Der Kohlenstoffgehalt ist die einflussreichste Variable in der Gusseisenmetallurgie. Gusseisen ist durch einen Kohlenstoffgehalt von 2,0 bis 4,5 Gew.-% definiert – weit über dem Bereich von 0,02–2,0 % von Stahl. Innerhalb dieses Bereichs kann bereits eine Kohlenstoffverschiebung von 0,3 % die Mikrostruktur, die mechanische Festigkeit, die Härte, die Bearbeitbarkeit und das thermische Verhalten eines Gussstücks grundlegend verändern. Das Verständnis der Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Eisen – und anderen Legierungselementen – ist die Grundlage für die Herstellung von Gussteilen, die im Betrieb zuverlässig funktionieren.
Im Gegensatz zu Stahl, bei dem der Kohlenstoffgehalt niedrig gehalten wird, um die Duktilität und Zähigkeit zu maximieren, behält Gusseisen bewusst einen hohen Kohlenstoffgehalt bei, um eine hervoderragende Gießbarkeit, Vibrationsdämpfung und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Der Hauptunterschied liegt in der Form, die der Kohlenstoff innerhalb der erstarrten Metallmatrix annimmt.
Kohlenstoff in Gusseisen liegt in einer von zwei Hauptformen vor: als freies Graphit (bei der Erstarrung ausgeschiedener elementarer Kohlenstoff) oder als Eisencarbid (Fe₃C, auch Zementit genannt) . Welche Form vorherrscht, wird durch den Kohlenstoffgehalt, die Abkühlgeschwindigkeit und das Vorhandensein anderer Elemente – insbesondere Silizium – bestimmt. Diese Unterscheidung ist nicht kosmetischer Natur; Es definiert, ob das Eisen grau, weiß, schmiedbar oder duktil ist – jedes mit völlig unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
Verschiedene Gusseisenqualitäten sind keine willkürlichen Kategorien – sie sind das Ergebnis bewusst kontrollierter Kohlenstoffbereiche in Kombination mit spezifischen Verarbeitungsbedingungen.
| Typ aus Gusseisen | Kohlenstoffgehalt (%) | Kohlenstoffform | Hauptmerkmale |
|---|---|---|---|
| Grauguss | 2,5 – 4,0 % | Flockengraphit | Gute Bearbeitbarkeit, hohe Dämpfung, geringe Zugfestigkeit |
| Weißes Eisen | 1,8 – 3,6 % | Zementit (Fe₃C) | Extrem hart, spröde, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit |
| Temperguss | 2,0 – 2,9 % | Temperkohle (Rosetten) | Gute Duktilität nach dem Glühen, schlagzäh |
| Sphäroguss (Sphäroguss). | 3,2 – 4,2 % | Kugelgraphit | Hohe Zugfestigkeit, Duktilität, Ermüdungsbeständigkeit |
| Verdichtetes Graphiteisen | 3,1 – 4,0 % | Vermicularer (wurmartiger) Graphit | Zwischen Grau- und Sphäroguss |
Kohlenstoff wirkt nicht isoliert. Auch Silizium und Phosphor tragen zum effektiven „kohlenstoffähnlichen“ Verhalten der Schmelze bei. Gießereiingenieure nutzen das Formel für die Kohlenstoffäquivalenz (CE). um diese Wechselwirkungen zu berücksichtigen:
CE = %C (%Si %P) / 3
Reines Eisen erstarrt bei 1.538 °C. Der eutektische Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Systems liegt bei CE = 4,3 % , die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt (~1.150 °C) und der besten Fließfähigkeit. Die meisten handelsüblichen Graugusseisen streben einen CE von an 3,9–4,3 % um Gießbarkeit mit mechanischer Leistung in Einklang zu bringen.
Der Zusammenhang zwischen Kohlenstoffgehalt und mechanischen Eigenschaften ist nicht linear – er hängt stark davon ab, wie Kohlenstoff innerhalb der Matrix verteilt ist. Es gibt jedoch klare Richtungstendenzen.
Bei Grauguss nimmt der Gesamtkohlenstoff im Allgemeinen zu verringert die Zugfestigkeit denn mehr und gröbere Graphitflocken wirken als Spannungskonzentratoren. Grauguss erreicht typischerweise Zugfestigkeiten von 150–400 MPa , im Vergleich zu 400–900 MPa für Sphäroguss, bei dem derselbe Kohlenstoff in Form von Kugeln und nicht in Form von Flocken vorliegt. Die Graphitmorphologie ist wichtiger als der Gesamtkohlenstoffanteil.
Höherer Kohlenstoff in Form von Zementit (weißes Eisen) erhöht die Härte dramatisch – weißes Eisen erreicht typischerweise 400–700 HBW , im Vergleich zu 150–300 HBW für Grauguss. Dies geht jedoch zu Lasten einer Duktilität nahe Null. Bei gekühlten Gussstücken wird an den Verschleißflächen absichtlich eine harte weiße Eisenoberflächenschicht erzeugt, während die Masse grau bleibt.
Grauguss hat im Wesentlichen keine Duktilität (Dehnung <0,5 %) durch Graphitflocken, die als innere Kerben wirken. Sphäroguss mit gleichem oder höherem Kohlenstoffgehalt, jedoch in Kugelform, erreicht Dehnungswerte von 2–18 % je nach Sorte – eine dramatische Verbesserung, die allein durch die Änderung der Graphitmorphologie durch Magnesiumbehandlung und nicht durch die Reduzierung von Kohlenstoff ermöglicht wird.
Freier Graphit fungiert daher bei der Bearbeitung als eingebauter Schmierstoff Grauguss ist eines der am einfachsten zu bearbeitenden Metalle . Ein höherer Graphitgehalt (höherer Kohlenstoffgehalt im Grauguss) verbessert im Allgemeinen die Bearbeitbarkeit. Im Gegensatz dazu ist Weißguss aufgrund seines Zementitgehalts äußerst schwierig zu bearbeiten und wird typischerweise nur in gegossener oder gemahlener Form verwendet.
Über die mechanischen Eigenschaften hinaus wirkt sich der Kohlenstoffgehalt direkt auf das Auftreten häufiger Gussfehler aus – einige werden durch zu viel Kohlenstoff, andere durch zu wenig Kohlenstoff verursacht.
Sowohl Kohlenstoff als auch Silizium fördern Graphitausdehnung während der Erstarrung . Wenn Graphit ausfällt, dehnt es sich volumetrisch aus und wirkt so teilweise der Schrumpfung entgegen, die beim Abkühlen des flüssigen Metalls auftritt. Ein höherer Kohlenstoffgehalt im Grauguss (CE nahe 4,3 %) führt zu einer ausreichenden Graphitausdehnung, um dies zu erreichen Nettoschwund nahe Null , wodurch der Bedarf an großen Steigleitungen verringert wird. Grauguss mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt (CE ~3,6 %) kann eine Nettoschrumpfung aufweisen 0,5–1,5 % Dies erfordert eine sorgfältige Gestaltung des Steigrohrs.
Bei übereutektischem Eisen (CE > 4,3 %) fällt Primärgraphit vor der eutektischen Reaktion aus und kann an die Oberfläche des Gussstücks oder der Form schwimmen. Dies „kish“ Graphit erzeugt Oberflächenhohlräume, Einschlüsse und kosmetische Mängel. Die Kontrolle des Kohlenstoffs unterhalb der übereutektischen Schwelle verhindert die Bildung von Kisch.
Wenn Kohlenstoffgehalt und Abkühlgeschwindigkeit nicht übereinstimmen – insbesondere in dünnen Abschnitten mit grenzwertigem CE –, kommt es neben Graugussbereichen zu einer teilweisen Weißeisenbildung. Dies „fleckige“ Mikrostruktur erzeugt eine unvorhersehbare und ungleichmäßige Härte, was die Bearbeitung inkonsistent und die mechanische Leistung unzuverlässig macht. Es wird bei allen außer absichtlichen Kokillengusskonstruktionen als Mangel angesehen.
Kohlenstoff handelt niemals allein. Silizium ist das stärkste Graphitisierungselement in Gusseisen und arbeitet in direkter Partnerschaft mit Kohlenstoff, um die endgültige Mikrostruktur zu bestimmen. Der Siliziumgehalt in handelsüblichem Gusseisen liegt typischerweise im Bereich von 1,0 % bis 3,0 % .
Aus diesem Grund reicht die Angabe von Kohlenstoff allein nicht aus – Gießereiingenieure geben immer sowohl Kohlenstoff als auch Silizium zusammen an und überwachen in der Regel CE als Kontrollparameter für den Verbundwerkstoff.
Die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts in der Produktion ist sowohl eine Chemie als auch eine Prozessdisziplin. Folgende Methoden sind in modernen Gießereien Standard:
Der Kohlenstoffgehalt ist die Hauptvariable der Gusseisenmetallurgie – seine Wirkung kommt jedoch immer durch seine Wechselwirkung mit der Abkühlgeschwindigkeit, dem Siliziumgehalt und den Verarbeitungsbedingungen zum Ausdruck. Der Gesamtkohlenstoffgehalt bestimmt, wie viel Graphit oder Karbid sich bilden kann; Die Verarbeitungsumgebung bestimmt, was geschieht. Unabhängig davon, ob das Ziel die Dämpfungskapazität von Grauguss, die Verschleißfestigkeit von Weißguss oder die Zähigkeit von Sphäroguss ist, beginnt das Erreichen einer gleichbleibenden Gussqualität mit einer präzisen Kohlenstoffkontrolle, die durch Echtzeit-Schmelzanalyse unterstützt wird. Sowohl für Gießereiingenieure als auch für Käufer von Gussstücken ist die Angabe und Verifizierung von Kohlenstoff – immer neben Silizium und CE – keine Option; Es ist der Ausgangspunkt jedes hochwertigen Castings.
