Gusseisen

Das unten abgebildete Phasendiagramm zeigt das vollständige Eisen-Kohlenstoff-Diagramm des metastabilen Systems, bei dem der Kohlenstoff in Form von Zementit im Gefüge vorliegt. Das Gefüge im metastabilen System kann deshalb maximal zu 100 % aus Zementit bestehen. Da der Kohlenstoffgehalt im Zementit (Fe3C) 6,67% beträgt, endet das metastabile Eisen-Kohlenstoff-Diagramm mit dieser Konzentration. Die Grenze zwischen denjenigen Eisenwerkstoffen die als Stähle bzw. als Gusseisen bezeichnet werden liegt bei 2,06 %. Dabei werden Eisenwerkstoff mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt als 2,06 % als Stähle bezeichnet und Eisenwerkstoffe mit einer größeren Kohenstoffkonzentration Gusseisen. Diese Einteilung geht auf die prinzipiell unterschiedlichen Gefüge zurück, die Stähle im Vergleich zu Gusseisen aufweisen. Worauf dieser Unterschied zurückzuführen ist und welche Konsequenzen sich hieraus ergeben wird im Folgenden näher erläutert.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, metastabil, stabil, Zementit, Graphit, Stähle, Gusseisen

Abbildung: Vollständiges Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Wird lediglich der Bereich des Phasendiagramms ab einem Kohlenstoffgehalt von 2,06 % betrachtet, so zeigt sich der im Erstarrungsprozess grundlegende Unterschied zwischen Stählen und Gusseisen. Bei einer Kohlenstoffkonzentration kleiner als 2,06 % erstarrte der Stahl zunächst als Mischkristalllegierung (homogenes Austenitgefüge) innerhalb des typisch linsenförigen Kristallisationsbereichs im Zustandsdiagramm. Im Bereich des Gusseisens zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm hingegen nicht mehr diesen linsenförmigen Erstarrungsbereich, sondern weist im Kristallisationsbereich das typisch liegende "K" einer Kristallgemischlegierung auf. Die eutektische Zusammensetzung liegt dabei bei 4,3 % Kohlenstoff, wo die beiden von links und rechts fallenden Liquiduslinien zusammentreffen.

Je nachdem ob die Eisen-Kohlenstoff-Verbindung als Mischkristalllegierung (C-Gehalt < 2,06 %) oder als Kristallgemischlegierung (C-Gehalt > 2,06%) erstarrt, ergeben sich grundsätzlich auch andere mechanische Eigenschaften des Werkstoffes bei Raumtemperatur. Wie im Kapitel Legierungen bereits erläutert, eigenen sich die als Kristallgemisch erstarrten Legierungen im Allgemeinen besser für Gießprozesse (sog. Gusslegierungen). Die als Mischkristall erstarrten Werkstoffe lassen sich im Vergleich hierzu allerdings wesentlich besser umformen und eignen sich deshalb im besonderen Maße für unterschiedliche Umformprozesse wie Biegen, Schmieden, Walzen, Tiefziehen, etc. (sog. Knetlegierungen).

Aus den oben genannten Gründen der fertigungstechnischen Verarbeitung unterscheidet man Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen mit einem geringeren bzw. größeren Kohlenstoffgehalt als 2,06 %. Unterhalb 2,06% Kohlenstoff bezeichnet man den Werkstoff als Stahl. Oberhalb von 2,06% Kohlenstoff spricht man hingegen von Gusseisen, da sich dieses im besonderen Maße für Gießprozesse eignet. Im Gegensatz hierzu lassen sich Stähle wesentlich besser umformen und sind deshalb im Gegensatz zu Gusseisen schmiedbar. Beachte, dass die Übergange in den mechanischen Eigenschaften an der 2,06 %-Grenze stets fließend verlaufen!

  • Stähle kristallisieren zunächst als Mischkristalllegierungen, während Gusseisen als Kristallgemischlegierung erstarrt.

Gusseisen besitzt deshalb im Vergleich zu Stahl ein eutektisches Grundgefüge! Die Ursache, dass der Stahl kein Eutektikum bildet liegt letztlich daran, dass Stähle bereits erstarrt sind bevor die Restschmelze die eutektisch Zusammensetzung hätte erreichen können. So wie Stähle in unter- bzw. überperlitische Stähle eingeteilt werden können, lassen sich Gusseisen entsprechend in unter- bzw. übereutektische Gusseisen untergliedern.

Während Stähle aufgrund des relativ geringen Kohlenstoffgehaltes grundsätzlich nach dem metastabilen System erstarren, kann Gusseisen sowohl in der metastabilen als auch in der stabilen Form kristallisieren. Die überwiegende Mehrheit der Gusseisensorten erstarrt aufgrund des relativ hohen Kohlenstoffgehaltes nach dem stabilen System. Anstatt der Zementitausscheidung unterliegt das Gusseisen während der Erstarrung bzw. Abkühlung somit der Graphitausscheidung. Dies hat Auswirkungen auf die Umwandlungstemperaturen im Phasendiagramm. Dementsprechend muss zwischen dem stabilen und dem metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm unterschieden werden. Das unten abgebildete Diagramm zeigt das metastabile (Fe/Fe3C: blau) und das stabile (Fe/C: abweichende Linien rot ergänzt) Phasendiagramm im Vergleich.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, metastabil, stabil, Zementit, Graphit, Stähle, Gusseisen

Abbildung: Vergleich des metastabilen und stabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramms 

Da die Bruchfläche des Gusseisens im metastabilen System aufgrund des erhöhten Zementitanteils weißlich erscheint, bezeichnet man das metastabile Gusseisen auch als weißes Gusseisen. Im Gegensatz hierzu färbt der als Graphit ausgeschiedene Kohlenstoff im stabilen System die Bruchfläche des Gusseisens eher gräulich. Deshalb wird Gusseisen des stabilen Systems auch graues Gusseisen (Grauguss) genannt. In den entsprechenden Kapiteln finden sich hierzu nähere Informationen.