Gusseisen ist die am weitesten verbreitete Gruppe von Gusseisenlegierungen (Fe). Genauer gesagt handelt es sich um Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %, wobei der Höchstgehalt zwischen 3,8 und 6,7 % liegt.
Wenn Sie mehr über Gusseisen, seine Eigenschaften und Anwendungsbereiche erfahren möchten, lesen Sie unseren Artikel Wodurch unterscheiden sich Gusseisen und Gussstahl?
Heute wollen wir uns mit einer besonderen Art von Gusseisen befassen, nämlich mit Sphäroguss (Gusseisen mit Kugelgraphit), der eine der größten Entdeckungen auf dem Gebiet des Kunststoffgusses darstellt.
Gusseisen ist ein Werkstoff, der aus Eisen und Kohlenstoff in Form von Graphit entsteht. Duktiles Gusseisen wiederum ist eine der Graugusssorten. Im Grauguss nimmt die Legierung die Form von sogenannten Lamellen an, aber dank der Einführung von Magnesium in die Gusseisenlegierung in der entsprechenden technologischen Phase nimmt der Graphit im duktilen Gusseisen eine kugelförmige Form an.
Diese Gusseisensorte ist seit den 1940er Jahren bekannt. Damals entdeckte man, dass durch die Zugabe einer geringen Menge von Magnesium in den Grauguss der Kohlenstoff sich nicht in Form von Flocken, sondern auch in Form von Graphitkugeln kristallisiert, was dem Gusseisen mit Kugelform hervorragende mechanische Eigenschaften verleiht. Obwohl dieser Gusswerkstoff anfangs nur gelegentlich verwendet wurde, revolutionierte er schließlich die Produktion und den Anwendungsumfang von Gusseisen. Heute beträgt sein Anteil an der Produktion aller Gussteile in Europa, den USA und Japan mindestens 30 %.
Aufgrund seiner Eigenschaften, die denen des grauen Gusseisens weit überlegen sind, ist es wichtig, zwischen ihnen zu unterscheiden - Sphäroguss als graues Gusseisen zu bezeichnen, ist ein Fehler.
Die chemische Zusammensetzung von duktilem Gusseisen unterscheidet sich von Grauguss vor allem durch einen höheren Kohlenstoff- und Siliziumgehalt und einen deutlich niedrigeren zulässigen Schwefelgehalt (<0,02%). Diese Zusammensetzung resultiert einerseits aus dem Bestreben, so genannte dunkle Flecken zu vermeiden, die durch das Ausblühen (Aufschwimmen) von Graphit entstehen, was durch den hohen Kohlenstoffgehalt begünstigt wird, andererseits wirkt sie einer übermäßigen Schrumpfung der Gussstücke entgegen. Unter Gießschwindung versteht man die Veränderung der Abmessungen des Werkstoffs während der Erstarrung und Abkühlung des Gussteils. In Verbindung mit ungleichmäßiger Abkühlung ist die Schrumpfung u. a. für die Bildung von Spannungen und Rissen im Gussteil verantwortlich.
Wenn das Schwindungsphänomen eine kritische Größe ist, sollte das Ziel sein, duktiles Gusseisen mit einer ferritischen Matrix unmittelbar nach dem Gießen (ohne Wärmebehandlung) zu erhalten.
“Odlewnictwo”, Wyd. Naukowo Techniczne
Die Menge an Mangan und Phosphor im Gussstück wird von der Sorte des duktilen Gusseisens und insbesondere von der Art der Metallmatrix abhängen. So sollte z. B. in Gusseisen mit ferritischer Matrix, das hervorragende duktile Eigenschaften aufweist, ihr Gehalt so gering wie möglich sein. Bei Gussstücken aus duktilem Eisen, für die eine hohe Festigkeit erforderlich ist, sollte der Mangangehalt wiederum entsprechend höher sein.
Auf diese Art und Weise lassen sich je nach chemischer Zusammensetzung verschiedene Gusseisensorten mit duktilem Charakter und unterschiedlichen Metallmatrixstrukturen herstellen. Man unterscheidet zwischen:
Innerhalb der Gruppe der duktilen Gusseisen gibt es 13 Sorten, die nach Zugfestigkeit und Dehnung klassifiziert sind.
Dazu gehören zum Beispiel:
Möchten Sie wissen, warum diese Eigenschaften wichtig sind? Dann lesen Sie den Artikel Wie soll man das Gussmaterial wählen?
Bei der Herstellung von Sphäroguss (duktilem Gusseisen) ist eine stärkere Kontrolle erforderlich als bei anderen Gusseisensorten. Neben der richtigen Zusammensetzung ist auch die Temperatur des flüssigen Gusseisens wichtig, die vor Beginn der Sphärolyse nicht unter 1400 °C liegen sollte. Dies ist wichtig, da es während des Sphäroderungsprozesses zu einer Wärmeabsorption kommt - die Zugabe von nur 1 % Magnesium senkt die Temperatur um 88˙C.
Nach der Sphäroidisierung wird die flüssige Legierung modifiziert, um die Graphit-"Kugeln" zu mahlen, damit sie die richtige Dichte haben, mit durchschnittlich 125 ➗ 175 Sphäroiden (Körnern) pro mm².
Gusseisen mit Kugelgraphit ist, je nach Spannungsbereichen, steif und elastisch. Sobald jedoch die Fließgrenze überschritten ist, wird es elastisch. Seine Härte und Kerbschlagzähigkeit sind dagegen über den gesamten Beanspruchungsbereich hoch. Darüber hinaus verfügt es über gute Gleiteigenschaften und ist beständig gegen hohe Belastungen, Druck und Abrieb.
Dank dessen, dass duktiles Gusseisen:
Duktiles Gusseisen kann dank seiner mechanischen Eigenschaften wechselnden Bedingungen gut standhalten, so dass die daraus hergestellten Gussteile einen hohen Sicherheitsfaktor aufweisen.
Aus diesem Grund werden z. B. Wasserrohre daraus hergestellt. Erstens sorgt die hohe mechanische Festigkeit der Materialien und Verbindungen dafür, dass Aushub und Bodenverdichtung für die Verfüllung weniger Aufmerksamkeit erfordern, ohne die Lebensdauer der Rohrleitung zu beeinträchtigen. Die Tatsache, dass duktiles Gusseisen dem Druck, der Belastung und der Destabilisierung des Bodens widersteht und unter statischen und dynamischen Kräften, die verformend auf die Rohre einwirken, gut funktioniert, macht es zu einem Material, das kostspielige Reparaturen, Ausfälle, Risse und Leckageverluste vermeidet.
Was sind die Vor- und Nachteile dieser Gusseisensorte? Wir haben sie in der nachstehenden Tabelle kurz zusammengefasst.
| Vorteile von duktilem Gusseisen | Nachteile von duktilem Gusseisen |
| sehr gute Festigkeitseigenschaften | geringe Wärmeleitfähigkeit |
| Ausgezeichnete Duktilität | relativ hohe Produktionskosten |
| Hohe Schlagzähigkeit | Anfälligkeit für Spannungen beim Gießen |
| Relativ hohe Ermüdungsfestigkeit | |
| Geringe Neigung zur Spannungskonzentration | |
| Abriebfestigkeit |
Was sind die Anwendungsgebiete von duktilem Gusseisen (Sphäroguss)? Aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften findet es in verschiedenen Bereichen Anwendung.
Das sind unter anderen:
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