Der Begriff Gusseisen bezeichnet wie der Begriff Stahl eine große Familie von Eisenlegierungen. Gusseisen sind Mehrkomponenten-Eisenlegierungen. Sie enthalten Hauptelemente (Eisen, Kohlenstoff, Silizium) und Nebenelemente (0,01%).
Gusseisen hat einen höheren Kohlenstoff- und Siliziumgehalt als Stahl. Aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts weist die Struktur von Gusseisen im Gegensatz zu Stahl eine reiche Kohlenstoffphase auf. Je nach Zusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeit und Schmelzebehandlung kann Gusseisen nach dem thermodynamisch metastabilen Fe-Fe3C-System oder dem stabilen Fe-Gr-System erstarren.
Wenn der metastabile Pfad verfolgt wird, ist die reiche Kohlenstoffphase im Eutektikum das Eisenkarbid; Wenn der stabile Erstarrungspfad verfolgt wird, ist die reiche Kohlenstoffphase Graphit. Unter Bezugnahme nur auf das binäre Fe-Fe3C- oder Fe-Gr-System kann Gusseisen als Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit mehr als 2% C definiert werden. Wichtiger Hinweis ist, dass Silizium und andere Legierungselemente die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit (g) erheblich verändern können. Daher können Legierungen mit weniger als 2% C in Ausnahmefällen mit einer eutektischen Struktur erstarren und gehören daher immer noch zur Familie der Gusseisen.
Die Bildung von stabilem oder metastabilem Eutektikum ist eine Funktion vieler Faktoren, einschließlich des Keimbildungspotentials der Flüssigkeit, der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlgeschwindigkeit. Die ersten beiden Faktoren bestimmen das Graphitisierungspotential des Eisens. Ein hohes Graphitisierungspotential führt zu Eisen mit Graphit als reicher Kohlenstoffphase, während ein niedriges Graphitisierungspotential zu Eisen mit Eisenkarbid führt.
Die beiden Grundtypen der Eutektik – der stabile Austenit-Graphit oder das metastabile Austenit-Eisen-Carbid (Fe3C) – weisen große Unterschiede in ihren mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Duktilität auf. Daher besteht der grundlegende Umfang der metallurgischen Verarbeitung von Gusseisen darin, die Art, Menge und Morphologie des Eutektikums zu manipulieren, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Klassifizierung
Historisch gesehen basierte die erste Klassifizierung von Gusseisen auf seinem Bruch. Zunächst wurden zwei Arten von Eisen erkannt:
- Weißeisen: Weist eine weiße, kristalline Bruchfläche auf, weil ein Bruch entlang der Eisenkarbidplatten auftritt; es ist das Ergebnis einer metastabilen Erstarrung (Fe3C-Eutektikum)
- Graueisen: Zeigt eine graue Bruchfläche, weil ein Bruch entlang der Graphitplatten auftritt (Flocken); es ist das Ergebnis einer stabilen Erstarrung (Gr-Eutektikum).
Mit dem Aufkommen der Metallographie und mit zunehmendem Wissensstand über Gusseisen wurden andere Klassifikationen basierend auf mikrostrukturellen Merkmalen möglich:
- Graphitform: Lamellen- (Flocken-) Graphit (FG), Kugelgraphit (SG), verdichteter Graphit (Vermicular) (CG) und Tempergraphit (TG); Tempergraphit ergibt sich aus ? Festkörperreaktion (Formbarkeit.)
- Matrix: Ferritisch, perlitisch, austenitisch, martensitisch, bainitisch (austemperiert).
Diese Klassifizierung wird vom Bodengießer selten verwendet. Die am weitesten verbreitete Terminologie ist die kommerzielle. Eine erste Einteilung kann in zwei Kategorien vorgenommen werden:
- Gemeinsame gusseisen: Für allgemeine anwendungen, sie sind unlegiert oder niedrig legiert
- Spezielle gusseisen: Für spezielle anwendungen, in der regel hoch legiert.
Die Entsprechung zwischen kommerzieller und mikrostruktureller Klassifizierung sowie die endgültige Verarbeitungsstufe zur Gewinnung üblicher Gusseisen sind in Abb. 2.
Spezialgusseisen unterscheiden sich von den üblichen Gusseisen vor allem durch den höheren Gehalt an Legierungselementen (>3%), die Mikrostrukturen mit besonderen Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit fördern. Eine Klassifizierung der Haupttypen von Spezialgusseisen ist in Abb. 1.
Abb. 1. Klassifizierung von speziellem hochlegiertem Gusseisen
Abb.2. Grundlegende Mikrostrukturen und Verfahren zur Gewinnung handelsüblicher Gusseisen