Beim Gusseisen mit Kugelgrafit (Gusseisen mit sphärischen Graphit, Sphäroguss) enthält jede eutektische Zelle eine Grafitkugel. Dieses duktile Gusseisen z.B. GJS – 400 -5 ist nach der DIN EN 1563 genormt. GJS – 400 -5 ist ein Gusseisen mit Kugelgrafit. Die Zugfestigkeit ist 400 N/mm² und die Bruchdehnung 5%.
Die Sechseckebene des Graphits liegt senkrecht zum Kugelradius. Jede eutektische Zelle enthält eine Graphitkugel.
Die Bedingungen beim Erstarren des Gusseisens können so eingestellt werden, dass als Grundmatrix entweder Ferrit oder Perlit entsteht.
Gusseisen mit Kugelgraphit („duktiles“ Gusseisen)
Durch Zugabe von Magnesium zur Schmelze entsteht beim Erstarren kugelförmiger Graphit. Die Sechseckebene des Graphits liegt senkrecht zum Kugelradius. Jede eutektische Zelle enthält eine Graphitkugel.
Dieses Gusseisen hat einde deutlich höhere Zugfestigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Dehnung als Gusseisen mit Lamellenförmigen Graphit.
Um die Graphitkugeln ist Ferrit
sehr feiner Perlit
Rotorgetriebe
Zylinderkurbelgehäuse
ADI
ADI = Austempered Ductil Iron – bainitisches Gusseisen
Das Bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit ist durch die Normen DIN EN 1564
und ASTM A 897-90 genormt.
Bainitisches Gusseisen wird durch eine mehrstufige Wärmebehandlung aus Sphäroguss (GJS) hergestellt. Im Schutzgasofen erfolgt eine Austenitisierung bei 840 bis 950 °C (> 2 h). Im zweiten Behandlungsschritt erfolgt eine rasche Abkühlung in die Bainitstufe bei 230 bis 450 °C (in der Regel im Salzbad). Die Dauer des Abkühlvorganges für diesen Schritt ist extrem kurz anzusetzen. Das Glühen im oberen Temperaturbereich führt bei niedrigerer Festigkeit zu höheren Dehnungen. Das Glühen im unteren Temperaturbereich hat hochfestes Material mit hoher Verschleißbeständigkeit und hoher Härte zur Folge. Durch Zulegieren mit Molybdän, Kupfer und Nickel kann die Härtbarkeit deutlich verbessert werden.
- sehr hohe Härte und Verschleißfestigkeit
- Zahnräder in Getrieben
- Zähne für Baggerlöffel
- Presslufthammergehäuse
- Kurbelwellen bei Rennmotoren
- Achsschenkel, Radnaben bei Nutzfahrzeugen
Gefügestruktur
- Bainitisches Gusseisen weist eine Mischung aus feinkörnigem nadligem Ferrit und (durch Kohlenstoff stabilisierten) hochkohlenstoffhaltigem Austenit auf (zum Vergleich: Stahl = Ferrit und Zementit).
- Der Kohlenstoffgehalt im Austenit vor Beginn der Wärmebehandlung liegt bei 1,8 bis 2,2 %: Beim Wachsen der Ferritkörner im Bereich der Umwandlungstemperatur wird der Kohlenstoff in den Austenit „gedrückt“.
- Das Gefüge soll frei von Perlit, bainitischen Carbiden und Martensit sein.
Herstellung von ADI
- un- oder niedriglegiertes Gusseisen mit Kugelgrafit wird wärmebehandelt:
Zwischenstufenvergüten oder Bainitisieren- Austenitiseren bei 850-950°C
- Abschrecken im Salzbad auf 250-450°C
- einige Stunden auf diesem Temperaturniveau halten
- Perlitbildung wird unterdrückt
- Bildung von nadeligem Ferrit und übersättigtem Austenit
Die Legierungselemente Ni, Cu, Mo, Mn sind für größere Wandstärken nötig.
Nachteile von ADI
- Relativ teure Legierungselemente
- Höhere Kosten für das Einsatzmaterial
- Begrenzung von Cr-, Mo-, Mn- und Ti-Gehalt
- Ausgesuchter Stahlschrott, Sonderroheisen
- Steigende und schwer kalkulierbare Wärmebehandlungskosten
- Schwierigere Zerspanbarkeit als GJS oder geschmiedeter Stahl
- Härte von ca. 300 HB
- Härtet unter hoher Belastung auf
- Austenit kann sich unter den hohen Schnittkräften in Martensit umwandeln
- Werkzeuge mit hohen Widerstand gegen Freiflächen- und Kolkverschleiß
Bearbeitungsmöglichkeiten
Bearbeitung vor der Zwischenstufenvergütung
Bearbeitung wie bei GJS
Maßhaltigkeit muss nach der Wärmebehandlung noch gegeben sein
Vorbearbeitung vor der Vergütung und Nachbearbeitung nach der Vergütung
Nur wenn bei der Vorbearbeitung ein großer Materialabtrag realisierbar ist
Komplettbearbeitung nach der Vergütung
Vorteile
Preis pro kg kleiner als Stahl oder Al
Bezüglich der relativen Kosten pro N/mm² der günstigste Werkstoff
kostengünstiger als ein Schmiedestück aus Stahl
Ausgezeichnete Gießbarkeit
maßgenau – niedrige Bearbeitungskosten
kann vor der Zwischenstufenumwandlung bearbeitet werden
Niedrigere Wärmebehandlungskosten
Geringer als beim Einsetzen oder induktiver Härtung
3 mal so hohe Festigkeit als Al aber nur 2,5 mal so schwer
Ausgezeichnete dynamische Eigenschaften
Besser als geschmiedeter, gegossener und mikrolegierter Stahl
Dauerstandfestigkeit beinahe konstant (nach einigen 107 Lastzyklen)
Hauptvorteil gegenüber Al
Grafit verbessert die Geräuschdämpfung
Hohe Abriebfestigkeit – Verschleißbeständigkeit verbessert sich sogar im Einsatz
Kurbelwellen (Tuscan Speed Six)
Naben bei Nutzkraftwagen (Walther EMC)
Gelenkarme (Ford Mustang)
Schwungräder
Einfach nur Werkstoffe 