Es handelt sich um eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, bei der der Kohlenstoffgehalt 2,14 % übersteigt, was zur Ausscheidung von freiem Kohlenstoff in Form von Lamellengraphit in der metallischen Matrix führt.
Graues Gusseisen
Aus metallurgischer Sicht zeichnet sich graues Gusseisen durch seine heterogene Struktur aus, die aus einer metallischen Matrix (typischerweise ferritisch, perlitisch oder einer Kombination davon) und Graphitlamellen besteht. Diese Graphitlamellen, deren Morphologie an Flocken oder Blättchen erinnert, verleihen dem Gusseisen die charakteristische graue Bruchfarbe, von der sein Name abgeleitet ist. Die chemische Zusammensetzung von grauem Gusseisen umfasst typischerweise Kohlenstoff im Bereich von 2,5–3,5 %, Silizium 1,0–3,0 %, Mangan 0,4–1,0 %, Phosphor 0,05–1,0 % und Schwefel 0,05–0,15 %. Silizium wirkt als starkes graphitbildendes Element, das die Ausscheidung von Kohlenstoff in Form von Graphit fördert. Mangan hingegen stabilisiert die perlitische Struktur und erhöht die Festigkeit der Matrix. Der Phosphorgehalt ist besonders wichtig für die Erhöhung der Fließfähigkeit des Gusseisens in komplexe Formen, was vor allem bei der Herstellung von dünnwandigen und künstlerischen Gussstücken entscheidend ist.
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von grauem Gusseisen hängen stark von seiner genauen chemischen Zusammensetzung, der Abkühlungsgeschwindigkeit während der Erstarrung und der resultierenden Mikrostruktur ab. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören eine Druckfestigkeit von 600–1200 MPa, eine Zugfestigkeit von 100–350 MPa, ein Elastizitätsmodul von 75–160 GPa und eine Brinellhärte von 150–300 HB. Die charakteristische Lamellenform des Graphits wirkt als natürlicher Spannungskonzentrator, was die relativ niedrige Zugfestigkeit und die fast nicht vorhandene Dehnbarkeit erklärt. Dieser Aspekt wird jedoch durch andere vorteilhafte Eigenschaften ausgeglichen: hervorragende Dämpfungsfähigkeit, die Vibrationen und Resonanzen unterdrückt, gute Wärmeleitfähigkeit (42–50 W/m·K), niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, gute Verschleißfestigkeit und Festfressbeständigkeit sowie akzeptable Korrosionsbeständigkeit unter normalen atmosphärischen Bedingungen.
Herstellung von grauem Gusseisen
Die industrielle Herstellung von grauem Gusseisen erfolgt durch Schmelzen eines Einsatzes aus Gusseisenabfall, Roheisen, Stahlabfall und Legierungszusätzen. Das Schmelzen wird in verschiedenen Arten von Schmelzaggregaten durchgeführt: Kupolöfen, die traditionelle und wirtschaftlich günstige Anlagen für große Produktionsmengen sind; elektrische Induktionsöfen, die eine bessere Kontrolle über die chemische Zusammensetzung und Temperatur bieten; und Drehrohröfen, die weniger üblich, aber für spezifische Anwendungen geeignet sind. Die Gießtemperatur von grauem Gusseisen liegt im Bereich von 1300–1450 °C, was aus energetischer Sicht günstig für die Produktion ist. Das Gießen erfolgt am häufigsten in Sandformen, die eine wirtschaftliche Herstellung auch komplexer Formen ermöglichen. Nach europäischen Normen wird graues Gusseisen als EN-GJL bezeichnet, gefolgt von einer Zahl, die die Mindestzugfestigkeit in MPa angibt. Die gebräuchlichsten Güteklassen sind EN-GJL-150 (früher ČSN 42 2415), EN-GJL-200 (früher ČSN 42 2420), EN-GJL-250 (früher ČSN 42 2425), EN-GJL-300 (früher ČSN 42 2430) und EN-GJL-350 (früher ČSN 42 2435).
Verwendung von grauem Gusseisen
Graues Gusseisen findet aufgrund seiner wirtschaftlichen Vorteile und spezifischen Eigenschaften in einer breiten Palette von Industriezweigen Anwendung. Im Maschinenbau wird es dank seiner hervorragenden Dämpfungseigenschaften für Rahmen von Werkzeugmaschinen, Zylinder und Kolben in Hydrauliksystemen, Getriebegehäuse und Lagerhäuser, Grundplatten und Maschinenbetten verwendet. In der Automobilindustrie wird es für Motorblöcke und Zylinderköpfe, Bremstrommeln und -scheiben, Teile von Abgassystemen und Zahnräder eingesetzt. Im Bauwesen findet es Anwendung in Kanalisationsrohren und Armaturen, Bauelementen wie Säulen und Trägern, Gittern, Rosten und Abdeckungen. In der Energiewirtschaft wird es für Teile von Kesseln und Wärmetauschern, Komponenten von Wasser- und Dampfturbinen, Heizkörper und Heizelemente verwendet. In künstlerischen und architektonischen Anwendungen wird graues Gusseisen für Geländer, Zäune und dekorative Gitter, Gartenmöbel, historische Rekonstruktionen und Renovierungen eingesetzt.
Zukunft des grauen Gusseisens
Obwohl graues Gusseisen in einigen Anwendungen durch moderne Materialien wie duktiles Gusseisen, Verbundwerkstoffe oder Leichtmetalllegierungen ersetzt wird, gewährleisten seine wirtschaftlichen Vorteile und spezifischen Eigenschaften seine kontinuierliche Verwendung in vielen Industriezweigen auch im 21. Jahrhundert. Trotz seines historischen Ursprungs bleibt graues Gusseisen ein wichtiges Konstruktionsmaterial in der modernen Industrie. Die Kombination aus relativ niedrigen Produktionskosten, guter Bearbeitbarkeit, hervorragenden Dämpfungseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit macht es zur optimalen Wahl für eine Reihe von Anwendungen, bei denen keine extremen Anforderungen an Festigkeit und Zähigkeit gestellt werden. Im Kontext der heutigen Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft zeichnet es sich auch durch seine 100%ige Recycelbarkeit aus, was seine Position im Portfolio der industriellen Materialien weiter stärkt.
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