Teil I. Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit

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1 Teil I 1 Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit

2 1 Werkstoffübersicht 1 Werkstoffübersicht 3 Gußeisen hat über sehr lange Zeit hinweg neben seiner Preiswürdigkeit kaum mehr an Gebrauchswerteigenschaften zu bieten als mäßige Festigkeit und gute Gießbarkeit. Für spezielle Anwendungen sind einige besondere Eigenschaften interessant, z.b. Dämpfung, Verschleißfestigkeit, Notlaufeigenschaften, die Kombination von Elastizitätsmodul und Wärmeleitfähigkeit bei wärmebeanspruchten Teilen und eine ausgezeichnete Druckfestigkeit. Bei auf Zug oder Biegung belasteten Bauteilen ist der Einsatz von Gußeisen schon problematisch. Es lassen sich zwar beachtliche Zugfestigkeiten realisieren, aber Gußeisen bricht spröde, d.h. ohne vorhergehende nennenswerte plastische Verformung. Plastische Verformung vor einem Bruch bedeutet aber Sicherheit. Dieses spröde Bruchverhalten des Gußeisens ist für den Konstrukteur unerwünscht. Wo hohe Zug-, Biege- und insbesondere mehrachsige Beanspruchungen, unter Umständen auch noch wechselnd, sicher ertragen werden müssen, da mußten elastoplastische Werkstoffe eingesetzt werden, also Stahl. Verursacht wird das spröde Bruchverhalten des Gußeisens von dem im Schliffbild als lamellenförmige Einlagerungen sichtbaren Graphit (Bild 1.1). Die Schwächung der metallischen Matrix durch die räumlichen Gebilde des Lamellengraphits wäre sehr viel geringer, wenn es gelänge, den Graphit in kompakter, möglichst ideal kugeliger Form auszubilden (Bild 1.2). Bild 1.1: Gußeisen mit Lamellengraphit, 100:1 Bild 1.2: Gußeisen mit Kugelgraphit, 100:1

3 4 Teil I Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit Dies gelang relativ sicher vor rund 55 Jahren. Die Anfänge dieser Entdeckung lagen im Dunkeln und sind mit vielen Namen verbunden, vor allem aber mit C. Adey. Er stellte bedeutsame Untersuchungen an, die 1938 in einer Patentanmeldung gipfelten [2]. Aber erst als es im Jahr 1948 A. P. Gagnebin, K. D. Millis und N. B. Pilling [3] in den USA sowie H. Morrogh und W. J. Williams [4] in England gelang, die Kristallisation des Graphits im Gußeisen durch Zugabe von Magnesium und Cer so sicher zu beeinflussen, daß dieser nahezu in idealer, fein verteilter Kugelform vorlag, wurde aus dem Grauguß genannten Gußeisen mit Lamellengraphit das hochinteressante Gußeisen mit Kugelgraphit. Nach DIN 1693 [1] ist Gußeisen mit Kugelgraphit eine Eisen-Kohlenstoff-Silicium-Legierung, deren als Graphit vorliegender Kohlenstoffanteil nahezu vollständig in weitgehend kugeliger Form auftritt. Die innere Kerbwirkung der kugeligen Graphiteinschlüsse ist gegenüber dem Lamellengraphit im normalen Grauguß sehr gering, so daß die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes in großem Maß durch die Art und Ausbildung des Grundgefüges bestimmt werden. Die verschiedenen Sorten werden auf Grund ihrer Mindestzugfestigkeit festgelegt. So werden Zugfestigkeiten von 700 N/mm 2 bei einer 0,2%-Dehngrenze von 400 N/mm 2 und Bruchdehnungswerten von 1 bis 2% bei unlegierten Sorten im Gußzustand erreicht. Deshalb kann die Meinung vertreten werden, daß sich im Gußeisen mit Kugelgraphit die Vorzüge des Stahlgusses mit jenen des Graugusses vereinigen. Es hat eine dem Stahl ähnliche Streck- bzw. Dehngrenze und Bruchdehnung, verbunden mit hoher Zugfestigkeit, gutem Dämpfungsvermögen und außergewöhnlich guter Bearbeitbarkeit; normales Gußeisen mit Lamellengraphit besitzt dagegen praktisch keine Dehnung. Außerdem ist gegenüber Grauguß die Zugfestigkeit (und ebenso auch die Dehngrenze) fast wanddickenunempfindlich. Das optimale Preis-Leistungs-Verhältnis ist neben den günstigen Werkstoffeigenschaften eine der Triebkräfte für das dynamische Wachstum der Produktion von Gußeisen mit Kugelgraphit. Die Bilder 1.3 und 1.4 zeigen diese Entwicklung am Beispiel einer jüngsten Studie aus den USA [5]. In DIN 1693, Blatt 1 für Eigenschaften an getrennt gegossenen Probestäben sind fünf Normalsorten und zwei Sorten mit gewährleisteter Kerbschlagarbeit genormt (Tafel 1.1). DIN 1693, Teil 2 (Tafel 1.2) legt Eigenschaften im angegossenen Probestück in Abhängigkeit von der maßgeblichen Wanddicke des Gußstückes fest. Angegossene Probestücke lassen eine bessere Aussage über die Eigenschaften der im Geltungsbereich angegebenen Gußstücke zu als getrennt gegossene Proben. Im laufenden Prozeß der europäischen Normenharmonisierung liegt auch für Gußeisen mit Kugelgraphit ein Normenentwurf pren 1563 vor. Da sich die Werkstoffbezeichnungen in DIN EN 1563 gegenüber der DIN 1693 grundlegend ändern werden, sind in Tafel 1.3 die zukünftigen Bezeichnungen nach DIN EN 1563 den derzeit gültigen Bezeichnungen nach DIN 1693 vergleichend gegenübergestellt.

4 1 Werkstoffübersicht 5 Schweißkonstruktion Herstellungskosten Gußteil Steigende Komplexität Bild 1.3: Kostenvergleich zwischen herkömmlich gefertigten und gegossenen Bauteilen (nach [5]) % Wachstum Millionen Tonnen Bild 1.4: Weltweites Wachstum von Gußeisen mit Kugelgraphit bis zum Jahr 2000 (nach [5]) GGG-40 GGG-50 GGG-60 GGG-70 GGG-80 GGG-35.3 GGG Gewährleistete Eigenschaften an getrennt gegossenen Probestücken Kurzzeichen Werkstoffnummer Zugfestigkeit 0,2%- Dehngrenze Bruchdehnung Kerbschlagarbeit Mittelwert aus drei Proben (DMV-Proben) Einzelwert N/mm 2 N/mm 2 % J J bei 40 C 14 bei 20 C 11 bei 40 C 11 bei 20 C Gefüge (Anhaltsangabe) vorwiegend ferritisch ferritisch/perlitisch perlitisch/ferritisch vorwiegend perlitisch perlitisch *) Besonders bei Wanddicken über 50 mm und kompakten Gußstücken empfehlen sich Vereinbarungen zwischen Hersteller und Verbraucher; siehe auch DIN 1693, Teil 3. Tafel 1.1: Gußeisen mit Kugelgraphit nach DIN 1693, Blatt 1 [1]

5 6 Teil I Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit Sorte nach DIN 1693 Teil 1 Kurzzeichen Maßgebliche Wanddicke des Gußstückes Werkstoffnummer mm mm GGG von über GGG von über GGG von über GGG von über GGG von über Sorte GGG 40 GGG 50 GGG 60 GGG Dicke des angegossenen Probestückes Zugfestigkeit R m N/mm ,2%- Dehngrenze R p0,2 N/mm 2 Die Kurzbezeichnung lautet für Gußeisen mit Kugelgraphit: GGG = gegossen Gußeisen globular. Eine Reihe weiterer Namen, wie z. B. Kugelgraphitguß, duktiles Gußeisen, sphärolithisches Gußeisen, Sphäroguß, bezeichnen keine Sondersorten, sondern die gleiche Werkstoffgruppe. Als duktiles Gußeisen wird in der Regel Gußeisen mit Kugelgraphit bei Schleudergußrohren nach DIN bezeichnet, (Europäische Normen EN 545 Ductile iron pipes, fittings, accessories and their joints for water pipelines Requirements and test methods EN 598 Ductile iron pipes, fittings, accessories and their joints for sewerage application Requirements and test methods EN 969 Ductile iron pipes, fittings, accessories and their joints for gas pipelines Requirements and test methods für Schleudergußrohre aus Gußeisen mit Kugelgraphit sind in Arbeit). Neuerdings ist dieser Ausdruck auch gemeinsamer Oberbegriff für Gußeisen mit Kugelgraphit und Temperguß. Sphäroguß ist ein gesetzlich geschützter Handelsname. Im Angelsächsischen wird Gußeisen mit Kugelgraphit Ductile Cast Iron, Nodular Cast Iron oder SG (Spheriodal Graphite) Cast Iron genannt. Die in DIN 1693 genannten Anhaltsangaben für das Grundgefüge sind beispielhaft in Bild 1.5 dargestellt. Dabei handelt es sich um Grundgefüge im Gußzustand von Gußstücken mit mittlerer Wanddicke (60 bis 200 mm) A s % Kerbschlagarbeit (DVM-Proben) 20 C A Mittel aus 3 Proben J Einzelwert 11 9 Bruchdehnung Anhaltsangabe Gefüge vorwiegend ferritisch vorwiegend ferritisch ferritisch/ perlitisch perlitisch/ ferritisch vorwiegend perlitisch Anhaltswerte für die 0,2%-Dehngrenze in N/mm 2 () bei Wanddicken bis 50 mm >50 bis 80 mm >80 bis 120 mm >120 bis 200 mm Tafel 1.2: Gußeisen mit Kugelgraphit nach DIN 1693, Teil 2, Eigenschaften im angegossenen Probestück [1]

6 1 Werkstoffübersicht GGG 40 (ca. 100% Ferrit), 100:1 GGG 70 (ca. 95% Perlit), 300:1 GGG 50 (ca. 70% Ferrit), 100:1 Bild 1.5: Grundgefüge (metallische Matrix) von Gußeisen mit Kugelgraphit, geätzt mit Salpetersäure 7

7 8 Teil I Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit pren 1563 DIN 1693 Bezeichnung Nummer Bezeichnung Wst.-Nr. nach dcn Eigenschaften in getrennt gegossenen Probestücken EN-GJS LT EN-JS1015 GGG EN-GJS RT EN-J51014 (GGG ) EN-GJS EN-JS1010 (GGG ) EN-GJS LT EN-JS1025 GGG EN-GJS RT EN-JS1024 (GGG ) EN-GJS EN-JS1020 (GGG ) EN-GJS EN-JS1030 GGG EN-GJS EN-JS1040 EN-GJS EN-JS1050 GGG EN-GJS EN-JS1060 GGG EN-GJS EN-JS1070 GGG EN-GJS EN-JS1080 GGG EN-GJS EN-JS1090 nach den Eigenschaften in angegossenen Probestücken EN-GJS U-LT EN-JS1019 EN-GJS U-RT EN-JS1029 EN-GJS U EN-JS1039 EN-GJS U-LT EN-JS1049 GGG EN-GJS U-RT EN-JS1059 (GGG ) EN-GJS U EN-JS1069 (GGG ) EN-GJS U EN-JS1079 GGG EN-GJS-500-7U EN-JS1089 GGG EN-GJS-600-3U EN-JS1099 GGG EN-GJS-700-2U EN-JS1109 GGG nach Härtewerten EN-GJS-HB130 EN-JS2010 (GGG ) EN-GJS-HB150 EN-JS2020 (GGG ) EN-GJS-HB155 EN-JS2030 (GGG ) EN-GJS-HB185 EN-JS2040 (GGG ) EN-GJS-HB200 EN-JS2050 (GGG ) EN-GJS-HB230 EN-JS2060 (GGG ) EN-GJS-HB265 EN-JS2070 (GGG ) EN-GJS-HB300 EN-JS2080 (GGG ) EN-GJS-HB330 EN-JS2090 Tafel 1.3: Vergleich der Bezeichnung der Sorten des Gußeisens mit Kugelgraphit nach pren 1563 [6] und DIN 1693 [1] Schrifttum zu 1 [1] DIN 1693 Blatt 1, Oktober 1973 und Teil 2, Oktober 1977 [2] Piwowarski, E.: Hochwertiges Gußeisen, Springer-Verlag 1958, S. 209 [3] Gagnebin, K.D.; K. Millis; N.B. Pilling: The Iron Age (1949) S [4] Morrogh, H. J.; W. J. Williams: Modern Castings 63 (1973) Nr. 5, S. 11 [5] QIT: Ductile Iron Data 1990 [6] pren 1563: 1994

8 2 Herstellung 2 Herstellung Gefüge und Eigenschaften Gußeisen mit Kugelgraphit ist ein Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoff, in dem der Kohlenstoff in drei Erscheinungsformen auftritt: in gebundener Form als Carbid Fe 3 C (Zementit) entsprechend dem metastabilen System (Bild 2.1, oben) beim Vorliegen von Perlit und bei evtl. Weißerstarrung, als freier Kohlenstoff (Graphit) in vorwiegend kugelförmiger Ausbildung entsprechend dem stabilen System (Bild 2.1, unten) bei Grauerstarrung, als gelöster Kohlenstoff im γ- und α-mischkristall.. Der Graphit besitzt nach Bild 2.2 hexagonalen Schichtgitteraufbau, bei dem je sechs C-Atome der gleichen Gitterebene ein regelmäßiges Sechseck bilden und dabei über der Mitte jedes Sechseckes der einen Ebene ein C-Atom der benachbarten Schichtebene liegt [4]. Neben der Ausbildung der Kugelform können weitere verschiedene Graphitformen und -anordnungen entstehen, z. B. Lamellengraphit (A-Graphit), Rosettengraphit (B- Graphit), Primär- oder Garschaumgraphit (C-Graphit), verschiedene Formen von Temperkohle sowie Graphitentartungen. Die weitaus wichtigere Rolle für die Eigenschaften von Gußeisen mit Kugelgraphit spielt das metallische Grundgefüge, welches aus Ferrit oder Perlit oder aus einer Mischung von beiden Gefügearten bestehen kann. Außerdem kommt es in technischen Gußteilen infolge unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten vor, daß nicht aller Kohlenstoff in freier Form als Graphit vorliegt, sondern auch Zementit im Gefüge vorhanden ist. Ferrit ist die Bezeichnung für den α-mischkristall im stabilen System Fe-C. Das untere Teilbild 2.1 stellt das stabile System dar. Der gesamte Kohlenstoff wird bei der Erstarrung als Graphit ausgeschieden, das Eutektikum wird als Graphiteutektikum bezeichnet. Bei weiterer Abkühlung scheidet sich Sekundärgraphit aus dem Austenit aus, der sich am Graphit anlagert und von diesem nicht zu unterscheiden ist. Der Austenit unterliegt einem eutektoiden Zerfall in Ferrit und Graphit. Ferrit ist daher ein praktisch kohlenstofffreies Eisen, das nur relativ niedrige Härte besitzt. Perlit ist der im metastabilen System (oberes Teilbild 2.1) aus dem Austenit entstandene eutektoide Gefügebestandteil. Dieser eutektoide Zerfall des Austenits in Perlit erfolgt bei 723 C (A 1 -Temperatur). Der Perlit besteht aus α-mischkristall (Ferrit) und Eisencarbid Fe 3 C (Zementit). Die eutektoide Konzentration beträgt 0,8% C. In einem perlitischen Gefüge im Gußzustand ist der Zementit innerhalb des Ferrits lamellenförmig eingelagert. Bild 2.3 gibt dafür ein Beispiel. Durch Weichglühen läßt sich der lamellare Zementit kugelig einformen, sofern der Zementit des Perlits so stabilisiert wird, daß er nicht zu Graphit und Ferrit zerfällt.

9 10 Teil I Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit Bild 2.1: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm; oben: metastabiles System, unten: stabiles System [7] Die beiden für Gußeisen möglichen Arten der eutektischen Estarrung und damit die Voraussetzung zur jeweiligen Gefügebildung sind in Bild 2.4 schematisch dargestellt. Bei höherer Abkühlgeschwindigkeit kann das Eisen bis unter die Temperatur des metastabilen Systems Eisen-Zementit abkühlen, so daß sich Eisencarbid (Fe 3 C) zu bilden vermag; dies trifft vor allem in dünneren Querschnitten und an Gußstückkanten zu (sog. Kantenhärte infolge Carbidausscheidung). Wird bei der eutektischen Re-

10 2 Herstellung 11 Bild 2.2: Schichtgitteraufbau des Graphits [4] aktion viel Wärme frei, kann die Temperatur der Restschmelze wieder über die eutektische Temperatur des metastabilen Systems steigen und Grauerstarrung auslösen (Bild 2.5). Das Ergebnis ist ein meliertes, weiß-grau erstarrtes Gefüge (Bild 2.8). Bleibt es jedoch bei der Weißerstarrung unterhalb der eutektischen Temperatur des metastabilen Systems (Bild 2.6), erhält man das Gefüge eines typisch weißen Gußeisens (Bild 2.9). Carbide können auch erst später, gegen Ende des Erstarrungsvorganges, gebildet werden. Mit fortschreitender eutektischer Erstarrung wird in der Regel genügend Wärme frei, um die Temperatur anzuheben (Rekaleszenz), aber gegen Ende der Erstarrung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab, und die Temperatur beginnt wieder zu fallen. Dabei kann es vorkommen, daß die verbleibende Restschmelze unter die eutektische Temperatur des metastabilen Systems abkühlt und Carbide gebildet werden (Bild 2.7). Sie bauen sich an den Grenzen der bereits gewachsenen eutektischen Körner auf (Bild 2.10) und werden als Korngrenzencarbide bezeichnet. Bild 2.3: Zementitlamellen des Perlits, 300:1, geätzt HNO 3, Lamellenabstand 0,34 μm