Gusseisen mit Kugelgraphit

Werkstoff mit besonderen Eigenschaften

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Neben den Normalsorten gibt es beim Gusseisen mit Kugelgraphit noch legierte Sorten mit speziellen Eigenschaften für erweiterte Anwendungsbereiche, die nachfolgend kurz vorgestellt werden. Für diese Sorten gibt es gesondertes Schriftmaterial bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf, das unter den angegebenen Schrifttumsangaben bei Bedarf bezogen werden kann.

 

Austenitische Gusseisen mit Kugelgraphit

Die austenitischen Gusseisen mit Kugelgraphit nach EN 13835 sind hoch legierte Gusseisenwerkstoffe, die in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit, Hitze- und Zunderbeständigkeit, Kaltzähigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit, Verschleißbeständigkeit sowie besonders hohe oder niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten optimiert sind. Diese Werkstoffgruppe wird ausführlich in [10, 227, 228] beschrieben. Die Norm EN 13835 enthält insgesamt zehn Sorten mit Kugelgraphit.

Austenitische Gusseisen haben, wie der Name sagt, eine austenitische Grundmasse. Sie werden vielfach kurz mit dem Handelsnamen „Ni-Resist“ bezeichnet. Im Gegensatz zu den üblichen Normen für Gusseisen, wo nur die Eigenschaften vorgeschrieben werden, legt die Norm für die austenitischen Gusseisen wie bei legierten Stahlgusssorten auch die chemische Zusammensetzung fest, da die Eigenschaften hiervon in besonderem Maße abhängig sind. In der Tabelle 19 sind die mechanischen Eigenschaften nach EN 13835 und in der Tabelle 20 ein Vergleich der Sorten und Bezeichnungen nach DIN 1694 und EN 13833 sowie Handelsnamen enthalten.
 

Tabelle 19: Mechanische Eigenschaften der in EN 13835 genormten austenitischen Gusseisen

Werkstoffbezeichnung Zugfes-
tigkeit
Rm
[N/mm2)]		 0,2 %-Dehn-
grenze
Rp0,2
[N/mm2]		 Bruch-
dehnung
A
[%]		 Mittelwert
für die Kerb-
schlagarbeit
A min.3) [ J ]		 Charpy-V
Kerbschlag-
arbeit
Av2) [ J ]		 Elastizitäts-
modul
E2)
[kN/mm2]		 Brinell-
härte
HB2)		 Druck-
festigkeit
RD2)
[N/mm2]
 
Kurzzeichen Werkstoff-
Nummer
Normalsorte
EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 EN-JL3011 170 – 210 – 2 – – 85 – 105 120 – 215 700 – 840
EN-GJSA-XNiCr20-2 EN-JS3011 370 – 480 210 – 250 7 – 20 131) 11 – 24 112 – 130 140 – 255 –
EN-GJSA-XNiMn23-4 EN-JS3021 440 – 480 210 – 240 25 – 45 24 20 – 30 120 – 140 150 – 180 –
EN-GJSA-XNiCrNb20-2 EN-JS3031 370 – 480 210 – 250 8 – 20 131) 11 – 24 112 – 130 140 – 200 –
EN-GJSA-XNi22 EN-JS3041 370 – 450 170 – 250 20 – 40 20 17 – 29 85 – 112 130 – 170 –
EN-GJSA-XNi35 EN-JS3051 370 – 420 210 – 240 20 – 40 – 18 112 – 140 130 – 180 –
EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 EN-JS3061 380 – 500 210 – 270 10 – 20 – 7 – 12 130 – 150 130 – 170 –
Sondersorte
EN-GJLA-XNiMn13-7 EN-JL3021 140 – 220 – – – – 70 – 90 120 – 150 630 – 840
EN-GJSA-XNiMn13-7 EN-JS3071 390 – 470 210 – 260 15 – 18 16 15 – 25 140 – 150 120 – 150 –
EN-GJSA-XNiCr30-3 EN-JS3081 370 – 480 210 – 260 7 – 18 – 5 92 – 105 140 – 200 –
EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5 EN-JS3091 390 – 500 240 – 310 1 – 4 – 1 – 3 90 170 – 250 –
EN-GJSA-XNiCr35-3 EN-JS3101 370 – 450 210 – 290 7 – 10 – 4 112 – 123 140 – 190 –
1) Freigestellte Anforderung nach Vereinbarung zwischen Hersteller und Käufer
2) Nicht genormt
3) Mittelwert für die Kerbschlagarbeit aus 3 Versuchen an Charpy-V-Proben nach EN 10045-1

 

Tabelle 20: Übersicht der nationalen und internationalen (teilweise nicht mehr gültigen ) Normen und Bezeichnungen der austenitischen Gusseisen und übliche Handelsnamen

Werkstoffbezeichnung
nach EN 13835		 DIN1694:1981 ASTM
A 436:
1984		 ASTM A
439:1983
ASTM A
571:1984		 BS 3468:
1962		 BS
3468:
1986		 ISO2892:
1973
BS3468:
1974		 NFA32-301:
1992		 Inter-
nationaler
Handels-
name
Kurzzeichen Werkstoff-
Nummer
Lamellengraphit
EN-GJLA-XNiCuCr15
-6-2		 EN-JL3021 GGL-NiMn 13 7 - - - - L-NiMn 13 7 FGL Ni13 Mn7 Nomag
EN-GJLA-XNi Mn13-7 EN-JL3011 GGL-NiCuCr 15 6 2 Type 1 - AUS 101A F1 L-NiCuCr 15 6 2 FGL Ni15 Cu6 Cr 2 Ni-Resist 1
- - GGL-NiCuCr 15 6 3 Type 1b - AUS 101B F1 L-NiCuCr 15 6 3 FGL Ni15 Cu6 Cr3 Ni-Resist 1b
- - GGL-NiCr 20 2 Type 2 - AUS 102A F2 L-NiCr 20 2 FGL Ni20 Cr2 Ni-Resist 2
- - GGL-NiCr 20 3 Type 2b - AUS 102B F2 L-NiCr 20 3 FGL Ni20 Cr3 Ni-Resist 2b
- - GGL-NiSiCr 20 5 3 - - AUS 104 - L-NiSiCr 20 5 3 FGL Ni20 Si5 Cr3 -
- -   Type 3 - AUS 105 F3 L-NiCr 30 3 FGL Ni30 Cr3 Ni-Resist 3
- - GGL-NiCr 30 3 Type 4 - - - L-NiSiCr 30 5 5 FGL Ni30 Si5 Cr5 -
- - GGL-NiSiCr 30 5 5 Type 5 - - - L-Ni35 FGL Ni35 -
Kugelgraphit
EN-GJSA-XNiMn13-7 EN-JS3071 GGG-NiMn13 7 - - - S6 S-NiMn 13 7 FGS Ni13 Mn7 Nodumag
EN-GJSA-XNiCr20-2 EN-JS3011 GGG-NiCr 20 2 - D2 AUS 202A S2 S-NiCr 20 2 FGS Ni20 Cr2 Ni-Resist D-2
EN-GJSA-XNiCrNb20
-2		 EN-JS3031 GGG-NiCrNb 20 2 - - - S2W - FGS Ni20 Cr2 Nb
0,15		 -
- - GGG-NiCr 20 3 - D2B AUS 202B S2B S-NiCr 20 3 FGS Ni20 Cr3 Nicrosilalspheronic
- - GGG-NiSiCr 20 5 2 - - - - - FGS Ni20 Si5 Cr2 Ni-Resist D-2C
EN-GJSA-XNi22 EN-JS3041 GGG-Ni 22 - D2C AUS 203 S2C S-Ni 22 FGS Ni22 Ni-Resist D-2M
EN-GJSA-XNiMn23-4 EN-JS3021 GGG-NiMn 23 4 - D2M1) - S2M S-NiMn 23 4 FGS Ni23 Mn4 Ni-ResistD-3A
- - GGG-NiCr 30 1 - D3A - - S-NiCr 30 1 FGS Ni30 Cr1 Ni-Resist D-3
EN-GJSA-XNiCr30-3 EN-JS3081 GGG-NiCr 30 3 - D3 AUS 205 S3 S-NiCr 30 3 FGS Ni30 Cr3 -
- - GGG-NiSiCr 30 5 2 - - - - - FGS Ni30 Si5 Cr2 -
EN-GJSA-XNiSiCr30
-5-5		 EN-JS3091 GGG-NiSiCr 30 5 5 - D4 - - S-NiSiCr 30 5 5 FGS Ni30 Si5 Cr5 Ni-Resist D-4
EN-GJSA-XNi35 EN-JS3051 GGG-Ni 35 - D5 - - S-Ni 35 FGS Ni35 Ni-Resist D-5
EN-GJSA-XNiCr35-3 EN-JS3101 GGG-NiCr 35 3 - D5B - - S-NiCr 35 3 FGS Ni35 Cr3 Ni-Resist D-5B
EN-GJSA-XNiSiCr35
-5-2		 EN-JS3061 GGG-NiSiCr 35 5 2 - D5S - S5S - FGS Ni35 Si5 Cr2 Ni-Resist D-5S
1) Austenitisches Gusseisen mit Kugelgraphit für Druckbehälter für Tieftemperaturbetrieb


Um den Austenit bis zu tiefen Temperaturen stabil zu machen, ist ein Mindestgehalt an Nickel, Mangan und Chrom erforderlich. Die drei Elemente werden in einem Nickel-Äquivalent = % Ni + % Cr + 2 x % Mn zusammengefasst, das über etwa 20 % liegen sollte. In Fällen, wo ein absolut stabil austenitisches Gefüge verlangt wird, sollte es mindestens 23,5 % sein. Bei niedrigeren Werten kann sich unter Umständen beim Spannungsarmglühen oder bei tiefen Temperaturen Martensit bilden, der den Werkstoff versprödet. Ein Ersatz von Nickel durch Mangan ist nur bei der kaltzähen Sorte möglich, da Mangan keinen Beitrag zur Korrosionsbeständigkeit oder Hitzebeständigkeit liefert. Chrom muss aus Gründen der Zähigkeit und Bearbeitbarkeit auf 2 bis 3 % begrenzt werden.

Fast alle Sorten haben gute bis sehr gute Korrosionsbeständigkeit, Zunderbeständigkeit und Kaltzähigkeit. Die wichtigsten Sorten sind EN-GJSA-XNiCr20-2 und ENGJSA-XNiCrNb20-2 als korrosionsbeständige Sorten und EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 als hitzebeständiger Werkstoff. Der Nickelgehalt ist wesentlich für die Korrosionsund Zunderbeständigkeit. Chrom ist vor allem für die Verschleißbeständigkeit wichtig, Silicium für hohe Zunderbeständigkeit.

Der Nickelgehalt beeinflusst die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist bei etwa 20 % Ni am höchsten, sinkt mit steigendem Nickelgehalt und erreicht bei etwa 35 % ein Minimum. Die Sorten mit rund 20 % Nickel und die manganhaltigen Sorten sind nicht magnetisierbar. Von etwa 26 % Ni an wird das austenitische Gusseisen wieder magnetisch.

EN-GJSA-XNiCr20-2 und EN-GJSAXNiCrNb20-2 werden vor allem als korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet. Im Gegensatz zu Edelstählen sind sie allerdings nicht passivierbar, sondern ihre Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer Schutzschicht aus nickelhaltigen Reaktionsprodukten. Das Haupteinsatzgebiet sind Seewasser beständige Gussteile, da sie im Gegensatz zu den meisten Edelstählen in stagnierendem Meerwasser nicht durch Lochfraßkorrosion gefährdet sind. Gelegentlich finden Sie auch als warmfeste und zunderbeständige Werkstoffe Verwendung.

EN-GJSA-XNi22 und EN-GJSA-XNiMn23-4 werden in der Tieftemperaturtechnik eingesetzt. Vor allem EN-GJSA-XNiMn23-4 ist speziell als Tieftemperaturwerkstoff entwickelt worden und hat nur eine geringe Korrosionsbeständigkeit. EN-GJSA-XNi30-3 hat eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit und findet auch als Werkstoff Verwendung, bei dem durch Variation des Nickelgehaltes der thermische Ausdehnungskoeffizient in relativ engen Grenzen eingestellt werden kann.

EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5, EN-GJSAXNiCr30-3 und EN-GJSA-XNiCr35-5-2 zeichnen sich dank des hohen Siliciumgehalts durch eine hohe Zunderbeständigkeit aus und sind aufgrund des niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch gegen Temperaturwechsel und thermomechanische Beanspruchungen gut beständig [10, 229].

EN-GJSA-XNi35 wird als Werkstoff mit sehr niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt.

Aus EN-GJSA-XMnNi13-7 werden nichtmagnetisierbare Gussstücke hergestellt.

Ausführlich werden die austenitischen Gusseisensorten in [9 und 10] beschrieben. Die Quellen können bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf bezogen werden.

 

Carbidisches Gusseisen mit Kugelgraphit

Die Verschleißbeständigkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit kann durch freie Carbide, das heißt Anteile von Ledeburit, erheblich gesteigert werden. Carbidische Gusseisen mit Kugelgraphit lassen sich erzeugen, in dem eine an sich weiß erstarrende Gusseisenschmelze mit Magnesium behandelt, normales Gusseisen mit Kugelgraphit mit Chrom legiert oder die Schmelze gegen eine Schreckplatte oder in Kokille gegossen wird. Je nach Abstand von der abgeschreckten Oberfläche entsteht bei letztgenanntem Verfahren ein Gradientengefüge, bei dem der Carbidanteil von der Außenseite zum Kern hin abnimmt. Über die Einstellung der chemischen Zusammensetzung und der Impfung lässt sich der Carbidanteil in weiten Grenzen variieren (Tabelle 21).


Tabelle 21: Verschleißbeständige carbidische Gusseisen-Werkstoffe nach DIN EN, DIN, ASTM sowie deren Handelsnamen
 

Werkstoffsorte nach DIN EN 12 513 Werkstoffsorte nach DIN 1695 Werkstoffsorte nach
ASTM A 532		 Handelsname
Kurzzeichen
EN-		 Nummer
EN-		 Kurzzeichen Nummer
- - G-X 300 NiMo 3 Mg 0.9610 - -
GJN-HV350 JN2019 - - - -
GJN-HV520 JN2029 G-X 260 NiCr 4 2      
GJN-HV550 JN2039 G-X 330 NiCr 4 2      
GJN-HV600 JN2049 G-X 300 CrNiSi 9 5 2      
GJN-HV600(XCr11) JN3019 - - Class II Type A 12 % Cr -
GJN-HV600(XCr14) JN3029 G-X 300 CrMo 15 3
G-X 300 CrMoNi 15 2 1		 0.9635
0.9640		 Class II Type B 15 %
CrMo		  
GJN-HV600(XCr18) JN3039 G-X 260 CrMoNi 20 2 1 0.9645 Class II Type D 20 %
CrMo		  
GJN-HV600(XCr23) JN3049 G-X 260 Cr 27
G-X 300 CrMo 27 1		 0.9650
0.9655		 Class III Type A 25 % Cr -

 

Durch entsprechendes Legieren mit Nickel, Molybdän und Kupfer kann man eine martensitische oder bainitische Grundmasse erreichen, die ebenfalls zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit beiträgt (Tabelle 22). Die Härte dieser Werkstoffe liegt je nach Carbidanteil und Grundmasse zwischen 300 und 550 HB. Der Vorteil eines derartigen Gefüges gegenüber rein carbidischen Gusseisensorten sind geringere Rissanfälligkeit und höhere Thermoschockbeständigkeit. Die Verschleißbeständigkeit ist allerdings etwas geringer.


Tabelle 22: Einteilung der wichtigsten verschleißbeständigen weißen Gusseisenwerkstoffe

Werkstoffgruppe Typische
Legierungselemente		 Handelsname Härte HB1 Carbide Grundmasse
Perlitischer Hartguss
(un- oder niedriglegiert)		 - - bis 480 Fe3C Perlit
Martensitische weiße
Gusseisen (mittellegiert)		 Ni, Cr Ni-Hard 1
und 2		 bis 700

M3C2

  
Chromgusseisen
(hochlegiert)		 Cr, Ni, Si
Cr, Mo, Ni, Cu		 Ni-Hard 4
15-3, 20-2-1		 bis 700
bis 850		 M7C3, M3C2
Cr-Sondercarbide		 Martensit, Austenit
Martensit, Austenit
Sondergusseisen Cr, Mo, Ni
Cu, Nb, V, W		 - bis 900 Sondercarbide Martensit, Austenit
Ferrit
1 Anhaltswerte
2 M = Fe, Cr, Mo


Die wichtigste Anwendung von carbidischen Gusseisen mit Kugelgraphit sind Walzwerkswalzen [230]. Weitere Anwendungen Verschleißteile (Bilder 206 und 207).
 

Bild 206: Kalibrierwalzen aus GJS für das Fertigwalzen von Betonrippenstahl, Stückgewicht 700 kg, Abmessungen Dmr. 380 x 650 mm Ballenlänge (Bild: ZGV, Düsseldorf)
Bild 207: Verschleißbeständige Spitzbeinschutzteile aus aus dem Werkstoff CADI (Bild: Simba Ltd)

 

Eine neuere Entwicklung ist carbidhaltiges ADI, das als CADI bezeichnet wird. Es wird durch Legieren von ADI mit Chrom erzeugt und enthält nach der Wärmebehandlung etwa 5 % Carbide bei 0,5 % Cr und 17 % bei 1 % Cr. Seine Verschleißbeständigkeit liegt zwischen der von üblichem ADI und martensitischem weißen Gusseisen EN-GJN-HV550 (Ni-Hard 1) [231 - 232] (Bild 207). Weiterführende Informationen zum CADI sind in [232] und zu den Carbidischen Gusseisen in [233] enthalten, die bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf bezogen werden können.

 

Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV)

Gusseisen mit Vermiculargraphit ist seit 2006 international in ISO 16112 „Cast iron with compacted (vermicular) graphite“ [234] genormt. Die Norm basiert im Wesentlichen auf dem VDG-Merkblatt W 50 [235] und der ASTM-Norm A842-85 [236]. Es wird in ähnlicher Weise wie Gusseisen mit Kugelgraphit durch Schmelzbehandlung mit Magnesium hergestellt, daher auch die kompakte Ausbildungsform des Graphits. Früher wurde es als ein „Zwischending“ zwischen Gusseisen mit Lamellen- und Gusseisen mit Kugelgraphit betrachtet, dennoch ist es ein eigenständiger Werkstoff, der hier erwähnt wird, damit der Unterschied zum Gusseisen mit Kugelgraphit deutlich wird.

Seine Zwischenposition ist eindrucksvoll im Bild 209 gezeigt.
 

Bild 209: Vergleich der Biegewechselfestigkeiten von GJL, GJV und GJS im Dauerfestigkeitsschaubild nach Goodman

 

Näher am Werkstoff mit Lamellengraphit (GJL) sind Wärmeleitfähigkeit, Dämpfungsvermögen sowie Gleit- und Reibverhalten, die sämtlich auf die GJL-ähnliche Verzweigung des korallenbaumartig kristallisierenden Graphits (Bild 210) zurückzuführen sind.
 

Bild 210: REM-Darstellung des verzweigten, korallenbaumartigen Wachstums von Vermiculargraphit

 

Dieser Graphit bricht zum Beispiel unter Reibbelastung nicht aus der metallischen Grundmasse heraus, sondern bleibt fest darin verankert. Näher am Werkstoff mit Kugelgraphit (GJS) sind jedoch E-Modul, und Dauerwechselfestigkeit. Diese Gemeinsamkeiten, merkwürdigerweise aber auch die Note „ausreichend“ in Duktilität, die ihm eine GJL-ähnliche hohe zulässige Flächenpressung verleiht, definieren die erwähnte Eigenständigkeit und den vorzugsweisen Einsatz von GJV im Motorenbau.

Nach der „Neuentdeckung“ des GJV zu Beginn der neunziger Jahre des 20. Jhs., als es erstmalig möglich wurde, die Grenzen zu GJL einerseits und zu GJS andererseits metallurgisch zu kontrollieren, werden Bauteile für diesen Anwendungsbereich wie Zylinderblöcke- und -köpfe sowie Zylinderlaufbüchsen vom Schiffsdiesel bis zum PKW-Motor in großen Stückzahlen produziert. Weitere Beispiele sind Abgasrohre sowie Pumpen- und Hydraulik-Ventilgehäuse. GJV ist aus der einst prophezeiten „Nischenposition“ längst herausgetreten.

GJV wird in den Festigkeitsklassen von 300 bis 500 N/mm2 geliefert. Die Daten in der Tabelle 23 wurden auszugsweise der ISO 16112 entnommen.


Tabelle 23: Mechanische Eigenschaften von Gusseisen mit Vermiculargraphit, gemessen an Proben aus getrennt gegossenen Probekörpern nach VDG-Merkblatt W 50
 

Werkstoff
EN-...		 Rm
[N/mm²]		 Rp0,2
[N/mm²]		 A
[%]		 E-Modul
[kN/mm²]		 λ (23 °C)
[W/m.K]		 HBW
GJV-300 300 - 375 210 - 295 1,5 130 - 145 45 140 - 210
GJV-350 350 - 425 260 - 335 1,5 135 - 150 45 160 - 220
GJV-400 400 - 475 300 - 375 1,0 140 - 150 40 180 - 240
GJV-450 450 - 525 340 - 415 1,0 145 - 155 40 200 - 250
GJV-500 500 - 575 380 - 455 0,5 145 - 160 35 220 - 260

 

Die Zugfestigkeit von GJV ist wanddickenabhängig und lässt sich für verschiedene Querschnitte aus der notwendigerweise bekannten Zugfestigkeit der getrennt gegossenen sogenannten Y-Probe wie folgt berechnen:

Rmy = Rmx + 0,50 (ln Mx – ln My) (12)
Darin sind
Rmy - unbekannte Zugfestigkeit eines Querschnitts mit Modul My
Rmx - bekannte Zugfestigkeit der getrennt gegossenen Probe mit dem Modul My
Modul -Verhältnis des Volumens eines Querschnitts zu dessen wärmeführender Oberfläche (V/O) in cm.

Für eine Platte beträgt er etwa die halbe Wanddicke und bei einem Rundstab ein Viertel des Durchmessers in cm.

Eine auf der Basis von etwa 500 Messungen basierende Korrelation zwischen Dehngrenze und Zugfestigkeit lautet:

Rp0,2 = 0,8 . Rm - 5 (13)
Ausführliche Informationen zum Werkstoff Gusseisen mit Vermiculargraphit sind in [237] enthalten. Die Informationsschrift kann bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf angefordert werden. 

 

SiMo-Gusseisen

Während GJV-400SiMo als Werkstoff für Abgaskrümmer schon eine lange Tradition hat, wurde GJS erst in den 1960er Jahren für diesen Zweck erprobt. Die ersten Tests wurden von GM-Opel im Rahmen einer Diplomarbeit [238] durchgeführt. Als Versuchobjekt dienten auf Restwanddicken von 3, 3,3 und 3,6 mm aufgebohrte Probestäbe (Bild 211).
 

Bild 211: Probekörper mit Ringinduktor [1] und durch Wasserkühlung geregeltem Temperaturgradienten

 

Ziel war eine Simulation der Temperaturwechselbelastung eines Abgasrohres zwischen 20 und 600 beziehungsweise 700 °C. Als Bewertungsmaßstab diente eine in Vorversuchen erstellte Richtreihe mit sechs Rissklassen, Durchriss nicht inbegriffen. Geprüft wurden EN-GJS-700-2, GJV-400SiMo sowie auch zwei Varianten des Gusseisens mit Lamellengraphit (GJL-250CrMo und GJL-250MoSnN), die zuvor im Hinblick auf Verwendung für Pkw-Zylinderköpfe geprüft worden waren, und von denen die zweite so erfolgreich war, dass sie auch heute noch Einsatz findet. Darüber wurde bereits berichtet [239]. Die chemische Zusammensetzung der drei Werkstoffe enthält Tabelle 24.


Tabelle 24: Chemische Zusammensetzung der im Bild 213 dargestellten Werkstoffe (in [%])

Werkstoff C Si Mn Cu Cr Mo Mg
GJL-250 CrMo 3,38 2,22 0,56 0,33 0,38 0,59 -
GJL-250 MoSnN 3,47 1,74 0,56 0,30 0,19 0,27 -
GJV-400 SiMo 3,72 3,08 0,35 0,09 0,05 0,80 0,025
GJS-700 3,58 2,25 0,29 1,05 0,06 0,01 0,062

 

Die Ergebnisse dieser Tests für 700 °C sind aus Bild 213 ersichtlich. GJL-250CrMo versagte nahezu linear, das ferritische GJV-400SiMo und das ursprünglich perlitische GJS-700 erwiesen sich als praktisch gleichwertig, wobei im Fall von GJS zu erwähnen ist, dass nach 600 Zyklen der Perlit nur bis zur körnigen Ausbildung umgewandelt wurde. Es lag also nahe, den Werkstoff von vornherein in die „SiMo“- Klasse zu erheben. und aus der nodularen Graphitausbildung gegenüber GJV Vorteile zu gewinnen. 
 

Bild 213. Lastwechselspiele zwischen 20 und 700 °C für vier Gusseisensorten mit der Probe nach Bild 1, Bewertungsmaßstab: Rissklasse [244]

 

Von den beiden GJL-Sorten wurde leider nur die „bessere“ metallographisch untersucht: Nach 600 Zyklen fand noch keine Ferritisierung statt. Der Perlit und die Legierungscarbide kugelten sich teilweise ein und die Grundmasse enthielt neben Restsorbit auch kubischen Martensit. Dies ist zweifellos in ersten Linie Ergebnis der hohen Wärmeleitfähigkeit. Ein solches „Vergütungsgefüge“ ist regelmäßig bei den sich autonom regenerierenden Bremsscheiben aus dem GJL-Werkstoff „VARIFER zu beobachten. Die Tests werden heute hauptsächlich unter den realen Bedingungen eines Motorprüfstands durchgeführt und decken eine breit angelegte Verhaltensmatrix ab. Sie sind von Werk zu Werk verschieden und z.T. vertraulich.

Nachdem GJV-400SiMo bei Abgastemperaturen in der Größenordnung um 800 bis 850 °C praktisch die Grenzen der Leistungsfähigkeit erreichte, setzte man auf GJS-500SiMo mit über 5 % Si und etwa 1 % Mo, das Abgastemperaturen bis
950 °C widerstehen sollte. Zweckdienlich waren dabei die Verschiebung des Umwandlungsintervalls α-γ zu höheren Temperaturen. Sie ist Ergebnis der gemeinsamen Wirkung von Silicium, Chrom und Molybdän, die alle das γ-Gebiet stark einengen. Andererseits ist GJS gegenüber GJV wesentlich beständiger gegen innere Oxidation.

Im Verlauf der Beanspruchung überzieht sich die Oberfläche des Gussteils mit einer schützenden Fayalitschicht. Risse in dieser Schicht führen beim GJS nur zu einer weiteren Fayalitbildung. Dank der isolierten Graphiteinschlüsse findet aber kein Eindringen des Sauerstoffs in das Innere des Gussteils statt. Im GJV sind die Graphiteinschlüsse miteinander mehr oder weniger stark vernetzt, und eine Verzunderung entlang der Phasengrenzen Graphit/Matrix kann nicht mehr aufgehalten werden, es sei denn, die Verästelung wird durch metallurgische Maßnahmen begrenzt. Die Forderung nach einer solchen Begrenzung ist zum Beispiel Bestandteil der VW-Norm 50021 [240]. 

Aber auch GJS hat Nachteile:

  • Höhere Siliciumgehalte verspröden den Ferrit. Zusammen mit Spannungen, die durch einen hohen E-Modul aufgebaut werden, kann dies bei einem Bodenkontakt im Fahrbetrieb zu Abrissen führen.
  • Der höhere E-Modul führt, gepaart mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, zum Verzug. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit wiederum und damit ein hoher Temperaturunterschied zwischen kalter und warmer Seite des Gussteils kann bei hohen Abgastemperaturen vor allem in der kritischen Situation des Motorabschaltens zu Rissen führen.

Auf diese Weise müsste die Verwendung von GJS-500SiMo bei hohen Abgastemperaturen auf Fahrzeuge mit viel Bodenfreiheit und/oder Motoren mit der kühlerseitig eingebauten Abgasanlage beschränkt werden.

Die „magische“ Zahl von 1050 °C ist ein asymptotischer Wert, de facto werden bei dieser Abgastemperatur bereits austenitische Sorten eingesetzt.

Eine Übersicht der wichtigsten Merkmale der GJS-Werkstoffe für Abgasanlagen ist in den Tabellen 25 und 26 enthalten. Für weiterführende Informationen sei die Quelle [8] empfohlen. 


Tabelle 25: Chemische Zusammensetzung einiger GJS-Werkstoffe für Abgasanlagen (in [%])

SAE J2582 (Entwurf)
Werkstoff C Si Mo Cr Ni
1   3,5 - 4,5 max. 0,5    
2   idem 0,51 - 0,70    
3   idem 0,71 - 1,00    
VW 50021:2006-12
GJS-XSiMo5-1 3,0 - 3,6 4,0 - 5,0 0,80 - 1,00 max. 0,5 max. 0,6
GJS-XSiCrMo4,6-0,8-0,7 min. 2,9 4,4 - 4,8 0,55 - 0,70 0,70 - 0,85 max. 0,5
GJSAXNiCr30-2 max. 2,4 2,0 - 3,0 - 1,75 - 2,25 18,0 - 20,0
GJSA-XNiCr35-3 max. 2,0 2,0 - 3,0 - 2,25 - 2,75 34,0 - 36,0
GJSA-XNiSiCr35-5-2 2,8 - 3,6 4,5 - 5,5 - 1,75 - 2,25 34,0 - 36,0

 

Tabelle 26: Mechanische Eigenschaften einiger GJS-Werkstoffe für Abgasanlagen

SAE J2582 (Entwurf)
Werkstoff Härte
HBW 5-750		 Rm
[MPa]		 RP0,2
[MPa]		 A 5 mm
[%]		 E-Modul
[MPa]
1 187 - 241 > 450 ≥ 275 ≥ 8 > 152000
2 187 - 241 > 485 ≥ 389 ≥ 6 > 152000
3 196 - 269 > 515 ≥ 415 ≥ 4 > 152000
VW 50021:2006-12
GJS-XSiMo5-1 200 - 260 > 520 ≥ 420 ≥ 5,0  
GJS-XSiCrMo4,6-0,8-0,7 200 - 265 > 620 ≥ 500 ≥ 6,0  
GJSAXNiCr30-2 140 - 200 > 370 ≥ 200 ≥ 10,0  
GJSA-XNiCr35-3 140 - 190 > 370 ≥ 200 ≥ 10,0  
GJSA-XNiSiCr35-5-2 130 - 260 > 370 ≥ 200 ≥ 10,0  

Weiterführende Informationen zum Werkstoff Gusseisen mit Kugelgraphit

Autoren und Quellen

Autoren:

Dr. Ch. Bartels, DI R. Gerhards, Prof. H. Hanselka, Prof. K. Herfurth, Dr. H. Kaufmann, DI W. Kleinkröger, Dr. M. Lampic, Dr. H. Löblich, Dr. W. Menk, Prof. G. Pusch, Dr. T. Schmidt, DI K.-H. Schütt, DI P. Tölke, Prof. E. P. Warnke

Quellen:

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