Was ist duktiles Eisen?
Sphäroguss, auch bekannt als Gusseisen mit Kugelgraphit oder Sphäroguss, ist eine Gusseisenlegierung, die für ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt ist. Sein Hauptvorteil liegt in seiner einzigartigen Kugelgraphit Mikrostruktur.
Die Zusammensetzung von duktilem Eisen ist präzise und komplex:
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Kohlenstoff (C): 3.0% – 4.0%
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Silizium (Si): 1.8% – 2.8%
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Mangan (Mn): 0.1% – 0.5%
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Schwefel (S): < 0,02%
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Phosphor (P): < 0,08%
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Magnesium (Mg): 0.03% – 0.06%
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Elemente der Seltenen Erden (RE): 0.01% – 0.05%
Im Gegensatz zu dem schuppenförmigen Graphit in herkömmlichem Grauguss liegt der Graphit in duktilem Gusseisen in einer knotige Form. Diese grundlegende Veränderung der Mikrostruktur verbessert die Eigenschaften des Materials drastisch und macht es herkömmlichen Gusseisen weit überlegen.
Ursprung von duktilem Eisen
Sphäroguss ist kein Material, das zufällig entdeckt wurde. Es ist eine bahnbrechende moderne Erfindung, die in den späten 1940s.
Vor seiner Erfindung war Gusseisen bekanntermaßen spröde. Das lag daran, dass sich der Graphit im Inneren des Gusseisens zu scharfen Flocken formte, die Schwachstellen bildeten und das Material anfällig für Brüche machten.
Der eigentliche Durchbruch erfolgte in 1943 wenn Dr. H. Morrogh der British Cast Iron Research Association entdeckte, dass die Zugabe von Cerium zu geschmolzenem Eisen könnte die Form des Graphits verändern. Fast zur gleichen Zeit, Keith Millis der U.S. International Nickel Company entdeckten unabhängig voneinander einen ähnlichen Effekt durch die Verwendung von Magnesium.
Es war die unermüdliche Arbeit dieser Wissenschaftler, die zur Geburt des Sphärogusses führte. Die Innovation veränderte die Eigenschaften des Materials vollständig, indem sie den inneren Graphit in starke, zähe Kugeln statt in spröde Flocken verwandelte. Dies verlieh dem Sphäroguss die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl und ermöglichte seine breite Verwendung in der modernen Industrie.
Die Mikrostruktur von duktilem Eisen
Die Leistungsfähigkeit von duktilem Gusseisen wird durch sein einzigartiges Gefüge bestimmt, das sich zusammensetzt aus Kugelgraphit in einer metallischen Matrix dispergiert. Diese Metallmatrix ist eine kristalline Struktur, die sich bei verschiedenen Temperaturen aus Eisen und Karbiden bildet und deren Art direkt die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Materials bestimmt.
Hier sind die wichtigsten Arten von Matrizen:
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Ferritische Matrix:
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Was es ist: Eine weiche und duktile kristalline Struktur aus reinem Eisen mit einem geringen Anteil an gelöstem Kohlenstoff.
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Eigenschaften: Bietet hohe Duktilität und ausgezeichnete Zähigkeit, aber eine relativ geringe Festigkeit.
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Anwendungen: Wird häufig für Bauteile verwendet, die eine hohe Schlagfestigkeit und Plastizität erfordern.
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Perlitische Matrix:
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Was es ist: Eine geschichtete kristalline Struktur aus Ferrit und Eisenkarbid (Zementit).
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Eigenschaften: Zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit aus, ist aber weniger dehnbar als eine ferritische Matrix.
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Anwendungen: Ideal für die Herstellung von Bauteilen, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Verschleißfestigkeit erfordern, wie z. B. Kurbelwellen und Zahnräder.
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Ferritisch-perlitische Matrix (gemischte Matrix):
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Was es ist: Eine Mischung aus Ferrit und Perlit.
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Eigenschaften: Bietet eine ausgewogene Kombination aus Stärke und Zähigkeit.
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Anwendungen: Der gebräuchlichste Matrizentyp, geeignet für eine breite Palette von allgemeinen technischen Teilen.
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Austenitische Matrix:
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Was es ist: Eine feste Lösung von Kohlenstoff in Eisen, die sich bei höheren Temperaturen bildet.
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Eigenschaften: Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und hohe Zähigkeit.
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Anwendungen: Wird in speziellen Umgebungen für Anwendungen wie hitzebeständige Ventile und Pumpengehäuse verwendet.
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Die perfekte Kombination aus Kugelgraphit und einer geeigneten Metallmatrix verleiht dem Gusseisen mit Kugelgraphit sowohl die hervorragende Gießbarkeit von Eisen als auch die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Stahl.
Vorteile von duktilem Eisen
Sphäroguss ist ein revolutionärer Werkstoff, der die besten Eigenschaften von traditionellem Gusseisen und Stahl in sich vereint.
- Überlegene Stärke und Zähigkeit: Die kugelförmige Graphitstruktur verleiht dem Sphäroguss eine sehr hohe Zugfestigkeit und eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit.
- Außergewöhnliche Dehnbarkeit: Im Gegensatz zu sprödem Gusseisen kann es sich ähnlich wie Stahl plastisch verformen, bevor es bricht, was für die Sicherheit und Haltbarkeit entscheidend ist.
- Ausgezeichnete Gießbarkeit: Es zeichnet sich durch hohe Fließfähigkeit und geringe Schrumpfung aus und ermöglicht die präzise Fertigung komplexer, komplizierter Teile.
- Langlebige Haltbarkeit: Durch die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Gusseisen wird sichergestellt, dass die Produkte in rauen Umgebungen lange Zeit zuverlässig funktionieren.
Leistung von duktilem Eisen
Die spezifische Leistung von duktilem Gusseisen wird definiert durch seine Klassedie unmittelbar seine wichtigsten mechanischen Eigenschaften widerspiegelt.
- Zugfestigkeit: Dieses Material bietet eine große Bandbreite an Zugfestigkeit, typischerweise von 400 MPa bis über 900 MPa.
- Beispiel: Die QT500-7 Sorte hat eine Zugfestigkeit von über 500 MPadie um ein Vielfaches höher ist als die von gewöhnlichem Grauguss.
- Dehnung: Diese Kennzahl misst die Duktilität des Materials und kann reichen von 2% bis über 25%.
- Beispiel: Die QT400-18 Sorte hat eine beeindruckende Dehnung von 18%, während die hochfesten QT800-2 Sorte hat eine geringere Dehnung von etwa 2%.
- Streckgrenze: Sie gibt die Spannung an, die ein Material aushalten kann, bevor es sich dauerhaft verformt.
- Beispiel: Die QT500-7 hat eine Streckgrenze von etwa 320 MPaDadurch wird seine Zuverlässigkeit unter Last gewährleistet.
Sphäroguss-Sorten
Die Güteklassen von duktilem Gusseisen sind der direkteste Weg, um seine Leistungsfähigkeit zu messen, wobei jede Güteklasse ein bestimmtes Niveau mechanischer Eigenschaften darstellt. Die folgende Tabelle enthält einen Vergleich der gängigen Güten.
Quelle: ISO 1083 Internationale Norm
Woraus besteht duktiles Eisen?
Sphäroguss wird durch ein Verfahren hergestellt, das Sphäroidisierungsbehandlung. Dabei wird eine kleine Menge eines Sphäroidisierungsmittel (wie Magnesium oder Seltene Erden) in das geschmolzene Eisen. Durch diese chemische Reaktion wird der Kohlenstoff gezwungen, während der Erstarrung als kugelförmiger Graphit zu kristallisieren, was der entscheidende Schritt zur Erzielung seiner einzigartigen Eigenschaften ist.
Was sind die Verwendungszwecke von duktilem Eisen?
Sphäroguss ist ein vielseitiger Werkstoff, der in verschiedenen Branchen eingesetzt wird:
- Automobilindustrie: Kurbelwellen, Pleuelstangen, Zylinderblöcke und Differentialgehäuse.
- Maschinenbau: Ventile, Pumpengehäuse, Zahnräder und Lagergehäuse.
- Landwirtschaftliche Maschinen: Traktorteile und andere landwirtschaftliche Geräte.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen duktilem und Gusseisen?
Der Hauptunterschied zwischen duktilem und konventionellem Gusseisen (Grauguss) ist die Mikrostruktur. Der Kugelgraphit des duktilen Eisens macht es fest und dehnbar, während der Lamellengraphit des Graugusses es spröde und spannungsarm macht. Für einen genaueren Vergleich dieser beiden Materialien, Lesen Sie hier unseren vollständigen Artikel.
Sphäroguss vs. Stahl
Während einige Stähle stärker sind, bietet duktiles Gusseisen eine überlegene Kombination aus Festigkeit, Gießbarkeit und geringeren Kosten, was es in vielen Anwendungen zu einer brauchbaren Alternative zu Stahlguss und Schmiedeteilen macht.
Was sind duktile Gussrohre?
Duktile Gussrohre (DI-Rohre oder DICL-Rohre) sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eine führende Anwendung für dieses Material. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit werden duktile Gussrohre häufig für Wasser-, Erdgas- und Abwasserleitungen verwendet.
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Wir hoffen, dieser Artikel hat Ihnen geholfen, duktiles Eisen besser zu verstehen.
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