Gusseisen ist eine wichtige Eisenlegierung und wird häufig im Ingenieurbau und in der Maschinenbauindustrie eingesetzt. Es handelt sich um eine eutektische Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von typischerweise über 2 %. Darüber hinaus enthält es Silizium (1 % – 3 %) sowie weitere Spuren- und Legierungselemente. Aufgrund unterschiedlicher Zusammensetzungen und Erstarrungsmethoden weist Gusseisen eine Vielzahl von Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften auf, wodurch es in verschiedene Klassifizierungen unterteilt wird.
I. Grundlegende Eigenschaften von Gusseisen
Im Vergleich zu StahlGusseisenhat einen höheren Kohlenstoff- und Siliziumgehalt, sodass seine Mikrostruktur eine häufigere Kohlenstoffphase aufweist, die hauptsächlich in Form von Graphit oder Carbiden vorliegt. Der Erstarrungsverlauf hängt hauptsächlich von der Legierungszusammensetzung, der Abkühlrate und der Schmelzbehandlungsmethode ab und kann zwei eutektische Strukturen bilden: die metastabile Austenit-Eisencarbid-Struktur (Fe₃C) oder die stabile Austenit-Graphit-Struktur.
Gusseisen zeichnet sich durch hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit und gute Gusseigenschaften aus, hat jedoch eine relativ geringe Zähigkeit, geringe Schlagzähigkeit, spröde Brucheigenschaften und keine Frühwarnfunktion. Graphit kann als natürlicher Defekt die Festigkeit des Materials schwächen, sorgt aber auch für gute Stoßdämpfung, Schmierfähigkeit und Bearbeitbarkeit.
II. Kohlenstoffäquivalent (CE) und Eigenschaften von Gusseisen
Um die Bestimmung des Einflusses der Legierungszusammensetzung auf die Mikrostruktur zu erleichtern, wird üblicherweise das Kohlenstoffäquivalent CE verwendet, um Folgendes darzustellen:
Grundformel
CE = %C + 1/3 × %Si
Bei der Betrachtung des Phosphorgehalts:
CE = %C + (%Si + %P)/3
Ein CE-Wert von ≈ 4,3 deutet auf eine eutektische Zusammensetzung der Legierung hin. Unterhalb dieses Wertes liegt eine untereutektische, darüber eine übereutektische Zusammensetzung vor. CE beeinflusst nicht nur die Strukturmorphologie während des Erstarrungsprozesses, sondern auch die Guss- und Betriebseigenschaften.
III. Hauptfaktoren, die die Mikrostruktur von Gusseisen beeinflussen
Die endgültige Mikrostruktur von Gusseisen wird von den folgenden vier Hauptfaktoren beeinflusst:
Chemische Zusammensetzung.
Abkühlrate.
Schmelzimpfungsbehandlung.
Anschließende Wärmebehandlung.
Darüber hinaus hat der Siliziumgehalt einen erheblichen Einfluss auf die kritische Temperatur von Eisen und fördert die Stabilität von Ferrit.
IV. Traditionelle und moderne Klassifizierung von Gusseisen
1. Klassifizierung nach Bruchfarbe (traditionell)
WeißGusseisen: Die eutektische Phase ist Fe₃C, die Bruchfläche ist weiß, hart und spröde und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf. Es wird häufig in Brechern, Pumpenlaufrädern usw. verwendet.
Grauguss: Die eutektische Phase besteht aus Graphitflocken, die Bruchfläche ist grau, das Material weist eine hohe Druckfestigkeit, gute Stoßdämpfung und hervorragende Bearbeitbarkeit auf. Es wird häufig in Motorblöcken, Bremsscheiben usw. verwendet.
2. Die vier Grundtypen der Neuzeit
Typ: Graphitmorphologie, Mikrostruktur, Leistungsmerkmale, Hauptanwendungen
Weißes Gusseisen ohne Graphit, mit Eisenkarbid und Perlit, ist extrem hart und spröde, verschleißfest und lässt sich nur schwer für Brecher, Mühlen und Pumpenteile verarbeiten.
Grauguss-Graphitplatten mit Ferrit/Perlit + Graphit haben eine gute Stoßdämpfung, sind verschleißfest und lassen sich leicht zu Zylinderblöcken, Schwungrädern und Werkzeugmaschinenbetten verarbeiten.
Sphäroguss, mit seiner sphärischen Graphitferrit- oder Perlitmatrix, zeichnet sich durch hohe Festigkeit, ausgezeichnete Duktilität und gute Dauerfestigkeit aus. Es wird in Kurbelwellen, Getrieben, Militär- und Eisenbahnkomponenten verwendet.
Temperguss, gehärteter Graphitferrit oder Perlit, weist eine Zähigkeit und Duktilität auf, die zwischen Grauguss und Sphäroguss liegt. Lenkungsteile, Getriebekomponenten, Strukturteile für Landmaschinen.
3. Andere Klassifizierungsmethoden
Klassifiziert nach der Graphitform:
FG: Lamellengraphit (Grauguss).
SG: Kugelgraphit (Sphäroguss).
CG: Vermiculargraphit (Gusseisen mit Vermiculargraphit).
TG: Temperguss (Temperguss).
Klassifiziert nach Organisationsmatrix:
Ferritischer Typ, Perlglanztyp, Austenittyp, Martensitischer Typ, Bainitischer Typ.
V. Spezielle Gusseisensorten
Neben den Grundtypen kann Gusseisen auch in verschiedene Sonderkategorien unterteilt werden, um den Anforderungen spezieller Arbeitsbedingungen gerecht zu werden:
Hartguss: Durch lokales schnelles Abkühlen entsteht eine weiße Gusseisenstruktur und die Oberfläche weist eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf.
Porphyr: Eine besondere Mikrostruktur, die im Mischgebiet von Grauguss und Weißguss entsteht.
Gusseisen mit Vermiculargraphit: Der Graphit liegt in vermicularer Form vor, vereint Festigkeit und Bearbeitbarkeit und wird häufig in hochfesten Bremssystemen verwendet.
Hochlegiertes Graphitgusseisen: Legierungselemente (wie Chrom und Nickel) werden hinzugefügt, um die Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern.
Spezialgusseisen: Mit einem Legierungsanteil von über 3 % verfügt es über hervorragende Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit.
VI. Fazit
Gusseisen ist ein weit verbreiteter Werkstoff und bietet aufgrund seiner komplexen Mikrostruktur und vielfältigen Klassifizierungsmethoden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Von traditionellem Grauguss und Weißguss über modernes Sphäroguss und Vermicularguss bis hin zu hochlegiertem Spezialguss: Die kontinuierliche Weiterentwicklung metallurgischer Prozesse führt zu höherer Leistung und größerer Anpassungsfähigkeit von Gusseisenwerkstoffen. Ein umfassendes Verständnis der Klassifizierungs- und Mikrostrukturentwicklungsgesetze von Gusseisen bildet die Grundlage für die Entwicklung und Anwendung von Gusseisenwerkstoffen.
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