Gußeisen Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft

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1 Gußeisen Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft
MSc Presentations Széchenyi István Universität Dr. Zsoldos Ibolya

2 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
Einleitung Von den Gusslegierungen ist das Gusseisen am billigsten. Mehr als 70 % der Gussstücke werden aus Gusseisen hergestellt. Der Karbongehalt der Gusseisen bewegt sich in der Regel zwischen 2-4,5%. Sie enthalten außer dem Kohlenstoff generell immer Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, deshalb betrachten wir nur jene Gusseisen als Legierungen, welche außer den Aufgelisteten weitere Legierungselemente, z.B.: Cr, Ni, Mo, W und Ti, enthalten. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

3 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EINLEITUNG Wenn das Gusseisen sich langsam abkühlt, dann kommt es laut dem Stabilen Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild zur Ausscheidung von Grafit. Die Bruchfläche dieser Gusseisen ist wegen der dunkelgrauen Farbe von Grafit grau, deswegen werden die langsam abgekühlten Gusseisen graue Gusseisen (Grauguss) genannt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

4 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EINLEITUNG Das schnell abgekühlte Gusseisen kristallisiert sich nach dem metastabilen Zustandsschaubild. Demnach, weil der Kohlenstoff in der Form von silberfarbigem Zementit (Eisenkarbid, Fe3C) enthalten ist, werden diese Gusseisen weiße Gusseisen (Weißguss) genannt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

5 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EINLEITUNG In der Grobstruktur des langsam abgekühlten hypoeutektischen Gusseisens ist : primäres Graphit, Graphiteutektikum und sekundäres Graphit enthalten, und in dem des hypereutektischen Gusseisens findet man primäres Graphit und Graphiteutektikum. Die Grobstruktur des schnell abgekühlten Gusseisens enthält immer Ledeburit und Perlit (hypoeutektisch) und primäres Zementit (hypereutektisch). MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

6 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EINLEITUNG Die Gusseisen, die auch Graphit und Zementit (Ledeburit) enthalten, werden halbiertes Gusseisen genannt. Das halbierte Gusseisen ist ein Übergang zwischen weißem und grauem Gusseisen. Es bildet sich üblicherweise in den schnell abgekühlten Gusseisen, in einer gewissen Entfernung von der Oberfläche, wo die Abkühlgeschwindigkeit niedriger ist, als jenes die für die Bildung von purem weißen Gusseisen nötig ist, jedoch höher ist als die bei dem grauen Gusseisen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

7 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON KOHLENSTOFF und SILIZIUM Die Bildung der Grobstruktur der Gusseisen wird auch durch die Legierungselemente beeinflusst. Außer Kohlenstoff hat Silizium die größte Auswirkung. Die Auswirkungen von C und Si auf die Festigkeit von Gusseisen zeugt das bekannte Maurer-Diagramm. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

8 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON KOHLENSTOFF und SILIZIUM Maurer-Diagramm Die verschiedenen separierten Bereiche auf dem Diagramm zeigen Gusseisen mit verschiedenen Reißfestigkeiten. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

9 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON KOHLENSTOFF und SILIZIUM Maurer-Diagramm Von dem Maurer-Diagramm kann man auch die Gestaltung verschiedener Texturen als Funktion vom C- und Si-Gehalt ablesen MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

10 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON KOHLENSTOFF und SILIZIUM Maurer-Diagramm Das Si verringert die Löslichkeit des Kohlenstoffs in dem flüssigen und festen Eisen, und ruft somit die Ausscheidung von Graphit hervor. Durch die Auswirkung von dem Si wird die so genannte Mischungslücke, die Entfernung des Solidus und des Liquidus verringert, was in der besseren Gießbarkeit resultiert. Der Prozess der Kristallisation der Legierungen, der Ausmaß der Graphitbildung kann durch die Veränderung der Mengen des Kohlenstoffs und dem Silizium gesteuert werden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

11 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON KOHLENSTOFF und SILIZIUM Greiner-Klingenstein-Diagramm Aus technologischer Sicht ist das Greiner-Klingenstein-Diagramm besser verwertbar als das Maurer-Diagramm, weil die Texturelemente als Funktion der Wanddicke von C+Si und der Legierung dargestellt werden. mit römischen Ziffern gekennzeichneten Bereiche sind gleich wie die auf dem Maurer-Diagramm zu verstehen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

12 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON ANDEREN LEGIERUNGSELEMENTEN Mangan hat eine entgegengesetzte Wirkung zum Silizium, es hindert die Graphitbildung, ist ein Karbidbildendes Element. Um dem Obigen entgegenzuwirken muss für die Herstellung von Graugusseisen mehr Si dosiert werden. Schwefel ist ein die Graphitbildung hinderndes Element, bindet das Mn in Sulfidform, und bildet Einschlüsse. Er verschlechtert das Fließvermögen beträchtlich. In Gusseisen mit hoher Qualität ist maximal 0,1% Schwefel erlaubt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

13 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON ANDEREN LEGIERUNGSELEMENTEN Phosphor kann sich im Gusseisen in einer Menge von ungefähr 0,3% lösen, bei einem P-Gehalt von größer als 0,3% bildet sich aus Eisenphosphid (Fe3P), Zementit (Fe3C) und einem Mischkristall (Fe-C-P) ein ternäres Phosphideutektikum, das so genannte Steadit. Dieses erstarrt als letztes und befindet sich demnach netzartig oder eingenistet an den Grenzen der Kristallite. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

14 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON ANDEREN LEGIERUNGSELEMENTEN Phosphor verbessert das Fließvermögen und die Formfüllbarkeit des Gusseisens, deshalb wird bei dem Gießen von Gusstücken mit dünnen Wänden und Statuen Gusseisen mit höherem (0,4-0,8%) P-Gehalt verwendet. Phosphor verschlechtert die Festigkeitsattribute des Gusseisens, versteift es, verbessert aber die Verschleißwidrigkeit. Deswegen wird das Material von Kolbenringen und Eisenbahn-Bremsklötzen oft mit einigen Zehntel % Phosphor legiert. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

15 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
AUSWIRKUNG VON ANDEREN LEGIERUNGSELEMENTEN Die Festigkeit von Gusseisen kann mit den Legierungselementen nicht erheblich verbessert werden, hingegen wird die Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit durch die verschiedenen Legierungen bedeutend verbessert. Hitzebeständigkeit wird durch Al, Cr und Si verbessert. Durch die ausgezeichnete Hitzefestigkeit des mit 20-24% Al legierten Gusseisens wird dies zur Herstellung von Kamin- und Kesseltüren verwendet. Korrosionsbeständigkeit wird durch Ni, Cr und Cu erhöht. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

16 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EIGENSCHAFTEN VON GRAUEN UND WEIßEN GUSSEISEN Die Gießbarkeitsattribute der Gusseisen wird durch die Zusammensetzung bedeutend beeinflusst. Gusseisen mit eutektischer Zusammensetzung besitzen das optimale Fließvermögen und die beste Formfüllbarkeit. Das Schrumpfen des grauen Gusseisens ist wesentlich kleiner, da die Graphitausscheidung in ansteigendem Volumen resultiert. Das Schrumpfen des grauen Gusseisens beträgt 0,5-1, 2%, und das von dem weißen Gusseisen beträgt 1,5-2,0%. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

17 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
EIGENSCHAFTEN VON GRAUEN UND WEIßEN GUSSEISEN Weißes Gusseisen ist hart, spröde, bricht schnell, ist nicht zerspanbar, und wird somit in Konstruktionen, wo ein gewisses Maß an Zähigkeit notwendig ist, von einigen Ausnahmen abgesehen nicht verwendet. Bei der Verwendung wird danach bestrebt, dass nur die Oberfläche, die Schwarte des Gussstückes eine weiße Bruchfläche besitzt, und der Kern eine graue. Diese Legierungen werden Hartgussstücke genannt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

18 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß Die Grobstruktur des grauen Gusseisens unterscheidet sich von der Grobstruktur des Stahles nur in dem, dass sie neben Perlit auch Graphit enthält. Der Massenanteil von Graphit beträgt in Gusseisen 2-3 Prozent, und der Volumenanteil, wenn man die spezifische Gewichte auch betrachtet, ungefähr 10 Prozent. Abbildung 4 zeigt die mögliche Verteilung und die Lamellenform des Graphits. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

19 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß Abbildung zeigt die mögliche Verteilung und die Lamellenform des Graphits. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

20 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Eigenschaften von Graphit, Nachteile Die Festigkeit des Graphits beträgt nur ca. 120 N/mm2. Graphit verringert aber die Festigkeit des Gusseisens nicht nur proportional nach dem Volumen, sondern wird die Grundstruktur durch die einkerbungsartigen Graphitlamellen spröder. Das graue Gusseisen ist wegen der niedrigen Präsenz des Graphites sehr zäh. Das graue Gusseisen bricht spröde, fast ohne Dehnung. Die Reißfestigkeit beträgt N/mm2. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

21 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Eigenschaften von Graphit, Vorteile wertvolle Eigenschaften, die bei der Verwendung als Strukturmaterialen vorteilhaft sind: Niedrige Anfälligkeit bei Kerbungen. Die Gusseisen sind auf äußere Einkerbungen nicht anfällig. die Ermüdungsgrenzen der ebenen und eingekerbten Probekörpern sind beinahe identisch. die sehr gute Schwingungsdämpfungseigenschaften: das graue Gusseisen ist eines der besten schwingungsdampfenden Materialen. Die Schwingungen werden durch die im Grundmaterial eingebetteten Graphitlamellen aufgenommen. Deswegen sind sie für Wekzeugmaschinengerüste und Motoren hervorragend verwendbar. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

22 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Eigenschaften von Graphit, Vorteile Hohe Druckfestigkeit. Gute Verschleißfestigkeit. Graphit erörtert eine schmierstoffspeichernde Wirkung. Für die Verwitterungsbeständigkeit ist die Perlitbasis am meisten geeignet. das Vorhandensein des Phosphideutektikums steigert die Verschleißfestigkeit. Zufolge dessen ist das graue Gusseisen sehr gut geeignet um Teile herzustellen, die hohem Verschleiß ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Lagern, Zylinderbuchsen oder Bremsklötze. Sie sind gut zerspanbar. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

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GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Die Festigkeitseigenschaften der Gusseisen können hauptsätzlich durch das Regulieren der Form, der Verteilung, der Größe und der Menge des Graphits verbessert werden. Die in der industriellen Praxis verwendeten Methoden sind die Folgenden: Überhitzen des flüssigen Eisens mit ungefähr 100°C. Das Überhitzen bringt sehr viele in der Flüssigkeit vorhandene Graphitansätze in die Lösung. Dadurch erhöht sich die Unterkühlbarkeit des Gusseisens außerdem verringert sich die Kristallisierungstemperatur des Graphits. Das bei niedrigerer Temperatur kristallisierende Graphit wird kleiner und feiner. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

24 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Die Modifizierung ist eine sehr wirksame Methode der Verfeinerung der Graphitverteilung. Modifizierung besteht daraus, dass zu dem flüssigen Gusseisen unmittelbar nach dem Auslass FeSi und CaSi (Kalziumsilizid) im Kessel verabreicht wird. Diese erhöhen als Kristallisierungsmittelpunkte die Anzahl der Kristallansätze (Körnchen), und somit scheidet Graphit in Form von feinen Kristallen aus. Durch die Modifizierung kann die Festigkeit des Gusseisens erheblich verbessert werden. Die erreichbare Reißfestigkeit beträgt N/mm2. Eine bedeutsame Dehnung oder Plastizität besitzt das modifizierte Gusseisen aber nicht. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

25 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Eine höhere Festigkeit und vor Allem größere Dehnung kann durch das Verändern des Forms des Graphits erreicht werden. Wenn man zu dem flüssigen Gusseisen unmittelbar vor dem Gießen einige zehntel Prozent Magnesium oder Cäsium verabreicht, dann kristallisiert sich Graphit in Schichten mit abgerundeten Kanten oder Kugelförmig. Die kugelförmiges Graphit enthaltenden Gusseisen werden Gusseisen mit Kugelgraphit oder Sphäroguss genannt. Gusseisen, die Graphit in Form von Lamellen mit abgerundeten Kanten beinhalten werden Gusseisen mit Vermiculargraphit, Wurmgraphit oder Übergangsgusseisen genannt, weil dieses Erscheinungsbild von Graphit einen Übergang zwischen Lamellen- und Kugelgraphit darstellt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

26 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Kugelgraphit und Vermiculargraphit MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

27 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Die Festigkeitsattribute des Gusseisens mit Kugelgraphit übersteigen diese des grauen Gusseisens beträchtlich. Die Reißfestigkeit beträgt N/mm2, die Dehnung 2-10%, die Schlagzugzähigkeit mN/cm. Die Festigkeitsattribute lassen sich durch Veredelung, Härten und Temperieren weiter verbessern. Die Fließgrenze des Gusseisens mit Kugelgraphit ist vorteilhaft hoch. Während die Fließgrenze der Kohlenstoffstähle Re0,2 = (0, 5-0,6)Rm ist, beträgt das der Gusseisen mit Kugelgraphit Re0,2 = (0, 7- 0, 8)Rm . Die Verschleißbeständigkeit des Gusseisens mit Kugelgraphit ist sehr gut, besser als das der grauen Gusseisen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

28 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
GRAUGUß: Erhöhung der Festigkeit Die Schwingungsdämpfungseigenschaften sind geringer. Das Sphärogusseisen ist gut gießbar. Schrumpfen ist größer als die des grauen Gusseisens. Die Formung benötigt größere Sorgfältigkeit. Es ist Ausgezeichnet verwendbar zur Produktion von Legierungen die durch enormen inneren Druck beansprucht werden (Ventilgehäuse), von einigermaßen Zähen Maschinenteilen mit hohen Fließgrenzen, Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen (Zahnräder, Schalter, Lager, und Büchsen usw.) und dauerhafter Belastung ausgesetzte Teile (Kurbelwellen). MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

29 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
Hartgusstücke Die Oberfläche der Hartgusstücke verfügt über eine zementit- und ledeburithaltige Struktur, das Innere, der Kern hat eine graue Bruchfläche. Die zementit- und ledeburithaltige Schicht auf der Oberfläche sichert die Härte, Verschleißbeständigkeit, der Kern die Zähigkeit der Legierung. Die Zementit-Ledeburitschicht wird mittels schnellen Abkühlens erzeugt. Z.B.: durch das Einbauen von Metallformen, Kühleisen in die Form. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

30 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
Hartgusstücke Auf der Abbildung werden die bei dem verschiedenen Durchmesser gemessenen Härtewerte eines Hartgusszylinders dargestellt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

31 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
Hartgusstücke Die Schwarte schrumpft bei dem Abkühlen der Übergangsschicht und des grauen Kerns unterschiedlich, und somit verbleiben aus dem unterschiedlichen Abkühlen bedeutende Spannungen in der Legierung vorhanden. Die Umstände des Abkühlens muss man sehr sorgfältig auswählen, nicht dass sich durch die verbliebenen Spannungen Risse in der Legierung bilden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

32 Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Gußeisen
Hartgusstücke Die Schwarte schrumpft bei dem Abkühlen der Übergangsschicht und des grauen Kerns unterschiedlich, und somit verbleiben aus dem unterschiedlichen Abkühlen bedeutende Spannungen in der Legierung vorhanden. Die Umstände des Abkühlens muss man sehr sorgfältig auswählen, nicht dass sich durch die verbliebenen Spannungen Risse in der Legierung bilden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität