, wesentlich günstigere Kombinationen von Festigkeit und Zähigkeit und vor allem sehr gute Werte für die 0,2%-Dehngrenze erzielen lassen. Dabei braucht die Zähigkeit solcher Gusseisen im perlitischen Zustand nicht vermindert zu werden, während legierte ferritische Eisen mit optimierten Zusammensetzungen sehr gute Werte der Kerbschlagzähigkeit aufweisen können. Durch Zusatz von Legierungselementen, d. h. durch gewünschte Beeinflussung der Grundmasse und ihrer Härte, kann also die Eignung des Gusseisens für bestimmte Anwendungen verbessert werden. Voraussetzung dabei ist, dass die Nodularität des Graphits, die Kugelzahl und der Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen den Anforderungen entsprechen.

Legierungselemente können die Neigung zur Weißerstarrung und Karbidbildung wesentlich beeinflussen. Als erstes sei erwähnt, dass die meisten Legierungselemente die eutektische Temperatur des stabilen Systems Eisen-Graphit verschieben, somit eine Änderung im Kohlenstoffäquivalent herbeiführen, und damit einen direkten Einfluss auf die Weißerstarrung nehmen. Hinzu kommt, dass Legierungselemente die Gleichgewichts-Solidustemperaturen für das Eisen-Graphit-Eutektikum (stabiles System) und für das Eisen-Carbid-Eutektikum (metastabiles System) nach Bild 1 verändern.

Da die Legierungselemente beide eutektische Temperaturen beeinflussen, wirken sie sich praktisch auf die Breite des Intervalls zwischen diesen zwei eutektischen Temperaturen und folglich auf die Höhe der Unterkühlung, die zur Vermeidung von Weißerstarrung noch zulässig ist, aus. Dieser Legierungseffekt ist hinsichtlich der Weißerstarrung gleich oder größer als jener auf das Kohlenstoffäquivalent.

Die Wirkung von Legierungselementen auf die Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit beruht auf ihrem Einfluss auf das Ferrit-Perlit-Verhältnis in der Grundmasse und ihrem Einfluss auf die Verfestigung von Ferrit und Perlit. Legierungselemente steigern sowohl die Festigkeit des Ferrits, vor allem durch Mischkristallverfestigung, als auch die Härte von Perlit durch Verringerung des Lamellenabstandes zwischen Zementit und Ferrit. Das Ferrit-Perlit-Verhältnis beeinflussen sie über mehrere Mechanismen, darunter durch den Einfluss auf die eutektoide Umwandlungstemperatur und Kinetik der Umwandlung.

Das Ausmaß der durch Legierungselemente erreichten Verfestigung hängt von der Ausbildung der Grundmasse ab. Dies beruht darauf, dass in Ferrit und Perlit unterschiedliche Verfestigungsmechanismen wirken. In Eisen mit Grundmassen aus Ferrit und Perlit hängt das Ausmaß der Verfestigung vom Ferrit-Perlit-Verhältnis ab. Wenn z. B. einem perlitischen Gusseisen Silizium zugesetzt wird, kommt es zu einem Abfall der Festigkeit, da Silizium den Ferritgehalt der Grundmasse erhöht. In einem ferritischen Gusseisen wird dagegen die Festigkeit aufgrund der Mischkristallverfestigung des Ferrits erhöht.

Eine erhebliche Festigkeitssteigerung kann man beim ferritischen Eisen durch Zusatz von Kupfer und Mangan erhalten, da beide zusätzlich zu ihrer Mischkristallverfestigung von Ferrit und Perlit den Perlitgehalt der Grundmasse erhöhen.

In Gusseisen dagegen, die bereits eine weitgehend perlitische Grundmasse besitzen, führen steigende Mangan- und Kupfergehalte durch die Verfestigung des Perlits ebenfalls zu einer Festigkeitssteigerung, aber der Anstieg ist flacher als in Eisen mit perlitisch-ferritischem Gefüge. Wenn man daher die Festigkeit gegen den Gehalt an Legierungselementen aufträgt, kann man zwei Bereiche erkennen: einen Bereich, in dem die Festigkeit mit dem Legierungsgehalt steil ansteigt und einen zweiten mit flacherem Anstieg (Bild 2). Der Übergang vom ersten in den zweiten Bereich liegt beim Übergang zu einer vollperlitischen Grundmasse.

Weiterführende Stichworte:
Ferrit
Perlit
Zementit
Gefüge
Gefügegrundmasse
Gefügeausbildung von Gusseisen
Metallische Grundmasse von Gusseisen
Maurer-Diagramm

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