Eisengusswerkstoffe im Fokus: Die Vielfalt von Gusseisen mit Lamellengraphit

Eisengusswerkstoffe, insbesondere Gusseisen mit Lamellengraphit, spielen eine entscheidende Rolle in der Werkstofftechnik und der Fertigungsindustrie. Gusseisen mit Lamellengraphit, auch als Grauguss bekannt, ist eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung, die sich durch ihre spezifischen Eigenschaften und Vorteile auszeichnet[1][2][4].

Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit

Die charakteristischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit ergeben sich aus der Menge, Größe, Ausbildung und Verteilung der Graphitlamellen im metallischen Grundgefüge. Diese Lamellen wirken innerhalb des Werkstoffs wie kleine Kerben und senken die Zugfestigkeit, was das Material vergleichsweise spröde macht. Allerdings ist die Druckfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit wesentlich höher als die Zugfestigkeit, etwa das Vierfache der Zugfestigkeit[1].

Die Anpassung der Werkstoffeigenschaften kann durch Legieren und gießtechnische Maßnahmen wie Temperaturführung erreicht werden. Darüber hinaus kann Gusseisen mit Lamellengraphit verschiedenen Wärmebehandlungen (wie Härten, Nitrieren, Vergüten) unterzogen werden, um seine Eigenschaften zu verbessern[1].

Vorteile von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit bietet eine Reihe von Vorteilen, die es zu einem bevorzugten Material in vielen Anwendungen machen. Dazu gehören:

• Gute Gießbarkeit: Gusseisen mit Lamellengraphit lässt sich leicht gießen, was die Herstellung von Teilen mit komplexen Formen erleichtert[1][2][4].
• Gute Spanbarkeit: Dieses Material lässt sich gut bearbeiten, was die Fertigung von Präzisionsteilen ermöglicht[1][4].
• Hohe Druckbeanspruchbarkeit: Gusseisen mit Lamellengraphit kann hohen Druckbelastungen standhalten, was es für Anwendungen geeignet macht, bei denen hohe Druckfestigkeit erforderlich ist[1][4].
• Schwingungsdämpfend: Aufgrund seiner Fähigkeit, Schwingungen zu dämpfen, wird Gusseisen mit Lamellengraphit oft in Bauteilen verwendet, die Schwingungen ausgesetzt sind[1][2][4].
• Gute Wärmeleitfähigkeit: Dieses Material leitet Wärme gut, was es für Anwendungen geeignet macht, bei denen eine effiziente Wärmeübertragung erforderlich ist[1][4].
• Gute Formsteifigkeit: Gusseisen mit Lamellengraphit behält seine Form unter Belastung bei, was es zu einem stabilen und zuverlässigen Material für eine Vielzahl von Anwendungen macht[1][2].

Nachteile von Gusseisen mit Lamellengraphit

Trotz seiner vielen Vorteile hat Gusseisen mit Lamellengraphit auch einige Nachteile. Insbesondere ist es spröder als andere Gusseisenarten, was es anfälliger für Bruch unter Zugbelastung macht[1][2].

Einsatzgebiete von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit ist ein vielseitig einsetzbarer Werkstoff, der in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wird. Es ist der am häufigsten eingesetzte Werkstoff zur Herstellung von Getriebe- und Kurbelgehäusen oder Bremsscheiben. Darüber hinaus wird es in Bauteilen eingesetzt, die Schwingungen ausgesetzt sind, dank seiner hervorragenden Dämpfungsfähigkeit[2][4].

Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit, auch als Grauguss bekannt, ist ein weit verbreiteter Werkstoff in der Fertigungsindustrie. Es findet Anwendung in einer Vielzahl von Bauteilen wie Zylinderkurbelgehäusen, Getriebegehäusen, Bremsscheiben und Maschinenbetten[11]. Eine der wichtigsten Eigenschaften dieses Werkstoffs ist seine Schwingfestigkeit, die seine Fähigkeit beschreibt, zyklischen Belastungen standzuhalten, ohne zu brechen. Dieser Artikel wird die Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit im Detail untersuchen.

Schwingfestigkeit und ihre Bedeutung

Die Schwingfestigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, zyklischen Belastungen standzuhalten, ohne zu versagen. Sie ist besonders wichtig für Bauteile, die während ihres Betriebs zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, wie z.B. Motorkomponenten, Getriebegehäuse und Maschinenbetten. Die Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit ist ein entscheidender Faktor für seine Leistung und Zuverlässigkeit in solchen Anwendungen[14][16].

Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit zeigt ein spezifisches Ermüdungsverhalten, das durch analytische und experimentelle Untersuchungen untersucht wurde[14][19]. Die Schwingfestigkeit dieses Werkstoffs hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Menge, Größe, Ausbildung und Verteilung der Graphitlamellen im metallischen Grundgefüge[17].

Die Graphitlamellen in Gusseisen mit Lamellengraphit wirken wie kleine Kerben im Material, die die Zugfestigkeit senken und das Material vergleichsweise spröde machen. Allerdings ist die Druckfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit wesentlich höher als die Zugfestigkeit, etwa das Vierfache der Zugfestigkeit[14][17].

Die Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit kann durch verschiedene Methoden verbessert werden. Eine Möglichkeit ist die Anpassung der Werkstoffeigenschaften durch Legieren und gießtechnische Maßnahmen wie Temperaturführung[14][17]. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Feinzugversuchen, um den Einfluss verschiedener Gefügeparameter auf die Zug- bzw. Dauerfestigkeit zu untersuchen[18].

Herstellung von Lamellengraphit

Die Herstellung von lamellarem Gusseisen, auch als Grauguss bekannt, beginnt mit der Gewinnung von Roheisen im Hochofen aus Eisenerz[6]. Die Ausgangsstoffe für die Herstellung von lamellarem Gusseisen sind Giessereiroheisen, Stahlschrott und Gussbruch[6].

Lamellares Gusseisen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung[1]. Der Hauptanteil des Kohlenstoffs liegt in Form von lamellarem Grafit vor[20][21]. Dieser lamellare Grafit entsteht durch die Abkühlung der Schmelze, wobei der Kohlenstoff in Form von dünnen, unregelmäßig geformten Stäbchen, den sogenannten Lamellen, auskristallisiert[20][1].

Die mechanischen Eigenschaften von lamellarem Gusseisen, wie die Festigkeit und Härte, hängen in erheblichem Maße von der Abkühlgeschwindigkeit ab[5]. Die Festigkeit kann durch verschiedene Verfahren, wie beispielsweise Heißausleeren und beschleunigte Abkühlung, erhöht werden[20].

Zur Verbesserung der Eigenschaften von lamellarem Gusseisen können verschiedene Legierungselemente hinzugefügt werden. Gängige Legierungselemente sind Kupfer, Chrom, Molybdän, Zinn und Nickel sowie Kombinationen davon[20].

Es ist wichtig zu beachten, dass die Herstellung von lamellarem Gusseisen eine genaue Kontrolle der Schmelzbehandlung erfordert, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen[22].

Schmelzebehandlung

Die Schmelzebehandlung bei der Herstellung von lamellarem Gusseisen ist ein entscheidender Prozess, um die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts zu erzielen. Die Schmelzebehandlung umfasst mehrere Schritte, die von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze bis hin zur Wärmebehandlung reichen. Hier sind die wesentlichen Schritte der Schmelzebehandlung:

1. Auswahl der Ausgangsmaterialien:

Die Herstellung beginnt mit der Auswahl der richtigen Ausgangsmaterialien, die typischerweise Gießereiroheisen, Stahlschrott und Gussbruch umfassen[24].

2. Einstellung der chemischen Zusammensetzung:

Die chemische Zusammensetzung der Schmelze ist entscheidend für die Eigenschaften des Gusseisens. Insbesondere der Siliziumgehalt spielt eine wichtige Rolle, da er die Graphitisierung während der Erstarrung begünstigt und die Gefahr der Weißerstarrung reduziert. In Gusseisen mit Kugelgraphit liegt der Siliziumgehalt üblicherweise im Bereich von 1,8-2,8 Gew.%, kann aber für bestimmte Anwendungen bis zu 3,5 Gew.% betragen[23].

3. Schmelzen und Überhitzen:

Die Ausgangsmaterialien werden in einem Schmelzofen geschmolzen und auf eine Temperatur überhitzt, die über der Erstarrungstemperatur des Eisens liegt. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Erstarrung und die Graphitausbildung.

4. Impfen der Schmelze:

Um die Bildung von lamellarem Graphit zu fördern, wird die Schmelze geimpft. Dieser Prozess beinhaltet das Hinzufügen von Substanzen, die als Keimstellen für die Graphitkristallisation dienen.

5. Abkühlung und Erstarrung:

Nach der Schmelzebehandlung wird die Schmelze in Formen gegossen und abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst die Größe und Form der Graphitlamellen und damit die mechanischen Eigenschaften des Gusseisens[24].

6. Wärmebehandlung:

Nach dem Gießen kann das Gusseisen einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. Dies kann das Härten, Anlassen oder Normalisieren umfassen.

7. Legierungselemente:

Um die Eigenschaften des lamellaren Gusseisens zu verbessern, können Legierungselemente wie Kupfer, Chrom, Molybdän, Zinn und Nickel hinzugefügt werden. Diese Elemente können die Festigkeit, Härte und andere Eigenschaften des Gusseisens beeinflussen[23].

Die Schmelzebehandlung ist ein komplexer Prozess, der eine genaue Kontrolle und Kenntnis der Materialwissenschaft erfordert. Durch die Anpassung der Schmelzebehandlung können die Eigenschaften von lamellarem Gusseisen gezielt beeinflusst und für spezifische Anwendungen optimiert werden.

Bezeichnungssystem für Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen mit Lamellengraphit, auch als Grauguss bekannt, ist eine weit verbreitete Art von Gusseisen. Es handelt sich um eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Gusslegierung, in der der Graphit in Form von dünnen, unregelmäßig geformten Lamellen vorliegt[1][2]. Diese spezielle Struktur verleiht dem Material eine Reihe von Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen attraktiv machen.

Bezeichnung und Normen

Nach der aktuellen europäischen Norm DIN EN 1561 wird Gusseisen mit Lamellengraphit kurz mit GJL bezeichnet[1][3][7]. Die alte Bezeichnung für diesen Eisengusswerkstoff war GG[1][3][7]. Die Buchstaben GJL stehen dabei für G = Gusswerkstoff, J = Eisen (Iron) und L = lamellar[7].

Die Zahl, die der Bezeichnung folgt, gibt die Mindestzugfestigkeit eines gegossenen Probestabes an. Zum Beispiel bedeutet GG-15, dass die Mindestzugfestigkeit 150 N/mm² beträgt[1].

Eigenschaften und Anwendungen

Gusseisen mit Lamellengraphit zeichnet sich durch gute Gießbarkeit, Selbstschmiereigenschaften (durch Bearbeitung) und Korrosionsbeständigkeit (bei unverletzter Gusshaut) aus[1]. Allerdings hat es auch einige Nachteile, wie Sprödigkeit, geringe Zugfestigkeit, geringe Zähigkeit und schlechte Verformbarkeit[1].

Trotz dieser Nachteile findet Gusseisen mit Lamellengraphit aufgrund seiner positiven Eigenschaften, insbesondere seiner guten Gießbarkeit, ein breites Anwendungsfeld. Typische Einsatzgebiete sind Bauteile mit komplexen Geometrien, Getriebegehäuse, Kurbelgehäuse, Werkzeugmaschinenbau, Maschinenbetten, Schiffsdieselmotoren, Dampfturbinengehäuse, Pumpen und Ventile[1][11].

Nachhaltigkeit

Ein weiterer wichtiger Aspekt von Gusseisen mit Lamellengraphit ist seine Nachhaltigkeit. Die Rohstoffbasis für die Herstellung dieses Materials ist im Wesentlichen Schrott, also Abfall. Daher ist Gusseisen mit Lamellengraphit ein fast 100%-iger Recyclingwerkstoff[5]. Dies macht es zu einer umweltfreundlichen Wahl in Zeiten, in denen nachhaltige Entwicklung und grüne Produktion immer wichtiger werden.

Schlussfolgerung

Eisengusswerkstoffe, insbesondere Gusseisen mit Lamellengraphit, spielen eine entscheidende Rolle in der Werkstofftechnik und der Fertigungsindustrie. Gusseisen mit Lamellengraphit, auch als Grauguss bekannt, zeichnet sich durch seine spezifischen Eigenschaften aus. Die Menge, Größe, Ausbildung und Verteilung der Graphitlamellen im metallischen Grundgefüge beeinflussen charakteristische Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Druckfestigkeit. Obwohl Gusseisen mit Lamellengraphit spröde ist, übertrifft seine Druckfestigkeit die Zugfestigkeit um das Vierfache.

Dieser Werkstoff bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter gute Gießbarkeit, Spanbarkeit und hohe Druckbeanspruchbarkeit. Zudem dämpft er Schwingungen, leitet Wärme effizient und behält seine Form unter Belastung bei. Trotz einiger Nachteile wie Sprödigkeit wird Gusseisen mit Lamellengraphit vielseitig eingesetzt, insbesondere für Getriebe- und Kurbelgehäuse sowie Bauteile mit Schwingungsbelastung.

Die Schwingfestigkeit des Materials ist entscheidend, und verschiedene Methoden wie Legieren und Temperaturführung können sie verbessern. Die Herstellung von lamellarem Gusseisen erfordert präzise Schmelzbehandlung, und die Schmelzebehandlung spielt eine Schlüsselrolle bei der gezielten Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften. Das Bezeichnungssystem nach DIN EN 1561 erleichtert die Identifizierung und Anwendung dieses Materials. Trotz einiger Nachteile bleibt Gusseisen mit Lamellengraphit aufgrund seiner Nachhaltigkeit, guten Gießbarkeit und Recyclingfähigkeit ein bevorzugter Werkstoff in verschiedenen Anwendungen.

Quellen