Gusseisenist eine Gruppe von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %.Seine Nützlichkeit ergibt sich aus seiner relativ niedrigen Schmelztemperatur.Die Legierungsbestandteile beeinflussen die Farbe beim Bruch: Weißes Gusseisen weist Karbidverunreinigungen auf, die Risse ungehindert passieren lassen, graues Gusseisen weist Graphitflocken auf, die einen vorbeiziehenden Riss ablenken und unzählige neue Risse erzeugen, wenn das Material bricht, und duktiles Gusseisen ist kugelförmig Graphitknötchen, die das weitere Fortschreiten des Risses verhindern.

Kohlenstoff (C) im Bereich von 1,8 bis 4 Gew.-% und Silizium (Si) mit 1–3 Gew.-% sind die Hauptlegierungselemente von Gusseisen.Eisenlegierungen mit geringerem Kohlenstoffgehalt werden als Stahl bezeichnet.

Gusseisen neigt dazu, spröde zu sein, mit Ausnahme von Temperguss.Mit seinem relativ niedrigen Schmelzpunkt, seiner guten Fließfähigkeit, Gießbarkeit, hervorragenden Bearbeitbarkeit, Verformungs- und Verschleißfestigkeit ist Gusseisen zu einem technischen Werkstoff mit einem breiten Anwendungsspektrum geworden und wird in Rohren, Maschinen und Teilen der Automobilindustrie, wie z. B. Zylindern, verwendet Köpfe, Zylinderblöcke und Getriebegehäuse.Es ist resistent gegen Oxidationsschäden.

Die frühesten gusseisernen Artefakte stammen aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. und wurden von Archäologen im heutigen Jiangsu in China entdeckt.Gusseisen wurde im alten China für Kriegsführung, Landwirtschaft und Architektur verwendet.Im 15. Jahrhundert wurde Gusseisen in Burgund, Frankreich und während der Reformation in England für Kanonen verwendet.Die für Kanonen verwendeten Mengen an Gusseisen erforderten eine Produktion in großem Maßstab. Die erste gusseiserne Brücke wurde in den 1770er Jahren von Abraham Darby III gebaut und ist in Shropshire, England, als „The Iron Bridge“ bekannt.Gusseisen wurde auch beim Bau von Gebäuden verwendet.

Legierungselemente

Die Eigenschaften von Gusseisen werden durch die Zugabe verschiedener Legierungselemente bzw. Legierungsmittel verändert.Neben Kohlenstoff ist Silizium das wichtigste Legierungselement, da es Kohlenstoff aus der Lösung verdrängt.Ein geringer Anteil an Silizium ermöglicht es, dass Kohlenstoff in Lösung bleibt und Eisenkarbid bildet und weißes Gusseisen entsteht.Ein hoher Siliziumanteil verdrängt Kohlenstoff aus der Lösung, wodurch Graphit entsteht und Grauguss entsteht.Andere Legierungsmittel, Mangan, Chrom, Molybdän, Titan und Vanadium, wirken Silizium entgegen, fördern die Kohlenstoffretention und die Bildung dieser Karbide.Nickel und Kupfer erhöhen die Festigkeit und Bearbeitbarkeit, verändern jedoch nicht die Menge des gebildeten Graphits.Der Kohlenstoff in Form von Graphit führt zu einem weicheren Eisen, verringert die Schrumpfung, verringert die Festigkeit und verringert die Dichte.Schwefel, wenn vorhanden, größtenteils eine Verunreinigung, bildet Eisensulfid, das die Bildung von Graphit verhindert und die Härte erhöht.Das Problem mit Schwefel besteht darin, dass er geschmolzenes Gusseisen zähflüssig macht, was zu Defekten führt.Um den Auswirkungen von Schwefel entgegenzuwirken, wird Mangan zugesetzt, da sich beide zu Mangansulfid und nicht zu Eisensulfid bilden.Das Mangansulfid ist leichter als die Schmelze und neigt daher dazu, aus der Schmelze in die Schlacke zu schwimmen.Die zur Neutralisierung von Schwefel erforderliche Manganmenge beträgt 1,7 × Schwefelgehalt + 0,3 %.Wenn mehr als diese Menge Mangan hinzugefügt wird, bildet sich Mangankarbid, das die Härte und die Abschreckung erhöht, außer bei Grauguss, wo bis zu 1 % Mangan die Festigkeit und Dichte erhöhen.

Nickel ist eines der häufigsten Legierungselemente, da es die Perlit- und Graphitstruktur verfeinert, die Zähigkeit verbessert und Härteunterschiede zwischen Abschnittsdicken ausgleicht.Chrom wird in kleinen Mengen hinzugefügt, um freien Graphit zu reduzieren, Abkühlung zu erzeugen und weil es ein starker Karbidstabilisator ist;Nickel wird oft in Verbindung hinzugefügt.Als Ersatz für 0,5 % Chrom kann eine kleine Menge Zinn zugesetzt werden.Kupfer wird in der Pfanne oder im Ofen in einer Größenordnung von 0,5–2,5 % hinzugefügt, um die Abkühlung zu verringern, Graphit zu verfeinern und die Fließfähigkeit zu erhöhen.Molybdän wird in der Größenordnung von 0,3–1 % hinzugefügt, um die Abkühlung zu erhöhen und die Graphit- und Perlitstruktur zu verfeinern;Es wird oft in Verbindung mit Nickel, Kupfer und Chrom zugesetzt, um hochfestes Eisen zu bilden.Titan wird als Entgaser und Desoxidationsmittel zugesetzt, erhöht aber auch die Fließfähigkeit.Dem Gusseisen werden 0,15–0,5 % Vanadium zugesetzt, um Zementit zu stabilisieren, die Härte zu erhöhen und die Verschleiß- und Hitzebeständigkeit zu erhöhen.0,1–0,3 % Zirkonium tragen zur Bildung von Graphit, zur Desoxidation und zur Erhöhung der Fließfähigkeit bei.

In Tempergussschmelzen wird Wismut in einer Größenordnung von 0,002–0,01 % zugesetzt, um die Menge an Silizium zu erhöhen, die hinzugefügt werden kann.Dem Weißguss wird Bor zugesetzt, um die Herstellung von formbarem Eisen zu unterstützen;es reduziert auch die Vergröberungswirkung von Wismut.

Graues Schmiedeeisen

Grauguss zeichnet sich durch seine graphitische Mikrostruktur aus, die dazu führt, dass Brüche des Werkstoffs grau erscheinen.Es ist das am häufigsten verwendete Gusseisen und gemessen am Gewicht das am häufigsten verwendete Gussmaterial.Die meisten Gusseisen haben eine chemische Zusammensetzung von 2,5–4,0 % Kohlenstoff, 1–3 % Silizium und dem Rest Eisen.Grauguss hat eine geringere Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit als Stahl, aber seine Druckfestigkeit ist vergleichbar mit Stahl mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt.Diese mechanischen Eigenschaften werden durch die Größe und Form der in der Mikrostruktur vorhandenen Graphitflocken gesteuert und können gemäß den Richtlinien der ASTM charakterisiert werden.

Weißes Gusseisen

Weißes Gusseisen weist aufgrund des Vorhandenseins einer Eisenkarbidausfällung namens Zementit weiße Bruchflächen auf.Bei einem geringeren Siliziumgehalt (Graphitisierungsmittel) und einer schnelleren Abkühlgeschwindigkeit fällt der Kohlenstoff im weißen Gusseisen aus der Schmelze als metastabile Phase Zementit, Fe, aus₃C statt Graphit.Der aus der Schmelze ausfallende Zementit bildet relativ große Partikel.Wenn das Eisenkarbid ausfällt, entzieht es der ursprünglichen Schmelze Kohlenstoff und bewegt die Mischung in eine Phase, die näher am Eutektikum liegt. Die verbleibende Phase ist der Austenit mit niedrigerem Eisen-Kohlenstoffgehalt (der sich beim Abkühlen in Martensit umwandeln könnte).Diese eutektischen Karbide sind viel zu groß, um den Vorteil der sogenannten Ausscheidungshärtung zu bieten (wie bei einigen Stählen, wo viel kleinere Zementitausscheidungen die [plastische Verformung] hemmen könnten, indem sie die Bewegung von Versetzungen durch die reine Eisenferritmatrix behindern).Vielmehr erhöhen sie allein aufgrund ihrer eigenen sehr hohen Härte und ihres erheblichen Volumenanteils die Rohhärte des Gusseisens, so dass die Rohhärte durch eine Mischungsregel angenähert werden kann.In jedem Fall bieten sie Härte auf Kosten der Zähigkeit.Da Karbid einen großen Anteil des Materials ausmacht, könnte weißes Gusseisen durchaus als Cermet klassifiziert werden.Weißes Eisen ist zu spröde für den Einsatz in vielen Strukturbauteilen, aber mit guter Härte und Abriebfestigkeit und relativ geringen Kosten findet es Verwendung in Anwendungen wie den Verschleißflächen (Laufrad und Spiralgehäuse) von Schlammpumpen, Mantelauskleidungen und Hebestangen in Kugelform Mühlen und autogene Mahlmühlen, Kugeln und Ringe in Kohlemühlen und die Zähne eines Baggerlöffels (obwohl für diese Anwendung gegossener martensitischer Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt häufiger verwendet wird).

Es ist schwierig, dicke Gussteile schnell genug abzukühlen, um die Schmelze durchgehend als weißes Gusseisen zu verfestigen.Durch schnelles Abkühlen kann jedoch eine Schale aus weißem Gusseisen erstarren, woraufhin der Rest langsamer abkühlt und einen Kern aus grauem Gusseisen bildet.Der resultierende Guss, genannt agekühlter Guss, hat die Vorteile einer harten Oberfläche mit einem etwas härteren Inneren.

Weißeisenlegierungen mit hohem Chromgehalt ermöglichen den Sandguss massiver Gussteile (z. B. eines 10-Tonnen-Laufrads), da das Chrom die Abkühlgeschwindigkeit verringert, die zur Erzeugung von Karbiden durch die größeren Materialdicken erforderlich ist.Chrom erzeugt auch Karbide mit beeindruckender Abriebfestigkeit.Diese Legierungen mit hohem Chromgehalt verdanken ihre überlegene Härte dem Vorhandensein von Chromkarbiden.Die Hauptform dieser Karbide ist das Eutektikum oder primäre M₇C₃Karbide, wobei „M“ für Eisen oder Chrom steht und je nach Legierungszusammensetzung variieren kann.Die eutektischen Karbide bilden sich als Bündel hohler sechseckiger Stäbe und wachsen senkrecht zur sechseckigen Grundebene.Die Härte dieser Karbide liegt im Bereich von 1500–1800 HV.

Temperguss

Temperguss besteht zunächst aus weißem Gusseisen, das dann ein oder zwei Tage lang bei etwa 950 °C (1.740 °F) wärmebehandelt und dann ein oder zwei Tage lang abgekühlt wird.Dadurch wandelt sich der Kohlenstoff im Eisenkarbid in Graphit und Ferrit sowie Kohlenstoff (Austenit) um.Der langsame Prozess ermöglicht es der Oberflächenspannung, den Graphit zu kugelförmigen Partikeln statt zu Flocken zu formen.Aufgrund ihres geringeren Seitenverhältnisses sind die Sphäroide relativ kurz und weit voneinander entfernt und haben gegenüber einem sich ausbreitenden Riss oder Phonon einen geringeren Querschnitt.Sie haben im Gegensatz zu Lamellen auch stumpfe Grenzen, was die Spannungskonzentrationsprobleme bei Grauguss lindert.Im Allgemeinen ähneln die Eigenschaften von Temperguss eher denen von Weichstahl.Die Größe eines Teils, das aus Temperguss gegossen werden kann, ist begrenzt, da es aus weißem Gusseisen besteht.

Sphäroguss