Kantenhärte, Weißeinstrahlung

Bei allen grau erstarrenden Gusseisenlegierungen, also Gusseisen mit Lamellengrafit, Kugelgrafit oder Vermiculargrafit, unabhängig vom Formverfahren oder Gießverfahren, ist dieser Fehler beobachtet worden. Vor allem bei dünnen Wanddicken, an Kanten oder Ecken kann der Fehler auftreten.

Bereits im Bruchgefüge ist Kantenhärte bzw. Weißeinstrahlung mit freiem Auge sichtbar, am metallographischen Schliff sind dann ledeburitische Karbide deutlich erkennbar. Das Gefüge zeigt in diesen Bereichen Weißerstarrung bzw. Weißeinstrahlung, die dann in stärkeren Wanddickenbereichen wieder allmählich in normales graues Gefüge übergeht (Bilder 1 und 2). Diese weißerstarrten Bereiche zeichnen sich durch eine hohe Härte gegenüber dem Grundgefüge aus und sind demzufolge schlecht zu bearbeiten, wodurch das gesamte Gussteil Ausschuß werden kann.

Die weißerstarrten Bereiche, in deren Ergebnis sich das Eutektikum aus Austenit und Zementit gebildet hat, werden als Ledeburit bezeichnet. Bei realen Gussteilen geht der Bereich der Weißeinstrahlung, bevor die gewünschte Grauerstarrung vorliegt, in einen melierten Bereich über (Bilder 3 und 4). Hier ist das Gefüge teils weiß, nach dem metastabilen System, und teils grau, nach dem stabilen System erstarrt.

Aus dem Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm geht hervor, dass die eutektische Temperatur des stabilen Systems über der Temperatur des metastabilen Systems liegt. Wenn eine Gusseisenschmelze nun sehr schnell abkühlt (geringe Wanddicke, schnelle Wärmeableitung der Form z. B. bei Kokillenguss) oder ein schlechter Keimhaushalt der Schmelze vorliegt (z. B. durch zu hohe oder zu lange Überhitzung der Schmelze) kann es vorkommen, dass die Kristallisation erst bei starker Unterkühlung beginnt, d. h. unterhalb der Temperatur des metastabilen Systems. Durch die bei der eutektischen Reaktion freiwerdende Schmelzwärme kann die Temperatur wieder über die der metastabilen eutektischen Temperatur steigen, und die Erstarrung (Bild 5).

Die Weißerstarrung (Weißeinstrahlung) wird hier somit zu Beginn der eutektischen Erstarrung erzeugt, im Gegensatz zur Bildung von Korngrenzenkarbiden, hier erfolgt die Weißerstarrung und Karbidbildung beim Erstarrungsende (s. Carbide). Mit abnehmendem Sättigungsgrad (oder Kohlenstoffäquivalent) und zunehmender Abkühlungsgeschwindigkeit wächst die Neigung des Gusseisen zur Weißeinstrahlung (Kantenhärte). Daraus ergibt sich, dass der Sättigungsgrad des Gusseisens der Wanddicke des Gussstückes und dem Gießverfahren angepasst werden muss. So darf z. B. die Gusseisenmarke EN-GJL-300 nicht für Guss-Stücke mit Wanddicken unter 10 mm verwendet werden, wenn Kantenhärte oder Weißeinstrahlung vermieden werden soll.

Die Gefahr der Kantenhärte ist natürlich bei den Gießverfahren am größten, bei denen die Wärme durch die Form schnell abgeführt werden kann. Dies ist z. B. bei dem Kokillengießverfahren der Fall, bei dem metallische Dauerformen verwendet werden. Die hier infolge der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit sehr fein ausgebildeten Zementitbestandteile heben sich durch ihre scharfe Abgrenzung von dem umgebenden Gefüge deutlich ab.

Die Neigung zur Weißerstarrung und auch demzufolge zur Kantenhärte wird durch karbidstabilisierende Elemente wie Chrom, Titan, Vanadium usw. verstärkt.

Da die Abkühlungsbedingungen häufig von der Konstruktion und vom Formverfahren vorgegeben sind, ist die Ursache der Kantenhärte meistens in einem unzureichenden Keimhaushalt der Schmelze zu suchen. Vor allem bei dünnwandigen Gussteilen wirkt sich demzufolge eine fehlende oder mangelhaft durchgeführte Impfung äußerst negativ aus.

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

1. Einstellung einer der Wanddicke entsprechenden chemischen Zusammensetzung des Eisens (Sc, CE).

2. Gezielter Zusatz von Keim zur Grafitkristallisation, z. B. durch Zugabe von Silizium. Dadurch wird die Erstarrungstemperatur nach dem stabilen System begünstigt, weil die Gleichgewichtstemperatur des metastabilen Systems zu tieferen Temperaturen verschoben wird (s. Karbide).

3. Dieses unter 2. beschriebene Impfen der Schmelze ist möglichst spät durchzuführen, also kurz vor oder während des Gießens.

4. Vermeidung von karbidstabilisierenden Elementen in der Schmelze, also Überprüfung der Einsatzmaterialien, eventuell weniger Stahlschrott setzen (Kupolofen) oder im Elektroschmelzbetrieb besser Aufkohlen.

5. Vermeidung zu langer und zu hoher Überhitzung des flüssigen Eisens.

6. Gegebenenfalls Abkühlungsgeschwindigkeit verringern (Kokillen vorwärmen).

7. Bei Gusseisen mit Kugelgrafit mit möglichst geringen Magnesiumgehalten arbeiten.

8. Legierungselementegehalt verringern bzw. nur dann einsetzen, wenn solche Elemente zur Erzielung bestimmter Eigenschaften bzw. bestimmter Eigenschaftskombinationen unbedingt notwendig sind.

Weiterführende Literatur:
Gießkeilprobe

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