Gusseisen mit Kugelgraphit, auch bekannt als Sphäroguss oder duktiles Gusseisen, ist eine Art von Gusseisen, das sich durch seine hohe Festigkeit und Zähigkeit auszeichnet. Es ist eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung, bei der der Kohlenstoff in Form von kleinen Kugeln (Sphäroiden) vorliegt, was ihm stahlähnliche mechanische Eigenschaften verleiht[9][10].

Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit

Gusseisen mit Kugelgraphit vereint gute Gießbarkeit mit Festigkeits- und Zähigkeitswerten, die denen von Stahl ähnlich sind. Durch die kugelförmige Graphitstruktur wird die Kerbwirkung, die bei lamellarem Graphit auftritt, minimiert, was zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt. Es ist zudem gut bearbeitbar und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf[9][10].

Anwendungen von Gusseisen mit Kugelgraphit

Gusseisen mit Kugelgraphit, auch als Sphäroguss bekannt, ist ein hochwertiger Eisengusswerkstoff, der sich durch seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften auszeichnet. Die kugelförmige Graphitstruktur im Gusseisen verbessert die Festigkeit und Zähigkeit des Materials, was es zu einer bevorzugten Wahl für viele anspruchsvolle Anwendungen macht.

Automobilindustrie

In der Automobilindustrie wird Sphäroguss häufig für die Herstellung von Motorkomponenten wie Zylinderblöcken, Kurbelwellen und Nockenwellen verwendet. Diese Teile profitieren von der hohen Festigkeit und guten Bearbeitbarkeit des Materials, was zu einer effizienteren Motorleistung und einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt[2][3].

Maschinenbau

Im allgemeinen Maschinenbau findet Sphäroguss Anwendung in der Produktion von Komponenten, die hohe Belastungen aushalten müssen, wie Zahnräder und Hydraulikzylinder. Die hohe Schnittgeschwindigkeit und die damit verbundenen Kosteneinsparungen machen Sphäroguss zu einem attraktiven Material für diesen Sektor[3].

Rohrleitungsbau

Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und hohen Zugfestigkeit wird Sphäroguss für Wasser- und Abwasserrohre eingesetzt. Diese Rohre müssen hohen Drücken standhalten können, was durch die mechanischen Eigenschaften von Sphäroguss gewährleistet wird[2][4].

Windkraftanlagen und Turbinengehäuse

In der Herstellung von Windkraftanlagen und Turbinengehäusen wird Sphäroguss aufgrund seiner Festigkeit und Zähigkeit verwendet. Diese Anwendungen erfordern Materialien, die hohen Belastungen und dynamischen Kräften standhalten können[3].

Landwirtschaftliche Maschinenteile

Auch in der Landwirtschaft wird Sphäroguss für die Herstellung von Maschinenteilen verwendet, die hohen Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen standhalten müssen[3].

Hydraulik

Gusseisen mit Kugelgraphit ist unverzichtbar in der Hydraulik, da es aufgrund seiner vielseitigen Eigenschaften und Anwendungsgebiete aus der heutigen Industrie nicht mehr wegzudenken ist[7].

Herstellung von Sphäroguss

Die Herstellung von Sphäroguss erfolgt durch Schmelzen von Stahlschrott, Gießereiroheisen und Gussbruch im Schmelzofen. Die Schmelze wird dann mit Magnesium behandelt, um die kugelförmige Graphitstruktur zu erzielen. Dieses Entschwefeln verleiht dem Werkstoff ähnliche mechanische Eigenschaften wie Stahl. Zudem kann Gusseisen aus Kugelgraphit nahezu vollständig wiederverwertet werden, da verschlissene Bauteile ohne Qualitätsverluste wieder eingeschmolzen werden können[2].

Insgesamt ist Sphäroguss ein moderner Konstruktionswerkstoff, der sehr gute statische und dynamische Eigenschaften aufweist und in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt wird[6].

Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit

Die Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit beginnt mit der Schmelze von Gießereiroheisen, Stahlschrott und Gussbruch im Schmelzofen. Die Schmelze wird dann mit Magnesium behandelt, um die kugelförmige Graphitstruktur zu erzielen. Dieser Prozess wird als “Impfen” bezeichnet und ist entscheidend für die Bildung von Kugelgraphit, während die Bildung von Zementit unterdrückt wird[9+].

Nach dem Gießen können die Gussteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um ihre Eigenschaften weiter zu verbessern. Dies kann Härten, Glühen oder andere Verfahren umfassen, die die Festigkeit und Zähigkeit des Materials erhöhen[9].

Gusseisen mit Kugelgraphit ist ein fortschrittlicher Werkstoff, der die Vorteile von Gusseisen mit der Festigkeit und Zähigkeit von Stahl kombiniert. Seine vielfältigen Anwendungen und die Möglichkeit, durch Wärmebehandlung maßgeschneiderte Eigenschaften zu erzielen, machen es zu einem unverzichtbaren Material in vielen Bereichen der modernen Industrie.

Die Magnesiumbehandlung ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit, auch bekannt als Sphäroguss. Dieser Prozess ist notwendig, um die Graphitstruktur im Gusseisen von einer lamellaren zu einer kugelförmigen Form zu ändern, was die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich verbessert[3].

Magnesium ist ein sehr reaktives Element mit hoher Affinität zu Schwefel und Sauerstoff. Die Löslichkeit von Magnesium im Eisen beträgt etwa 0,08 %[12]. Die Zugabe von Magnesium zur Schmelze ist entscheidend, um die kugelförmige Graphitstruktur zu fördern. Die Bildung des Kugelgrafits ist nur in nahezu schwefelfreien Schmelzen möglich, daher muss der Magnesiumzusatz umso höher sein, je höher der Schwefelgehalt im Basiseisen ist[11].

Verfahren der Magnesiumbehandlung

Die Magnesiumbehandlung kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden:

  • Reinmagnesiumverfahren (Konverterverfahren):
    Hierbei kann die Entschwefelung und Magnesiumbehandlung in einem Schritt erfolgen. Dieses Verfahren ist besonders effektiv, wenn der Ausgangsschwefelgehalt im Eisen unter 0,02% liegt, was für eine technisch und wirtschaftlich optimale Magnesiumbehandlung erforderlich ist[11].
  • Zugabe von Magnesiumvorlegierungen:
    Magnesium kann auch in Form von Vorlegierungen zur Schmelze hinzugefügt werden. Diese Vorlegierungen enthalten Magnesium in Kombination mit anderen Elementen wie Silizium, Kupfer oder seltenen Erden, um den Dampfdruck des Magnesiums zu reduzieren und ein gefahrloses Arbeiten zu gewährleisten[12].
  • Impfen der Schmelze:
    Nach der Magnesiumbehandlung wird die Schmelze geimpft, um die Bildung von Kugelgraphit zu begünstigen und die Bildung von Zementit zu unterdrücken. Dieser Schritt ist entscheidend für die kugelige Ausbildung des Grafits und das angestrebte Grundgefüge[11].

Herausforderungen der Magnesiumbehandlung

Die Magnesiumbehandlung ist nicht ohne Herausforderungen. Aufgrund der hohen Reaktivität von Magnesium kann es zu einer virulenten Reaktion mit der Eisenschmelze kommen, die von Licht und Rauch begleitet wird. Das Abklingen der Magnesiumwirkung ist vorwiegend eine Folge der Oxidation und Verdampfung, weshalb das behandelte Eisen spätestens 10 bis 15 Minuten nach der Behandlung vergossen werden sollte[12].

Die Magnesiumbehandlung ist ein komplexer, aber entscheidender Prozess bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit. Sie ermöglicht die Umwandlung der Graphitstruktur von lamellar zu kugelförmig, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften des Gusseisens führt. Durch die Anpassung der Schmelzebehandlung können die Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit gezielt beeinflusst und für spezifische Anwendungen optimiert werden[11][12].

 

 

Werkstoff-Bezeichnung nach DIN EN 1563 Werkstoffnummer nach DIN EN 1563GrundgefügeZugfestigkeit Rm [N/mm²]0.1%-Streckgrenze Rp0.1 [N/mm²]Bruchdehnung A [%]Brinellhärte HB 30Kohlenstoff C [%]Silizium Si [%]Mangan Mn [%]
EN-GJS-350-22-LTEN-JS1015ferritisch35022022120 - 1753,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-400-18-LTEN-JS1025ferritisch40025018130 - 1803,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-400-15EN-JS1030überwiegend ferritisch40028015-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-500-7EN-JS1050ferritisch-perlitisch5003507-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-600-2EN-JS1060überwiegend perlitisch6004202-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-700-2EN-JS1070perlitisch7005002-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-800-7EN-JS1080perlitisch-sorbitisch800 - 1000570 - 7007-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60
EN-GJS-900-4EN-JS1090perlitisch-sorbitisch900 - 1200650 - 8004-3,4 - 3,82,0 - 3,00,10 - 0,60

 

Ferritisch

Ferritisches Gusseisen hat ein Gefüge, das hauptsächlich aus Ferrit besteht, einer weichen und zähen Form von Eisen mit einer kubisch-raumzentrierten Kristallstruktur. Es hat eine relativ niedrige Härte und eine gute Plastizität, was es gut verformbar macht. Ferritisches Gusseisen wird oft für Anwendungen verwendet, bei denen eine gute Duktilität und Schweißbarkeit erforderlich sind[13].

Überwiegend Ferritisch

Überwiegend ferritisches Gusseisen enthält mehr Ferrit als andere Phasen, aber es kann auch andere Gefügebestandteile wie Perlit enthalten. Es bietet eine Balance zwischen Festigkeit und Duktilität und wird für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine moderate Festigkeit und gute Verformbarkeit erforderlich sind[13].

Ferritisch-Perlitisch

Ferritisch-perlitisches Gusseisen hat ein gemischtes Gefüge aus Ferrit und Perlit. Perlit ist eine lamellare Struktur aus Ferrit und Zementit, die dem Material eine höhere Festigkeit und Härte verleiht als reines ferritisches Gusseisen. Diese Art von Gusseisen wird für Anwendungen verwendet, bei denen eine höhere Festigkeit als bei rein ferritischem Gusseisen erforderlich ist, aber immer noch eine gute Verformbarkeit gewünscht wird[13].

Überwiegend Perlitisch

Überwiegend perlitisches Gusseisen hat ein Gefüge, das hauptsächlich aus Perlit besteht. Es bietet eine höhere Festigkeit und Härte als ferritisch-perlitisches Gusseisen, aber mit einer geringeren Duktilität. Es wird für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erforderlich sind[13].

Perlitisch

Perlitisches Gusseisen besteht fast ausschließlich aus Perlit und bietet eine hohe Festigkeit und Härte. Es ist weniger duktil als ferritisch-perlitisches Gusseisen und wird für Anwendungen verwendet, bei denen eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit im Vordergrund stehen[13].

Perlitisch-Sorbitisch

Perlitisch-sorbitisches Gusseisen hat ein Gefüge, das aus Perlit und Sorbit besteht, einer feineren Form von Perlit. Diese Gefügestruktur bietet eine noch höhere Festigkeit und Härte als perlitisches Gusseisen und wird für hochbelastete Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erforderlich sind[14][15].

Jede dieser Gefügearten hat spezifische Eigenschaften, die sie für unterschiedliche Anwendungen geeignet machen. Die Auswahl des geeigneten Gefüges hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

 

Quellen

(hier klicken)
  • [2] https://www.boehmfeld.de/werkstoffe/gusseisen-mit-kugelgraphit
  • [3] https://www.guntermann-guss.de/gusseisen-mit-kugelgraphit-ggg-globularer-grauguss-oder-sphaeroguss-genannt/
  • [4] https://www.thyssenkrupp-schulte.de/daz/de/werkstoffe/sphaeroguss-armaturen
  • [5] https://www.eickhoff-bochum.de/de/node/177
  • [6] https://www.e-periodica.ch/cntmng?pid=sbz-002%3A1967%3A85%3A%3A323
  • [7] https://www.mmhb.de/produkte/grauguss-sphaeroguss/
  • [8] https://www.guss.de/prozess/gusswerkstoffe
  • [9] https://de.wikipedia.org/wiki/Gusseisen_mit_Kugelgraphit
  • [10] https://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/stahl-eisen/52-gusseisen-mit-kugelgraphit
  • [11] https://www.giessereilexikon.com/giesserei-lexikon/Encyclopedia/show/magnesiumbehandlung-317/?cHash=4f5188b672b9cacf4b7ee4c5c2d60a6a
  • [12] https://de.wikipedia.org/wiki/Magnesiumbehandlung
  • [13] https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-36968-5
  • [14] https://www.hereon.de/imperia/md/content/hzg/zentrale_einrichtungen/bibliothek/berichte/gkss_berichte_2006/gkss_2006_15.pdf
  • [15] https://www.yumpu.com/de/document/view/10566423/fts-notitle-helmholtz-zentrum-geesthacht

 

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