Mechanische Eigenschaften und Arten von Gusseisen

Mechanische Eigenschaften von Gusseisen

Die mechanischen Eigenschaften von Eisen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, sind von großer Bedeutung. Die Zugfestigkeit von perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) nimmt mit steigender Temperatur kontinuierlich ab. Bei 400 °C beträgt sie noch etwa zwei Drittel des Widerstands bei Raumtemperatur. Bei ferritischem Eisen ist dieser Rückgang bis 400 °C weniger ausgeprägt, wobei der Resistenzwert einen hohen Prozentsatz des Raumtemperaturwertes beibehält.

Die 0,2%-Dehngrenze (Sigma 0,2%) bleibt sowohl für ferritisches als auch für perlitisches Gusseisen bis zu einer Temperatur von 350–400 °C praktisch stabil, sinkt jedoch oberhalb dieses Wertes schnell ab. Die Warmhärte bleibt ebenfalls bis zu 400 °C erhalten und nimmt darüber hinaus ab. Für Temperaturen bis 300 °C kann die zulässige Spannung in statischen Strukturen analog zur Umgebungstemperatur auf Basis der Werte der 0,2%-Dehngrenze bei Raumtemperatur ermittelt werden. Bei Temperaturen über 300 °C sollten die zulässigen Spannungen auf Basis von Fließdaten berechnet werden.

Ein geringer Zusatz von Molybdän (Mo) verbessert die Kriechfestigkeit sowie die Warmfestigkeit sowohl bei ferritischem als auch bei perlitischem Eisen signifikant. Diese Verbesserungen durch Molybdän können auch die Zugeigenschaften bei niedrigen Temperaturen positiv beeinflussen. Hinsichtlich der Schlageigenschaften gibt es eine Übergangstemperatur, unterhalb derer die Bruchdehnung abnimmt. Während die 0,2%-Dehngrenze mit abnehmender Temperatur kontinuierlich steigt, weist die Zugfestigkeit einen Übergangsbereich auf. Oberhalb dieses Bereichs bleibt die Zugfestigkeit tendenziell konstant oder steigt an; sobald jedoch die Sprungtemperatur unterschritten wird, nimmt die Zugfestigkeit ab. Phosphor und Silicium erhöhen diese Übergangstemperatur und reduzieren die Widerstandsfähigkeit im duktilen Bereich.

Definitionen der Festigkeitswerte

Zugfestigkeit: Dies ist der Maximalwert der Zugspannung, den ein Material in Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit aushalten kann.

Druckfestigkeit: Dies ist die maximale Spannung, der ein Material unter einer Drucklast standhalten kann. Bei Materialien, die durch Sprödbruch versagen, lässt sich die Druckfestigkeit in engen Grenzen als unabhängige Eigenschaft festlegen. Bei duktilen Materialien, die unter Kompression nicht brechen, wird sie als der Aufwand definiert, der erforderlich ist, um das Material um einen bestimmten Betrag zu verformen. Die Berechnung erfolgt durch Division der maximalen Last durch die ursprüngliche Querschnittsfläche der Probe.

Dehnung, Torsion und Materialermüdung

Dehnung: Eine Form der Verformung (Strain), die die Veränderung beschreibt, die ein Körper erfährt. Unter Spannung wird die Probe durch Dehnung deformiert und wird dabei länger.

Torsionssteifigkeit: Beschreibt die Wirkung der Biegung oder Verdrehung eines Körpers in einer spiralförmigen Weise. In der Mechanik bezeichnet dies die Formänderung eines Körpers unter Einwirkung verschiedener Kräfte, insbesondere die Verformung durch zwei entgegengesetzt wirkende Kräftepaare in parallelen Ebenen, wodurch Abschnitte des Körpers gegeneinander verdreht werden.

Widerstand gegen Bearbeitung: Dieser Widerstand beschreibt die notwendige Kraft der Werkzeugmaschine, die größer sein muss als der Widerstand, den das Material des Rohlings dem Schneidvorgang entgegensetzt.

Physikalische Eigenschaften und Korrosionsschutz

Wärmeausdehnung und Korrosion

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Gusseisen ist komplex, da er durch Veränderungen in der Lösung, die Graphitausscheidung, die Graphitisierung und die Bildung von Austenit oberhalb von 700 °C beeinflusst wird.

Die Korrosionsbeständigkeit von Sphäroguss ist in vielen Anwendungen ähnlich der von Grauguss und oft besser als die von Stahl. Duktile Gussrohre, die häufig in Kläranlagen eingesetzt werden, können durch Eloxieren, Verzinken, Kunststoffbeschichtungen oder in speziellen Fällen durch Polyurethan geschützt werden. (Basierend auf Arbeiten von Peter E., Architektur und Bauwesen, ARQHYS; Festigkeit und Kriechfestigkeit bis 459 °C).

Drehmoment und Materialermüdung

Das Drehmoment wird geometrisch dadurch charakterisiert, dass Kurven parallel zur Achse des Werkstücks nicht mehr in ihrer ursprünglichen Ebene liegen, sondern um die Welle verdreht werden.

Die Materialermüdung bezieht sich auf das Phänomen des Bruchs unter zyklischer, dynamischer Belastung. Hierbei tritt ein Versagen bei Lasten auf, die deutlich unter der statischen Bruchlast liegen. Ein Beispiel ist ein Draht: Durch wiederholtes Biegen bricht er leicht, während die einmalige Kraftanstrengung für einen Bruch durch bloßes Biegen sehr groß wäre.

Klassifizierung der Gusseisenarten

Grauguss und Weißes Gusseisen

Grauguss: Er besteht aus eutektischen Zellen mit miteinander verbundenen Graphitflocken. Eine Impfung hilft dabei, kleinere Zellen zu erzeugen und die Ausdauer zu verbessern. Große Graphitflocken führen jedoch zu einer geringeren Zugfestigkeit. Höhere Widerstände können durch eine Verringerung des Kohlenstoffäquivalents, durch Legierungen oder Wärmebehandlungen erreicht werden. Seine Vorteile sind hohe Druckfestigkeit, Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und gute Vibrationsdämpfung.

Weißes Gusseisen (Cast Weiss): Es wird vor allem wegen seiner Härte und Abriebfestigkeit geschätzt. Bei der Wärmebehandlung kann Martensit entstehen. Die weiße Bruchfläche entsteht durch Karbidverunreinigungen, die Risse geradlinig verlaufen lassen.

Temperguss und Sphäroguss

Temperguss: Dieser wird durch eine Glühbehandlung von weißem Gusseisen bei Temperaturen zwischen 850 und 950 °C hergestellt. Dabei zersetzt sich der Zementit, und der freie Kohlenstoff lagert sich als unregelmäßige Knoten (Temperkohle) ab. Es gibt zwei Haupttypen:

• Europäischer Temperguss: Erreicht durch mehrtägige Behandlung in Gegenwart von Eisenoxid, wodurch der Kohlenstoff an der Oberfläche oxidiert.
• Amerikanischer Temperguss: Erreicht durch längeres Glühen (bis zu 8 Tage), was zu einer ferritischen Grundstruktur führt.

Sphäroguss (Duktiles Gusseisen): Gekennzeichnet durch Kugelgraphit. Die Herstellung umfasst folgende Schritte:

• Entschwefelung: Schwefel, der das Wachstum von Graphitflocken begünstigt, wird entfernt.
• Nodulierung (Modulation): Magnesium wird zugesetzt, um restlichen Schwefel und Sauerstoff zu binden.
• Impfung: Da Magnesium Carbide stabilisiert und die Bildung von weißem Eisen fördern könnte, muss das Eisen nach der Nodulierung geimpft werden.

Sonderformen und allgemeine Definition

Gusseisen mit Vermiculargraphit (Compact Graphite Iron): Eine Zwischenform zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit. Es bietet eine gute Kombination aus Festigkeit, Dehnbarkeit, thermischer Leitfähigkeit und Vibrationsdämpfung.

Allgemeines: Der Begriff Eisen bezeichnet eine große Gruppe von Metallen. Die Farbe einer Bruchfläche dient oft zur Identifizierung der Legierung: Weißes Gusseisen zeigt eine helle Fläche, während Grauguss aufgrund der Graphitlamellen, die Risse ablenken und neue Risse initiieren, eine graue Bruchfläche aufweist.