Werkstoffe 8 - Eisengußwerkstoffe

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Eigenschaften und Gefügeausbildung der Eisengußwerkstoffe

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

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    Gustahlglocke fr die Weltausstellung 1867 in Paris,hergestellt durch den Bochumer Verein

    F. SCHILLER: Das Lied von der Glocke (1799)

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    Exkurs: Industriegeschichte

    BOCHUMERVEREIN:

    weltweit bedeutendste Gieereifr Gustahlglocken

    und produktivste Glockengieerei zwischen 1851

    und 1970: Gu von 38000 Glocken Grndung 1842 als Gustahlfabrik MAYER& KHNE, ab

    1854 BOCHUMERVEREIN

    JACOBMAYER(1813-1875) meldete den Stahlformgu

    1851 zum Patent an

    http://www.bochumer-verein.de/de/wir-ueber-uns/historie/1842-der-anfang.html
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    Exkurs: Industriegeschichte

    1965 Fusion mit KRUPPzu FRIED. KRUPPHTTENWERKEAG mit Sitz in Bochum

    heute: Teil der THYSSENKRUPPAG bzw. BOCHUMERVEREINVERKEHRSTECHNIKGmbH

    in den 1950er Jahren

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    8. EISENGUSSWERKSTOFFE

    8.1. GRUNDLAGEN DES GIESSENS

    8.2. GUSSEISEN

    8.3. STAHLGUSS

    8.4. TEMPERGUSS

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    Grundlagen desGieens

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    UrformenWerkstcke werden aus formlosen Stoffen geschaffen,neben Gieen zhlen u.a. Extrudieren und Sintern dazu.

    Erstellung einer Erstform

    Zusammenhalt

    schaffen

    Gieen gehrt nach zur Hauptgruppe 1 der Fertigungsverfahren:

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    Historische Entwicklung

    verbesserte fen, Verfahren und Metechnik konstante Qualitt

    metallurgische Verfahren

    Feingu/verlorene Modelle hohe Oberflchengte, enge Toleranzen,grere Gestaltungsfreiheit

    Formtechnik

    verbesserte Kenntnis des Strmungsverhaltens von Schmelzen, Formfllungusw. Guteile ohne Lunkerund Porositten

    Gietechnik

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    Herstellung von Gueisen: Kupolfen

    Schachtofen zum Schmelzen von Metallen/LegierungenHerstellung von

    Gueisenaus Roheisen und Schrott

    Aufbau & Betriebsweise: hnlich Hochofen (Hhe

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    Bauweise von Kupolfen:

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    bersicht ber Gieverfahren( Fertigungstechnik):

    Sandgieverfahren

    Schwerkraftkokillengieen

    Niederdruckkokillengieen

    Feingieen

    Druckgieen

    Stranggieen

    Schleudergieen

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    Vergleich der Gieverfahren:

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    Vergleich der Gieverfahren:

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    Lunker: Schwindungshohlrume, die beim Erstarren gegossener Teile ent-

    stehen knnen:

    Abkhlung und Erstarrung einer Metallschmelze

    langsame bis sprunghafte Volumenkontraktion

    Entstehung: entstehende Hochrume werden nicht

    mehr durch flssiges Metall gespeist

    Gegenmanahme: langsameAbkhlung(Stunden bis

    Tage)

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    Branchendaten

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    Weltguproduktion (2010):

    http://www.bdguss.de/de/statistik___strukturdaten.html
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    Guproduktion nach Werkstoffen (Deutschland 2010):

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    Einteilung derEisenguwerkstoffe

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    Einteilung der Eisenguwerkstoffe:

    Eisengu-werkstoffe

    Stahlguweies

    Gueisen

    Temperrohgu

    weierTempergu

    schwarzerTempergu

    Hartgu

    grauesGueisen

    GE mitLamellengraphit

    GE mitVermiculargraphit

    GE mitKugelgraphit

    Sondergu

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    Einteilung der Eisenguwerkstoffe & Kurzcharakteristik:

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    Einteilung der Eisenguwerkstoffe nach Duktilitt:

    duktile WS: graphitfrei

    oderkompakte bis ku-

    gelige Graphitanord-

    nung, frei von eutek-

    tischen Carbiden

    nicht-duktile WS: la-

    mellenartige Graphit-

    ausbildung odergr-

    ere Mengen eutekti-

    scher Carbide

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    Gueisen

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    Gueisen

    Gueisen ist einer Fe-C-Legierung mit hohem C-Gehalt(2 5%), d.h. nahe

    beim Eutektikumdes Fe-C-Systems

    Folgen:

    niedrige Schmelztemperatur(1150 1250 C)

    dnnflssige Schmelzemit gutem Formfllungsvermgen (Schwindmaum 1%)

    Dichte: 7,2 7,4 g/cm3

    naheutektische Zusammensetzung feinkrniges Gefge ohne bevorzugte

    Kornorientierung

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    Gueisen

    heterogenes Gefge:

    Graugu gehrt zunchst zum stabilen Systemder Legierung Fe-C: gesamter

    Kohlenstoff liegt als Graphitvor

    Graphiteinschlsse erleichtern die Zerspanungund wirken als Schwingungs-dmpferund Festschmierstoff

    wichtige Sorten besitzen beide Erstarrungsformen Graphit und Zementit

    nebeneinander im Gefge

    Schmelze erstarrt zunchst stabil(Austenit & Graphit), einsetzende --

    Umwandlungvollzieht sich ganz oder teilweise metastabil

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    Gueisen

    Austenitzerfall zu Perlit, dessen Zementitlamellen teilweise zu Ferrit wer-

    den, whrend sich die C-Atome an die vorhandenen Graphitkristalle an-

    schlieen

    Keimbildung: C-Atome mssen relativ lange Wege zurcklegen (Zeit!), bei

    Zementit verlaufen Keimbildung und wachstum wesentlich schneller

    Legierungselementehaben Einflu auf dieArt der Kristallisation:

    Graphitentsteht bei Si-Gehaltenund langsamerAbkhlung

    Zementitentsteht bei Mn-Gehaltenund schnellerAbkhlung

    https://www.youtube.com/watch?v=rgcd3N9Qyns
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    Gueisen

    Anwendungsbeispiele:

    Iron Bridge (1779)Shropshire, England

    Kanaldeckel

    Getriebegehuse

    Gratpfannen

    http://www.nytimes.com/interactive/2007/11/21/nyregion/20071126_MANHOLE_FEATURE.htmlhttp://www.ironbridge.info/index.php
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    Gueisen

    Gefgeausbildung von Gueisen in Abhngigkeit von C- und Si-Gehalt:

    mageblichen Einfluauf die Art der bei der Erstarrung des Gueisens ent-

    stehenden C-Phasen haben die Begleitelemente C & Si(Begnstigung der

    Graphitausscheidung)

    graphische Wiedergabe: MAURER-Diagramm (1924)

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    Gueisen

    MAURER-Diagramm:

    Hauptfelder I, II und IIII: weies GE (Hartgu) mit ledeburitischemGrundgefge (GG)II: graues GE mitperlitischem GGIII: graues GE mitferritischemGG

    bergangszonen IIa, IIbIIa: meliertesMischgefgeIIb: Graugu mitferritisch-per-

    litischemGG

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    Festigkeit & Hrte fr C/Si : hochwertige

    Gueisensorten besitzen Zusammensetzungen

    im jeweils linken unteren Bereichder betref-

    fenden Felder entspricht

    Cave: Gltigkeit des MAURER-Diagramms auf Proben mittlerenDurchmessers

    (30 mm) begrenzt, die in trockene Formenvergossen wurden, auerdem

    bleibt dieAbkhlgeschwindigkeit unbercksichtigt

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    Gueisen

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    Gueisen

    GREINER-KLINGENSTEIN-Diagramm: Abhngigkeit der Gefgeausbildungvon den

    Abkhlbedingungen(und damit von der Wanddicke)

    dicke Guteile khlen im Kern langsamerab als an der Oberflche und nei-

    gen zu ferritischem Grundgefge, dnne Querschnitte knnen graphitfrei

    (zu Hartgu) erstarren

    Feldbezeichnungen entsprechend denen

    des MAURER-Diagramms

    Knickpunkteder oberen Begrenzungsli-

    nien: C+Si 5,5%

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    Kennzeichnung nach EN 1560:

    weitere Beispiele:

    GJV-450: graues GE mit Vermiculargraphit, Zugfestigkeit mindestens450 N/mm2(GJV noch nicht genormt)

    EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2: austenitisches GE mit Lamellengraphit, legiertmit 15% Ni, 6% Cu & 2% Cr

    EN-GJS-400-18

    Zugfestigkeit

    Bruchdehnung

    Spezifikation:L: GraphitlamellenN: HartguS: Kugelgraphit

    V: Vermiculargraphit

    Gueisen

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    weies Gueisen(Hartgu)

    Vollhartgu

    Schalenhartgu

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    Gueisen

    Hartgu: metastabiles Gueisen mit hohem Carbid-Anteil

    unlegierter Hartgu: ca. 3% C, 0,51,5% Si (wenig!), bis 1,2% Mn (begnstigt

    Carbidbildung)

    hoher Zementit- Anteil groe Hrte & hohe Verschleibestndigkeit

    legierter Hartgu: bis zu 30% Cr (Bildung von Chromcarbiden)

    Hartgu ist fr Bauteilegut geeignet, die bei hohem Druck auf Reibung be-

    anspruchtwerden (z.B. Sandstrahldsen)

    Unterscheidung:

    weies Gueisen(Hartgu)

    Vollhartgu Schalenhartgu

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    Gueisen

    Guteile sind ber den gesamten Querschnitt wei erstarrt(Ledeburit)

    schlechte Bearbeitbarkeit eingeschrnkte Anwendungsmglichkeiten

    sprdes Gefge: sehr sto- und schlagempfindlich

    Anwendungen: Guteile mit geringer mechanischer Beanspruchung

    weies Gueisen(Hartgu)

    Vollhartgu

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    Gueisen

    metastabil wei erstarrte Randschicht metastabil (Ledeburit/Perlit),

    Ausscheidung von Lamellengraphit im Kern(in Matrix aus Ferrit & Perlit)

    Guteil besteht im Prinzip aus zwei vllig verschiedenen Werkstoffen:

    Schale: hart, verschleibestndig, weies Bruchaussehen

    Kern: verbesserte Zhigkeit (hhere Sto-/Schlagbeanspruchung mglich),

    gute Zerspanbarkeit, graues Bruchaussehen

    weies Gueisen(Hartgu)

    Schalenhartgu Kokillenhartgu

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    Gueisen

    Anwendungen: Eisenbahnrder, Walzen

    weies Gueisen(Hartgu)

    Schalenhartgu

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    graues Gueisen

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    Gueisen

    Zusammensetzung: 2,5 5% C, 0,8 3% Si, 0,5 1% Mn, 0,3 1,5% P, < 0,1% S

    bei langsamerAbkhlung erstarrt eine Schmelze dieser Zusammensetzung

    berwiegend nach dem stabilen System Ausscheidung festigkeitsmindern-

    der Graphitbereiche im Grundgefge

    graues Gueisen ist weniger fest, aber weniger schlagempfindlichals weies

    Gueisen

    mechanische Eigenschaften: Abhngigkeit von der Wanddicke der Guteile

    dnnwandige Guteile erstarren schnell AusscheidunggeringerMengen

    Graphit (fein verteiltim Gefge)

    graues Gueisen

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    Gueisen

    Guteile mitgroen Giequerschnittenkhlen langsamer ab

    verbesserte Diffusionsbedingungen fr C-Atome (lngeres Verweilen beihheren Temperaturen) ergeben erhhteGraphitbildung (Sammlung desfreien C in groben Bereichen)

    graues Gueisen

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    Gueisen

    Graphitausbildung Gueisen mit Lamellengraphit:

    zwei Einflssebestimmen die Eigenschaften von grauem Gueisen:

    Art des metallischen Grundgefges(Stahl: perlitische Gefge habenhhere Festigkeit als ferritische Gefge)

    Art der Graphitausbildung: Menge, Verteilung, Form & Grebestimmendie mechanischen Eigenschaften

    Graphit neigt aufgrund der hexagonalen Schichtstruk-

    tur zurplattenfrmigen Kristallisation Bildung von

    Lamellen (GJL)

    graues Gueisen

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    Gueisen

    Lamellen unterbrechen den Kraftfluim Werkstoff und wirken darber

    hinaus wie innere Kerben

    graues Gueisen

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    Gueisen

    Graphitausbildung Gueisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit:

    primre Abminderung des negativen Kerbeffekts: lokale Kon-

    zentration kleinerer Graphitlamellen zum Nestergraphit

    sekundre Graphitverfeinerung: Sonderbehandlungen derSchmelze fhrt zu Formen, die man alsglobularenoder

    Kugelgraphit(GJS)und Vermiculargraphit(GJV) bezeichnet

    graues Gueisen

    Nestergraphit

    Kugelgraphit Vermiculargraphit

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    Gueisen

    geringe Eigenfestigkeit des Graphits grobe Ausscheidungensind unabhn-

    gig von der Gestalt schlechterals feine Ausscheidungen

    graues Gueisen

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    Gueisen mit

    Lamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Herstellung:

    Einsatzmaterial: Kreislaufschrott (Gubruch, Fehlgsse) oder unlegierter

    Stahlschrott

    Zustze: Ferromangan, Soda oder Kalk zur Entschwefelung

    Schmelzanlagen: Gieereischachtfen (Kupolfen), Induktionsfen, Flamm-

    fen

    Graugu wird erschmolzen, in Formen vergossen und in der Regel nicht

    nachbehandelt

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Sorten sind nach Zugfestigkeitoder BRINELL-Hrtein 6 Gteklassen unter-

    teilt

    EN-GJL-100, -150, -200, -250, -300 und -350

    EN-GJL-HB155, -HB175, -HB195, -HB215, -HB235 und HB255

    Cave: in einem Gustck kann entweder die Mindestzugfestigkeit oderdie Hrtean vereinbarten Stellen gewhrleistet werden!

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Eigenschaftsprofil von GJL:

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    mechanische Eigenschaften von GJL nach EN 1561:

    Festigkeit von Graugu: abhngig von Wanddicke, gro-e Wanddicke langsame Abkhlunggroe Graphit-

    lamellen Grundgefge eher ferritisch als perlitisch

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

    in getrennt gegossenen Proben von 30 mm Rohdurchmesser

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    Gueisen

    mechanische Eigenschaften:

    heterogener Gefgeaufbau geringe Festigkeit von Graugu

    ausgeschiedener Graphit: eingelagert in einer stahlhn-lichen ferritischen oder perlitischen Matrix als Lamellen

    Graphitlamellen knnen nur kleine Zugkrfte bertragenSchwchung des tragenden Querschnitts (Kerbwirkung)& zustzliche Spannungsspitzenan den Enden starkverminderte Zugfestigkeit

    Verformungsfhigkeit ist ebenfalls sehr beeintrchtigt, die

    Bruchdehnung liegt unter 1%

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    stark unterschiedliches Verhalten gegenber Zug und Druck: Druckbela-stungen knnen die weitgehend inkompressiblen Lamellenin hherem

    Ma aufnehmen Druckfestigkeit liegt um den Faktor 3 bis 4 ber der

    Zugfestigkeit

    Abhngigkeit des Elastizittsmodulsvon FestigkeitundArt & Hhe der Be-lastung:

    Eist um so grer, je hher die Festigkeitder Graugusorte ist und liegtbei kleinen Spannungen (d.h. in der Nhe des Ursprungs, sog. Ursprungs-modul) zwischen 70 und 140 GPa

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Zugbereich: Efr - HOOKEsches Gesetz gilt fr Graugu nicht, dadie an den Enden der Lamellen auftretenden Spannungsspitzen ein loka-les Flieenhervorrufen

    Druckbereich: E wenigspannungsabhngig

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    negativen Einflssen der Graphitlamellen stehen auch positive Eigen-schaften

    des heterogenen Gefges gegenber:

    GJL ist kerbunempfindlich: zustzliche, konstruktiv bedingte uere Ker-ben wirken sich wegen der inneren Kerben nicht mehr so stark aus wie

    etwa beim homogenen Stahlgu GJL besitzt hervorragendes Dmpfungsverhalten: Schwingungen klingen

    im Vergleich zu Stahlgu in etwa ein Viertel der Zeit ab Schwingungs-energie wird absorbiert, ohne da es auch bei Dauerbeanspruchung zurErmdung des Werkstoffs kommt Einsatz als Maschinenbetten, Getrie-

    begehuse, Fundamentplatten usw.

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    WS fr Gleitpaarungen: Graphiteinschlsse bewirken Selbstschmierungbei jeder Art von Beanspruchung, auerdemgute Notlaufeigenschaften

    Zerspanbarkeit gutwegen reibmindernder Wirkung der Lamellen

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Einflu der Zusammensetzung:

    Eisenbegleiter S: Manganbindet besonders in hochwertigem Graugu S an

    sich Bildung von MnS ohne weitere Verschlechterung der Eigenschaften

    Eisenbegleiter P: Frderung der Graphitbildung: Fe3C + P

    Fe3P + C; Eisenphosphid bildet mit Fe und C

    ein ternres Eutektikum (Steadit)

    P-haltige Schmelze: sehr dnnflssig,frdnnwandige Teile besonders geeignet

    Phosphidphase ist hart & sprdeHrte &

    Verschleifestigkeit fr P (aber erschwer-te Bearbeitung)

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

    Phosphideutektikum hell, Perlit& eingelagerte Graphitlamellen

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    Gueisen

    hohe Si-Gehalte gute Witterungsbestndigkeitdurch Bildung einer Gu-

    haut(aus bestndigen Silicaten und Oxiden)

    GJL ist bis 400 C warmfest, danach Zementitzerfallein: Fe3C 3 Fe + C

    ZementitzerfallVolumenvergrerungder Guteile Auflockerung desGefges

    Diffusion von Sauerstoff in das aufgelockerte Gefge lngs der Lamellen-oberflchenVerzunderung> 550 C die Fe- und Si-Phase im Innern

    Verzunderung

    Versprdung

    weitere Volumenvergrerung(Wachsenum bis zu 8% des ursprnglichen Volumens)

    Wachsen wird durch C weniger, durch Si stark begnstigt, Mn wirkt durchCarbidbildung entgegen

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Schweien von Graugu:

    GJL kann wegen des hohen C-Gehalts nur unter Schwierigkeitenge-schweit

    werden

    Konstruktionsschweiungen(wie bei anderen Eisenguwerkstoffen) wer-

    den unter keinen Umstnden durchgefhrt

    Reparaturschweiungenallerdings weit verbreitet und bei Sorgfalt auch

    erfolgreich

    zwei sehr unterschiedliche Technologienwerden angewendet: Schweienmit artgleichen Zusatzwerkstoffen (Gueisenwarmschweien) undSchweien mit artfremden Zusatzwerkstoffen (Gueisenkaltschweien)

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    Gueisen

    Zusammenfassung:

    Gueisen mitLamellengraphit (GJL)

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    https://www.youtube.com/watch?v=B3ZZCNzdEAM
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    Gueisen mit

    Kugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    auch: sphrolithischer Guoder Sphrogubzw. duktiles Gueisen

    Herstellung:

    Einsatzmaterialien: Sonderroheisen (wenig S, kein As, Pb, Bi, Ti) oder Stahl-

    schrott ohneLegierungselemente und frei von l & Rost, Zusatzstoffe Schmelzanlagen: Induktionstiegelfen, evtl. Vorschmelzen im Kupolofen

    Zugabe von 0,5% Cer oder 0,5% Magnesium(bzw. Mg-Vorlegierungen wie

    NiMg) und zur Keimbildungfeinkrniges Ferrosilicium(mit geringen Anteilen

    Al, Ca, Zr oder Seltenerdmetall) in die Giepfanne oder in den Giestrahl

    (Impfung)

    Zusammensetzung: 3,2 3,8% C, 2,4 2,8% Si, < 0,5% Mn

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    http://www.ductile.org/ductile-iron-data/
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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Gueisen

    mechanische Eigenschaften:

    Unterteilung nach Zugfestigkeitin 9 Gteklassen: EN-GJS-350 bis -900

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    tragender Querschnitt des stahlhnlichen Grundgefges ist bei GJSgrer

    als bei Graugu

    Kugel besitzt gegenber allen anderen geometrischen For-men dasgnstigste(d.h. kleinste) Verhltnis von Ober-

    flche zu Volumen(bei gleichem Rauminhalt) globulare Form des eingelagerten Graphits wirkt sich bei

    uerer Beanspruchunggnstig auf die Spannungsvertei-lungim Innern aus

    innere Kerbwirkungist gegenber GJL starkverringert, allerdings ist auch das Dmp-

    fungsvermgen nur halb so gro wie bei

    Graugu

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    geometrisch gnstige Ausbildungder Graphitbereiche gute Gestaltfe-

    stigkeit, hohe Zugfestigkeit(bis 900 MPa) &groe Bruchdehnung(bis 22%)

    Zugbelastung: ausgeprgter HOOKEscher Bereich, Ebis 180 GPa

    GJS ist warm- und begrenzt kaltumformbar(duktiles Gueisen) und er-trgt neben Schwing- und Biegebeanspruchungen auch Stobelastungen

    hufig Ersatz in Anwendungsbereichen, in denen hohe Festigkeit beigleichzeitig guter Zhigkeit,fr Temper- oder sogar Stahlgu

    gute Zerspanbarkeitzusammenhngende Fliespne Verschleifestigkeit, Korrosionswiderstand & Zunderbestndigkeit besser als

    bei Graugu

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    Schweien: artfremdes Schweien von Konstruktionen aus Baustahl und GJS

    Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Wrmebehandlung

    mglich (aber Kosten ):

    Austenitisieren(bei 880 940 C) und langsames Abkhlenim Umwand-lungsbereich und Haltenunterhalb oder nochmaliges Erwrmen auf 720

    C ergibtferritisches Gefge (Ferritisieren); schnelles Abkhlen ergibtperlitisches Gefge, evtl. auch durch Normalglhen (Perlitisieren)

    Weichglhen: Zementitzerfall Anlagerungdes freiwerdenden Kohlen-

    stoffs an die bereits vorhandenen Sphrolithe

    Entstehung eines besserbearbeitbaren Gefgesmit erhhter Verformungsfhigkeit, aber geringe-

    rer Festigkeit

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    Randschichthrten

    isotherme Umwandlung bainitisches Gueisen(ADI)

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    Anwendungen:

    GJS wirdfr Bauteile aller Gren verwendet,

    die in Stahlgu sehr schwierig zu gieen sind (komplexe Gestalt, geringeWanddicke)

    wenn GJL zu sprde ist (Stobelastungen) und wenn Tempergu wegen der Gre ausscheidet

    GJS fllt aufgrund seines Eigenschaftsprofils Lcke zwischen Stahl- und Tem-

    pergu

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen

    Beispiele: Rohre fr Gas- und Wasserleitungen, Fahrzeugteile (Kurbel- und

    Nockenwellen, Pleuel), groe dickwandige Gustcke bis zu 300 t (z.B. Ca-

    stor-Behlter)

    Gueisen mitKugelgraphit (GJS)

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    Gueisen mit

    Vermiculargraphit (GJV)

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    Gueisen

    auch Wurmgraphit, nach lat. vermiculus, Wrmchen

    Herstellung:

    Zugabe von Mg (ca. 0,1%) sowie Ti und/oder Al zu einer Schmelze, deren Zu-

    sammensetzung von GJS entspricht keine Bildung von Kugelgraphit, son-

    dern (vereinzelte) Lamellen mit eher rundlichen Strukturen

    Normung: keine , ISO 16112

    5 Gteklassennach Zugfestigkeit, GJV-300 bis GJV-500

    Gueisen mitVermiculargraphit (GJV)

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    Gueisen

    mechanische Eigenschaften:

    zwischen GJL und GJS

    Vergleich mit GJS: E-Modul , Wrmeleitfhigkeit , Wrmedehnung ,

    Giebarkeit , Dmpfungsvermgen kleinere thermische Spannungen

    bei Temperaturwechseln (weniger Rineigung oder Verzug), kein Wachsen

    der Bauteile

    Gueisen mitVermiculargraphit (GJV)

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    Gueisen

    Vergleich von GJV mit GJL und GJS:

    Anwendungen:

    thermische beanspruchte Teile in Kfzwie Motor-blcke, Zylinderkpfe, Getriebegehuse, Abgas-

    krmmer

    Gueisen mitVermiculargraphit (GJV)

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Gueisen

    Vergleich der Gueisensorten:

    0,0

    10,0

    20,0

    30,0

    40,0

    GJL GJS GS GJM

    37,0

    15,0

    6,3 0,9

    Mio.Tonn

    enproJahr

    Eisenguwerkstoff

    Produktionsmengen (2009)

    alte Bezeichnung

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    Stahlgu

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    Stahlgu (engl. cast steel) ist in Formen vergossener Stahl

    kein nachtrgliches Formgebungsverfahren auer Zerspanen

    Einteilung nach Legierungsgrad:

    Patent auf Stahlgu durch JACOBMAYER1851

    unlegierter Stahl

    niedriglegierter Stahl hochlegierter Stahl

    legierter Stahl

    Stahlgu

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    http://www.phbguss.de/uploads/media/stark_in_stahl.pdf
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    Herstellung:

    Erschmelzen im Elektro- oder Induktionsofen

    beruhigtes Vergieen, um Hohlrume zu vermeiden

    bei Erstarrung Ausbildung von typischem grobemWIDMANNSTTTEN-Gefge mit niedriger Bruchdehnung

    und Kerbschlagzhigkeit Stahlguteile werden nur

    selten im Guzustand verwendet

    ein dem Stahl entsprechendes Gefge mit vergleichbaren Eigenschaftenerhlt Stahlgu erst durch Wrmebehandlungen(Normalglhen, Ver-

    gten) mit der dabei auftretenden Kornverfeinerung durchGefgeumwandlung

    Mikrogefge von GC25E

    Stahlgu

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Kalt- und Warmumformung im normalgeglhten oder vergteten Zustand

    mglich

    spezifische Eigenschaften von Stahlguschmelze mit ungnstigemEinflu auf

    den Herstellungsproze:

    zhflssige Schmelze schlechtes Formfllungsvermgen

    Wachstum von dendritischen Mischkristallen auf der klteren Formwand,die bei dnnen Querschnitten den Durchflu sperren

    Abhilfe: starkes berhitzen der Schmelze; Mindestwanddicke: 5 mm

    hohes Schwindma (2 3%) Gefahr von Lunker- und Ribildung

    konstruktive und gietechnische Gegenmanahmen Einschrnkung derfreien Gestaltungsmglichkeit von Stahlguteilen

    Stahlgu

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Eigenschaften:

    hrter als Gueisen

    hohe Zugfestigkeiten (700 1300 N/mm2) & hohe Streckgrenzen hohe Bruchdehnung (8 25%, hohe Zhigkeit, wichtig z.B. bei Stobe-

    anspruchung)

    Stahlgu ist erheblich teurerals entsprechender Grau- oder Tempergu

    erhhte Ansprche an Reinheit & Genauigkeit der Schmelzenzusammen-setzung

    hohe Schmelztemperaturen (ca. 1500 C) leistungsfhige Schmelzfen

    & hochtemperaturbestndige Formen Wrmebehandlung der fertigen Gustcke zur Ausbildung eines geeigne-

    ten Gefges

    Stahlgu

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    Festigkeitseigenschaften & Kerbschlagzhigkeit von geglhtem Stahlgu:

    unlegiert

    Stahlgu

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Verwendung:

    bei nicht ausreichender Festigkeit von Grau- oder Tempergu

    Gu aus geometrischen Grnden (komplizierte Form/groe Abmessungen)

    einzige technische oder konomische Realisierungsmglichkeit

    hochlegierte Qualitten mit gleichzeitig hohem C-Gehalt, die wegen ihrer

    schlechten plastischen Verformbarkeit nicht fr eine Warmumformung ge-

    eignet sind (z.B. Chromgu mit 30% Cr und 1,5% C)

    Stahlgu wird sofern nicht hohe Ansprche an Festigkeit und Verform-barbeit zwingend dagegen sprechen durch billigeres Gueisen und be-grenzt schmiedbaren Tempergu weitgehend ersetzt.

    Stahlgu

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    Stahlgusorten:

    Bezeichnung nach 1681bzw. EN 10293

    Gukennzeichnung GS bzw. G, sonst kein Unterschied zur Bezeichnungvon Sthlen

    Legierungselemente beeinfluen die Eigenschaften von Stahl und Stahl-gu allgemein in gleicher Weise

    GteklassennachMindestzugfestigkeit(GS-38 bis GS-60)

    SorteneinteilungnachMindeststreckgrenze

    Stahlgu

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    Stahlgu fr allgemeine Verwendung ist bis ca. 400 C warmfest (Rm= const),

    fr hhere Ansprche (bis 550 C) werden warmfeste ferritische Sorten ein-

    gesetzt

    gute Warmfestigkeitdurch Zulegieren von Mo (bis 1,2%) und Cr (bis 12%)

    hchste Warmfestigkeitdurch V und/oder W (< 1%)

    Hitze- und Zunderbestndigkeitdurch Cr (bis 29%), Ni (bis 25%) & Si (2%)

    Stahlgu

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    mechanische Eigenschaften:

    Stahlgu

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    Stahlgu

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    Schweien von Stahlgu:

    Schweiarbeiten an Stahlgu werden aus unterschiedlichen Grndendurch-

    gefhrt:

    Stahlgu

    Fertigungsschweien

    Instandsetzungsschweien

    Konstruktionsschweien

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    Def.: Schweiarbeiten, die zum Beseitigen fertigungsbedingter Fehlerstel-

    len(z.B. Lunker, Risse, Oberflchenfehler) notwendig sind; mit ihnen wird

    die gewnschte/erforderliche uere und innere Beschaffenheitdes Gu-stcks erreicht

    Schweizusatzstoffe und Schweibedingungen mssen so gewhlt werden,

    da ein mglichst artgleiches Schweigutherstellbar ist

    Normalglhenvordem Schweien ist wegen der schlechten Zhigkeit desWIDMANNSTTTENschen Gugefges (Rigefahr durch sprden Werkstoff) drin-

    gend zu empfehlen

    Stahlgu

    Fertigungsschweien

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    Spannungsarmglhennachdem Schweien soll bei Bauteilen aus normalge-

    glhten Sorten bei 600 640 C und bei dem aus vergtetem Stahlgu min-

    destens 20 50

    C unter der Anlatemperatur der Vergtungsbehandlungerfolgen

    Stahlgu

    Fertigungsschweien

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Def.: Schweiarbeiten zur Beseitigung von Betriebsschdenan Bauteilen

    durch das Einwirken mechanischer und korrosiver Beanspruchungen; zu be-

    achtende schweitechnischen & fertigungstechnischen Manahmen sindhnlich wie bei jeder anderen Reparaturschweiung an Stahl

    Ausarbeiten der fehlerhaften Stelle(n) auf evtl. noch nicht vollstndig be-

    seitigte Risse mit zerstrungsfreien Prfverfahren (z.B: Farbeindringverfah-

    ren) sowie Fugenvorbereitung

    Stahlgu

    Instandsetzungsschweien

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    Def.: Schweiarbeiten zur Herstellung groer Bauteileaus kleineren Einzel-

    teilen, die aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen kn-

    nenim Gegensatz zum Fertigungsschweien wird dieser Fertigungsschritt zu

    Beginn festgelegt Schaffung optimaler Voraussetzungenzum Erreichen

    bestimmter technischer und konomischer Vorteile

    Verbundkonstruktionenbestehend aus Guteilen verschweit mit Walzprofi-len, Schmiedestcken usw. sind wirtschaftlich herstellbar

    Stahlgu

    Konstruktionsschweien

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    groe Bauteile lassen sichfertigungstechnisch einfacher, prftechnisch bes-

    ser und mit geringerem Ausschu herstellen

    Lage der Schweinhte lt sich beanspruchungs- & giegerecht whlen

    erleichterte und beschleunigte Herstellung

    Stahlgu

    Konstruktionsschweien

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    Tempergu

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    Temper-gu

    Tempergu ist nach EN 1562eine Fe-C-Legierung, die in ihrem C- und

    Si-Gehalt so eingestellt ist, da die Gustcke graphitfrei erstarren

    C + Si 3,8%

    C ist vollstndig in Zementit gebunden, Gefge besteht aus Perlit & Ledebu-

    rit (Temperrohgu)

    auch schmiedbarer Gu oder duktiles Gueisen genannt

    chemische Zusammensetzung zwischen Stahlgu und GJL

    optimaler Kompromi zwischen guten Gieeigenschaften von Gueisen undmechanischen Eigenschaften (Duktilitt, Festigkeit & Verformungsfhigkeit)

    von Stahlgu

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    Temper-gu

    Temperrohgu wird wegen der hohen Schmelztemperatur meist im Elektro-

    ofen erschmolzen

    Schmelze ist dnnflssig (gutes Formfllungsvermgen), Schwindma

    1 2%, Dichte ca. 7,4 g/cm3

    Tempergu lt sich wegen des im Guzustand hohen C-Gehalts zu formge-

    nauen, schwierig gestalteten und dnnwandigen Werkstcken mit sauberer

    und glatter Oberflche konturenscharf vergieen

    statisch & dynamische hochbelastbar (Rp0,2

    bis ber 600 N/mm2)

    sehr gute Bearbeitbarkeit

    grte giebare Wanddicke: 40 mm

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    Temper-gu

    Gewhrleistung eines graphitfreien KernsGuteilmassen sind im Ver-

    gleich zu Grau- oder Stahlgu begrenzt, meist um 1 kg

    Tempern sorgt fr charakteristische Eigenschaften:

    Tempern ist ein Glhbehandlung: Erhitzen ber lngeren Zeitraum (Tage)

    auf 700 1050 C

    Zusammensetzung des Rohgues sowie Umgebungsatmosphre und Tempera-

    turfhrung beim Tempern bestimmen Gefgeaufbau von Tempergu

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    Temper-gu

    Unterscheidung nach Bruchaussehen:

    weierTempergu

    schwarzerTempergu

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    Temper-gu

    TemperaturfhrungbestimmtArt des Tempergues:

    Temper-rohgusprdes GE

    (metastabile, d.h.

    carbidische Erstarrung)

    weier

    Tempergu (1)

    schwarzerTempergu (2)Bildung von

    Temperkohle

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    Temper-gu

    ferritisch perlitischweier

    Tempergu

    schwarzerTemperguferritisch perlitisch

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    Temper-gu

    Gefgeausbildung von Tempergu:

    ungeglht

    nach Wrmebehandlung

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    Temper-gu

    Richtwerte fr die chemische Zusammensetzung von Tempergu:

    im Rohguzustand

    EN-GKMB

    EN-GKMW

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    weier

    Tempergu

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    Temper-gu

    Herstellung:

    Temperbedingungen:

    1050 C in schwach oxidierenderAtmosphre: CO/CO2-Gemisch mit Luft/Wasserdampf-Zufuhr zur Regulierung Gastempern)

    Glhdauer: 2 6 Tage je nach Dicke der Guteile und angestrebtem Ent-kohlungsgrad

    Reaktionsablauf:

    1. Zementitzerfallim Innern: Fe3C 3 Fe + C2. Entkohlungdes Temperrohgues: CO2+ C 2 CO bzw. 2 C + O22 CO

    weierTempergu

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    Temper-gu

    Oberflchenreaktion: fortwhrender C-EntzugAusgleich des Konzentrationsgeflles durch C-Diffusion von innen zurGuoberflche

    allmhliche Entkohlung von innen nach auen(Dicke der entkohltenSchicht: max. 7 mm)

    restlicher Kohlenstoff ballt sich im Kern zu Temperkohleknllchen

    weierTempergu

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    entkohlendes Glhen typisches, wanddickenabhngiges Gefge mit zu-

    nehmendem C-Gehalt von auen nach innen

    dnne Querschnitte(< 5 mm): temperkohlefrei, ferritisch-perlitisch

    dicke Querschnitte(> 10 mm):ferritische Randzone ohne Temperkohle

    ferritisch-perlitischer bergangsbereich

    perlitische Kernzone mit Temperkohle

    Festigkeitseigenschaften von weiem Tempergu

    sind wanddickenabhngig!

    Temper-gu

    weierTempergu

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    Temper-gu

    Gefge im Querschnitt:

    weierTempergu

    sog. Keilprobenach DIN EN 1562

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    Temper-gu

    Kennzeichnungnach EN 1562:

    Zugfestigkeit definiert 5 Gteklassen: 350-4, 360-12, 400-5, 450-7, 550-4

    Eigenschaften:

    gute Schweibarkeitbei Wanddicken bis etwa 10 mm

    Gefge im Oberflchenbereich entspricht einem weichen unlegierten C-

    Stahl (C < 0,30%)

    Zerspanbarkeit: bei dicken Teilen (wegen Perlit) schwieriger, Verbesserung

    durch Weichglhen

    weierTempergu

    EN-GJMW-400-5

    ZugfestigkeitBruchdehnung

    malleable cast iron, engl.: Temperguwhite, engl.: wei

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    Temper-gu

    Festigkeitswerte:

    weierTempergu

    105

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    Temper-gu

    mechanische Eigenschaften von weiem Tempergu:

    weierTempergu

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    Temper-gu

    Verwendung:

    weier Tempergu wird vorwiegend fr dnnwandige Teile verwendet:

    Schlssel, Beschlagteile, Rohrverbinder (Fittings), Kette, Hebel, Schraub-

    zwingen, Muffen

    weierTempergu

    Tempergu-Fitting frSprinkleranlage

    Flaschenffner

    107

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    schwarzer

    Tempergu

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    Temper-gu

    Herstellung:

    zweistufiges Tempern:

    1. Graphitisierungsstufe(Glhen bei 950 C): Zementitzerfall & Aufl-sung im Grundgefge (Austenit), Ausscheidung von elementarem Kohlen-stoff als Temperkohleflocken (Gefge besteht ausAustenit & Temper-

    kohle)

    2. Graphitisierungsstufe

    langsamesAbkhlen(3 5 C/h) auf etwa680 C: Ausscheidung von C aus Austenit und

    Ankristallisation an bereits entstandene Tem-perkohle (ferritischer Temperguaus Matrix-ferrit & Temperkohle) oder

    schwarzerTempergu

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    Temper-gu

    schnellesAbkhlenan bewegter Luft/in l:Umwandlung von Austenit zu Perlit, anschlie-

    end Anlassen auf 600 700 C (perlitischer

    Temperguaus Matrixperlit & Temperkohle)

    schwarzerTempergu

    110

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    Temper-gu

    Kennzeichnungnach EN 1562:

    Zugfestigkeit definiert 9 Gteklassen: 300-10 bis 800-1

    EN-GJMB-550-4

    ZugfestigkeitBruchdehnung

    schwarzerTempergu

    malleable cast iron, engl.: Tempergublack, engl.: schwarz

    Gefge im Querschnitt:

    in allen Querschnittsbereichen (ausgenommen 0,2 mm Tiefe) liegt das

    gleiche, Temperkohle enthaltende Grundgefge vor

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    Temper-gu

    mechanische Eigenschaften von schwarzem Tempergu:

    schwarzerTempergu

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    Temper-gu

    Festigkeitswerte:

    schwarzerTempergu

    113

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    Temper-gu

    Verwendung:

    Bedeutung von schwarzem Temperguist seit dem Ende der 1960er Jahre

    stark zurckgegangen, weil die Anforderungen durch Gueisen mit Kugel-

    graphit sowie Gueisen mit Vermiculargraphit preiswerter erfllt werden

    schwarzerTempergu

    Miniaturschlssel (verchromt) Flgelschraube (verzinkt)

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    Temper-gu

    physikalische Eigenschaften von weiem und schwarzem Tempergu:

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    Temper-gu

    Eigenschaftsprofil der Tempergusorten:

    weierTempergu

    schwarzerTempergu

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    WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    Sondergu

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    Sonder-gu

    Sondergueisen sind Entwicklungen fr besonders hohe Anforderungen an

    Korrosions- und Verschleibestndigkeit oder thermische Beanspruchung

    surebestndiges Gueisen mit 14 17% S bei 0,6 0,9 % C ist auerordent-

    lich hart und sprdeund gehrt trotz des niedrigen C-Gehalts nicht zu den

    Sthlen, da die Schmiedbarkeit fehlt

    Bsp.: GJH-X70Si15

    Bestndigkeit gegen heie Suren

    Verwendung fr Pumpenteile und Armaturen in der chemischen Industrie,Anoden fr den kathodischen Korrosionsschutz

    surebestndiges Gueisen

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    Sonder-gu

    Schalenhartgu wird in Kokillen vergossen, so da durch dieAbschreckwir-

    kungder Rand wei erstarrt, im Kern tritt zunehmend Graphit auf

    Schalenhartgu

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    Sonder-gu

    verschleibestndiges Gueisen enthlt steigende Anteile von Carbiden

    ( Widerstand gegen Abrasion ), die stbchenfrmigin einer martensi-

    tisch-austenitischen Grundmasseliegen

    Grundmasse entsteht aus dem Guzustand durch Wrmebehandlungmit

    Luftabkhlung (hohe LE-Gehalte an Cr, Ni, Mo)

    Sorten besitzengraphitfreies Gefgeaus berwiegend Martensit(mitAnteilen von Bainit & Austenit), z.T. nach normaler Abkhlung

    C-Gehalt: 2,6 3,6%

    wichtigste LE: Cr > Ni, Mo

    verschleibestndiges Gueisen

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    Sonder-gu

    Cr stabilisiert die graphitfreie Erstarrung bei geringem Si-Gehalt (< 1%)und bildet hrtere Cr-Mischcarbide; nicht-gebundener (im MK gelster)

    Anteil steigert Hrtbarkeit & Korrosionsbestndigkeit

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    Sonder-gu

    EN 13835

    hochlegiertes austenitisches Gueisen (Ni: 12 35%) verbindet hohe Korro-

    sionsbestndigkeitund Hitzebestndigkeitder entsprechenden Stahlgu-

    sorten mit der leichteren Giebarkeiteutektischer FeC-Legierungen

    niedrige Schmelztemperatur, geringere Lunkerneigung, gutes Formfllungs-

    vermgen (aber hherer Aufwand als bei GJS!)

    Sorten unterscheiden sich durch

    abgestufte Ni-Gehalte und wie-tere LE

    austenitisches Gueisen

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    Vielen Dank fr IhreAufmerksamkeit