Gusseisen ist eine Legierung auf Eisenbasis, die etwa 2 bis 4 Prozent Kohlenstoff sowie Silizium, Mangan und geringe Mengen an Schwefel und Phosphor enthält. Dieser Kohlenstoffgehalt ist das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen Gusseisen und Stahl. Eine Eisenlegierung muss mehr als 2 Prozent Kohlenstoff enthalten, bevor sie als Gusseisen klassifiziert werden kann; zum Vergleich: Stahlguss enthält typischerweise 0,1 bis 0,5 Prozent Kohlenstoff.
Der Name kann irreführend sein. Da der Begriff „Eisen“ im Namen vorkommt, wird manchmal angenommen, dass Gusseisen fast reines Eisen sei. Tatsächlich enthalten Kohlenstoffstähle einen höheren Eisenanteil als die meisten Gusseisen. Gusseisen ist kein einzelnes Metall, sondern eine Familie von Legierungen, und die Unterschiede zwischen den einzelnen Mitgliedern dieser Familie sind größer, als der gemeinsame Name vermuten lässt. Diese Familie blickt auf eine lange Geschichte zurück: Bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. stellten chinesische Gießereien Gusseisen her, und auch heute noch findet es in der Industrie breite Anwendung.
Woraus besteht Gusseisen?
Gusseisen ist eine Legierung, bei der Eisen das Grundmetall und Kohlenstoff das bestimmende Element ist. Der Kohlenstoffgehalt liegt in der Regel zwischen 2 und 4 Prozent, wobei Silizium und Mangan in geringeren Mengen beigemischt werden und der Schwefel- und Phosphorgehalt niedrig gehalten wird. Diese Elemente werden gezielt beigemischt, um das Verhalten des Metalls zu verändern und bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Gusseisensorten.
In der Praxis kommt es auf die Form des Kohlenstoffs an. Graphit macht das Metall weicher und leichter zu bearbeiten, während Eisenkarbid es härter und spröder macht. Silizium fördert die Graphitbildung während des Abkühlens, weshalb es gemeinsam mit Kohlenstoff reguliert wird.
| Element | Übliche Menge | Rolle |
|---|---|---|
| Eisen (Fe) | Bilanz | Unedles Metall; sorgt für Festigkeit und magnetische Eigenschaften |
| Kohlenstoff (C) | 2–4% | Es bildet Graphit (weicher, besser bearbeitbar) oder Eisenkarbid (härter, spröder) |
| Silizium (Si) | 1–3% | Fördert die Graphitbildung während der Erstarrung |
| Mangan (Mn) | 0,5–11 TP3T | Gleicht die schwächende Wirkung von Schwefel aus |
| Schwefel (S) | Bis zu etwa 0,081 TP3T | Auf einem niedrigen Niveau gehalten; ein zu hoher Schwefelgehalt erhöht die Sprödigkeit |
| Phosphor (P) | Bis zu etwa 1% | Erhöht die Fließfähigkeit und die Steifigkeit |
Die Zusammensetzung bestimmt die Struktur, und die Struktur bestimmt die Eigenschaften des fertigen Bauteils. Zwei Gussteile, die beide als „Gusseisen“ bezeichnet werden, können sich sehr unterschiedlich verhalten, wenn sich ihre Zusammensetzung oder ihre Abkühlung unterscheidet.
Wie wird Gusseisen hergestellt?
Der Name leitet sich vom Herstellungsprozess ab. Eisenerz wird in einem Hochofen zu geschmolzenem Eisen reduziert, das zu Rohblöcken gegossen wird, die früher als „Pigs“ bezeichnet wurden. Die Rohblöcke werden zusammen mit Stahlschrott und Legierungselementen in einem Kupolofen umgeschmolzen, die Zusammensetzung wird so angepasst, dass die angestrebte Qualität erreicht wird, und die vorbereitete Schmelze wird in eine Form gegossen.
Geschmolzenes Gusseisen fließt besser als Stahl und schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur. Beide Eigenschaften machen es für den Guss geeignet: Komplexe Formhohlräume lassen sich leichter füllen, und der Energieaufwand für das Schmelzen bleibt überschaubar.
Das Erstarren ist noch nicht das Ende. Nach dem Abkühlen des Gussteils werden Anguss, Steigkanäle und Grat entfernt, und je nach Werkstoffsorte und Zeichnung können anschließend eine Wärmebehandlung, eine maschinelle Bearbeitung, eine Oberflächenbearbeitung oder eine Prüfung erfolgen. Die Form verleiht dem Bauteil seine Gestalt; die nachfolgenden Arbeitsschritte bestimmen seine endgültigen Eigenschaften.
Arten von Gusseisen
Gusseisen wird anhand der Form seines Kohlenstoffs klassifiziert. Dieses einzige strukturelle Merkmal bestimmt die Bearbeitbarkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Dämpfungseigenschaften; daher sollte die Art ermittelt werden, bevor eine Güteklasse ausgewählt wird.
Graues Eisen
Graues Eisen enthält Graphit in Form von Flocken. Wenn ein Graugussbruch auftritt, verläuft der Riss entlang der Flocken, und die Bruchfläche erscheint grau, worauf der Name zurückzuführen ist. Durch die Flockenstruktur lässt sich Grauguss leicht bearbeiten und verfügt über eine hohe Schwingungsdämpfung.
Diese Flockenstruktur bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Grauguss ist weniger duktil als andere Gusseisensorten und weist eine geringere Zugfestigkeit auf. Er eignet sich für Bauteile, die hauptsächlich Druckbelastungen ausgesetzt sind oder Anforderungen an die Schwingungsdämpfung erfüllen müssen; für Bauteile, die wiederholten Stoßbelastungen ausgesetzt sind, sollten andere Güteklassen in Betracht gezogen werden.
Weißes Eisen
Weißes Eisen enthält fast kein Graphit. Der Kohlenstoff liegt hauptsächlich als Eisenkarbid vor, was der Bruchfläche ein weißes Aussehen verleiht und das Material hart und spröde macht. Weißes Eisen zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit und eine hervorragende Verschleißfestigkeit aus und wird daher für Mahlkörper, Verschleißplatten und andere stark abriebbeanspruchte Bauteile verwendet.
Die Sprödigkeit schränkt seinen Einsatz ein. Weißes Eisen verformt sich vor dem Versagen nicht, und bei Anwendungen, bei denen es zum Einsatz kommt, wird dieses Verhalten in Kauf genommen, da es im Gegenzug eine längere Lebensdauer als weichere Werkstoffe bietet.
Verformbares Eisen
Temperguss entsteht aus Weißguss und wird durch eine längere Wärmebehandlung umgewandelt. Durch diese Behandlung wird das Eisenkarbid aufgespalten und Kohlenstoff in Form kompakter Graphitpartikel freigesetzt, wodurch das Material andere Eigenschaften erhält als der spröde Weißguss, aus dem es ursprünglich bestand.
Das Verfahren wurde im 18. Jahrhundert in Frankreich entwickelt. Temperguss ist nach wie vor die erste Wahl für dünnwandige und komplex geformte Gussteile, die eine gewisse Zähigkeit erfordern, und seine Eigenschaften liegen nahe an denen von duktilem Gusseisen.
Sphäroguss
Duktiles Gusseisen, auch als Sphäroguss bezeichnet, wird durch Zugabe von Magnesium zur Schmelze hergestellt, wodurch der Graphit in Form von Kugeln statt in Form von Flocken auskristallisiert. Die kugelförmige Graphitstruktur verbessert die Zähigkeit und Festigkeit im Vergleich zu Grauguss deutlich und verleiht dem Werkstoff eine bessere Schlagzähigkeit.
Duktiles Gusseisen wurde 1948 in den Vereinigten Staaten und Großbritannien entwickelt und hat sich zu einer wichtigen Werkstoffgruppe im Maschinenbau entwickelt, die für Zahnräder, Matrizen, Kurbelwellen und viele Maschinenbauteile verwendet wird. Eine verwandte Sorte, das Kompaktgraphit-Gusseisen, weist wurmartigen Graphit auf und liegt hinsichtlich seiner Eigenschaften zwischen Grauguss und duktilem Gusseisen. Für Bauteile, die die Festigkeit von duktilem Gusseisen bei großen Stückzahlen erfordern, Unser Leitfaden zu duktilem Gusseisen sollte überprüft werden, bevor die Note festgesetzt wird.
Eigenschaften von Gusseisen
Gusseisen wird aufgrund einer Reihe von Eigenschaften ausgewählt, die bei allen Güteklassen gemeinsam sind:
- Druckfestigkeit. Gusseisen trägt hohe Lasten, ohne sich zu verformen, was es für Säulen, Maschinenfundamente und tragende Konstruktionselemente prädestiniert.
- Härte und Verschleißfestigkeit. Sowohl Graphit als auch Karbid tragen dazu bei, und Oberflächen, die in ständigem Kontakt stehen, wie beispielsweise Zahnräder, Kolben und Verschleißplatten, profitieren davon.
- Dämpfung. Grauguss dämpft Schwingungen etwa 20- bis 25-mal besser als Stahl – eine Eigenschaft, die Werkzeugmaschinenhersteller seit mehr als einem Jahrhundert nutzen.
- Bearbeitbarkeit. Insbesondere Grauguss lässt sich sauber zerspanen, da die Graphitflocken als Spanbrecher und Trockenschmiermittel wirken.
- Wärmespeicherung. Gusseisen speichert und leitet Wärme gut; dasselbe gilt für Kochgeschirr, Formen, Matrizen und Ofenkomponenten.
- Kosten. Da die Legierungselemente weit verbreitet sind und das Herstellungsverfahren kostengünstig ist, gehört Gusseisen nach wie vor zu den preisgünstigeren technischen Werkstoffen.
Wo wird Gusseisen verwendet?
Gusseisen kommt dort zum Einsatz, wo Härte, Verschleißfestigkeit, Dämpfung oder Wirtschaftlichkeit wichtiger sind als die Zugzähigkeit. Die Anwendungsbereiche lassen sich naturgemäß nach Güteklassen unterteilen:
- Automobil- und Maschinenbau: Bremsscheiben, Zahnräder, Kettenräder, Ketten, Kolbenringe und Motorblöcke.
- Flüssigkeitshandhabung: Pumpengehäuse, Ventilkörper und Rohrverbindungsstücke (siehe unser Fallstudie zum Guss des Ventilkörpers).
- Werkzeuge und Verschleißteile: Werkzeuge, Formen, Maschinenbetten und verschleißfeste Bauteile.
- Architektur und Kommunalwesen: Schachtabdeckungen, Ziergitter aus Eisen, Fundamentteile und Gitterroste.
- Energie und Bergbau: Bergbaumaschinen, Kurbelwellen und schwere Gehäuse.
Sphäroguss – Hersteller von Gusseisenteilen
Bei solchen Entscheidungen kann eine Gießerei helfen. Senden Sie die Zeichnung, die Einsatzbedingungen und die Stückzahlen an [unsere Ingenieure](/contact-us/), damit diese die Werkstoffsorte, das Formverfahren und die Nachbearbeitungsschritte prüfen können, bevor die Werkzeuge in Auftrag gegeben werden. Die frühzeitige Klärung dieser Punkte ist kostengünstiger als deren Korrektur nach Produktionsbeginn.
