Graues oder duktiles Eisen? Vergleich der Gusseisentypen für industrielle Anwendungen

Gusseisen ist ein multifunktionales Material, das in vielen Branchen verwendet wird. Der Begriff "Gusseisen" ist der Oberbegriff für Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die mehr als 2% Kohlenstoff enthalten. Es gibt zahlreiche Unterklassen von Gusseisen, einige davon sind Grauguss und Sphäroguss. In diesem Artikel gehen wir auf die Unterschiede zwischen duktilem Eisen, Grauguss und Gusseisen ein, um Ingenieuren die Auswahl eines geeigneten Materials für ihre Projekte zu erleichtern.

Überblick über Gusseisen

Gusseisen ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die im Allgemeinen mehr als 2,11% Kohlenstoff enthält. Außerdem enthält es Spurenelemente wie Silizium, Mangan, Schwefel und Phosphor, die seine Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit, Verschleißfestigkeit und Stoßdämpfungseigenschaften erhöhen. Der relativ niedrige Schmelzpunkt von Gusseisen in Verbindung mit seiner hohen Fließfähigkeit erleichtert das Gießen in Formen und die Herstellung komplexer Geometrien. Aus diesem Grund ist Gusseisen zu einem allgegenwärtigen Material in vielen Anwendungen geworden.

Arten von Gusseisen

Gusseisen wird in verschiedene Typen eingeteilt, die sich hauptsächlich auf die Struktur und Morphologie des Kohlenstoffgehalts stützen. Die wichtigsten Kategorien sind Grauguss und Sphäroguss, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Verwendungszwecke aufweisen.

Andere Arten von Gusseisen sind:

• Formbarem Eisen: Eine Art von Gusseisen, die hergestellt wird, indem weißes Gusseisen einer Wärmebehandlung durch Glühen unterzogen wird.
• Weißes Gusseisen: Weist einen hohen Kohlenstoffgehalt auf und hat ein auffallend weißes, glänzendes Aussehen.
•  Vermikuläres Graphiteisen: Graphit liegt in einer wurmartigen, stummeligen Form mit abgerundeten Kanten vor.

Was ist Graues Eisen?

Grauguss zeichnet sich durch das Vorhandensein von Lamellengraphit aus. Dieser Graphit bildet eine besondere Mikrostruktur, bei der der Kohlenstoff in Form von großen, schuppenförmigen Blättern in die Metallmatrix eingebettet ist. Die Hauptelemente von Grauguss sind Eisen, Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Schwefel und Phosphor.

Tabelle 1. Zusammensetzung von Grauguss

Eisen	C	Si	Mn	P	S
Restbetrag	2.0%～4.0%	1.0%～2.0%	0,5%～1,4%	0,05%～0,50%	0,02%～0,20%

Mikrostruktur

Die Matrix von Grauguss besteht in der Regel aus Ferrit, Perlit oder eine Kombination dieser Elemente. Das Vorhandensein von Graphitflocken unterbricht die Kontinuität der Metallmatrix, wodurch das Material weniger zugfest wird. Daraus resultiert eine geringere Zugfestigkeit, während das Material bei Druckbelastungen sehr gut abschneidet. An den Spitzen der Graphitflocken treten Spannungskonzentrationen auf, die sich zu Rissen ausbreiten und die Zähigkeit verringern können.

Die Wärmebehandlung kann die Morphologie und Verteilung von Graphit in Grauguss nicht verändern, so dass die Wärmebehandlung zur Verbesserung der Leistung von Grauguss nicht von Bedeutung ist. Die Wärmebehandlung von Grauguss dient hauptsächlich dazu, innere Spannungen in Gussteilen zu beseitigen, stabile Abmessungen zu erzielen, die Zerspanungsleistung zu verbessern und die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Mechanische Eigenschaften

Hier sind einige der wichtigsten mechanischen Eigenschaften:

Zugfestigkeit. Grauguss hat eine Zugfestigkeit im Bereich von 100-700 MPa, was relativ moderat ist und einen eher durchschnittlichen Widerstand gegen Auseinanderziehen widerspiegelt. Die Festigkeit hängt von der Zusammensetzung der Matrix ab, wobei perlitische Matrizen im Vergleich zu ferritischen eine höhere Zugfestigkeit aufweisen.

Streckgrenze. Die Streckgrenze des Graugusses schwankt zwischen 65,5 und 420 MPa, was darauf hindeutet, dass er mäßigen Belastungen standhalten kann, bevor eine plastische Verformung einsetzt.

Bruchdehnung. Grauguss weist typischerweise eine Bruchdehnung zwischen 1,0-15,0% auf. Graphitflocken verursachen Sprödigkeit; daher ist vor dem Versagen nur eine sehr geringe Verformung zu erwarten.

Härte. Die Härte von Grauguss liegt zwischen 150-300 HB, was eine ausreichende Oberflächenhärte für die Verschleißfestigkeit bei stoßfreien Anwendungen bietet. Die Härte hängt von der Menge des Perlits in der Matrix ab; je höher der Perlitgehalt, desto höher die Härte.

Tabelle 2. Mechanische Eigenschaften von Grauguss

Materialien	Zugfestigkeit	Streckgrenze	Dehnung	Härte
Graues Eisen	100-700 MPa	65,5-420 MPa	1.0-15.0 %	150-300HB

Verarbeitungseigenschaften

Gießen: Ausgezeichnete Gießeigenschaften, ideal für komplexe Formen mit guter Fließfähigkeit und geringer Schrumpfung.

Bearbeitbarkeit: Gut, denn das Vorhandensein von Graphit wirkt wie ein natürliches Schmiermittel und verringert den Werkzeugverschleiß und die Schnittkraft.

Erscheinungsbild

Grauguss hat normalerweise eine dunkelgraue Bruchfläche mit einer rauen Struktur. Durch den Gießprozess können auch Defekte wie Sandlöcher und Porosität entstehen, obwohl diese unter kontrollierten Produktionsbedingungen normalerweise auf ein Minimum reduziert werden.

Was ist duktiles Eisen?

Duktiles Gusseisen, auch bekannt als Sphäroguss und Gusseisen mit Kugelgraphit (S.G.), wird durch die Zugabe einer geringen Menge eines Zerstäubers zu geschmolzenem Eisen, in der Regel Magnesium, hergestellt. Durch die Behandlung werden kugelförmige Formen von Graphit gebildet und die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs erheblich verbessert, da die Spannungskonzentration an der Grenzfläche zwischen Graphit und Matrix verringert wird.

Mikrostruktur

Das Mikrogefüge von duktilem Eisen enthält kugelförmige Graphitpartikel, die gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, die aus Ferrit, Perlit oder einer Mischung aus beiden bestehen kann. Das Vorhandensein von kugelförmigem Graphit verringert die nachteiligen Auswirkungen auf die Matrix, was zu besseren mechanischen Eigenschaften und einer besseren Leistungsbilanz führt.

Mechanische Eigenschaften

Nachstehend sind die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von duktilem Eisen aufgeführt:

Zugfestigkeit. Duktiles Gusseisen hat eine Zugfestigkeit im Bereich von 400-800 MPa, ein Maß für seine Fähigkeit, größeren Zugkräften standzuhalten; am oberen Ende dieses Bereichs liegt es in Bezug auf die Festigkeit gleichauf mit einigen Stählen.

Streckgrenze. Sphäroguss hat eine Streckgrenze von 250-500 MPa, was eine gute Beständigkeit gegen dauerhafte Verformung unter jeglicher Belastung bedeutet. In Verbindung mit seiner Duktilität macht es das im Vergleich zu Grauguss haltbarer unter Belastung.

Dehnung. Sphäroguss weist einen Dehnungsbereich von 2-18% auf, was im Vergleich zu anderen Gusseisen auf eine gute bis hohe Duktilität hinweist. Das Vorhandensein von Kugelgraphitknollen im Gefüge verringert die Auswirkungen von Spannungskonzentrationen, wodurch sich das Material weiter verformen kann, bevor es bricht.

Härte. Seine Härte liegt zwischen 130-350 HB, je nach Wärmebehandlung und Zusammensetzung der Matrix. Höhere Härtewerte entsprechen einer höheren Verschleißfestigkeit, während niedrigere Werte auf eine bessere Bearbeitbarkeit hinweisen.

Tabelle 3. Mechanische Eigenschaften von duktilem Eisen

Klassen	Zugfestigkeit	Streckgrenze	Dehnung	Härte	Matrix
QT400-18	400 MPa	250 MPa	18%	130-180 HB	Ferrit
QT400-15	400 MPa	250 MPa	15%	130-180 HB	Ferrit
QT450-10	450 MPa	310 MPa	10%	160-210 HB	Ferrit
QT500-7	500 MPa	320 MPa	7%	170-230 HB	Ferrit+Perlit
QT600-3	600 MPa	370 MPa	3%	190-270 HB	Ferrit+Perlit
QT700-2	700 MPa	420 MPa	2%	225-305 HB	Perlit
QT800-2	800 MPa	480 MPa	2%	245-350 HB	Perlit

Verarbeitungseigenschaften

Gießen: Sphäroguss hat gute Gießeigenschaften, ist aber viel schwieriger zu verarbeiten als Grauguss. Es sind sowohl Lokalisierungs- als auch Impfbehandlungen erforderlich, und dieses Material hat eine höhere Schrumpfungsrate beim Erstarrungsprozess.

Bearbeitbarkeit: Wie Grauguss profitiert auch Sphäroguss von der Schmierwirkung des Graphits, aber die höhere Festigkeit erhöht die Schnittkraft und den Werkzeugverschleiß gegenüber Grauguss.

Erscheinungsbild

Sphäroguss bricht in der Regel mit einer silbergrauen Oberfläche, die im Vergleich zu Grauguss eine glattere Oberfläche aufweist. Aufgrund der hohen Festigkeit und der geringen Fehlerquote wird das Aussehen verfeinert, was zu einer besseren Ästhetik bei Hochleistungsanwendungen führt.

Graues Eisen vs. Gusseisen

Als wichtiger Zweig des Gusseisens hat Grauguss die Eigenschaften von Lamellengraphit und eignet sich für verschleißfeste und stoßdämpfende Szenarien. Gusseisen, als ein Klassifizierung von EisenEs gibt viele Arten von Graphit, und seine Leistung und sein Anwendungsbereich unterscheiden sich aufgrund der verschiedenen Graphitformen erheblich.

Tabelle 4. Vergleich von Grau- und Gusseisen

Eigenschaften	Graues Eisen	Gusseisen
Definition	Graphit ist in Flockenform verteilt, und die Bruchfläche ist grau.	Eisen-Kohlenstoff-Legierungen enthalten in der Regel 2% bis 4% Kohlenstoff und sind in vielen Varianten erhältlich.
Graphit-Form	Flocke	Je nach Art kann es in Form von Flocken, Kugeln oder Würmern vorliegen.
Mechanische Eigenschaften	Hohe Druckfestigkeit und gute Verschleißfestigkeit, aber geringe Zugfestigkeit und Zähigkeit.	Die Eigenschaften der verschiedenen Gusseisensorten sind sehr unterschiedlich.
Verarbeitbarkeit	Gute Schneideigenschaften	Die Verarbeitungsleistung hängt von der Morphologie des Graphits und der Matrixstruktur ab.
Merkmale der Fraktur	Die Fraktur ist grau, rau und enthält Graphit.	Die Farbe des Bruchs variiert je nach der Form des Graphits oder Kohlenstoffs.
Preis	Niedrigere Kosten	Die Kosten variieren je nach Typ

Sphäroguss vs. Gusseisen

Sphäroguss gehört zur Familie der Gusseisen. Es zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Zähigkeit und Schlagzähigkeit aus. Gusseisen ist eine weit gefasste Klassifizierung von Eisen, und seine Eigenschaften und Anwendungen variieren je nach Typ erheblich.

Tabelle 5. Vergleich von duktilem und Gusseisen

Eigenschaften	Sphäroguss	Gusseisen
Definition	Graphit ist kugelförmig verteilt, was die Spannungskonzentration verringert und die Festigkeit und Zähigkeit verbessert.	Eisen-Kohlenstoff-Legierungen enthalten in der Regel 2% bis 4% Kohlenstoff und sind in vielen Varianten erhältlich.
Graphit-Form	Sphärisch	Je nach Art kann es in Form von Flocken, Kugeln oder Würmern vorliegen.
Mechanische Eigenschaften	Es hat eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Zähigkeit, die der von normalem Stahl nahe kommt oder sie sogar übertrifft.	Die Eigenschaften der verschiedenen Gusseisensorten sind sehr unterschiedlich.
Verarbeitbarkeit	Gute Schnittleistung, aber etwas höhere Härte kann leicht zu Werkzeugverschleiß führen	Die Verarbeitungsleistung hängt von der Morphologie des Graphits und der Matrixstruktur ab.
Merkmale der Fraktur	Der Bruch ist hell, die Oberfläche ist glatt und der Graphit ist gleichmäßig verteilt.	Die Farbe des Bruchs variiert je nach der Form des Graphits oder Kohlenstoffs.
Preis	Es ist zwar teurer, hat aber eine hervorragende Leistung und eine lange Lebensdauer.	Die Kosten variieren je nach Typ

Duktiles Eisen vs. Grauguss

Morphologie des Graphits: Grauguss hat einen flöckchenförmigen Graphit, der ein Netzwerk bildet, das die Metallmatrix durchschneidet. Sphäroguss enthält kugelförmigen Graphit, der die Gesamtfestigkeit des Werkstoffs erhöht, indem er die Unterbrechung der Matrix minimiert.

Matrix-Struktur: Die Matrix von Grauguss wird durch das Vorhandensein von Graphitflocken sehr stark beeinträchtigt, wodurch die Gleichmäßigkeit und die mechanischen Eigenschaften verringert werden. Die Matrix von duktilem Gusseisen wird weniger durch Graphit beeinträchtigt, so dass es seine mechanischen Eigenschaften besser beibehält.

Zugfestigkeit: Grauguss hat eine Zugfestigkeit zwischen 100 und 300 MPa, während Sphäroguss eine wesentlich höhere Zugfestigkeit von 400 bis 800 MPa aufweist.

Druckfestigkeit: Beide Werkstoffe weisen eine gute Druckfestigkeit auf, jedoch hat duktiles Eisen ein ausgewogeneres Verhältnis von Druck- zu Zugfestigkeit von 1,5 bis 2,0, während Grauguss etwa 3 bis 4 beträgt.

Plastizität und Zähigkeit: Grauguss hat eine geringe Plastizität und Zähigkeit. Bei Gusseisen mit Kugelgraphit hingegen sind die Dehnung - 2% bis 18% - und die Kerbschlagzähigkeit stark erhöht.

Gießen: Grauguss hat gute Gießeigenschaften und eignet sich daher gut für komplexe Formen mit geringer Schrumpfung. Sphäroguss ist in seiner Verarbeitung noch komplexer, lässt sich aber dennoch gut gießen, obwohl es bei der Erstarrung stärker schrumpft.

Bearbeitungen: Beide Werkstoffe sind gut zerspanbar, jedoch erfordert duktiles Gusseisen aufgrund seiner höheren Festigkeit in der Regel mehr Kraft bei der Bearbeitung.

Bruchfläche: Grauguss hat eine dunkelgraue, raue Bruchfläche, während Sphäroguss silbergrau bricht und eine glattere Oberfläche aufweist.

Qualität der Oberfläche: Gusseisen hingegen weist mehr Oberflächenfehler auf, wie z. B. Sandlöcher; duktiles Gusseisen hat eine viel kompaktere und feinere Oberfläche.

Schlussfolgerung

Die Unterschiede zwischen duktilem Gusseisen und Grauguss liegen im Mikrogefüge, in den mechanischen Eigenschaften und in den technologischen Merkmalen. Im Vergleich zu Grauguss hat duktiles Eisen aufgrund des kugelförmigen Graphits Vorteile in Bezug auf Festigkeit und Zähigkeit, weist aber schlechtere Guss- und Bearbeitungseigenschaften auf; Grauguss hingegen hat bessere Guss- und Bearbeitungseigenschaften. Grauguss wird bei Anwendungen bevorzugt, bei denen komplexe Formen und eine gute Stoßdämpfung erforderlich sind, während sich Sphäroguss besser für Anwendungen mit hoher Beanspruchung eignet, bei denen Festigkeit und Zähigkeit überwiegen müssen. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für die Auswahl des richtigen Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung, um maximale Leistung, lange Lebensdauer und minimale Kosten zu gewährleisten.

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