Werkstoffe 8 - 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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WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014
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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WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014
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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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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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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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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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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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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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
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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
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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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WERKSTOFFE 8 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014
Temper-gu
schnellesAbkhlenan bewegter Luft/in l:Umwandlung von Austenit zu Perlit, anschlie-
end Anlassen auf 600 700 C (perlitischer
Temperguaus Matrixperlit & Temperkohle)
schwarzerTempergu
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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
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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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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