Gusseisen mit Kugelgraphit
Sphäroguss GGG, Gusseisen mit Kugelgraphit besitzt stahl ähnliche mechanischen Eigenschaften.
Definition
Gusseisen ist eine Eisen-Kohlenstoff Legierung mit Kohlenstoffgehalt höher als 2,06%. Im Unterschied zum Stahl ist der Kohlenstoff in der Form vom nicht metallischen Grafit ausgeschieden. Die DIN 1693 bzw. DIN EN 1563 unterscheiden je nach der Grafitgeometrie drei Gusseisensorten: Gusseisen mit Lamelaren Grafit (GG), Gusseisen mit Vermicularen Grafit (GGV) und Gusseisen mit Kugelgrafit auch Sphäroguss genannt (GGG).
Durch Behandlung der Schmelze mit Magnesium wird die Form des Grafits beeinflusst. Die chemische Zusammensetzung des GGG liegt im Regel in folgender Größenordnung: Kohlenstoff: 3.4 bis 3.8%, Silicium 2.0 bis 3.0%, Mangan: 0.10 bis 0.60%, Schwefel: 0,003 bis 0.015%, Chrom Max 0.10%, Kupfer bei der perlitischen Sorten bis 1%.
Die Grundmasse kann je nach derer chemische Analyse aus Ferrit bis Perlit bestehen. Das Gefüge der metallischen Grundmasse ist gleich wie bei dem Stahl und kann auch wärmebehandelt werden. Durch Wärmebehandlung wie Härten,Glühen u.ä. können die Eigenschaften des Werkstoffes verändert werden.
Geschichte
Die ersten Berichte über Anwendung von GGG ähnliche Legierungen stammen aus der Ausgrabungen in China. Hier wurde GGG für Herstellung von landwirtschaftlichen Werkzeugen vor mehr als 2000 Jahren angewendet. In der Moderne Geschichte ist es erst im Jahre 1937 auf dem Gießereiinstitut der TU Aachen dem Dr. Adey durch Schmelzen in hoch basischen Tiegeln gelungen einem Gusseisen mit Kugelgrafit herzustellen. Fast gleichzeitig wurde auch Dr.Morrogh auf BCIRA in England mit Zugabe vom Cerium in die Eisenschmelze erfolgreich. Jedoch erst die Zufallsentdeckung vom Keith Millis über Wirksamkeit von Behandlung der Eisenschmelze mit Magnesium in Form von Vorlegierung mit Nickel auf INCO in USA im 1942 hat die industrielle Produktion ermöglicht. Trotzdem hatte es noch bis 1948 gedauert bis erste industrielle Herstellung vom GGG bei der Ford Mo-Co (Kurbelwellen) begann. Die Anwendung vom GGG wurde durch hohe Lizenzgebühren an INCO gehemmt. Erst die Entwicklung von Ferrosilicium-Magnesium Vorlegierung in Deutschland in Mitte des 50er Jahre hat die wirtschaftliche Herstellung des GGG ermöglicht. In folgenden Jahren wurden viele weiter Behandlungsverfahren entwickelt und mehre hundert von Verfahrenspatenten angemeldet. Neben den Vorlegierungen werden auch Verfahren, wo metallisches Magnesium direkt in die Schmelze zugegeben wird. Es sind z.b. Behandlung unter erhöhtem Druck (Autoklav), Fischer Konverter, Magnesiumpulver im Stahlmanteldraht und viele weitere Varianten. Es werden gegenwärtig ca 40-50% des GGG mit Zugabe von metallischem Magnesium produziert. Im Jahr 2003 wurde weltweit ca. 15 Mio.. t GGG Guss hergestellt. Davon waren ca 4 Mio t/Jahr für Herstellung von Gussrohren angewendet.
Herstellung
GGG Gussstücke werden in Gießereien produziert. Als Rohmaterial werden Stahlschrott, Roheisen, Ferrosilizium und Zusatzstoffe wie Kalk, Koks, Quarz Schotter u.ä. verwendet. Diese Einsatzstoffe werden meistens entweder in einem Elektroofen ( Induktionsofen, Lichtbogenofen) oder Kupolofen chargiert und geschmolzen. Während des Schmelzprozesses wird die chemische Analyse der Schmelze je nach Bedarf durch Zugabe von Legierungen (Ferrosilizium, Ferromangan, Nickel, Aufkohlungsmittel u.a. angepasst. Die Abstichtemperatur der Schmelze liegt zwischen 1480 und 1540°C. Durch das Einsatzmaterial können auch Stoffe (Elemente), welche die Bildung von Kugelgrafit erschweren oder sogar verunmöglichen gelangen. Typische Störelemente sind Blei, Arsen, Antimon, Chrom, Schwefel, Phosphor. Falls Schwefelgehalt in der Basisschmelze für ausgewählte Magnesiumbehandlung zu hoch ist, muss eine Entschwefelung durchgeführt werden. Der Schwefelgehalt in der Basisschmelze soll für Behandlung mit Vorlegierungen nicht höher als 0.025% sein. Die von der Schlacke befreite Schmelze wird dann vom Ofen in einem Behandlungsgefäß (Behandlungspfanne) überführt. In dem Behandlungsgafäss wird die Schmelze dann entweder mit einem Magnesiumvorlegierung oder mit metallischem Magnesium behandelt. Da Magnesium sehr reaktives Metall ist und der Dampfdruck bei der Behandlungstemperatur bis zu 10 bar erreicht ist die Reaktion mit Licht und Rauch begleitet. Das Endgehalt von Magnesium in dem Gussstück liegt zwischen 0,030 bis 0.060%. Die mit Magnesium behandelte Schmelze wird dann mit Hilfe einer Gießvorrichtung (Gießpfanne, Vergießofen) in die Gussformen vergossen. Die Eigenschaften der Schmelze müssen noch vor dem Vergießen oder während des Gießens durch Impfung der Schmelze gesteuert werden. Durch die Impfung werden die Kristalisationskeime, welche für Bildung von Kugelgrafit imperativ sind, begünstigt und die Bildung vom Zementit unterdrückt.
Eigenschaften vom GGG
Die mechanischen Eigenschaften werden durch die DIN 1693 bzw. neu durch DIN EN 1563 bestimmt. Die in DIN 1693 eingeführte Bezeichnung für Gusseisen mit Kugelgrafit GGG ist in der Praxis immer noch gängig. Die neue Bezeichnung nach DIN EN 1563 lautet neu EN-GJS-xxx. Es werden folgenden GGG Sorten genannt:
DIN 1693 DIN-EN 1563 Zugfestigkeit 0,2% Grenze Bruchdehnung Rm (N/mm²) Rp0,2 (N/mm²) A(%) GGG 35.3 EN-GJS-350-22 330 210 18 GGG-40.3 EN-GJS-400-18 400 240 15 GGG-50 EN-GJS-500-7 500 320 7 GGG-60 EN-GJS-600-3 600 370 3 GGG-70 EN-GJS-700-2 700 420 2 GGG-80 EN-GJS-800-2 800 480 2
Hier eingeführte Werte sind nur Auszug aus der Norm. Für genauere Informationen muss man der Normtext konsultieren. Gusseisen mit vermicular Grafit (GGV) und bainitischen Gusseisen mit Kugelgrafit (AD) sind in separaten Normen behandelt.
Anwendungsbereich des GGG
Wegen den hervorragenden mechanischen Eigenschaften, der relativ Konstengünstigen Herstellbarkeit sowie gute Bearbeitbarkeit fand GGG breite Verwendung in der Industrie. Von den 15 Mio.t/Jahr ( zum Vergleich 37 Mio. t/J GG, 6.3 Mio. t/J Stahlguss und 0,9 Mio.t/J Temperguss) hergestellten GGG werden ca 30% für Herstellung von Rohren mit Schleudergussverfahren in Durchmesser von 60 bis 2400mm verbraucht. Der Anwendungsbereich erstreckt sich auf Wasser- und Gasleitungen. Der Einsatz ist auch für Unterdruckleitungen möglich. Des Weiteren werden Rohre aus duktilen Gusseisen als Druckleitungen oder für Leitungen in schwierigem Gelände und bei höheren Beanspruchungen eingesetzt. Erdverlegte Gussrohre müssen einen äußeren und inneren Korrosionsschutz erhalten.
Etwa 45 bis 50% werden für Herstellung von Gussteilen für Fahrzeugindustrie verbraucht. Hier werden Zahlreiche früher aus Stahlguss, Geschmiedeten Stahl und geschweißte Fahrzeugteile durch wesentlich wirtschaftlichere Gussteile aus GGG ersetzt. Es werden insbesondere so genannte Sicherheitsteile wie Kurbelwellen, Nockenwellen, Pleulen, Raumlenker, Radnaben, Lkw-Radsterne, Achsbrücken, Schwenklager usw. aus GGG fabriziert.
Es werden auch große dickwandige Gusstücke bis Gewichte von 300t wie Turbinengehäusen, schwere Maschinenkomponenten sowie landwirtschaftliche Maschinenteile und Teile für allgemeinen Maschinenb aus GGG produziert. GGG ist der einzige Eisengusswerkstoff, welche konstante Zuwachsrate aufweist.