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TempergussBeim Temperguss wird, anders als bei anderen Gusseisensorten, bei denen sich der Graphit während der Abkühlung teils aus der Schmelze, teils aus dem Zementit ausscheidet, der Zementit erst nach besonders langer Glühzeit zum Zerfall gebracht. Der dabei entstehende Graphit wird als Temperkohle bezeichnet und zeichnet sich durch seine charakteristische Knöllchenform aus. Anhand des Bruchaussehens wird der Temperguss in schwarzen und weißen Temperguss unterteilt. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Weißer TempergussNormungDer weiße Temperguss ist in der DIN 1692 (alt) und in DIN EN 1562 (neu seit 09.97) genormt. Der alte Kurzname lautet GTW und der neue lautet GJMW. Das Kurzzeichen besteht aus (EN-) GJ für Gusseisen, M für (malleable cast iron: Glüheisen) und W für weiß, unter anderem müssen mechanische Eigenschaften und/oder chemische Zusammensetzung dem Kurzzeichen beigefügt werden. Wenn erforderlich können zusätzliche Anforderungen angegeben werden, z.B. EN-GJMW-350. In der DIN EN 1562 sind fünf Sorten erfasst:
Chemische ZusammensetzungRichtlinien der chemischen Zusammensetzung des Temperrohgusses
Kohlenstoff und Silicium müssen so aufeinander abgestimmt sein (die Summe von Kohlenstoff und Silicium sollte 3,8% nicht übersteigen), dass auch die stärksten Querschnitte eines Tempergussstückes nach der Erstarrung ein weißes, graphitfreies Gefüge aufweisen. Herstellung (Tempern)Um einen weißen Temperguss zu erhalten, wird der Temperrohguss (untereutektisches weißes Gusseisen) geglüht („Glühfrischen“). Dies macht man um den Kohlenstoffanteil im Gussstück weitestgehend zu senken. Dadurch wird das Gussstück im Randbereich etwas zäher. Der Rohguss wird bei 1000°C ca. 60-120h in einer oxidierenden Atmosphäre geglüht (im Gasstrom getempert). Dabei laufen folgende Reaktionen ab:
GefügeausbildungDas Gefüge des weißen Tempergusses, bei Wanddicken unter 3mm, besteht einer ferritischen Grundmatrix und ganz wenig bzw. keine Temperkohleknöllchen (in der Mitte). Bei Wanddicken über 3mm teilt sich das Gefüge des weißen Tempergusses in drei Bereiche auf:
Die Entkohlungstiefe wird durch eine mitgeglühte Keilprobe ermittelt. Ihr metallografischer Anschliff gibt Aufschluss über die Gefügeausbildung. Bei unsachgemäßem tempern können Gefügefehler auftreten. Zum Beispiel können die Grafitnester zu s.g. „Faulbruch“ führen, sie sind bereits schon im Rohguss entstanden. Es kann auch eine Rückentkohlungserscheinung auftreten, dabei scheiden sich am Rand Karbide am Ferrit ab, in From von Sekundärzementit, evt. Ledeburit. Eigenschaften und VerwendungTempergusswerkstoffe sind aufgrund des Verfahrensablaufs bei der Gussstückfertigung bevorzugt. Die Begrenzung des Stückgewichts von wenigen Gramm bis 100 Kilogramm ist herstellungsbedingt. Ebenso die maximale Wanddicke von 20-30 mm. Die Zugfestigkeit steigt mit der Wanddicke da der Perlitanteil zunimmt. Durch entsprechende Vergütungsbehandlungen werden die qualitätsbestimmenden Eigenschaften mit großer Genauigkeit und hoher Gleichmäßigkeit eingestellt. (z.B. enge härteste Bereiche, gute Zerspanbarkeit, hohe Festigkeit und gute Vergießbarkeit, zudem schweißbar und verzinkbar). Die Eigenschaften des weißen Tempergusses sind abhängig von der Wanddicke. Sie sind aufgeteilt nach:
AnwendungDünnwandige Gussteile von guter Schwingfestigkeit für spanende Bearbeitung auf Transferstraßen; aufgrund der Duktilität wird er für Bauteile verwendet, die dynamischen Beanspruchungen (schwingend oder stoßartig) ausgesetzt sind und hohen mechanischen Kräften widerstehen müssen (Fahrwerks- und Lenkungsteile von Kraftfahrzeugen, dokumentationspflichtige Sicherheitsbauteile, Stell- und Befestigungselemente für den Schaltungsbau); Fittings und Armaturen für den Rohrleitungsbau¸ zahlreiche Bauteile für die Elektroindustrie aufgrund der thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften; tragende Elemente von Hochspannungs- und Freileitungen; Schalt-, Steuer- und Getriebeelemente im Maschinen- und Landmaschinenbau; aufgrund der guten Vergießbarkeit sowie der Möglichkeit von sehr dünnwandigen Konstruktionen mit reproduzierbarer Genauigkeit sind zu erwähnende Eigenschaften; Für die Herstellung von Schlössern und Beschlägen; Werkstücke aus Temperguss bieten vielfältige Möglichkeiten bestimmte Eigenschaften gezielt in den Bauteilbereich zu schaffen in dem sie benötigt werden (hat viele andere Werkstoffe ersetzt). Schwarzer TempergussNormungDer schwarze Temperguss ist ebenfalls in DIN EN 1562 genormt. Die alte Kurzbezeichnung GTS wurde ebenfalls ersetzt und lautet GJMB, GJ steht hierbei für Gusseisen, M für "malleable cast iron" (Glüheisen) und B steht für "Black" (schwarz). Chemische ZusammensetzungDer Temperguss hat allgemein eine untereutektische Zusammensetzung. Aufgrund der metastabilen Erstarrung des Temperrohgusses liegt der Kohlenstoff in gebundener Form als Zementit (Fe3C) vor und ist somit graphitfrei. Der Temperrohguss besitzt ein silberweißes Bruchgefüge und ist hart und spröde und ist dadurch für die technische Verwendung praktisch ungeeignet. Durch das Tempern zerfällt der Zementit und löst sich im Grundgefüge, das bei Glühtemperatur aus Austenit besteht, auf. Das schmelzflüssige Eisen, dass zur Herstellung von schwarzem Temperguss verwendet wird hat folgende Zusammensetzung:
Der Kohlenstoffgehalt ist geringer und der Si – Gehalt höher als beim weißem Temperguss. HerstellungZur Herstellung wird zunächst Roheisen, Stahlschrott, Ferrolegierungen und Kreislaufmaterial (vom Gieß – und Anschnittsystem der Gussstücke) zum Vorschmelzen in den (mit Heißwind) Kupolofen geführt. Zur Einstellung der benötigten Gießtemperatur und der chemischen Zusammensetzung wird der Lichtbogenofen oder Induktionsofen nachgeschaltet (Duplexverfahren). Beim Tempern wird bei neutraler Atmosphäre in zwei Stufen geglüht. Aufgrund der neutralen Atmosphäre wird hierbei das Gusseisen nicht entkohlt. Der Zementit zerfällt infolge des hohen Kohlenstoffs – und Siliziumgehalts vollständig in Ferrit und Temperkohle: Fe3C -> 3Fe + C Die Temperkohle entsteht durch das Ausscheiden des elementaren Kohlenstoffes beim Glühen in Form von Knoten oder Flocken. Das Erscheinungsbild dieser Knoten hängt von dem Mangan–Schwefel–Verhältnis ab. Dadurch erreicht der Werkstoff stahlähnliche Eigenschaften der Duktilität. Die erste Stufe dieser Wärmebehandlung wird auch 1. Graphitisierungsstufe genannt. Eutektische Karbide zerfallen und lösen sich bei 940°C –960°C in einer Zeit von ca. 20h im Grundgefüge (Austenit). Dabei scheidet sich auch elementarer Kohlenstoff, wie oben erwähnt, als Temperknoten aus. Das Gefüge besteht nun aus Austenit und Temperkohle. Bei der zweiten Stufe, die auch als 2. Graphitisierungsstufe bezeichnet wird das Grundgefüge bestimmt. Um die zweite Stufe einzuleiten wird die Temperatur auf ca. 800°C abgesenkt. Wird nun langsam (mit 3 –5°C pro h) zwischen 800 – 700°C abgekühlt oder mehrere Stunden zwischen 760 und 680°C die Temperatur gehalten, so erfolgt eine stabile eutektoide Umwandlung. γ -> α + C Der Kohlenstoff hat somit die Möglichkeit aus dem Austenit zu der bereits bestehenden Temperkohle zu diffundieren und dessen Bestandteil zu werden. Das Gefüge besteht dann aus Ferrit (Matrix) und Graphit und eventuellen Resten des Perlits. Die Temperkohle ist über den gesamten Querschnitt der Probe gleichmäßig verteilt. Der Werkstoff ist sehr weich und besteht aus Ferrit und Graphit. Bsp.: GJMB – 350 Bei der schnellen Abkühlung zwischen 800 – 700°C an der Luft wird der eutektoide Bereich schnell durchlaufen und es entsteht ein eutektoid metastabil erstarrtes Gefüge aus Perlit. Durch sehr schnelles Abkühlen entsteht ein martensitisches Gefüge. Nach dem Tempern kann noch angelassen werden. Bei beispielsweise 600°C entsteht GJMB – 700, bei 700°C GJMB – 450. Bei 620°C wird der Perlit eingeformt (globularer Zementit). Kennzeichnend für schwarzen Temperguss ist, dass das Gefüge bis auf eine schmale Randzone von 0,2 mm Tiefe ohne Temperkohle auf Grund der nichtentkohlenden Glühung wanddickenunabhägig ist. GefügeausbildungIn der ersten Glühstufe zerfällt der Zementit des Ledeburits, bei 950°C zu Austenit und Temperkohle. Während der zweiten Glühstufe zerfällt der Austenit zu Ferrit und Temperkohle. Das Grundgefüge hängt von der Abkühlungsgeschwindigkeit im eutektoiden Bereich ab.
Die eutektoide Umwandlung verläuft wieder metastabil. Zu erwarten ist ein Gefüge mit je nach Abkühlungsgeschwindigkeit unterschiedlich viel Perlit- und Ferritanteil und Temperkohle. Die Temperkohle kann unterschiedliche Formen, Größen und Anordnungen besitzen. Eigenschaften und VerwendungIm Allgemeinem besitzt schwarzer Temperguss eine gute Gießbarkeit, weiter sind sie leichter zerspanbar als GJMW, härtbar, vergütbar und oberflächenhärtbar ( für Flamm- und Induktionshärtung).Er findet unter anderem seine Anwendung für Kolben, Zahnräder, Triebswerkteile und für dickwandige Bauteile.
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