Eisengusswerkstoffe 11.08.2008, 17:21

In diesem Beitrag stellen wir Ihnen Werkstoffe vor, ohne die´s wirklich nicht geht. Einer davon ragt, was die Verwendung und den günstigen Preis betrifft, heraus: das Gusseisen, auch Grauguss genannt.

1. Ausbildungsjahr

Eisengusswerkstoffe

Eisenwerkstoffe lassen sich in einer groben Übersicht in zwei Arten einteilen. Stahl ist eine Eisen-Eisenkarbid-Legierung, die weniger als 2,06% Kohlenstoff enthält. Übersteigt der Kohlenstoffanteil 2,06%, dann spricht man von Gusseisen. Eisenkarbid = Fe₃C.

Wo man in der Technik ganz allgemein Bauteile mit komplizierten Formen benötigt, eignet sich für deren Herstellung oft nur das Gießen.
Vergießen lassen sich sehr viele Metalle. Sie werden in speziellen Öfen eingeschmolzen, dann in Formen gegossen. Die wichtigsten sind: der lamellare Grauguss, der Kugelgrafitguss, der Temperguss, der Stahlguss und der Hartguss.
In der Eisengießerei dient hauptsächlich der Kupolofen zur Gewinnung von Gusswerkstoffen. Wie der Hochofen ist auch er ein Schachtofen und wird von der Gichtbühne aus abwechselnd mit Koks, Kalk, Roheisenmasseln und Gussschrott beschickt. Ein Gebläse drückt Kaltwind als Verbrennungsluft durch Düsen in den unteren Teil des Kupolofens.

1. Gussarten

Gußeisen mit Lamellengraphit

Aus grauem Roheisen - meist unter Zusatz von Brucheisen und Stahlschrott aus Schmiedeabfällen sowie gepressten Dreh- und Bohrspänen - entsteht im Kupolofen Gusseisen, auch Grauguss genannt. Beim langsamen Abkühlen des Gusswerkstoffs scheidet sich der Kohlenstoff im grauen Roheisen als Lamellengrafit aus. Die Zusammensetzung des Gusseisens und die Dauer der Abkühlzeit bestimmen über Menge, Form und Größe der Grafitblättchen. Sie lagern sich zwischen den Eisenkristallen ab und stören den Kräftefluss im Material. Die Kerbwirkung vermindert Zug- und Biegfestigkeit.

Je nach den an den Gusswerkstoff gestellten Anforderungen lässt sich der Grafitanteil im Gusseisen beeinflussen. Zusetzen von Silizium und langsames Abkühlen des Gusswerkstoffs fördern die Grafitbildung. Das ist erwünscht, wenn gute Gleiteigenschaften, leichte Bearbeitbarkeit und beste Gießbarkeit gefordert sind. Der Zusatz von Mangan und rasches Abkühlen dagegen verhindern die Grafitbildung weitgehend; die Zug- und Biegfestigkeit des Gusses erhöhen sich dadurch. Kennzeichen für den Grafitgehalt ist die grau gefärbte Gussbruchstelle.

Eigenschaften wie hohe Druckfestigkeit, Schwingungsdämpfung und gute Gießbarkeit machen Grauguss zum geeigneten Werkstoff für komplizierte Teile im Maschinenbau.
 

Gusseisen mit Kugelgrafit

Wird dem flüssigen Grauguss in der Gießpfanne Magnesium zugesetzt, scheidet sich der Grafit nicht in Lamellenform, sondern in Kugelform aus. Die Grafitkugeln stören den Kräftefluss im Material nur wenig und setzen die unerwünschte Kerbwirkung auf ein Mindestmaß herab. Die Dehnung sowie die Biege- und Zugfestigkeit erhöhen sich wesentlich, und die guten Gleitlaufeigenschaften bleiben erhalten. Verschiedene Nachbehandlungen der Gussteile können diese Eigenschaften noch verbessern. Hohe Verschleißfestigkeit, gute Bearbeitungseigenschaften und chemische Beständigkeit machen den Gusswerkstoff geeignet für Kurbelwellen, Lenkungsteile, Zahnräder, Kupplungsdruckplatten und Gehäuse.

Das rasche Abkühlen des Gussstücks an der Oberfläche wirkt wie das Härten und ergibt eine harte und verschleißfeste Schicht. Hartgussteile im Kraftfahrzeugbau sind: Ventilstößel mit teilweiser Oberfläche aus Hartguss, Hydraulikkolben mit Hartgussoberfläche.
 

Weißer Temperguss

Entzieht man Gusswerkstücken aus Stahlschrott, Gussbruch und Temperroheisen den Kohlenstoff, dann entsteht weißer Temperguss. Die in einem Glühkasten mit Roteisenerzpulver und Hammerschlag eingesetzten Gussstücke glühen im Temperofen mehrere Tage bei Rotglut. Dabei verbindet sich der aus den Eisenoxiden frei werdende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff aus den Randzonen der Gussstücke. So können Werkstücke bis zu einer Wanddicke von 10 mm entkohlt werden. Das Glühfrischen, wie dieses Verfahren genannt wird, macht den Guss zäh. Dehnung und Zugfestigkeit erhöhen sich. Weißer Temperguss lässt sich härten und vergüten, schweißen sowie hart- und weichlöten.
Anwendungsbeispiele für weißen Temperguss sind Bremstrommeln und Getriebegehäuse, auch Werkzeuge wie Schraubenschlüssel.
 

Schwarzer Temperguss

Schwarzer Temperguss entsteht durch Glühen in neutraler Atmosphäre, z.B. in Quarzsand. Der Glühvorgang dauert mehrere Tage. Das weiße Roheisen scheidet dabei den Kohlenstoff als Grafit aus. Dieser lagert sich in Flockenform fein verteilt zwischen den Eisenkristallen ab und gibt dem Gusswerkstoff die schwarze Färbung. Die Materialstärke ist bei diesem Verfahren nicht begrenzt. Dehnung und Zugfestigkeit erhöhen sich. Schwarzer Temperguss lässt sich härten, vergüten, hart- und weichlöten.
 

Stahlguss

Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl. Da Stahl schlecht fließt und zudem ein hohes Schwindmaß besitzt (Maß, um das sich der erkaltende Guss zusammenzieht), ist Stahlguss ein relativ teurer Werkstoff. Wegen seiner hervorragenden Festigkeitswerte stellt man aus Stahlguss hoch beanspruchte Teile her wie: Achsgehäuse, Radnaben, Bremstrommeln, Zugmäuler, Anhängerkupplungen, Hebel u.ä.
 

Hartguss

Rasches Abkühlen des Schmelzguts, niedrigerer Siliziumgehalt und hoher Mangangehalt verhindern im Guss das Ausscheiden des Kohlenstoffs als reiner Graphit. Dagegen verbinden sich Kohlenstoff und Eisen zu hartem Eisenkarbid Fe₃C.

 

2. Normung

In der Kurzbezeichnung der Eisen-Gusswerkstoffe steht als erster Buchstabe das G (für Gusswerkstoff). Weitere Buchstaben geben Auskunft über die Gussherstellung. Danach folgt in der Regel, durch einen Bindestrich getrennt, eine Zahl, manchmal auch zwei Zahlen.

Die oben beschriebenen Eisen-Gusswerkstoffe erhielten folgende Kennbuchstaben:
Gusseisen mit Lamellengrafit nach DIN EN 1561
EN-GJL (früher GG), z. B. EN-GJL-200. Die Zahl 200 bedeutet: Zugfestigkeit R_m = 200N/mm².

Gusseisen mit Kugelgrafit nach DIN EN 1563
EN-GJS (früher GGG), z. B. EN-GJS-500-7. Die Zahl 500 bedeutet: Zugfestigkeit R_m = 500N/mm². 7 entspricht der Bruchdehnung A5 in Prozent.

EN-GJMW = Weißer Temperguss
EN-GJMB = Schwarzer Temperguss
GE = Stahlguss