2 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2 Dr. Klaus Röhrig, Erkrath 1) Austenitische Gusseisen Austenitische Gusseisensorten sind hochlegierte Gusseisen mit Lamellen- und Kugelgraphit, die als gemeinsames Merkmal eine austenitische Grundmasse haben. Austenitische Gusseisen weisen eine Reihe von besonderen technologischen und physikalischen Eigenschaften auf, die sie für eine breite Vielfalt von Anwendungen interessant machen: Korrosions- beständigkeit, Zunderbeständigkeit, hohe Warmfestigkeit, Temperaturwechsel- beständigkeit, hohe Duktilität, Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit, günstige Laufeigenschaften, Kaltzähigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit und besonders hohe oder niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten. Mit Erscheinungsdatum Februar 2003 ist jetzt die neue Europäische Norm DIN EN 13 835 „Gießerei- wesen - Austenitische Gusseisen“ erschienen, die im folgenden ausführlich kommentiert wird. 1 Normung und Werk- stoffentwicklung Die austenitischen Gusseisensorten sind nach DIN EN 13835 genormt. 1927 wurden zunächst die Sorten mit Lamellengraphit und seit etwa 1950 auch als solche mit Kugelgraphit entwickelt. Infolge der Anpas- sung der chemischen Zusammensetzung an die jeweiligen Anforderungen und die spätere Einführung sehr ähnlicher Sorten Kugelgraphit kam es zu einer großen Sortenvielfalt [1 bis 5]. In der Tabelle 1 werden die Sorten und ihre chemischen Zusammensetzungen, in Tabelle 2 die me- chanischen Eigenschaften und Tabelle 3 Anhaltswerte der physikalischen Eigen- schaften angegeben. Eine Tabelle im Normen-Anhang gibt eine Übersicht der Merkmale und Anwendungsbereiche der verschiedenen Sorten. International sind noch die USA-Normen ASTM A 436, A 439 und A 571 sowie die ISO- Norm -2892-1973 -von- Bedeutung.- Letzt- genannte befindet sich zur Zeit in der Neu- bearbeitung. Die Tabelle 4 enthält eine Übersicht der nationalen und internationalen Normen und Bezeichnungen der verschie- denen Sorten. Die austenitischen Guss- eisen werden weltweit häufig kurz als “Ni- Resist” beziehungsweise mit einem davon abgeleiteten Handelsnamen gemäß der letzten Spalte von Tabelle 4 bezeichnet. Die verschiedenen Sorten wurden weltweit in Normen übernommen,wobei sich aller- dings bald herausstellte, dass manche Sorten nur einen sehr eng begrenzten An- wendungsbereich hatten oder überflüssig waren. Hinzu kam, dass die Sorten mit La- mellengraphit in steigendem Maße durch die entsprechenden Werkstoffe mit Kugel- graphit verdrängt wurden, die bessere Festigkeitseigenschaften und Zunderbe- ständigkeit haben. In der europäischen Norm DIN EN 13835 “Gießereiwesen – Austenitische Guss- eisen” (Tabellen 1 bis 3) wurden die Sor- tenvielfalt deutlich reduziert und die Werk- stoffe in zwei Gruppen, “Normalsorten” und “Sondersorten” aufgeteilt. Wie der Ver- gleich in Tabelle 4 zeigt, sind von den vormals acht Sorten von austenitischem Gusseisen mit Lamellengraphit noch zwei geblieben. Dies sind die Normalsorte EN- GJLA-XNiCuCr15-6-2 (vormals GGL- NiCuCr15 6 2) und die Sondersorte EN- GJLA-XNiMn13-7 (vormals GGL-NiMn 13 7). Die anderen Sorten mit Lamellengraphit wurden in der Praxis weitgehend durch die entsprechenden Gusseisen mit Kugel- graphit ersetzt und sind daher nicht mehr in die neue EN-Norm aufgenom- men (siehe konstruieren + giessen H.3/ 2003, S. 31 – 32). Tabelle 1: In EN 13835 genormte austenitische Gusseisen und ihre chemische Zusammensetzung 1) Dr.-Ing. Klaus Röhrig, Konsulent des NiDI Nickel Development Institute max. 3,0 max. 3,0 max. 2,6 max. 3,0 max. 3,0 max. 2,4 max. 2,0 max 3,0 max 3,0 max 2,6 max 2,6 max 2,4 Kurzzeichen EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 EN-GJSA-XNiCr20-2 EN-GJSA-XNiMn23-4 EN-GJSA-XNiCrNb20-2 EN-GJSA-XNi22 EN-GJSA-XNi35 EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 EN-GJLA-XNiMn13-7 EN-GJSA-XNiMn13-7 EN-GJSA-XNiCr30-3 EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5 EN-GJSA-XNiCr35-3 Nummer EN-JL3011 EN-JS3011 EN-JS3021 EN-JS3031 1) EN-JS3041 EN-JS3051 EN-JS3061 EN-JL3021 EN-JS3071 EN-JS3081 EN-JS3091 EN-JS3101 Si 1,0 - 2,8 1,5 - 3,0 1,5 - 2,5 1,5 - 2,4 1,0 - 3,0 1,5 - 3,0 4,0 - 6,0 1,5 - 3,0 2,0 - 3,0 1,5 - 3,0 5,0 - 6,0 1,5 - 3,0 Mn 0,5 - 1,5 0,5 - 1,5 4,0 - 4,5 0,5 - 1,5 1,5 - 2,5 0,5 - 1,5 0,5 - 1,5 6,0 - 7,0 6,0 - 7,0 0,5 - 1,5 0,5 - 1,5 0,5 - 1,5 Ni 13,5 - 17,5 18,0 - 22,0 22,0 - 24,0 18,0 - 22,0 21,0 - 24,0 34,0 - 36,0 34,0 - 36,0 12,0 - 14,0 12,0 - 14,0 28,0 32,0 28,0 32,0 34,0 36,0 Cr 1,0 3,5 1,0 - 3,5 max. 0,2 1,0 - 3,5 max. 0,5 max. 0,2 1,5 - 2,5 max. 0,2 max. 0,2 2,5 - 3,5 4,5 - 5,5 2,0 - 3,0 P max. 0,25 max. 0,08 max. 0,08 max. 0,08 max. 0,08 max. 0,08 max. 0,08 max.0,25 max.0,08 max.0,08 max.0,08 max.0,08 Cu 5,5 - 7,5 max. 0,50 max. 0,50 max. 0,50 max. 0,50 max. 0,50 max. 0,50 max. 0,5 max. 0,5 max. 0,5 max. 0,5 max. 0,5 Chemische Zusammensetzung [Masse - %] Werkstoffbezeichnung Graphitform Normalsorten lamellar kugelig Sondersorten lamellar kugelig
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2 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Dr. Klaus Röhrig, Erkrath 1)
Austenitische GusseisenAustenitische Gusseisensorten sind hochlegierte Gusseisen mit Lamellen-und Kugelgraphit, die als gemeinsames Merkmal eine austenitischeGrundmasse haben. Austenitische Gusseisen weisen eine Reihe vonbesonderen technologischen und physikalischen Eigenschaften auf, die siefür eine breite Vielfalt von Anwendungen interessant machen: Korrosions-beständigkeit, Zunderbeständigkeit, hohe Warmfestigkeit, Temperaturwechsel-beständigkeit, hohe Duktilität, Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit, günstigeLaufeigenschaften, Kaltzähigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit und besonders hoheoder niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten. Mit ErscheinungsdatumFebruar 2003 ist jetzt die neue Europäische Norm DIN EN 13 835 „Gießerei-wesen - Austenitische Gusseisen“ erschienen, die im folgenden ausführlichkommentiert wird.
1 Normung und Werk-stoffentwicklungDie austenitischen Gusseisensorten sindnach DIN EN 13835 genormt. 1927 wurdenzunächst die Sorten mit Lamellengraphitund seit etwa 1950 auch als solche mitKugelgraphit entwickelt. Infolge der Anpas-sung der chemischen Zusammensetzungan die jeweiligen Anforderungen und diespätere Einführung sehr ähnlicher SortenKugelgraphit kam es zu einer großenSortenvielfalt [1 bis 5]. In der Tabelle 1werden die Sorten und ihre chemischenZusammensetzungen, in Tabelle 2 die me-chanischen Eigenschaften und Tabelle 3Anhaltswerte der physikalischen Eigen-schaften angegeben. Eine Tabelle imNormen-Anhang gibt eine Übersicht der
Merkmale und Anwendungsbereiche derverschiedenen Sorten.
International sind noch die USA-NormenASTM A 436, A 439 und A 571 sowie die ISO-Norm -2892-1973 -von- Bedeutung.- Letzt-genannte befindet sich zur Zeit in der Neu-bearbeitung. Die Tabelle 4 enthält eineÜbersicht der nationalen und internationalenNormen und Bezeichnungen der verschie-denen Sorten. Die austenitischen Guss-eisen werden weltweit häufig kurz als “Ni-Resist” beziehungsweise mit einem davonabgeleiteten Handelsnamen gemäß derletzten Spalte von Tabelle 4 bezeichnet.
Die verschiedenen Sorten wurden weltweitin Normen übernommen,wobei sich aller-dings bald herausstellte, dass mancheSorten nur einen sehr eng begrenzten An-wendungsbereich hatten oder überflüssigwaren. Hinzu kam, dass die Sorten mit La-mellengraphit in steigendem Maße durchdie entsprechenden Werkstoffe mit Kugel-
graphit verdrängt wurden, die bessereFestigkeitseigenschaften und Zunderbe-ständigkeit haben.
In der europäischen Norm DIN EN 13835“Gießereiwesen – Austenitische Guss-eisen” (Tabellen 1 bis 3) wurden die Sor-tenvielfalt deutlich reduziert und die Werk-stoffe in zwei Gruppen, “Normalsorten” und“Sondersorten” aufgeteilt. Wie der Ver-gleich in Tabelle 4 zeigt, sind von denvormals acht Sorten von austenitischemGusseisen mit Lamellengraphit noch zweigeblieben. Dies sind die Normalsorte EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 (vormals GGL-NiCuCr15 6 2) und die Sondersorte EN-GJLA-XNiMn13-7 (vormals GGL-NiMn 13 7).Die anderen Sorten mit Lamellengraphitwurden in der Praxis weitgehend durch dieentsprechenden Gusseisen mit Kugel-graphit ersetzt und sind daher nichtmehr in die neue EN-Norm aufgenom-men (siehe konstruieren + giessen H.3/2003, S. 31 – 32).
Tabelle 1: In EN 13835 genormte austenitische Gusseisen und ihre chemische Zusammensetzung
1) Dr.-Ing. Klaus Röhrig, Konsulent des NiDI NickelDevelopment Institute
Auch bei den austenitischen Gusseisen mitKugelgraphit wurden einige Sorten ge-strichen. Von den vormals 14 Sorten sindnoch 10 geblieben. Dabei wurden in eini-gen Fällen auch die Zusammenset-zungsbereiche der Werkstoffsorten ge-ändert. Die Sorte GGG-NiCr 20 3 fand mitder Sorte GGG-NiCr 20 2 gemeinsamEingang in die Legierung EN-GJSA-XNiCr20-2, die einen entsprechend brei-teren Chromgehaltbereich und die Mindest-eigenschaften von GGG-NiCr 20 2 hat.Gestrichen wurden die drei Sorten GGG-NiSiCr 20 5 2, GGG-NiCr 30 1 und GGG-NiSiCr 30 5 2.
Die EN-Norm enthält wie die alte DIN-Norm einen umfangreichen informativenAnhang. Er umfasst:
- Anhang A: Eigenschaften und An-wendungen der austenitischen Guss-eisensorten (Diese Tabelle gab esbereits in DIN 1694; sie wurde je-doch aktualisiert).
- Anhang B: Wärmebehandlung (DieserAbschnitt wurde gegenüber DIN 1694erweitert und beschreibt kurz den Ablaufdes besonders im Zusammenhang mitder Spannungsrisskorrosion wichtigenSpannungsarmglühens sowie der Wär-mebehandlung zur Gefügestabilisie-rung bei hohen Temperaturen)
- Anhang C: Zusätzliche mechani-sche und physikalische Eigen-schaf-ten. (Wie bereits in DIN 1694, sind
auch hier die Wertebereiche vonbesonderen Eigenschaften für dieverschiedenen austenitischen Gussei-sensorten aufgeführt. Dies ist alsÜbersicht in Tabellen aufgeführt (vorm.Tabellen C.1 und C.2). Zusätzlichwerden die Bezugswerte für die me-chanischen Eigenschaften bei tiefenTemperaturen von EN-GJSA-XNiMn23-4 sowie die Bezugsdaten für me-chanische Eigenschaften von austeni-tischem Gusseisen mit Kugelgraphitbei erhöhten Temperaturen ange-geben).
- Anhang D: Einfluss von Legierungs-elementen. (Der Einfluss von Le-gierungselementen wird kurz umris-
1) Dieser Wert ist fraglich und von keiner Dokumentation belegt; möglicherweise handelt es sich um einen Wert für einen größeren Temperaturbereich.
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften der in EN 13835 genormten austenitischen Gusseisen
1) Freigestellte Anforderung nach Vereinbarung zwischen Hersteller und Käufer2) Nicht genormt3) Mittelwert für die Kerbschlagarbeit aus 3 Versuchen an Charpy-V-Proben nach EN 10045-1
sen. Vom Umfang her entspricht diesdem früheren Beiblatt 1 der DIN 1694.Von einer Erweiterung wurde ausGründen der Kürze der Norm abge-sehen).
- Anhang E: Prüfung. (Auch hier gibt eseinen kurzen erläuternden Text, derpraktisch dem Text im früheren Beiblatt1 der DIN 1694 entspricht).
- Anhang F: Querverweis auf weiterenationale/internationale Normen. (Auchhier wurde die “Tradition” der alten DIN1694 beibehalten, Querverweise aufandere internationale Normen zu geben).
Es sei an dieser Stelle betont, dass, umder Anforderung Genüge zu tun, nur Nor-men zu verwenden, die dem “Stand derTechnik” entsprechen, die neue Europä-ische Norm vorzugsweise angewendetwerden sollte, jedoch kein Verbot der Ver-wendung von DIN 1694 besteht. Dies seiinsbesondere deshalb erwähnt, weil mitdem Übergang zur Europäischen Normeinige Werkstoffsorten entfallen sind, diefür die eine oder andere Anwendung nochinteressant sein könnten. Auch in den
1) Austenitisches Gusseisen mit Kugelgraphit für Druckbehälter für Tieftemperaturbetrieb
ASTM-Normen A 436, A 439 und A 571 sinddie meisten der in der DIN EN 13835gestrichenen Werkstoffe enthalten. Wirdeine dieser Werkstoffsorten aufgrund ihrerspeziellen Eigenschaften benötigt, so isteine Spezifizierung nach DIN 1694 immernoch möglich. Allerdings muss dem Kun-den gegenüber angegeben werden, dasseine alte Norm angewendet wird, die nichtmehr dem “Stand der Technik” entspricht.
Während der Fertigstellung dieser Euro-päischen Norm wurde die Überarbeitungder bestehenden internationalen Norm ISO2892:1973 begonnen. Die neue ISO-Norm,die derzeit als Entwurf vorliegt, hat einevöllig andere Struktur als die bestehendeISO-Norm. Beim Erarbeiten durch daszuständige Technische Komitee ISO/TC25/SC 6 wurden Anregungen aus derEuropäischen Norm wechselseitig be-rücksichtigt. Derzeit entspricht der neueEntwurf der ISO-Norm in ihrem Wortlautweitgehend der Europäischen Norm. Zielist, dass diese ISO-Norm nach ihrer Fertig-stellung weltweit angewendet wird.
2 Chemische Zusam-mensetzung und Wir-kung der wichtigenLegierungselementeDie chemische Zusammensetzung deraustenitischen Gusseisen richtet sicheinerseits nach dem Erfordernis einerstabilen austenitischen Grundmasse undanderseits nach den geforderten Eigen-schaften. Die chemische Zusammenset-zung ist daher anders bei üblichen unle-gierten oder niedrig legierten Gusseisenin der Norm vorgeschrieben (Tabelle 1).Bei den austenitischen Gusseisen han-delt es sich also um hochlegierte Werk-stoffe, vergleichbar den Edelstählen.
2.1 Sicherung einer stabilenaustenitischen GrundmasseUm den Austenit bis zu tiefen Temperatu-ren, nach Wärmebehandlungen und/oderbei mechanischen Beanspruchungen sta-bil zu halten, ist ein hoher Gehalt anaustenitstabilisierenden Elementen wieNickel, Mangan und Kupfer erforderlich, diezu einem Nickel-Äquivalent zusammenge-fasst werden können.
Tabelle 4: Übersicht der nationalen und internationalen (teilweise nicht mehr gültigen ) Normen und Bezeichnungen deraustenitischen Gusseisen und übliche Handelsnamen
In der Grundmasse gelöstes Chrom wirktwie bei Edelstählen Austenit stabilisierend,ähnliches gilt für Kohlenstoff. Bei Guss-eisen mit Lamellengraphit kann ein Teil desNickels durch Kupfer ersetzt werden.
Bei noch tieferen Temperaturen kann es beimanchen austenitischen Gusseisen zueiner Umwandlung zu Martensit kommen,vor allem wenn eine mechanische Span-nung hinzukommt. Tabelle 5 enthält einigeAnhaltswerte für verschiedene Zusammen-setzungen.
Die temperatur- und spannungsinduzierteMartensitbildung ist bei austenitischenGusseisen nicht nur für den Einsatz beitiefen Temperaturen von Bedeutung, son-dern auch bei einer Montage durch Ein- oderAufschrumpfen sowie dann, wenn es umniedrige Magnetisierbarkeit geht [8, 9].
Bei Gusseisen mit für die Austenitstabili-sierung knapp eingestellten Legierungs-gehalten spielt auch die Wärmebehandlungeine Rolle, da - wie erwähnt - in der Grund-masse gelöste Kohlenstoff- und Chromge-halte Austenit stabilisierend wirken. Wenndas Gussstück nach einem Lösungsglühenbei 900 bis 1000 °C abgeschreckt wird,bleiben mehr Kohlenstoff und Chrom in Lö-sung und der Austenit ist stabiler als nacheinem langsamen Abkühlen oder einemSpannungsarmglühen, wo sie sich aus-scheiden, sei es in Form von chromreichenCarbiden oder durch Anlagern am Graphit.
Um eine Umwandlung zu Martensit bis zusehr tiefen Temperaturen zu vermeiden,wurden eine kaltzähe Sorte mit erhöhtemNickel- und Mangangehalt (GJSA-XNiMn23 4) sowie speziell für niedrige Magneti-sierbarkeit die manganreichen SortenGJLA-XMnNi13-7 und GJSA-XMnNi13-7entwickelt.
2.2 NickelNickel ist das Hauplegierungselement. Umden Austenit bis zu tiefen Temperaturenstabil zu halten, ist ein Nickelgehalt vonetwa 20 % erforderlich. Dieser Gehalt liegthöher als bei den üblichen rostfreien Stäh-len. Er ist notwendig, da die unterstützendeWirkung eines hohen Chromgehalts fehlt.Chrom kann bei einem graphitischen Guss-eisen nur in begrenzter Menge verwendetwerden, da sonst die übermäßige Carbid-bildung eine zu hohe Härte und damit Be-arbeitungsschwierigkeiten, ein Versprödenund ein Verschlechtern der Gießeigen-schaften verursachen würde. Ein Teil desNickels kann unter Umständen durchandere Austenit stabilisierende Elementewie Mangan oder Kupfer ersetzt werden.Da Mangan aber nichts zur Korrosions-und Hitzebeständigkeit beiträgt, wird es inhöheren Gehalten nur bei den nichtmag-netisierbaren oder kaltzähen Sorten ver-wendet. Kupfer kann nur bei Gusseisen mitLamellengraphit, nicht aber bei Gusseisenmit Kugelgraphit als Ersatz für Nickel dienen, da es die Kugelgraphitbildung stört.
Die Gehalte an Nickel, Chrom und Mangankönnen nach Gleichung 1 in einem Nickel-Äquivalent zusammengefasst wer-den. InFällen, wo ein stabil austenitisches Gefügebis knapp unter Raumtemperatur verlangtwird, ist ein Nickel-Äquivalent von min-destens 23,5 % erforderlich [6]. Bei nie-drigeren Werten kann sich unter Um-ständen bei mehrfachem Spannungsarm-glühen, bei tiefen Temperaturen oder untermechanischer Spannung Martensit bilden,der den Werkstoff versprödet. Bei be-sonderen Anforderungen muss dasNickeläquivalent noch höher sein (ver-gleiche Tabelle 5). Meist stellt dieInstabilität aber kein Problem dar, so dassder Nickelgehalt aus Kostengründen an dieuntere Grenze des Normbereichs gelegtwird. Wegen der möglichen Nickelverar-mung in Seigerungszonen sollte aller-dings bei größeren Wanddicken ein etwashöherer Nickelgehalt eingestellt werden.
Der Einfluss von Nickel auf die mecha-nischen Eigenschaften geht aus Bild 1hervor. Eine erwähnenswerte Wirkung hatNickel auf den thermischen Ausdehnungs-
Bild 1. Einfluss von Nickel auf die mechanischen Eigenschaften von GJSA-XNiCr20-2 in zwei Wanddicken [10]Bild 2. Einfluss des Nickelgehalts auf die Anfangspermeabilität von Eisen-Nickel-Legierungen nach zwei Wärmebehandlungen [11]
Tabelle 5: Anhaltswerte für Temperaturen der temperatur- und spannungsinduziertenMartensitbildung einiger austenitischer Gusseisen [7]
koeffizienten, worauf an betreffender Stellenoch eingegangen wird. Im Gegensatz zuaustenitischen Stählen sind nicht alle auste-nitischen Gusseisen nichtmagnetisierbar.Bis etwa 25 % Ni sind sie unmagnetisch,bei höheren Nickelgehalten werden siewieder magnetisierbar, was manchmal et-was verblüffend wirkt. Der Einfluss desNickelgehalts bei Eisen-Nickel-Legierun-gen geht aus Bild 2 hervor.
2.3 ChromDie meisten austenitischen Gusseisen ent-halten einige Prozent Chrom. Chrom wirktaustenitstabilisierend, so dass die chrom-freien Sorten etwas höhere Nickelgehaltehaben müssen.
Die wesentlichen Wirkungen von Chromsind Verbesserung der Korrosionsbestän-digkeit, der Festigkeit, der Erosions- undVerschleißbeständigkeit, der Hitzebestän-digkeit sowie der Schweißeignung und desSpeisungsverhaltens. Andererseits wirktChrom durch eine Carbidbildung ver-sprödend und erschwert die Bearbeitung.Ein Problem kann entstehen, wenn einer-seits im Interesse der Korrosions- undErosionsbeständigkeit der Chromgehaltan die obere Grenze gelegt wird, an-dererseits, wie nach der Norm möglich, eineKerbschlagarbeit von 13 J gefordert wird.Hier muss also immer ein Kompromissgeschlossen werden.
Der Einfluss des Chromgehalts auf diemechanischen Eigenschaften eines auste-nitischen Gusseisens mit rund 20 % Ni beizwei Wanddicken ist im Bild 3 dargestellt.Nach praktischer Erfahrung [12] liegt dergünstigste Chromgehalt beim Herstellenvon dichten Gussstücken aus den SortenGJSA-XNi20-2 und GJSA-XNiNb20-2 bei1,5 bis 2,0 % Cr. Dieser Bereich bietet denbesten Kompromiss zwischen Beständig-keit gegen Korrosion und Oxidation beihohen Temperaturen, Verschleiß, brauch-baren mechanischen Eigenschaften undeinem guten Speisungsverhalten in einemweiten Bereich von Gussstückwandstär-ken. Eine Kerbschlagarbeit von 13 J lässtsich aber nicht immer treffsicher erreichen[12].
Durch Chrom erzeugte Carbide sind ferro-magnetisch und erhöhen die magnetischePermeabilität.
Chromfreie Sorten wie GJSA-XNi22 (Ni-Resist Typ D-2C) haben sich als außer-ordentlich schwierig beim Herstellen vondichten Gussstücken erwiesen [13]. Dieüblichen Verfahren bei der Speiserbemes-sung und -anordnung sind oft unwirksam,und dichte Gussstücke können nur über die
ausgedehnte Anwendung von Kokillenhergestellt werden. Da viele dieser Guss-stücke einem Lecktest bei hohen Drückenunterzogen werden, kann das Auftretendieser Mikrolunkerung für den Gießer einerhebliches Problem darstellen. Auch dieSchweißeignung ist schlechter als bei denchromhaltigen Sorten (Bild 4). Ein zu ho-her Chromgehalt bindet allerdings sovielKohlenstoff in den Carbiden, dass die Mi-krolunkerneigung wieder zunimmt. Gege-benenfalls kann der Chromgehalt an dieWanddicke angepasst werden, um in dün-nen Querschnitten eine zu starke Carbid-bildung zu vermeiden.
2.4 Kupfer
Kupfer wirkt sich günstig auf die Korro-sionsbeständigkeit in Säuren aus, kannaber in nennenswerten Gehalten nur beiGusseisen mit Lamellengraphit verwen-det werden, da es die Kugelgraphitbil-dung stört. Ein Zusatz von bis etwa 3 %Cu zu GJSA-XNiCr20-2 wirkt sich nachLaborversuchen bei sorgfältiger Durch-führung der Magnesiumbehandlung undniedrigen Calcium- und Aluminiumgehal-ten auf dieKugelgraphitbildung und die me-chanischen Eigenschaften nicht schädlichaus, verbessert aber die Korrosions-beständigkeit in schwach sauren Me-dien [15].
Aus wirtschaftlichen Gründen unter-nommene Versuche, bei den Sorten mitKugelgraphit Nickel teilweise durch Kupferzu ersetzen, waren aber in der praktischenProduktion wegen der Schwierigkeitenbeim Gefügeeinstellen dagegen letztlicherfolglos.
2.5 Mangan
Mangan ist ein wirksamer Austenitstabi-lisator, leistet aber keinen Beitrag zurKorrosions- oder Hitzebeständigkeit undwird daher als Nickelersatz nur bei dennichtmagnetisierbaren Sorten GJLA-XNiMn13-7 und GJSA-XNiMn13-7 verwen-det. Wenn es zusätzlich noch auf Korro-sionsbeständigkeit ankommt, müssen dieSorten mit niedrigen Mangan- und Chrom-gehalten gewählt werden.
Bei der kaltzähen Sorte GJSA-XNiMn23-4dient Mangan zum Ergänzen der Austenit-stabilisierung durch Nickel, um das Gefügeauch bei - 196 °C langzeitig stabil zu halten(vergleiche Tabelle 5). Dieser Werkstoffwurde speziell als Tieftemperaturwerkstoffentwickelt (Bild 5).
Mangan kann manganreiche Carbide imGefüge von austenitischem Gusseisen mitKugelgraphit bilden, wenn sein Gehalt wiebei GJSA-XNiMn23-4 hoch genug ist. Wäh-rend Chromcarbide eine kantige Form be-sitzen und dazu neigen, ein Netzwerk aufden Korngrenzen zu bilden, scheiden sichdie Mangancarbide im Gegensatz dazueher in einer runden, vereinzelten Formaus. Mangancarbide lassen sich in auste-nitischen Gusseisen recht einfach durcheine Lösungsglühbehandlung bei 800 bis900 °C beseitigten. Seigerungen vonMangan können nach [12] zu instabilenZonen im Gefüge von GJSA-XNiCr20-2führen, die die Zähigkeit merklich ver-schlechtern. Weitere Angaben zur Wirkungeines höheren Mangangehalts enthält [13].
Bild 3. Einfluss von Chrom auf die mechanischen Eigenschaften eines austenitischenGusseisens mit 20 % Ni bei zwei Wanddicken [11]Bild 4. Einfluss des Chromgehalts auf die Schweißeignung (Neigung zur Rissbildung) vonaustenitischen Gusseisen mit 22 % Ni [14]
4
3a
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3c
7 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
2.6 SiliciumSilicium ist ein für graue Gusseisen typi-sches und notwendiges Element. Aus gieß-technischen Gründen wird sein Gehalt derWanddicke angepasst, bei geringen Quer-schnitten an die obere und bei großen andie untere Grenze der in Tabelle 1 angege-benen Gehalte. Im Bild 6 ist der Einflussvon Silicium auf die mechanischen Eigen-schaften von GJSA-XNiCr20-2 dargestellt.Silicium vermindert die Carbidbildungdurch Chrom, so dass mit steigendemGehalt die Bruchdehnung zunimmt, wäh-rend Härte und Streckgrenze abfallen.
Bei Gusseisen mit Kugelgraphit muss indickwandigen Gussstücken der Silicium-gehalt in einem engen Bereich abgestimmtwerden, um die Bildung von entartetemGraphit, sogenanntem Chunky-Graphit(Bild 7), zu vermeiden [17 bis 19]. Erscheint keinen wesentlichen Einfluss aufdie Korrosionsbeständigkeit oder - soweitbekannt - auf die Zunderbeständigkeitauszuüben, verschlechtert aber die me-chanischen Eigenschaften. Chunky-Gra-phit kann mit metallographischen Unter-suchungen feststellt werden. Er lässt sichoft mit bloßem Auge auf einer bearbeitetenOberfläche anhand des matten Glanzeserkennen. Die Grenzbedingung für dieVermeidung von Chunky-Graphit ist imBild 8 dargestellt. Für die Grenze gilt dieBeziehung
% C + 0,2 · % Si + 0,06 · % Ni < 4,4 (2)
Zum Vermeiden von Chunky-Graphit mussmit Calcium und Cer freien Magnesiumle-gierungen behandelt werden, wenn dieSchmelze nicht einen hohen Anteil an Spu-renelementen enthält.
Bei hitzebeständigem austenitischemGusseisen mit Kugelgraphit ist Silicium einwichtiges Legierungselement, da es dieZunderbeständigkeit durch Bildung einerSchicht aus Si02 erheblich verbessert (Bild9). Andererseits wirkt Silicium in hohenGehalten versprödend und kann bei Sortenmit weniger als etwa 30 % Ni in bestimmtenTemperaturbereichen langzeitig zur Aus-scheidung von Silicid-Phasen oder einerUmwandlung zu einer Art Perlit führen, wo-durch der Werkstoff versprödet wird [21].Seine günstige Wirkung auf die Zunder-beständigkeit kann also nur bei hochnickelhaltigen Sorten wie GJSA-XNiSiCr-25-5-2 ausgenutzt werden.
2.7 KohlenstoffKohlenstoff ist das für Gusseisenwerkstoffecharakteristische Element. Der Kohlen-stoffgehalt von austenitschen Gusseisen-sorten ist niedriger als bei unlegiertenGusseisen, da Nickel seine Löslichkeit ver-
CE = % C + 0,33 · % Si + 0,047 ·% Ni - 0,0055 · (% Ni · % Si) (3)
Aus gießtechnischen Gründen wird derKohlenstoffgehalt möglichst eutektischoder nah eutektisch also an der oberenGrenze der Bereiche in Tabelle 1 einge-stellt. Ein höherer Kohlenstoffgehalt ver-
mindert beziehungsweise den eutekti-schen Punkt zu tieferen Gehalten ver-schiebt. Der Einfluss des Nickel- und Sili-ciumgehalts auf den eutektischen Kohlen-stoffgehalt geht aus Bild 10 hervor. DieBerechnung des Kohlenstoffäquivalentskann nach folgender Gleichung [22] vorge-nommen werden:
Bild 5. Kerbschlagarbeit der kaltzähen Sorte GJSA-XNiMn23-4 in Abhängigkeit von derTemperatur im Vergleich zu den anderen Sorten [16]
Bild 6. Einfluss von Silicium auf die mechanischen Eigenschaften von GJSA-XNiCr20-2 beiverschiedenen Wanddicken [16]
5 6c
6a
6b
Bild 7. Chunky-Graphit in dickwandigem austenitischem Gusseisen mit Kugelgraphit
Bild 8. Grenze für das Vermeiden von Chunky-Graphit in Abhängigkeit vom Kohlenstoff-,Silicium- und Nickelgehalt [17]
87
Bild 9. Einfluss von Silicium auf die Zunderung von austenitischem Gusseisen mitKugelgraphit mit 35 % Ni, 2 % Cr, bei 815 °C nach 25 Glühzyklen von je 22 h [20]
Bild 10. Eutektischer Kohlenstoffgehalt von austenitischem Gusseisen in Abhängigkeit vomNickel- und Siliciumgehalt [1].
Bild 11. Einfluss von Niob, Silicium, Magnesium und Phosphor auf die Neigung zurRissbildung beim Schweißen von austenitischem Gusseisen mit Kugelgraphit GGG-NiCr20 2 [32]
9 1110
8 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
mindert die Erstarrungstemperatur undverbessert die Fließfähigkeit und das Spei-sungsverhalten. Anderseits lassen sich beiniedrigeren Kohlenstoffgehalten höhereWerte der Festigkeit und Zähigkeit erhalten.Eine Begrenzung des Kohlenstoffgehaltswird oft auch wegen der Gefahr vonChunky-Graphit erforderlich. Besonders beiden Sorten mit über 30 % Ni hat sich einniedriger Kohlenstoffgehalt bewährt.
2.8 MolybdänMolybdän ist in den Normen nicht spezifi-ziert. Es kann jedoch in Gehalten bis 2 %zugesetzt werden, um die Warmfestigkeitzu erhöhen. Die Möglichkeit eines Mo-lybdänzusatzes wird im Anhang der Normausdrücklich erwähnt.
2.9 NiobNiob verbessert die Schweißeignung. DieSorte GJSA-XNiCrNb20-2 enthält ausdiesem Grund 0,12 bis 0,20 % Nb. Nachwelchem Mechanismus Niob wirkt und wie-weit es sich bei anderen Sorten auswirkt,ist noch unklar.
2.10 Schwefel und PhosphorBeide Elemente wirken sich ungünstig aufdie Eigenschaften aus. Der Schwefelgehaltwird bei austenitischem Gusseisen mitKugelgraphit bei der Magnesiumbehand-lung weitgehend entfernt. Bei den Sortenmit Lamellengraphit können hohe Schwe-felgehalte zu schwefelreichen Ausschei-dungen führen, die nicht nur die Duktilität,sondern auch die Korrosionsbeständigkeitbeeinträchtigen können.
Phosphor verschlechtert in bekannterWeise die Zähigkeit und kann Probleme beider Dichtspeisung verursachen. Bei denSorten mit Kugelgraphit wirkt er sich zu-dem ausgesprochen schädlich auf dieSchweißeignung aus, worauf an betreffen-der Stelle ausführlich eingegangen wird.
Bei GJSA-XNiCuCr15-6-2 wird manchmalbei Laufbüchsen ein erhöhter Phosphor-gehalt zur Steigerung der Verschleißbe-ständigkeit vorgesehen.
2.11 MagnesiumMagnesium kommt bei austenitischenGusseisen mit Kugelgraphit zum Erzeugendes Kugelgraphits zur Anwendung. Infolgedes hohen Nickelgehalts wird die Mag-nesiumausbeute bei der Behandlung er-höht und der Abbrand verlangsamt. In denmeisten Fällen reicht ein Magnesiumgehaltvon 0,05 % völlig aus, um die Kugelgraphit-bildung zu gewährleisten.
Die Vorstellung, dass bei austenitischemGusseisen zu einer befriedigenden Kugel-bildung ein höherer Restmagnesiumge-halt benötigt wird, hat sich als falsch her-ausgestellt. Ein höherer Restmagnesium-gehalt ist nicht nur unnötig, sondern sogarschädlich [13].
3 Formen, Schmelzen,GießenAustenitische Gusseisen werden heute fastausschließlich elektrisch erschmolzen. Be-sondere Maßnahmen sind nicht erforder-lich. Die Herstellung im Drehtrommelofenist möglich, aber schwer beherrschbar.
Schmelzen und Gießen von austenitischenGusseisen sind einfacher und kosten-günstiger als bei Edelstahlguss, mit demes oft im Wettbewerb steht. Infolge derGraphitausscheidung bei der Erstarrung istdie Lunkerneigung der austenitischen Guss-eisen geringer als beim Stahlguss, aber vorallem durch die starke Schwindung desaustenitischen Gefüges und des tieferenKohlenstoffgehalts deutlich ungünstigerals bei unlegiertem Gusseisen mit Kugel-graphit. Auch beim Schmelzen und bei derSchmelzebehandlung sind mehr Aufwandund Sorgfalt als bei gewöhnlichem Guss-eisen mit Kugelgraphit erforderlich, vorallem, um die Gasaufnahme zu begrenzenund bei den Sorten mit Kugelgraphit Gra-phitentartungen zu vermeiden. Die Rech-nung “Kosten des Gussstücks aus norma-lem Gusseisen plus Nickelpreis” geht alsoin keinem Fall auf, sondern führt zu einerKostenunterdeckung.
Die Gattierung kann aus Kreislauf, Stahl-schrott und Legierungsträgern bestehen.Nach den Erfahrungen ist es aber günstig,einen gewissen Anteil an Sonderroheisen(mindesten 15 %, besser 30 %) zum Erzeu-gen von Gusseisen mit Kugelgraphit zu ver-wenden. Der Roheisenanteil soll für einengleichmäßigen Keimzustand sorgen und aufdiese Weise das Speisungsverhalten derGussstücke verbessern und die Porositätvermindern. Allerdings ist der Erfolg dieserMaßnahme kaum quantitativ zu belegen.
Der Anteil an Kreislaufmaterial in der Chargesollte 40 % nicht übersteigen. Höhere Kreis-laufanteile können zu einer Anreicherungvon Oxiden und Wasserstoff führen und dasSpeisungsverhalten ungünstig beeinflussen. Bei GJSA-XNiMn23-7 sollte aus diesenGründen möglichst kein Kreislauf ver-wendet werden.
Als Legierungsträger sollten möglichst nurReinmetalle oder Ferro-Legierungen ver-wendet werden. Chrom-Nickel-Stähle kön-nen Titan enthalten, NickelbasislegierungenAluminium oder Wolfram, und KupferschrottBlei, Zinn und Zink sowie oft hohe Gasgehalte.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass hochnickelhaltige Schmelzen eine starke Ten-denz zur Gasaufnahme (vor allem Wasser-stoff, aber auch Stickstoff) haben. Da dieGaslöslichkeit bei der Erstarrung stark ab-fällt, kommt es dann zur Bildung von
Gasporen. Wegen der Gasaufnahme ausder Luft sollten austenitische Gusseisen soschnell wie möglich geschmolzen undvergossen werden. Alle Einsatzstoffemüssen gasarm und völlig trocken sein.Unter Umständen ist es ratsam, denSchrott vorher zu trocknen oder vorzu-wärmen. Durch Gasporen zu Ausschussgewordene Gussstücke können beimWiedereinschmelzen ein Problem darstel-len. Notfalls muss eine Gasspülung vorge-nommen werden.
Die Feuchtigkeit in neu zugestellten Öfen,Pfannen, Rinnen und Geräten kann eben-falls zur Gasaufnahme führen. Schließlichstellen auch Formstoffe und Schlichteneine Gasquelle dar. Besonders Regenerateund Misch-Kreislaufsande sollten kritischbetrachtet werden. Sie können Reste vonorganischen Bindern, Formstoffzusätzenund verschiedenen Hilfsstoffen enthaltenund werden oft aus mehreren Abteilungender Gießerei zusammengeführt. Die Pro-duktion von austenitischen Gusseisen hatin einer Gießerei in der Regel nur einen ge-ringen Anteil oder erfolgt nur gelegentlich,so dass das Sandsystem auf die Bedürf-nisse und Grenzen des wesentlich tole-ranteren unlegierten Gusseisens abge-stimmt ist.
Bei der Herstellung von austenitischenGusseisen mit Lamellengraphit ist eineniedrige Gießtemperatur günstig. Zur güns-tigsten Gießtemperatur bei den Sorten mitKugelgraphit gibt es dagegen unterschied-liche Ansichten. Häufig wird davon ausge-gangen, dass mit einer hohen Gießtem-peratur die Drossbildung vermieden wer-den kann. Erfahrungen [13] haben abergezeigt, dass eine niedrige Gießtemperaturmit niedriger Überhitzung insgesamt einebessere Gussqualität ergibt. Bei der hohenGießtemperatur ist besonders die dadurchbedingte hohe Überhitzung der Schmelzeschädlich. Die Abstichtemperatur hängtvon der Gießtemperatur ab und liegt nor-malerweise zwischen 1440 und 1480 °C.Schwere Gussstücke über 50 mm Wand-
Bild 12: Zweiteiliges, korrosionbeständigesPumpengehäuse für eine Meerwasserent-salzungsanlage aus GJSA-XNiCrNb20-2, Mas-se 6,7 t (Bild: KSB)
9 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
dicke können bei 1370 bis 1400 °C gegos-sen werden, dünnwandige natürlich ent-sprechend heißer.
Das Impfen hat wie bei allen graphitischenEisenwerkstoffen große Bedeutung, umeine gute Graphitausbildung in den Guss-stücken zu erhalten.
Die Gießtemperatur jeder Schmelze solltemit dem Thermoelement kontrolliert wer-den. Einen Anhalt für die Gießzeit gibt nach[23] die Formel:
Gießzeit [s] = 0,97 · Gießgewicht [kg] (4)
Hieraus lässt sich mit Hilfe der empfohle-nen Einheitsgießleistung von 1,1 kg/(cm2· s)der Gesamtquerschnitt der Anschnitte be-rechnen. Da austenitisches Gusseisensich bei der Abkühlung nicht umwandelt,können die Gussstücke bei hoher Tem-peratur aus den Formen genommen wer-den, vorausgesetzt, Eigenspannungenführen nicht zum Verzug.
Kernstützen müssen aus artgleichemWerkstoff oder einem austenitischen rost-freien Stahl bestehen, wenn die Guss-stücke auf Korrosion beansprucht werden.
Die austenitischen Gusseisensorten habenein deutlich anderes Erstarrungsverhaltenals die un- oder niedriglegierten Gusseisen.Sie haben ein breites Erstarrungsintervallund erstarren ausgesprochen breiartig.Dies gilt besonders für die Sorten mit Kugel-graphit [13, 24]. Das Verhalten ist daherdem von NE-Metallen mit breitem Erstar-rungsintervall wie Bronzen ähnlicher alsdem üblicher Gusseisen oder Stahlguss.Viele bei normalem Gusseisen mit Kugelgra-phit gültige Regeln für die Anschnitt- undSpeisertechnik sind hier nicht mehr brauch-bar oder können sogar zu Fehlern führen.Das erforderliche Speiservolumen ist grö-ßer, und die Speiser sollen einen direktenferrostatischen Druck ausüben, wobei dieTemperaturgradienten so liegen müssen,dass der ferrostatische Druck des Speisersauf die erstarrende Schmelze übertragenwird. Diesem Prinzip sind einige Regelnder üblichen Anschnitt- und Speisertechnikunterzuordnen.
Wo immer auch möglich, sollte von obengegossen und eine Formfüllung von untenvermieden werden, um auf diese Weise zueiner möglichst gleichmäßigen Tempera-turverteilung in der Form zu kommen.Praktische Erfahrungen [13] haben gezeigt,dass eine Speisung von oben bei weitemerfolgreicher und wirksamer ist als dasSpeisen von der Seite. Das grundlegendeVerfahren besteht darin, eine gerichteteErstarrung in Richtung auf den höchstenmetallostatischen Druck zu fördern, wozuKokillen oder ein Ausrichten des Guss-
stücks beitragen können. Das Speisen vonoben ist nicht immer einfach und erhöhtden Aufwand in der Putzerei.
Hinsichtlich der Schwindung verhält sichaustenitisches Gusseisen in mancher Be-ziehung wie hochlegierter Edelstahlguss.Mit einem Schwindmaß von etwa 1,6 bis1,8 % ist zu rechnen, bei unbehinderterSchwindung können aber auch biszu 2,2 % auftreten [1, 25]. Für größere Guss-stücke aus austenitischem Gusseisen sowie für die Serienfertigung sind daher besondere Modelle notwendig. Bei kleinerenGussstücken in Einzelfertigung können oftdie gleichen Modelle wie für unlegiertesGusseisen mit Kugel- oder Lamellen-graphit verwendet werden. Der hohethermische Ausdehnungskoeffizient vorallem von GJSA-XNiCr20-2 kann bei derAbkühlung zu hohen Eigenspannungenführen.
4 ArbeitsschutzBei längerem Kontakt mit Nickel odernickelhaltigen Werkstoffen entsteht beimanchen Menschen eine allergischeHautentzündung (allergische Kontakt-Dermatitis). Die Ursache ist nicht das Me-tall Nickel, sondern lösliche Nickelsalze,die durch Korrosion mit dem Schweißgebildet werden. Die Voraussetzung fürdiese Nickelallergie ist eine vorangegan-gene Sensitivierung. So gut wie alle be-kannten Fälle der Sensitivierung treten alsFolge von Piercing oder des Stechens vonLöchern für Ohrringe auf, wo billiger be-schichteter Modeschmuck in der Wundekorrodiert und lösliche Nickelsalze erzeugt.Beim galvanischen Beschichten wird unterdie Edelmetall- oder Chromschicht eineNickelschicht gelegt, um die Haftung zuverbessern. Bei der Handhabung von aus-tenitischen Gusseisen oder Nickel solltenalso Handschuhe getragen werden.
Einatembare Nickel-Verbindungen (lös-liche Nickelsalze), und zwar ausschließlichdiese, gelten als krebserregend (Kategorie1). Die gültigen MAK-Werte müssen alsobeachtet werden, und beim Putzen undSchleifen von austenitischem Gusseisenmuss für eine ausreichende Entstaubunggesorgt oder es müssen Staubmaskengetragen werden.
Im Rahmen eines Risk Assessment wirdzur Zeit (2003/2004) das Gefährdungspo-tenzial sowohl in Bezug auf die mensch-liche Gesundheit als auch auf die Umweltuntersucht und bewertet, was sich letztlichin entsprechenden Verordnungen nieder-schlagen wird.
5 SchweißenDas Schweißen hat sowohl als Fertigungs-als auch Konstruktionsschweißen bei denaustenitischen Gusseisen Bedeutung. Beiden Sorten mit Lamellengraphit bestehenbei einfachen Fertigungsschweißungenkeine größeren Probleme. Die Sorten mitKugelgraphit sind wegen der höheren An-forderungen an die Schweißnaht und dieWärme beeinflusste Zone (WEZ) schwieri-ger zu schweißen, aber von der Anwen-dung her die wichtigeren Werkstoffe.
Viele Sorten des austenitischen Gussei-sens mit Kugelgraphit haben eine Neigungzur Bildung von Rissen in der WEZ, wasentscheidend von der chemischen Zusam-mensetzung abhängig ist. Die Verhältnissewurden bei der wichtigsten Sorte GJSA-XNiCr20-2 eingehend untersucht [26, 27].Phosphor und Schwefel sind sehr schäd-lich, während Mangan und vor allem Chromdie Rissneigung vermindern (Bild 4). Diehier geforderten erhöhten Chromgehaltestehen natürlich der Forderung nach gutemSpeisungsverhalten und hoher Zähigkeitentgegen. Silicium und Magnesium wirkenzusammen ungünstig, und müssen be-grenzt werden. Die Formel hierfür lautet [32]:
% Si + 75 % Mg ≤ 6,3 (5)
Eine weitere Verbesserung der Schweiß-eignung kann durch Zusatz von Niob er-reicht werden, da es nach Bild 11 einengünstigen Bereich der Zusammensetzung
Bild 13: Pumpengehäuse aus GJSA-XNiCr-Nb20-2 für eine Meerwasserentsalzungs-anlage (Bild: KSB)
Bild 14: Turbinengehäuse aus austenitischemWerkstoff (Ni-Resist) mit komplexer Gestalt(Bild: Hacenclever, Battenberg)
10 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
gibt. Der optimale Niobgehalt hängt vomPhosphor-, Silicium- und Magnesiumgehaltab. Aufgrund dieses günstigen Einflussesvon Niob wurde eine schweißbare SorteGJSA-XNiCrNb20-2 entwickelt und in dieNorm aufgenommen.
Tabelle 6 enthält Empfehlungen für Zu-sammensetzungen, um rissfreie Schwei-ßungen bei dieser Sorte zu erhalten. ZurVermeidung von Problemen beim Ferti-gungsschweißen werden diese Begren-zung der Zusammensetzung und das Le-gieren mit Niob von vielen Gießereienbei größeren Gussstücken routinemäßigdurchgeführt, das heißt, es wird statt derSorte GJSA-XNiCr20-2 die sonst gleich-wertige Sorte GJSA-XNiCrNb20-2 geliefert.
5.1 FertigungsschweißenFür Fertigungsschweißungen wird vor al-lem das Lichtbogen-Handschweißen ange-wandt.
Grundsätzlich sollte das Wärmeeinbringenmöglichst gering gehalten werden, um eineVersprödung der WEZ durch Carbidbil-dung, Schwindungsporen und Risse zuvermeiden [27]. Dies bedeutet, dass ohneVorwärmen geschweißt wird und unterUmständen nach jeder Lage die Schweiß-naht bis auf Handwärme abgekühlt werdenmuss. Nach dieser Vorschrift wurde zumBeispiel eine Reihe von gerissenen Pum-pengehäusen einer Meerwasserentsal-zungsanlage erfolgreich durch Schweißenrepariert. Die Gehäuse wurden nach demSchweißen spannungsarm geglüht.
Als Schweißzusatzwerkstoffe kommen vorallem handelsübliche Nickel-Eisen-Elek-troden mit 60 % Ni in Frage. Manchmal wer-den auch arteigene oder Reinnickel-Elektro-den verwendet. Letztere bringen die höch-
sten Festigkeiten, aber enthalten auch dasgrößte Risiko einer Rissbildung [26]. Beiden Schweißzusatzwerkstoffen verschie-dener Hersteller haben sich teilweise er-hebliche Unterschiede im Verhalten und beider Güte der Schweißungen gezeigt.
Für die anderen Sorten gilt bei niedrigstenPhosphor- und Magnesiumgehalten für dasLichtbogen-Handschweißen mit einer ge-eigneten NiFe-Elektrode folgendes: Für dieSorten mit Lamellengraphit sowie die Sor-ten GJSA-XNiMn13-7, GJSA-XNiSiCr30-5-5 und GJSA-XNiSiCr-35-5-2 wird empfoh-len [2], auf 300 bis 350 °C vorzuwärmenund auch die Zwischenlagentemperatur indiesem Bereich zu halten, um Kaltrisse zuvermeiden. Bei Abgaskrümmern aus GJSA-XNiSiCr-35-5-2 hat sich allerdings in-zwischen gezeigt [28, 29], dass auch ohneVorwärmen reproduzierbar rissfrei ge-schweißt werden kann.
Die chromfreien beziehungsweise chrom-armen Sorten GJSA-XNi22, GJSA-XNiMn23-4, und GJSA-XNi35 sind kaum rissfreischweißbar. Die bei GJSA-XNiCrNb20-2geltenden Beschränkungen bei der chemi-schen Zusammensetzung und der Niob-zusatz sind auch hier sinngemäß vonVorteil, aber es wird nicht in allen Fällengelingen, völlig rissfreie Schweißungen zuerhalten. Sie sollten ohne Vorwärmengeschweißt werden.
Bei größeren Schweißarbeiten kann einPuffern der Nahtflanken empfehlenswertsein, um Risse zu vermeiden.
Als weitere Schweißverfahren kommen dasWIG- und MIG-Verfahren in Betracht, wäh-rend das Gasschweißen wegen deshohen Wärmeeinbringens weniger emp-fehlenswert ist. Nach dem Schweißen istoft je nach Art der Gussstücke und Umfang
Bild 15: Teile für ein optisches Präzisisonsinstrument für den Einsatzim Temperaturbereich von -25 bis 55 °C aus GJSL-XNi35, die dengleichen Wärmeausdehungskoeffizienten wie das Glas der Optikhaben (Bild: Wolfensberger Bauma (CH))
Bild 16: Diverse Turbinengehäuse für den Abgasturbolader einesNKW’s aus GJSA-XNiSiCr35-5-2 (links vorn) und GJS-SiMo und GJS-400-15 eines PKW’s (Bild: Hasenclever, Battenberg)
der Schweißarbeiten ein Spannungsarm-glühen bei 650 bis 680 °C oder sogar einWeich- bzw. Graphitisierungsglühen bei950 bis 1050 °C empfehlenswert. Letzte-res soll die in der Schmelz- und Wärme-einflusszone gebildeten Carbide auflösen.
Bei Verbindungen von austenitischenGusseisen mit rostfreien Stählen kann eineKohlenstoffdiffusion vom Gusseisen in denStahl auftreten, die dort zum Ausscheidenvon Chromcarbiden führt, wodurch nichtnur das Gefüge versprödet, sondern vorallem aufgrund der Abbindung des Chromsdie Korrosionsbeständigkeit verloren geht.Eine Wärmebehandlung verschlimmertdurch noch stärkere Kohlenstoffdiffusiondiesen Zustand. Bei hitzebeständigenBauteilen wie Abgaskrümmer haben sichsolche Verbindungen aber bewährt, da dieZunderbeständigkeit ausreicht [28, 29].Es wurden Dehnungsglieder in Abgas-krümmer eingeschweißt, gegossene Flan-sche mit Edelstahlrohren zu Abgas-krümmern verbunden und Verbindungenzwischen gegossenen Abgaskrümmernoder Turboladergehäusen und aus ferriti-schen Stählen bestehenden Katalysator-gehäusen hergestellt.
Chemi-schesElement
CgesSiMnCrNiMgPNb
NormalerP-Gehalt
[Massen-%]
2,5 – 3,01,5 – 2,21,0 – 1,52,0 – 2,5
19,0 – 22,0≤ 0,080≤ 0,025
0,06 – 0,11
≤ 0,05≤ 0,04
0,12 – 0,17
NiedrigerP-Gehalt
GJSA-XNiCrNb20-2
Tabelle 6: Empfehlungen für Zusammen-setzungen, um rissfreie Schweißungen beider Sorte GJSA-XNiCrNb20-2 zu erhalten [32]
11 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
5.2 KonstruktionsschweißenBeim Konstruktionsschweißen müssen dieZusatzwerkstoffe und das Schweißver-fahren besonders sorgfältig ausgewähltund überwacht werden. Die oben erwähn-ten Begrenzungen bei der Einstellung derchemischen Zusammensetzung müssenbeachtet werden und es muss mit Nioblegiert werden. Zum Abbau der sprödenCarbide sollte, wenn immer möglich, nachdem Schweißen graphitisierend geglühtwerden. Wenn wie auf Baustellen nichtgeglüht werden kann, ist ein Puffern derFlanken mit Nickel-Eisen-Elektroden undnachfolgendes Glühen der Einzelteile vordem Zusammenschweißen ein Ausweg.Allerdings ist die Festigkeit geringer als beider Verwendung artgleicher Elektroden.Wichtig ist, dass die Gussstücke im Be-reich der Schweißnähte ein dichtes undeinschlussfreies Gefüge haben, da Rissebevorzugt von Poren und Einschlüssenausgehen.
5.3 ReibschweißenVersuche, artgleiche Reibschweißverbin-dungen herzustellen, verliefen bei den Sor-ten GJSA-XNiSiCr35-5-2, GJSA-XNiMn23-4, GJSA-XNiCr20-2, GJLSA-XNiCuCr15-6-2 sowie GJSA-XNi35 erfolgreich [30]. Eswurden an Rohr- und Vollkörpern Verbin-dungen mit guten bis ausreichenden me-chanischen Eigenschaften und guter Kor-rosionsbeständigkeit erhalten. Die plasti-sche Verformbarkeit konnte durch eineWärmenachbehandlung noch verbessertwerden. Auch Schweißverbindungen zwi-schen verschiedenen Gusseisensorten un-tereinander sind möglich. Ebenso bietenReib-schweißverbindungen von GJSA-XNiCr20-2 mit Ck 22 keine besonderenProbleme und erreichen vor allem nacheiner Wärmebehandlung gute Zähigkeits-eigenschaften.Bei Reibschweißverbind-ungen mit rostfreiem Stahl traten allerdingstrotz der kurzen Schweißzeit ähnlicheProbleme wie bei üblichen Schmelz-schweißverbindungen auf.
Bild 17: Aus Stahlrohren und Gussflanschen montierter Krümmeraus GJSA-XNiCrNb20-2 (Bild: Monforts, Mönchengladbach)
Bild 18: Abgaskrümmer aus GJSA-XNiSiCr35-5-2 für ein Nutzfahrzeug(Bild: Monforts Mönchengladbach)
6 WärmebehandlungDie austenitischen Gusseisen sind voll aus-tenitisch und umwandlungsfrei. Daher istauch ein Härten oder Vergüten wie bei Stahlnicht möglich. Dennoch lassen sich die Ei-genschaften in gewissen Umfang durchWärmebehandlungen beeinflussen.
6.1 Spannungsarmglühen
Restspannungen, die vom Guss oder vonder Bearbeitung herrühren, werden durchSpannungsarmglühen mit 1 h je 25 mmWanddicke bei 620 bis 680 °C und Luft-oder Ofenabkühlung bei höchstens 100 K/min auf 200 °C und anschließender Luft-abkühlung beseitigt. Ein Erwärmen a uf480 °C beseitigt etwa 60 % der Spannun-gen, ein Glühen bei 680 °C etwa 95 %.Je nach Einsatzzweck und Art des Guss-stücks kann das Spannungsarmglühennach dem Gießen zum Vermeiden vonVerzug beim Bearbeiten oder Schweißenund nach dem Bearbeiten zum Abbau vonBearbeitungsspannungen oder doppelterfolgen. Es ist besonders angebracht,wenn die Gussstücke gegen Spannungs-risskorrosion in warmen Meerwasser oderSalzlösungen beständig sein sollen.
Geschweißte Gussteile sollten ebenfalls,wenn möglich, spannungsarm geglüht wer-den. Das Spannungsarmglühen beeinflusstZugfestigkeit, Dehngrenze, Härte und Deh-nung nur wenig, wenngleich in einigen Fäl-len ein merklicher Abfall der Dehngrenzebeobachtet wurde.
6.2 Weichglühenln dünnen Querschnitten, unter Kokillenoder bei höheren Chromgehalten kann dieCarbidbildung so stark sein, dass die Härtezu hoch und die Zähigkeit zu tief liegt oderbeim Einsatz unter erhöhter Temperatur einVerzug durch Carbidzerfall zu befürchtenist. Anzeichen für eine übermäßige Carbid-bildung sind meist eine Brinellhärte über190 Einheiten und eine Dehnung unter10 %. Durch ein Weichglühen von 0,5 bis 1 h
bei 950 bis 1040 °C mit Luft- oder Ofenab-kühlung kann eine günstigere Form undVerteilung sowie ein teilweises Auflösender Carbide erreicht werden. Bei denSorten < 4 % Cr sinkt die Härte auf 180 HBund weniger, und bei den Sorten mit Kugel-graphit werden Zugfestigkeit und Dehnungverbessert, während die 0,2%-Dehngrenzeetwas abfällt.
GJSA-XNiMn23-4 muss zum Beseitigenvon Mangancarbiden 4 h + 1 h je 25 mmWanddicke bei 900 bis 950 °C mit anschlie-ßender Luftabkühlung geglüht werden.
6.3 StabilisierungsglühenWenn ein Verzug während des Betriebesbei erhöhten Temperaturen auf jeden Fallverhindert werden soll, kann ein Stabili-sierungsglühen vorgenommen werden.Diese Wärmebehandlung besteht aus min-destens 2 h bei 870 °C mit Ofenabkühlungauf 540 °C und anschließender langsamerLuftabkühlung.
Die Sorten mit erhöhtem Siliciumgehalt wieGJSA-XNiSiCr35-5-2 enthalten im Guss-zustand ein Silicid-Eutektikum. Beim Glü-hen oberhalb von 980 °C kommt es zu einerHomogenisierung des Gussgefüges, beider es sich teilweise auflöst. Dadurchwerden die Dehnung erhöht und die Bear-beitbarkeit verbessert.
6.4 Abschrecken von hoherTemperaturDurch ein Abschrecken von hoher Tempe-ratur, das einem Normalisieren entspricht,lassen sich die Festigkeitswerte bei gleich-zeitig geringem Härteanstieg erhöhen. DieGussteile werden von 930 bis 1000 °C anLuft aber auch in Öl oder Wasser abge-schreckt.
Dabei wird Kohlenstoff im Austenit gelöstund beim Abschrecken in Lösung gehalten,wodurch die Festigkeit des Austenits erhöhtwird. Es treten keine Umwandlungsspan-nungen auf, aber es entstehen erheblicheEigenspannungen.
12 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
7 Spanende BearbeitungAustenitisches Gusseisen lässt sich aufGrund des zähen Austenits schwerer be-arbeiten als unlegiertes Gusseisen mitKugelgraphit, jedoch dank des Graphitan-teils wesentlich leichter als austenitischerStahl. Die Bearbeitbarkeit hängt weit-gehend von der chemischen Zusammen-setzung der jeweiligen Sorte ab.
Die Sorten mit Kugelgraphit liegen in ihrerBearbeitbarkeit etwa zwischen feinkör-nigem perlitischem Gusseisen mit einerHärte von 220 HB und austenitisch-fer-ritischem Gusseisen mit einer Härte von300 HB. Die chromlegierten Sorten ent-halten je nach Chromgehalt mehr oderweniger Carbide, die nach Menge und Aus-bildung die Bearbeitbarkeit beeinflus-sen. Ein Weichglühen führt zu ihremteilweisen Auflösen oder Verfeinern underleichtert die Bearbeitung.
Austenitisches Gusseisen sollte auf mög-lichst stabilen Werkzeugmaschinen mitkräftigen Werkzeugen bearbeitet werden.Die Tabelle 7 enthält Richtwerte für dasDrehen, Tabelle 8 für das Fräsen, Bohren,Reiben und Gewindebohren.
8 KorrosionsverhaltenDas Korrosionsverhalten von austeniti-schem Gusseisen ist anders als bei korro-sionsbeständigen Stählen. Bei diesenEdelstählen beruht die Korrosionsbestän-digkeit auf der Bildung einer Passivschichtdurch den im Gefüge gelösten Chromge-halt von mindestens 12 % Nickel und an-dere Legierungselemente wirken sich erstin höheren Gehalten als bei den üblichenStahlsorten vom Typ 18Cr9Ni aus. Bei denaustenitischen Gusseisen reicht derChromgehalt nicht zur Bildung einer Pas-sivschicht aus, sondern die Beständigkeitberuht auf der inhärenten Beständigkeit dernickelhaltigen Grundmasse oder der Bil-dung von Schutzschichten aus Korro-sionsprodukten. An der Schutzschichtbil-dung sind dann alle weiteren Legierungs-elemente beteiligt, allen voran Chrom. Mitsteigenden Gehalten an Nickel und Chromnimmt die Beständigkeit daher in den meis-ten Fällen zu.
Die Oberfläche von Gussstücken aus aus-tenitischen Gusseisen bleibt auch an Luftaus diesem Grund unter Korrosionsein-fluss nicht dauerhaft silbrig-metallisch
Glatter Schnitt und starre Schnittverhältnisse
glänzend und blank wie ein Edelstahl,sondern überzieht sich mit einer Art Patina.Dies ist kein Werkstofffehler, sondern fürdiesen Werkstoff typisch.
Zusammenstellungen von Korrosionsratenin verschiedenen Medien enthalten die Ver-öffentlichungen [1 bis 3].
Austenitisches Gusseisen steht in der An-wendung im Wettbewerb zu rostfreiemStahlguss und teilweise zu Nickelbasis-
Bild 19: Drosselklappen und Führungsstangefür die Motorbremse in einer NKW-Abgaslei-tung aus GJSA-XNiCr20-2 (Bild: Schubert &Salzer)
1) Schnellarbeitsstahl nach Stahleisen-Werkstoffblatt 320-692) Zerspanungsanwendungsgruppe nach DIN 49903) Stundenschnittgeschwindigkeit V60, Kernzone4) Mit Randzone5) Auch S 10-4-3-10
Spanungs-querschnitt
Werkstoff(Härte)
GJSA-XNiCr20- 2(140 bis 200 HB30)
GJSA-XNiCr20- 2(150 bis 255 HB30)
GJSA-XNiSiCr30-5-5(170 bis 250HB30)
GJSA-XNiMn23-4(150 bis 180 HB30)
Schnitt-tiefeetwa[mm]
1,0
3,0
6,0
1,0
3,0
6,0
1,03,06,0
1,03,06,0
Vor-schub
bis[mm/U]
0,1
0,3
0,6
0,1
0,3
0,6
0,10,30,6
0,10,30,6
Schneidstoff
S=Schnell-arbeitsstahl 1)
M K=HartmetaIl2)
S 10-4-3-10M 10, K 10, M 15S 10-4-3-10M 10, M 15, K 10M 15, K 10, M 10
S 10-4-3-10M 10, K 10, M 15S 10-4-3-10M 10, K 10, M 15M 15, M 20, K 10
M 10, K 10, K 055)
M 10, K 10, M 155)
M 15, M 20, K 10
M 10, K 10, K 055)
M 10, K 10, M 155)
M 15, M 20, K 10
Wirkwinkel[Grad]
Messwerte[m/min] 3)
EmpfohleneSchnittge-
schwindigkeit[m/min]
Frei-winkel
áe
6 - 10
6 - 10
6 - 8
6 - 10
6 - 10
6 - 8
666
6 - 106 - 106 - 8
Span-winkel
ãe
6 - 12
6 - 12
6
6 - 12
6 - 12
6 - 0
66
6 - -6
6 126 12
6
Neig.-winkel
ëe
0 - 4
0 - 4
0 - 4
0 - 4
0 - 4
0 - 4
0 - 40 - 40 - 4
0 - 40 - 40 - 4
Einstell-winkel
êe
45 - 90
45 - 90
45 - 75
45 - 90
45 - 90
45 - 75
45 - 7545 - 7545 - 75
45 - 9045 - 9045 - 75
Verschleißkriterium
VB 0,4
55
354)
66
35
20 - 35
55 ≤ 40 ≤ 15
20 - 3020 - 30
VB 0,6
70
50
40
20 - 30
≤ 50 ≤ 20
30 - 4025 - 35
KQ,3
80
50 - 70
30 - 48
30 - 40 ∼ 35
60 - 7540 - 50
mitRand-zone
40 - 25
35 - 20
35 - 20
25 - 15
30 - 15
20 - 12
50 - 2540 - 20
ohneRand-zone
20 - 1570 - 4018 - 1160 - 3050 - 25
15 - 850 - 3512 - 645 - 2030 - 15
40 - 2535 - 1516 - 10
70 - 4060 - 3050 - 25
Tabelle 7: Richtwerte für die Schnittgeschwindigkeit beim Drehen einiger austenitischer Gusseisen mit Kugelgraphit [31, 32]
13 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
weise die schweißgeeignete Sorte GJSA-XNiCrNb20-2 mit 1 bis 2 % Cr. Bei höherenAnforderungen an die Erosionsbeständig-keit oder die Festigkeit kann der Chrom-gehalt auf 2,5 bis 3,5 % erhöht werden, abermit Abstrichen an Zähigkeit, Bearbeitbar-keit und Gießeigenschaften.
Die Sorte mit Lamellengraphit GJLA-XNiCuCr15-6-2 ist heute weitgehend durchdie duktilere und festere Sorte GJSA-XNiCr20-2 verdrängt, obwohl sie in Fällen,wo keine oder nur geringe mechanischeund dynamische Belastungen auftreten,eine kostengünstige Alternative darstellt.
Wenn zusätzlich zur Korrosionsbestän-digkeit besonders hohe Zähigkeit bis zuniedrigen Temperaturen oder Nichtmag-netisierbarkeit gefordert werden, wird dieSorte GJSA-XNiCr22 eingesetzt. Sie istallerdings etwas weniger korrosionsbe-ständig und fest sowie schlechter gießbarals die GJSA-XNiCr20-2.
Die Sondersorten GJSA-XNiCr30-3 undGJSA-XNiCr30-5-5 werden bei besonderenKorrosionsbeanspruchungen verwendet.
legierungen. Es besitzt keine Gebrauchs-eigenschaften, die sich mit entsprechendenStahlgusssorten nicht auch in gleichemoder sogar höherem Maße erreichen las-sen. Die Vorteile von Ni-Resist sind imWesentlichen die Vorteile eines Guss-eisens gegenüber Stahlguss, nämlich diekostengünstigere Fertigung der Bauteile,wie sie in den modernen Industrieländernzu einer Verdrängung von unlegiertemStahlguss durch unlegiertes Gusseisen mitKugelgraphit geführt haben.
Die flächigen Korrosionsraten von auste-nitischen Gusseisen sind allgemein höherals bei korrosionsbeständigen Stählen.Anderseits besteht aber keine Gefahr, dassdie dünne Passivschicht durchbrochen wirdund es zu den bei rostfreiem Stahl so ge-fürchteten lokalen Korrosionsangriffen wieLochfraß- oder Spaltkorrosion kommt.
Die Graphitform hat praktisch keinen Ein-fluss auf das Korrosionsverhalten, so dassdie entsprechenden Sorten mit Lamellen-und Kugelgraphit sich gleichartig verhalten.Die älteren Versuchsergebnisse an austeni-tischen Gusseisen mit Lamellengraphit gel-ten also auch für die heute aus Festig-keitsgründen bevorzugten Sorten mit Kugel-graphit. Ein Unterschied besteht zwischenden kupferhaltigen und den kupferfreienSorten mit Lamellen- und Kugelgraphit mit15 % Ni und 6 % beziehungsweise 20 % Niin schwachen Säuren, wo Kupfer die Be-ständigkeit erhöht, so dass dort die Sortemit Lamellengraphit GJLA-XNiCuCr15-6-2etwas besser beständig als die SorteGJSA-XNiCr20-2 sein kann.
Die bei Korrosionsbeanspruchung häufig-ste Sorte ist GJSA-XNiCr20-2 beziehungs-
Bild 20: Zwei Leichtmetallkolben mit eingegossenem Ringträger (Mitte) aus GJLA-NiCuCr15-6-2 (Ringträger in Bildmitte ist mit Mulden-randarmierung kombiniert und gehört zum rechten Kolben) (Fotos: Mahle, Stuttgart)
201296
30211815
17 - 1212 - 99 - 88 - 5
85 - 6075 - 5055 - 3035 - 25
24 - 1 823 - 1212 - 79 - 6
Schnell-arbeitsstahl
24 - 1818 - 1412 - 9
11 - 6
8.1Atmosphärische KorrosionBei atmosphärischer Korrosion ist aus-tenitisches Gusseisen recht gut beständig,obwohl es sich mit einer Rostschichtüberzieht. Diese schützt aber im Gegen-satz zum Verhalten von unlegiertem Guss-eisen oder Stahl den darunterliegendenWerkstoff vor weiterem Angriff.
Im Bild 21 wird das Korrosionsverhaltenverschiedener Gusseisensorten und vonkupferlegiertem Stahl in Meeresatmos-phäre verglichen. Die gegenüber den un-legierten Werkstoffen höhere Beständig-keit der austenitischen Gusseisen kommtdeutlich zum Ausdruck. Rostfreie Chrom-und Chrom-Nickel-Stähle zeigten hiermit weniger als 0,1 g Gewichtsverlust inneun Jahren zwar praktisch keinen mess-baren Angriff, wohl aber Lochfraßbildung.Bei der höher legierten Sorte des aus-tenitischen Gusseisens mit 30 % Ni, 5 %Cr und 5 % Si ist der Gewichtsverlustgeringer als bei der Sorte mit 20 % Ni und2 % Cr. Ähnliche Verhältnisse ergeben sichnach Tabelle 9 auch in der aggressiverenIndustrieluft.
Auch in Schwefelwasserstoff haltiger At-mosphäre bei erhöhten Temperaturen, z.B. in Destillationsabgasen, verhält sichaustenitisches Gusseisen sehr günstig.
Schnittgeschwindigkeit für Werkzeuge in [m/min]
Fräsen Gewindebohren
Schnell-arbeitsstahl
Tabelle 8: Richtwerte für die Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen, Bohren, Reiben undGewindebohren von austenitischen Gusseisen [31, 32]
8.2 Verhalten in Meerwasserund SalzlösungenIn Meerwasser ist die Beständigkeit vonaustenitischem Gusseisen deutlich besserals die von unlegiertem Gusseisen oderStahlguss. Das gleiche gilt auch für ge-chlortes Meerwasser. Die Ergebnisse vonAuslagerungsversuchen an der englischenNordseeküste sind in der Tabelle 10 zu-sammengestellt. Die Proben befanden sichim Bereich des Tidenhubs, so dass sie beiEbbe jeweils zweimal für ein bis drei Stun-den der Luft ausgesetzt waren. Dies er-gibt höhere Korrosionsgeschwindigkeitenals ein kontinuierliches Tauchen. Die Über-legenheit der austenitischen Gusseisen-sorten im Vergleich zu unlegiertem Guss-eisen wird mit steigender Strömungsge-schwindigkeit größer, wie aus Tabelle 11ersichtlich ist. Auch die Zunahme derKorrosion mit steigender Temperatur istäußerst gering (Bild 22).
In stark bewegtem Wasser, wie sie inPumpen auftreten, wird die Beständigkeitgegen die Hydro-Erosion durch einen er-höhten Chrom- und damit Carbidgehaltzum Teil erheblich verbessert, wie sich beiSteigerung des Chromgehalts vom GJLA-NiCuCr15-6-2 von 2 auf 3 % zeigte [35].
Im stark verschmutzten und salzreichenWasser des arabischen Golfs wurden beieiner Normaltemperatur von 28 °C Ver-gleichsuntersuchungen zur Erosions-Kor-rosionsbeständigkeit von unlegiertem fer-ritischen Gusseisen mit Kugelgraphit, Si-liciumguss mit 14,5 % Si, austenitischemGusseisen mit Lamellengraphit GJLA-XNiCr20-2 mit 3 % Cr und Duplex-Stahlguss ähnlich GX3CrNiMo26-6-3 mitabgesenktem Mangangehalt nach dem Ver-fahren der rotierenden Scheibe durch-geführt [36]. Der Duplex-Stahlguss zeigtein der Versuchsdauer von 25 Tagen keinenmessbaren Angriff.
Die Abtragsraten der drei Gusseisensortensind im Bild 23 gegenübergestellt. In ru-hendem Wasser ist der Abtrag nur gering,während er in strömendem Wasser außerbei Siliciumguss zunächst stark zunimmt,da sich eine Schicht aus Korrosionspro-dukten bildet. Mit steigender Einwirkungs-zeit geht der Abtrag deutlich zurück und derEinfluss der Strömungsgeschwindigkeitwird geringer. Das austenitische Guss-eisen ist rund zehnmal beständiger als dasunlegierte Gusseisen mit Kugelgraphit. DasSilicium-Gusseisen zeigt dank seiner Härtevon 470 HV und der dichten SiO2-Schichtden geringsten Angriff, der zudem mitsteigender Strömungsgeschwindigkeit zu-rückgeht und bei 8,3 m/s nicht mehr mess-bar war. Andererseits trat in ruhendemWasser Lokalkorrosion ähnlich wie bei
Tabelle 9: Korrosion von austenitischem Gusseisen in Industrieluft und am Meer [33]
Bild 21. Korrosion verschiedener Gusseisensorten und von kupferlegiertem Stahl in derMeeresatmosphäre am Strand von North Carolina (USA) in 240 m Entfernung vom Meer[33]
Bild 22. Einfluss der Temperatur auf die Korrosion von austenitischem Gusseisen GGG-NiCr 20 2, unlegiertem Stahl und unlegiertem Gusseisen in unbelüftetem (a) und belüftetem(b) Meerwasser bei einer Versuchsdauer von jeweils 156 Tagen [1]
Bild 23. Abtragsraten dreier Gusseisensorten in strömendem Seewasser des arabischenGolfs bei 28 °C in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und der Versuchs-dauer [36]a Siliciumguss mit 14,5 % Si, Härte 471 HVb Gusseisen mit Kugelgraphit, Härte 133 HVc Austenitisches Gusseisen mit Lamellengraphit GJLA-XNiCr20-3 mit 3 % Cr, Härte 134 HV
21
22a
22b
23b
23c
23a
Meeres-atmosphäre 1)
1) 240 m vom Ufer entfernt, Versuchsdauer 15 a
Werkstoff
GJLA-XNiCuCr15 6 2
GJSA-XNiCr20-2
GJLA-XNiSiCr 30 5 5
Ver-suchs-dauer
[a]
823823823
Industrieatmosphäre
Ungeschützt Überdacht
Abtra-gung
[mm/a]
0,0060,0040,0050,0030,0030,002
Abtra-gung
[mm/a]
0,0090,0070,0050,0040,0030,003
Grübchen-tiefe-[mm]
0,15
0,13
0,04
Abtra-gung
[mm/a]
0,003
0,003
0,001
Grübchen-tiefe[mm]
0,25
0,19
0,07
15 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
1) Keine Angaben
1) 1 – sehr beständig, 10 – gering beständig
Werkstoff
Gusseisen mit Lamellengraphit, unlegiertGusseisen mit Kugelgraphit, unlegiertGusseisen mit Kugelgraphit, 1 % NiWeißer TempergussSchwarzer TempergussWeißes Gusseisen, unlegiert15%iges Siliciumgusseisen30%iges ChromgusseisenAustenitisches Gusseisen (GJLA-XNiCuCr15-6-2)
Abtrag[mm/a]
0,05 – 0,070,06
0,05 – 0,060,05 – 0,070,05 – 0,06
0,0500,0010,0010,003
Lochkorrosion 1)
34
7 - 88 – 105 – 8
9471
Tabelle 10: Mittlere Korrosionsgeschwindigkeiten und Reihenfolge der Lochfraß-beständigkeit verschiedener Gusseisensorten bei zehnjähriger Auslagerung an der engli-schen Küste im Bereich des Tidenhubs [34]
Werkstoff
AISI 304 L (X2CrNi18-9)AISI 316 (X5CrNiMo18-10)GJLA-XNiCuCr15-6-2
FlächigeAbtragung
[mm/a]
1)
1)
0,051 – 0,076
Widerstandgegenüber
Lochkorrosion
geringmäßig
gut
Typische Loch-korrosionsge-schwindigkeit
[mm/a]
1,781,78
0,051 – 0,1
Tabelle 12: Verhalten von austenitischem Gusseisen und korrosionsbeständigem Stahlgegenüber Lochfraß in Meerwasser [34]
sensibilisierten rostfreien Stählen auf. We-gen der Sprödigkeit und schlechten Bear-beitbarkeit dürfte dieser Werkstoff zudemfür die meisten Anwendungen kaum inFrage kommen.
In mäßig bewegtem Meerwasser zeigenaustenitische Stahlgusssorten vom Typ18Cr9Ni praktisch keinen Korrosionsver-lust, sind jedoch in ruhendem Meerwassergegen Lochfraßkorrosion anfällig.
Tabelle 12 enthält einige Versuchsergeb-nisse. Auch das Legieren des Stahls mit2,5 % Mo reicht hier nicht aus, um den Stahlbeständig zu machen. Die gewünschteLochfraßbeständigkeit kann erst von denhöher legierten Super-Austeniten oderSuper-Duplex-Stählen erreicht werden.Eine der wichtigsten Anwendungen vonaustenitischen Gusseisen sind daher Bau-teile von Anlagen und Maschinen, die
mit Meerwasser, Brackwasser, verunrei-nigtem Flusswasser und konzentriertenSalzsolen in Berührung kommen. Guss-stücke dieser Art sind Gehäuse und An-saugrohre für Meerwasserpumpen, die alsFeuerlöschpumpen auf Off-Shore-Anla-gen, Kühlwasserpumpen oder Förder-pumpen für Meerwasserentsalzungsan-lagen dienen. Die Laufräder, die höherenspezifischen mechanischen Belastungenausgesetzt sind, werden aus korrosions-beständigem Stahlguss hergestellt.
Bei Verwendung von austenitischen Guss-eisensorten in Verbindung mit anderenWerkstoffen in Meerwasser ist wegendessen hoher Leitfähigkeit auf galvanischeEinflüsse zu achten, die zu galvanischerKorrosion führen können. Einen Anhalt fürdie Möglichkeit galvanischer Korrosion gibtdie Rangfolge verschiedener Werkstoffe infließendem Meerwasser in Tabelle 13. Dieweiter oben stehenden Werkstoffe ver-halten sich jeweils unedler, werden zuerstangegriffen und schützen so die darunterAngeordneten. Je größer der Abstand ist,desto stärker ist der Korrosionsangriff. Ausdiesen qualitativen Angaben ist zu entneh-men, dass die Kombinationen unlegiertesGusseisen/austenitisches Gusseisen undaustenitisches Gusseisen/Kupferbasisle-gierungen viel weniger der galvanischenKorrosion ausgesetzt sind als zum Bei-spiel die Kombination unlegiertes Guss-eisen/Kupferbasislegierungen.
Dies spielt bei Pumpen und Ventilen eineRolle, wo oft Werkstoffpaarungen verwen-det werden. Es ist beispielsweise günsti-ger, in ein Ventilgehäuse aus unlegiertemGusseisen eine Spindelführung aus auste-nitischem Gusseisen statt aus Bronze ein-zubauen. Hierdurch wird die Korrosion desGehäuses deutlich vermindert.
Oft wird jedoch ein stärkerer Abtrag desGehäuses in Kauf genommen, um stärkerbeanspruchte Einbauteile in Ventilen wieFührungsbüchsen oder Teller zu schützen.Bei der Konstruktion muss darauf geach-tet werden, dass bei solchen Werkstoff-paarungen die Fläche des unedleren Werk-stoffs stets wesentlich ausgedehnter alsdie des Edleren ist. Aus Tabelle 14 kannentnommen werden, bei welchen Werk-stoffkombinationen die Einbauteile ge-schützt sind. In Meerwasserpumpen kön-nen die empfindlicheren Laufräder auskorrosionsbeständigem Stahlguss vondem dickwandigen Gehäuse aus austeni-tischem Gusseisen unter Umständen ge-schützt werden.
In Salzlösungen haben die austenitischenGusseisen eine allgemein gute Be-ständigkeit [1]. Bei der flächigen Korrosionist austenitischer 18Cr9NiMo-Stahlgusszwar in den meisten Fällen beständiger,aber wie in Meerwasser anfällig gegenLochfraß.
2,602,876,600,58
--
Tabelle 11: Abtragsraten von austenitischem und unlegiertem Gusseisen in Meerwassermit verschiedenen Bewegungszuständen [34]
Medium
Ruhendes MeerwasserLangsam bewegtes Meerwasser740 d, v =1,5 m/sFließendes Meerwasser58 d in Kondensatorkammer, 70 – 80 °CBewegtes Meerwasser394 d, Probe abwechselnd an Luft und inWasser getaucht
UnlegiertesGusseisen
0,07 – 0,531,27
1,00
0,25
AustenitschesGusseisen GJLA-
XNiCuCr15-6-2GJSA-XNiCr20-2
0,02 – 0,060,05
0,25
0,05
Werkstoff
Starke Bewegung (8,2 m/s)
Unlegiertes Gusseisen mit LamellengraphitUnlegiertes Gusseisen mit KugelgraphitUnlegierter StahlGJLA-XNiCuCr15-6-2
Sehr starke Bewegung (41,2 m/s)
Unlegiertes GusseisenGJLA-XNiCuCr15-6-2
Temperatur24°C 38°C
Abtragung [mm/a]
0,861,191,830,26
13,50 1,07
Abtragung [mm/a]
16 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
8.3 SpannungsrisskorrosionDie Kombination von Korrosion und me-chanischen Spannungen kann vor allem inSalzlösungen und Meerwasser zu Span-nungsrisskorrosion führen. Sie ist ein häu-figer Schadensfall bei austenitischen Edel-stählen. Lange Zeit wurden die austeniti-schen Gusseisen für nicht durch Span-nungsrisskorrosion gefährdet angesehen.Schadensfälle an Gehäusen von Groß-pumpen in Meerwasserentsalzungsanla-gen im Mittleren Osten sowie Laborunter-suchungen beweisen das Gegenteil [6, 39bis 43]. Im Bild 24 ist ein typischer Riss imGefüge zu sehen.
Im Bild 25 ist die Beziehung zwischenSpannung und Zeit bis zum Bruch inkünstlichem Meerwasser bei einer Tem-peratur von 33 °C bei GJSA-XNiCr20-2 imVergleich zu einigen anderen Werkstoffendargestellt und im Bild 26 der Einfluss derTemperatur, der Salzkonzentration und desSauerstoffgehalts beim GJSA-XNiCr20-2und einer Spannung, die allerdings deutlichoberhalb der 0,2 %-Dehngrenze von 210bis 250 N/mm² für diesen Werkstoff liegt.
In einer anderen Laboruntersuchung [43]wurde der Einfluss der Temperatur und derHöhe der Spannung auf das Auftreten vonSpannungsrisskorrosion bei GJSA-XNi-Cr20-2 und GJSA-XNiCr30-3 in 0,1- bis 40-prozentigen MgCl2-Lösungen verfolgt. AlsBeständigkeitsgrenze wurde 2 500 h an-gesetzt. Bild 27 enthält die Ergebnissebei MgCl2-Konzentrationen von 5, 20 und40 %. Bei hohen Spannungen kommt essehr rasch zu Rissen. Am aggressivstenerwies sich eine 10%ige MgCl2-Lösung.Austenitische Gusseisen sind nach diesemBericht aber auch in verdünnten MgCl2-
Tabelle 13: Galvanische Reihe verschiedener Werkstoffe in fließendem Meerwasser 1) [37]
Lösungen mit Konzentrationen von 0,1 oder1,0 % bei hohen Spannungen und Tempera-turen anfällig gegen Spannungsrisskor-rosion. Bei beiden Legierungen gibt es eineausgesprochene Grenzspannung, woauch bei hoher Temperatur keine Rissemehr auftreten. Bei GJSA-XNiCr20-2 liegt
sie nach Bild 27 bei etwa 50 % derStreckgrenze, bei der beständigeren Legie-rung GJSA-XNiCr30-3 mit höherem Nickel-gehalt bei etwa 70 %. Zwischen der Stand-zeit und dem Durchbruchspotenzial desWerkstoffs wurde eine deutliche Abhängig-keit festgestellt. Eine anodische Polarisation
Bild 24. Typischer durch Spannungsrisskorrosion erzeugter Riss im Gefüge von GJSA-XNiCr20-2
Bild 25. Beziehung zwischen Spannung und Zeit bis zum Bruch in künstlichem Meerwasser bei einer Temperatur von 33 °C bei GJSA-XNiCr20-2 im Vergleich zu einigen anderen Werkstoffen [39]
Bild 26. Einfluss der Temperatur, der NaCl-Konzentration und des Sauerstoffgehalts bei GJSA-XNiCr20-2 bei einer Spannung von340 N/mm2 auf die Zeit bis zum Bruch [40]
25 2624
1) Die weiter oben stehenden Werkstoffe verhalten sich jeweils unedler, werden zuerst angegriffen und schützen sodie darunter Stehenden
MagnesiumZinkAIMnAIMgSi1AIMgSi0,5AIMg2Unlegierter StahlNiedriglegierter StahlUnlegiertes Gusseisen13%iger Cr-Stahl, aktiv17%iger Cr-Stahl, aktivCrNi-18/8-Stahl, aktiv
1) Üblich sind Einbauteile aus CuSn-Legierungen. Diese können gegenüber dem Gehäuse anodisch werden, wenn sichwegen hoher Strömungsgeschwindigkeit oder Turbulenz keine Schutzschicht auf den Sitzen bilden kann.
2) Die Potenziale unterscheiden sich nur wenig: AISI 316 erhält daher keinen ausreichenden kathodischen Schutz gegenüberLoch- und Spaltkorrosion bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten.
17 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
)
senkt die Standzeit, eine geringe katho-dische Polarisation erhöht sie oder unter-bindet die Spannungsrisskorrosion ganz.Daraus wird gefolgert, dass bei Kontakt vonaustenitischem Gusseisen mit austeniti-schem Cr-Ni-Stahl, was in Pumpen mitStahllaufrädern der Fall ist, die Spannungs-risskorrosion beschleunigt und bei Kontaktmit unlegiertem Stahl oder Gusseisen be-hindert wird.
Der Anstieg der Zeit bis zum Bruch unter-halb von 30 °C im Bild 25 deutet daraufhin, dass Spannungsrisskorrosion von aus-tenitischem Gusseisen in unserem Klimaäußerst unwahrscheinlich ist. Im MittlerenOsten sind jedoch Wassertemperaturenüber 30 °C durchaus normal. Die zur Aus-lösung der Spannungsrisskorrosion erfor-derlichen hohen Spannungen liegen weitoberhalb der im Betrieb auftretenden Werte,die nur etwa 35 N/mm² betragen sollten. Diehöheren Spannungen können aber durchEigenspannungen im Gussstück erzeugtwerden, und tatsächlich waren die im Ein-satz gerissenen Gehäuse nicht span-nungsarm geglüht.
Als wirksame Maßnahme gegen dieSpannungsrisskorrosion wird ein mög-lichst weitgehender Abbau von Eigen-spannungen empfohlen, so dass nach [43]bei GJSA-XNiCr20-2 die Summe aus Ei-gen- und Betriebsspannung nicht mehrals 100 N/mm2 und bei GJSA-XNiCr30-3unter 150 N/mm2 betragen darf. Durcheinen kathodischen Schutz soll sich dieBeständigkeit erhöhen lassen [42, 43].
Eine Rolle spielt auch die Güte des Guss-stücks und seine Gefügeausbildung. Ineinem gerissenen Pumpengehäuse wurdeein für GJSA-XNiCr20-2 mit 1 bis 2 % Crungewöhnlich hoher Carbidgehalt von 10bis 13 % festgestellt [6]. Die Risse verliefenvorzugsweise in den carbidhaltigen Zonen.Ähnliche Gussstücke aus dieser Sorteenthalten sonst nur etwa 5 % Carbide unddie Risse zeigen keinen Zusammenhangmit ihnen.
In einer vom Nickel Development Instituteveranlassten Untersuchung [6] wurde derEinfluss des Gefüges anhand von Probe-
abgüssen bei hohen Spannungen mit Halte-zeiten von 260 Tagen in künstlichem Meer-wasser von 45 °C näher untersucht. DieSilicium- und Chromgehalte wurden inner-halb des Bereiches der Normzusammen-setzung von GJSA-XNiCr20-2 variiert.Eisensorten, deren Siliciumgehalte imoberen und deren Chromgehalte im unte-ren Bereich lagen, hatten die geringste An-fälligkeit gegen Spannungsrisskorrosion.Sie trat aber auch bei ihnen in Form vonfeinen flachen Rissen auf. Schlecht ge-impfte Proben gleicher Zusammensetzungzeigten stärkere und tiefere Risse. DieRisse folgten jedoch nicht den Carbiden.Eisensorten, die durch einen niedrigenSilicium- und einen hohen Chromgehaltmehr Carbide enthielten, zeigten nochstärkere und tiefere Risse, vor allem, wennsie schlecht geimpft waren. Während beiden carbidarmen Eisen die Risse trans-kristallin waren, folgten sie bei den carbid-reicheren den Carbidausscheidungen.
Die Folgerung ist, dass Gussstücke, die inwarmem Meer- oder Brackwasser oder inSalzsolen eingesetzt werden sollen, span-nungsarm geglüht werden sollten. Dies giltbesonders nach dem Fertigungsschwei-ßen. Dabei sollte nicht versucht werden,durch einen höheren Chromgehalt dieFestigkeit und allgemeine Korrosionsbe-ständigkeit zu steigern. Schmelzebehand-lung und Impfung müssen sorgfältig durch-geführt werden, um einen möglichst nied-rigen Carbidgehalt im Gefüge zu gewähr-leisten.
Wichtig ist auch, dass der Nickelgehalthoch genug ist, um eine Martensitbildungin den Seigerungszonen zu verhindern,und dass der Gehalt an Blei und anderenSpurenelementen niedrig gehalten wird,um die Bildung von nicht kugeligen Graphit-formen, die die Festigkeit vermindern,auszuschließen. Auch Chunky-Graphit darfnicht auftreten. Nach [6] soll ein Nickel-Äquivalent
Niequ= % Ni + % Cr + 2 · % Mn (6)
von mindestens 23,5 % eingehalten wer-den, um beim Spannungsarmglühen bei650 °C nicht infolge zu geringer Stabilitätdes Austenits eine Martensitbildung zuverursachen. Der Austenit im Gusszustandist nämlich an Kohlenstoff übersättigt unddadurch stabilisiert. Beim Glühen wird die-se Übersättigung abgebaut, und der dannweniger stabile Austenit kann sich zuMartensit umwandeln.
In [40] wurde auch der Einfluss der Guss-randschicht untersucht, die Lamellen- undandere nichtkuglige Graphitformen aberkeine Carbide enthielt. Ihre flächenhafteKorrosionsgeschwindigkeit war sehr hoch,
,
Bild 27. Ergebnisse von Untersuchungen an Zugstäben zur Spannungsrisskorrosion anGJSA-XNiCr20-2 (links) und GJSA-XNiCr30-3 (rechts) in 5-, 20- und 40-prozentigen MgCl2-Lösungen zwischen 40 °C und Siedetemperatur, Beständigkeitsgrenze 2 500 h [43]
Bild 28. Einfluss des Nickelgehalts auf die Korrosion von Gusseisen in 50- bis 60-prozentigemÄtznatron, Versuchsdauer: 81 Tage, Temperatur: Siedepunkt bei 0,9 bar [48]
Bild 29. Iso-Korrosionskurven von GJSA-XNiCuCr15-6-2, unlegiertem Gusseisen undSiliciumgusseisen in Schwefelsäure in Abhängigkeit von der Temperatur
28 29
27b27a
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aber es trat keine Spannungsrisskorrosionauf. Wenn jedoch die Gusshaut nach etwa200 bis 260 Tagen abgetragen war, begannauch hier die Rissbildung.
Die Gussstücke dürfen keine oberflächen-nahen Fehler wie Mikrolunker, Gasblasen,Graphitentartungen oder -anhäufungen,Carbidketten oder Schlackeneinschlüsseenthalten, die an ihnen Anrisse entstehenkönnen. Diese können dann durch Span-nungsrisskorrosion oder Schwingungsriss-korrosion weiterwachsen und das Guss-stück zerstören [41].
Moderne Berechnungsverfahren ermög-lichen eine bessere Werkstoffausnutzungdurch Verringern der Wandstärken, wasgerade bei großen Pumpenteilen zu einerspürbaren Material- und Gewichtseinspa-rung führt. Hierdurch kann sich allerdingsdie Rissgefahr verstärken, wenn dieWanddicken zu stark reduziert werden. Inder Vergangenheit haben sich zum BeispielMindestwanddicken von 20 bis 25 mm bei1 t schweren Gehäusen bewährt. Es wirdvermutet, dass es bei Verminderung derWanddicke bis an die rechnerisch möglicheGrenze im Betrieb zu Schwingungen kom-men kann, die zu Dauerbrüchen oderKorrosionsermüdung führen. Bei Scha-densfällen lässt es sich nur schwierigfeststellen, welche Ursachen die Rissehaben.
8.4 Schwingungskorrosion
wird im Gegensatz zur Prüfung an Luft beikeinem der untersuchten Werkstoffe dieDauerfestigkeit erreicht. Erst bei 108 Last-wechseln mündet die Wöhlerkurve asymp-totisch in eine zur Abszisse parallelenGerade, wobei die Werte in Salzwassererheblich unter denen in Luft liegen. Diegegenüber unlegierten Gusseisen höhereKorrosionsbeständigkeit der austeniti-schen Sorten bringt hier keinen Vorteilmehr.
In Tabelle 16 sind für eine Reihe vongewalzten Stählen und Nickelbasislegie-rungen die Werte der Korrosionsschwing-festigkeit in Seewasser im Vergleich zuGJSA-XNiCr20-2 zusammengestellt.
8.5 Verhalten in Alkalien
Die Beständigkeit von Gusseisen in alkali-schen Medien wird durch Nickel verbes-sert. Diese Verbesserung setzt nach Bild19 bereits bei niedrigen Nickelgehalten ein.
Tabelle 16: Korrosionsschwingfestigkeit in Seewasser von GJSA-XNiCr20-2 im Vergleich zueinigen anderen Guss- und Walzwerkstoffen [46]
Schwingungskorrosion oder Korrosionser-müdung führen bei allen Eisenwerkstoffenim Vergleich zu den Werten an Luft zudeutlich geringeren Werten der Dauerfes-tigkeit. Allerdings gibt es hierzu nur weni-ge Untersuchungen bei Gusseisenwerk-stoffen. Tabelle 15 enthält die Ergebnissevon Versuchsreihen an unlegierten und anaustenitischen Gusseisensorten, bei denendie Proben in Biegewechselversuchen anLuft sowie beim Besprühen mit verschie-denen Lösungen geprüft wurden. Nach107 Lastwechseln unter Korrosionseinfluss
Austenitisches Gusseisen ist weitgehendbeständig (Tabelle 17), was auch durchpraktische Erfahrungen bei der Herstellungvon Ätzalkalien bestätigt wird [1 bis 3].Auch in Ammoniak-Wasser und Ammoni-umsalz-Lösungen haben sich austeniti-sche Gusseisen vom Typ GJSA-XNiCuCr15-6-2 und GJSA-XNiCr20-2 bewährt.
8.6 Verhalten in SäurenDie Beständigkeit der austenitischenGusseisen gegen Säuren ist allgemeingering (Tabelle 17). Im Bild 29 sind Iso-Korrosionskurven von GJSA-XNiCuCr15-6-2, unlegiertem Gusseisen und Silicium-Gusseisen in Schwefelsäure in Abhän-gigkeit von der Temperatur dargestellt. BeiBewegung steigt die Korrosionsrate an.
In Schwefelsäure können austenitischeGusseisen bei niedrigen Konzentrationenvon unter 1 % eingesetzt werden, da hierdie Einflüsse von Bewegung und Tempera-tur gering sind. Auch beim Sulfonieren
Tabelle 15: Ergebnisse von Biegewechselversuchen mit verschiedenen Gusseisensorten und einem Vergütungsstahl an Luft sowie beimBesprühen mit entmineralisiertem Wasser, Wasser mit Inhibitor-Zusätzen und Wasser mit 3 % NaCl nach Lastwechselzahlen LW von 107
tierischer und pflanzlicher Öle hat sich aus-tenitisches Gusseisen recht gut bewährt,da das Fett offenbar durch einen Schutz-film den Angriff der an sich in wässrigerLösung zu hohen Säurekonzentration ver-mindert. Durch einen höheren Siliciumge-halt wird die Beständigkeit nach Tabelle17 verbessert, so dass die in der EN 13835nicht mehr enthaltene Sorte GGG-NiSiCr20 5 2 auch bei etwas höheren Säurekon-zentrationen erfolgreich eingesetzt werdenkonnte [49].
Auch die Beständigkeit gegen Salzsäure istwie bei fast allen Eisenwerkstoffen gering,so dass die Anwendungsmöglichkeiten aufniedrige Säurekonzentrationen bei Raum-temperatur beschränkt sind. Ähnliches giltauch für Phosphorsäure.
8.7 Verhalten in weiterenMedien
Erfahrungen und Auflistungen zum Verhal-ten von austenitischem Gusseisen, vorwie-gend mit Lamellengraphit, enthalten dieVeröffentlichungen [1 bis 3, 5]. Für dieVerwendung in Phosphorsäure kommendie austenitischen Gusseisensorten mitEinschränkung in Frage. Sie werden haupt-sachlich in verdünnter, unbelüfteter Säurebei Raumtemperatur eingesetzt.
ln vielen Salzlösungen - organischen undanorganischen - verhält sich austenitischesGusseisen in der Regel beständiger alsunlegiertes Gusseisen und unlegierterStahl. Das Betriebsverhalten von austeni-tischem Gusseisen in Anlagen der Soleer-hitzung, -verdampfung und Flotationstren-nung ist im Vergleich zu anderen Werk-stoffen gut.
Wenn Lösungen anorganischer saurerSulfate hydrolysieren und besonders beider Verdampfungstemperatur verdünnte
Bild 30: Meerwassersole-Rücklaufpumpe für eine Meerwasserentsalzungsanlage mitVerteilergehäuse, Leitrad und Steigrohr aus GJSA-XNiCrNb20-2, Förderleistung3900 m³/h, Förderhöhe 70 m (Bild: KSB)
Bild 31: Zweiteiliges Pumpengehäuse für eine Meer-wasserentsalzungsanlage aus GJSA-XNiCrNb20-2Gesamtgewicht 6,7 t (Bild: KSB)
Schwefelsäure bilden, ist Vorsicht geboten.Austenitisches Gusseisen kann bei derVerarbeitung saurer Sulfatlösungen nur ver-wendet werden, wenn der Säuregrad nichtzu hoch ist. Nicht beständig ist es gegen-über den Lösungen oxidierender saurerSalze wie Eisen (III)-, Kupfer (II)-, Zinn (IV)-und Quecksilber (II)-Salzen.
Citrat- und Thiocyanatlösungen greifenGusseisen und unlegierten Stahl sehr starkan, weil ihre Salze mit Eisen lösliche Kom-plexverbindungen bilden. AustenitischesGusseisen eignet sich in gewissen Tem-peratur- und Konzentrationsbereichen fürApparate, in denen diese Lösungen ver-dünnt behandelt werden.
Die austenitischen Gusseisen haben ineiner Vielzahl von weiteren Medien einebrauchbare Beständigkeit, so dass sie inder chemischen Verfahrenstechnik, derPetrochemie, bei der Erdöl- und Gasge-winnung sowie in der Lebensmittelindustriezahlreiche Anwendungen gefunden haben.
Austenitische Gusseisenwerkstoffe be-währen sich mit gewissen Einschränkun-gen für Anlagen und Apparate, die organi-sche Säuren, wie Essig-, Ameisen-, Oxal-säure, Fettsäuren (zum Beispiel Stearin-,Öl-, Linol- und Abietinsäure) sowie Teer-
säuren, wie sie bei der Destillation vonKohle- und Holzprodukten anfallen, enthal-ten. Sie sind gegenüber diesen Medien vielbeständiger als unlegiertes Gusseisen undunlegierter Stahl. So korrodiert zumBeispiel GJSA-XNiCuCr15-6-2 in kalter25%iger Essigsäure bei schwacher Durch-lüftung mit maximal 0,5 mm/a, währendunlegiertes Gusseisen 40- bis 50malschneller korrodieren kann.
Üblicherweise wird austenitisches Guss-eisen nur bei Anwesenheit von starkverdünnten organischen Säuren verwen-det. Seine Beständigkeit gegenüber Fett-säuren ist bei mäßig erhöhter und beiRaumtemperatur ausreichend, in der Re-gel jedoch nicht für die Behandlung roherFettsäuren bei hohen Temperaturen, wiesie beim Betrieb kontinuierlich arbeitenderDestillieranlagen auftreten. Für Pumpen,Ventile und andere Einrichtungen, die mitdiesen Säuren bei niedrigen und mittlerenTemperaturen in Berührung kommen, wirdjedoch austenitisches Gusseisen verwen-det und hat sich auch in Seifenfabrikenbewährt.
Manche organischen Verbindungen wiebeispielsweise Aldehyde sind normaler-weise nicht sehr aggressiv, können aberbei höheren Temperaturen zerfallen oder
Tabelle 17: Korrosionsgeschwindigkeit bei Laborversuchen einiger austenitischer Gusseisenin verschiedenen sauren und alkalischen Medien [48]
Medium Werkstoff
GGL-NiCr 20 2GGL-NiSiCr 20 5 3GJSA-XNiCr20-21)
GJSA-XNiCr20-22)
GGG-NiSiCr 20 5 2
H2SO41%ig60 °C
1,420,910,430,510,25
H2SO465%ig35 °C
0,3300,1270,3300,2500,100
CH 3COOH 2%ig
0,0760,0660,0760,0510,063
NaCI20%ig
siedend
0,0080,0030,0070,0040,003
NaOH50%ig60 °C
0,0100,0150,0260,0760,012
1) 2 % Cr2) 3 % Cr
Abtragung [mm/a]
HCI1%ig60 °C
2,601,140,841,000,33
20 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
hydrolysieren, so dass sich geringe Men-gen der entsprechenden organischen Säu-ren bilden, die unlegiertes Gusseisen undunlegierten Stahl stark angreifen. Hierfür hatsich austenitisches Gusseisen als günstigerwiesen.
ln Teerdestillationsanlagen wird austeniti-sches Gusseisen mit erhöhtem Siliciumge-halt mit Erfolg für solche Werkstücke einge-setzt, die gegen Ammoniumchlorid und ver-schiedene Phenolverbindungen beständigsein müssen.
In Erdölraffinerien und in der Petrochemiewird austenitisches Gusseisen mit Kugel-graphit erfolgreich seit vielen Jahren zurFörderung heißer Kohlenwasserstoffe ver-wendet. Bei der Destillation von Rohöl kannsich infolge Hydrolyse von Magnesium- undCalciumchlorid Salzsäure bilden. DiePraxis hat gezeigt, dass austenitischesGusseisen gegen den Angriff der Kopfströ-me von Rohöldestillations- und andererMineralölverarbeitungsanlagen beständigist. GJSA-XNiCr20-2 ist besonders fürGehäuse von Rückflusspumpen geeignet.Die Ergebnisse von Betriebsversuchen inRohöldestillationsanlagen haben erwiesen,das austenitisches Gusseisen ein zuver-lässiger und wirtschaftlicher Werkstoff ist.Auch bei Anwesenheit von verdünnterSchwefelsäure hat sich hier austenitischesGusseisen für Laufräder und Gehäuse vonPumpen gut bewährt.
8.8 Kostenvergleich mit an-deren WerkstoffenIn der Anwendung stehen austenitischeGusseisen im Wettbewerb mit unlegiertenoder niedrig legierten Gusseisen und Stahl-gusssorten, Edelstählen und Kupferbasis-legierungen. Teile aus unlegiertem Stahloder unlegiertem Gusseisen sind auf jedenFall preiswerter. Austenitisches Gusseisenbietet dann Vorteile, wenn diese Werkstoffenicht hinreichend beständig sind. Anderer-seits sind Gussstücke aus austenitischenGusseisen meist preiswerter als ent-sprechende Teile aus gegossenen oderumgeformten und gefügten Edelstählenoder Kupferbasislegierungen. Hier ist eineLebenszyklus-Kosten-Betrachtung ange-bracht, bei der die Kosten des einbaufer-tigen Bauteils und seiner Montage, dassheißt die Investitionskosten ebenso wie dieFolgekosten während der Lebensdauer derAnlage in Form von Kosten für Wartungs-und Reparaturarbeiten, Ersatzbeschaffungmit Aus- und Einbau sowie Anlagestillstandzu berücksichtigen sind. Unter diesenGesichtpunkten haben sich in vielen Fällenaustenitische Gusseisen gut bewährt undals die wirtschaftlich günstigste Lösungerwiesen.
liegenden Werkstoff schützt. Durch dieSchutzschichtbildung nimmt die Zunder-geschwindigkeit mit steigender Haltezeitab, wird aber nicht Null. Typische Zunder-kurven für eine Versuchsdauer von bis 32Wochen (5300 h) sind im Bild 32 zu sehen.
Bei Gusseisen mit Kugelgraphit bleibt derOxidationsangriff auf die Oberfläche be-schränkt, während er bei Gusseisen mitLamellengraphit entlang der Graphitla-mellen ins Innere des Werkstoffs vordrin-gen kann. Durch diese innere Oxidationkommt es nicht nur zu einem schnellerenZerstören des Werkstoffs, sondern auchzu einem Wachsen, da die sich amGraphit bildenden Oxide das Gefüge auf-blähen. In bestimmten Temperaturbe-reichen erlauben nämlich die thermody-namischen Gleichgewichte eine Koexis-tenz von Graphit und Oxiden. Das unter-schiedliche Verhalten der beiden Werk-stoffgruppen beim Eindringen von Sauer-stoff geht aus Tabelle 18 deutlich hervor.Bei 700 °C verhält sich austenitischesGusseisen mit Lamellengraphit nicht bes-ser als unlegiertes und sogar schlechterals unlegiertes Gusseisen mit Kugelgra-phit. Aus diesen Gründen werden heute sogut wie ausschließlich die Sorten mit Ku-gelgraphit verwendet, selbst wenn ihrehöhere Warmfestigkeit nicht erforderlich ist.
9 Eigenschaften
Von Werkstoffen zum Einsatz bei erhöhtenTemperaturen werden folgende Eigen-schaften gefordert:
- Oxidationsbeständigkeit,- Maßbeständigkeit,- Stabilität des Gefüges und damit der
Eigenschaften,- Warmfestigkeit,- Beständigkeit gegen Temperaturwech-
sel und thermo-mechanische Ermüdung.
Von den austenitischen Gusseisen wer-den diese Forderungen im Rahmen derMöglichkeiten eines graphitischen Guss-werkstoffs erfüllt. Sie werden daher inerheblichem Umfang für temperaturbe-anspruchte Bauteile verwendet. Aufgrundder höheren Warmfestigkeit und Oxida-tionsbeständigkeit werden heute für sol-che Anwendungen fast ausschließlich dieSorten mit Kugelgraphit eingesetzt.
9.1.OxidationsbeständigkeitDie Oxidations- oder Zunderbeständigkeitder austenitischen Gusseisen beruht aufder Bildung einer festhaftenden Schichtaus Oxidationsprodukten, die den darunter
Unlegierter StahlgussWalzstahl, unlegiertStahl mit 12 % Cr (AISI 405)
Werkstoff Eindringtiefe in [mm] bei folgender Glühbehandlung
815 °C/500 h
-0,895
-
-
----
0,4650,130
0,09 – 0,11-
--
0,6040,2320,038
---
Temperguss
Gusseisen mit Kugelgraphit GJS
Austenitisches Gusseisen GJSA
Stähle
Tabelle 18: Mittlere Eindringtiefe der Oxidation bei der Glühung verschiedener Eisenwerk-stoffe an Luft. Es sind die Werte nach 2000 h angegeben, die zum Teil aus Ergebnissen bei1000 bis 5300 h errechnet wurden [53, 54, 55]
Gusseisen mit Lamellengraphit GJL
705°C/3000 h
0,95-
1,30
0,83
--------
-----
1,701,65
0
21 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Aus dem Mechanismus der inneren Oxi-dation und der Schutzschichtbildung ergibtsich, dass Gussfehler an der Oberflächeoder in der Randschicht vermieden werdenmüssen. Poren, Einschlüsse und lokaleAnhäufungen oder Zeilen von Graphitführen zu örtlich verstärkter Oxidation, diesich je nach Beanspruchung in Form vonKratern oder Pusteln äußert. EntarteteGraphitformen oder Lamellengraphit alsFolge schlechter Magnesiumbehandlungermöglichen eine innere Oxidation. Auch ineiner Randschicht, die infolge des Form-stoffeinflusses statt Kugelgraphit Lamel-lengraphit enthält, kommt es zu einemEindringen der Oxidation.
Die Schutzschicht ist umso dichter undwirksamer, je höher der Legierungsgehaltist. Besonders wirksam ist Silicium, wiebereits eingangs ausgeführt wurde (Bild9). Silicium wirkt in gleicher Weise beiaustenitischen und unlegierten ferritischenGusseisen, wie aus der Tabelle 18 sowieaus den in den Tabellen 19 und 20 auf-geführten Ergebnissen von vergleichendenZunderversuchen ersichtlich ist. Mit 4 bis5 % Silicium legierte ferritische Sorten sindhier den siliciumarmen austenitischen Ei-sen bei der Oxidationsbeständigkeit über-legen. Sie versagen allerdings, wenn dieBetriebstemperatur die bei 820 bis 920 °Cliegende Umwandlungstemperatur vonFerrit in Austenit wesentlich übersteigt, dadie Phasenumwandlung die schützendeSchicht aus SiO2 aufreißt.
Aufgrund der günstigen Wirkung des Sili-ciums wurde eine Reihe von austeniti-schen Gusseisensorten mit erhöhtem Si-liciumgehalt entwickelt, die eine höhereOxidationsbeständigkeit besitzen. Wiebereits erwähnt, sind die aus Kostengrün-den attraktiven Legierungen mit weniger alsetwa 30 % Ni bei Langzeitbeanspruchung
Bild 32. Zunderkurven austenitischer Gusseisen mit Kugelgraphit GJSA-XNiCr20-2 (links) und Lamellengraphit GJLA-XNiCr20-2 (rechts) für eineVersuchsdauer von bis zu 32 Wochen (5300 h) ohne Berücksichtigunglosen Zunders [50 - 52]
im Temperaturbereich unter 800 °C durchGefügeumwandlungen versprödungsan-fällig. Sie sind daher in die EN 13835 nichtmehr aufgenommen worden.
Für den Einsatz bei sehr hohen Tempera-turen speziell für Abgasanlagen in Fahr-zeugmotoren wurde unter Ausnutzung der
ebenfalls günstigen Wirkungen von Nickelund Chrom die hoch hitzebeständige SorteGJS-NiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ent-wickelt, die bis zu Temperaturen von über1000 °C erfolgreich verwendet wird [28, 29,57 bis 59]. Nach Tabelle 20 ist ihreZunderbeständigkeit bei diesen hohenTemperaturen ebenso gut oder besser
Tabelle 19: Zunderverhalten einiger austenitischer Gusseisenim Vergleich zu unlegierten Sorten und hitzebeständigem StahlAISI 309 (ähnlich X35CrNiSi25-12) bei Temperaturen von 700 bis925 °C [1, 56]
Werkstoff Wachstumsgeschwindig-keit der Zunderschicht in
[mm/a]
Gusseisen mit Kugelgraphit 2,5% Si 5,5% SiGJSA-XNiCr20-2GJSA-XNi20-2GJSA-XNi22GJSA-XNiSiCr30-5-5AISI 309 (G-X 35 CrNiSi 25 12)
Versuch 11)
1,070,102,50 1,07 1,78 0,10 0,00
Versuch 22)
12,70 0,137,604,45
-0,000,00
1) Ofenatmospäre Luft, 400 h bei 700 °C2) Ofenatmosphäre Luft, 600 h bei 870 bis 925 °C, 600 h zwischen 870 und 925 °Csowie zwischen 430 und 480 °C, 600 h bei 430 bis 480 °C
Tabelle 20: Zunderverhalten einiger austenitischer Gusseisen bei Temperaturen von705 bis 1065 °C im Vergleich zu hitzebeständigem Stahlguss GX40CrNiSi25-20 ( 1.4848)bei Pendelglühungen an Luft mit 5 % Wasser und einer gesamten Versuchsdauervon 504 h [56]
wie beim hitzebeständigen StahlgussGX40CrNiSi25-20. Die Ursache ist, dassdas Gusseisen 5 % Si enthält, während beiStahlguss der Siliciumgehalt wegen derSigma-Phasenversprödung auf 2,5 % be-grenzt werden muss.
Die schützende Wirkung des hohen Si-liciumgehalts ist klar in Tabelle 20 erkenn-bar. GJSA-XNiSiCr35-5-2 ist in Bezug aufdie Oxidationsbeständigkeit bei den hohenTemperaturen dem hitzebeständigen Edel-stahl mindestens gleichwertig. 5 % Sischeinen den Werkstoff oberhalb von900 °C mindestens ebenso gut zu schützenwie ein hoher Chromgehalt von 25 %. Dieniedriger legierte Sorte GJSA-XNiCr20-2(GGG-NiCr 20 2, Ni-Resist D-2) ist wegenihres tieferen Siliciumgehalts deutlichweniger zunderbeständig.
In Abgassystemen von Motoren ist die Haft-festigkeit des Zunders wichtig, da mitge-rissene Oxidteilchen den Katalysator oderdie Turbine des Turboladers schädigen kön-nen. Besonders gefährlich können dabeiTemperaturwechsel sein, da sie die Zun-derschicht zerrütten können. ZyklischeOxidationsversuche ergaben, dass dieHaftfestigkeit des Zunders bei GJSA-XNiSiCr-35-5-2 sehr gut ist. Ein typischesErgebnis ist im Bild 33 dargestellt. DieProben wurden in zyklischen Prüfungeninsgesamt einundzwandzigmal bei einerGesamtverweildauer von 504 h in einerAtmosphäre aus Luft mit 5 % Wasser-dampf auf die angegebenen Temperaturenerhitzt und wieder abgekühlt.
Der Gewichtsverlust der verzunderten Pro-be ist insgesamt sehr gering und der Zun-der wird erst bei der mechanischenEntzunderung entfernt. Im Temperaturbe-
reich von 800 bis 1 000 °C scheint sichein besonders dichter und haftfester Zunderzu bilden. Das Verhalten ist ähnlich wiebei hitzebeständigem EdelstahlgussHK 40 (ähnlich GX40CrNiSi 25-20, W.-Nr.1.4848).
Zusätze von weiteren Elementen wie Alu-minium, Seltene Erden, Titan usw. um dieZunderbeständigkeit von GJSA-XNiSiCr35-5-2 weiter zu verbessern, waren nach Ver-suchen [63] ziemlich wirkungslos odersogar schädlich. Ähnliches gilt auch für dieMaßhaltigkeit und die Volumenbeständig-keit bei Temperaturwechseln.
9.2 Maßbeständigkeit undGefügestabilitätDa die austenitischen Gusseisen mit Ku-gelgraphit keiner Phasenumwandlung undkeiner inneren Oxidation unterliegen, be-sitzen sie eine hohe Maß- und Volumen-beständigkeit. Im Bild 34 sind typische Di-
Bild 33. Gewichtsverlust durch Verzunde-rung von GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-2S, GGG-NiSiCr 35 5 2) und Stahlguss HK40(ähnlich 1.4848) in 21 Prüfzyklen auf dieangegebenen Temperaturen bei einer Ge-samtverweildauer von 504 h in einer Atmos-phäre aus Luft mit 5 % Wasserdampf [58]
Bild 35: Stereolithographiemodell (links) und Gussteil (rechts) für den Konuseines Dieselmotorfilters aus GJSA-XNiSiCr35-5-2, Gewicht rund 2 kg (Bild:Buchholz, Zweibrücken)
latometerkurven verschiedener Gusseisendargestellt. Die Ferrit-Austenit-Umwand-lung verursacht bei den ferritischen Werk-stoffen eine Volumenänderung, die nichtvollständig reversibel ist und zu innerenSpannungen und Verzug des Bauteils führt.Hinzu kommt die Möglichkeit, dass sichbei der Abkühlung statt Ferrit Perlit odersogar Martensit bilden. Aber die Stabilitätdes Gefüges und damit der Eigenschaftenist weitgehend gewährleistet.
Bei den Sorten mit erhöhtem Siliciumgehaltkommt es, wie bei GJSA-XNiSiCr35-5-2festgestellt wurde, im Temperaturbereichzwischen etwa 450 und 650 °C durch einAusscheiden von Siliciden aus dem Auste-nit zu einer Alterung, die die Dehnungetwas vermindert. Dieser Effekt ist völligreversibel und oberhalb von etwa 800 °C,das heißt bei den üblichen Betriebstem-peraturen, es werden die Ausscheidungenwieder aufgelöst.
9.3 WarmfestigkeitDie austenitische Grundmasse verleiht denaustenitischen Gusseisen eine höhereWarmfestigkeit als den ferritischen Guss-eisensorten. Anhaltswerte der Eigenschaf-ten einiger austenitischer Sorten bei er-höhten Temperaturen enthält Tabelle 21.Ergänzend sind in Tabelle 22 Warmfestig-keitswerte für GJSA-XNiCuCr15-6-2 ange-geben. Im Bild 36 ist die Abhängigkeit dermechanischen Eigenschaften von derTemperatur für einige austenitische Guss-eisen im Vergleich zu un- und niedrig legier-ten Gusseisen mit Kugelgraphit und hitze-beständigem Stahlguss dargestellt.
Die Überlegenheit der austenitischen überdie ferritischen Gusseisen bei der Warm-festigkeit macht sich, wie aus Bild 37
1) Diese Werte sind interpolierte bzw. extrapolierte Werte
hervorgeht, erst bei höheren Temperaturenbemerkbar. Unterhalb von 500 °C hat das mit 4 % Si und 1 % Mo legierte ferritischeGusseisen noch deutlich höhere Werte derZugfestigkeit und 0,2 %-Dehngrenze. Typi-sche Werte der Zugfestigkeit, 0,2%-Dehn-grenze, Bruchdehnung und Bruchein-schnürung einiger austenitischer Guss-eisensorten mit Kugelgraphit werden inden Bilder 38 bis 40 angegeben.
Für das Bemessen von Bauteilen sindKriechfestigkeit und Zeitstandfestigkeitwichtig. Einige Zeitstandwerte enthält Bild42. Die Festigkeit der höher legierten auste-nitischen Gusseisen ist gegenüber derSorte GJSA-XNiCr20-2 höher, die derchromfreien Sorte GJSA-XNi22 liegt deut-
lich tiefer. Einen Vergleich verschiedenerWerkstoffe anhand von extrapoliertenAnhaltswerten über einen weiteren Bereichvon Temperaturen und Standzeiten ermög-licht das Larson-Miller-Parameter-Schau-bild im Bild 43. Ergänzend enthält Bild 44Zeitstandwerte und Kriechkurven dreierSchmelzen der Sorte GJSA-XNiSiCr35-5-2 bei 760 und 860 °C.
Durch einen Molybdänzusatz von bis zu2 % kann die Warmfestigkeit weiter verbes-sert werden. Im Larson-Miller-Parameter-Schaubild Bild 43 sind auch Werte zweiermit Molybdän legierter austenitischer Guss-eisen enthalten. Die mechanischen Eigen-schaften einiger austenitischer Gusseisenmit und ohne Molybdänzusatz sind in Ta-belle 24 zusammengestellt.
9.4 Beständigkeit gegen Tem-peraturwechsel und thermo-mechanische Ermüdung
Das Verhalten bei einer Temperatur-wechselbeanspruchung hängt in kom-plexer Weise von der Festigkeit, derKriechfestigkeit, der Zähigkeit, der Wär-meleitfähigkeit, dem thermischen Ausdeh-nungskoeffizienten und dem E-Modul desWerkstoffs und den äußeren Bedingungenwie Höhe der Temperaturbeanspruchung,Geschwindigkeit und Bereich der Tempe-raturwechsel sowie Behinderung der Aus-dehnung und Schwindung des Bauteilszusammen. Bei einer thermo-mechani-schen Beanspruchung kommen noch
Eigenschaft Temperatur
[°C]
Normalsorte Sondersorte
Zugfestigkeit Rm [N/mm2]
0,2%-DehngrenzeRp0,2[N/mm2]
Bruchdehnung(Kurzzeitversuch) [%]
Zeitstandfestigkeit(1000h) [N/mm2]
Spannung zum Erreichen einerKriechgeschwindigkeit vonmind. 1 % je 1000 h [N/mm2]
Spannung zum Erreichen einerKriechgeschwindigkeit vonmind. 1 % je 1000 h [N/mm2]
Zeitstandbruchdehnung(1000 h)[%]
20430540650760
20430540650760
20430540650760
540595650705760
540595650705
540595650705
540595650705
EN-GJSA-XNiCr20-2
(EN-JS3011)EN-GJSA-
XNiCrNb20-2(EN-JS3031)
417380335250155
246197197176119
10,512,0 10,510,515,0
197 1271)
84 60 1)
39 1)
162 92 1)
56 34 1)
63 39 1)
24 15 1)
6-
13-
EN-GJSA-XNi22
(EN-JS3041)
437368295197121
240184165170117
35 23 19 10 13
148 95 1)
63 42 1)
28 1)
91 63 1)
40 24 1)
----
14-
13-
EN-GJSA-XNiCr30-3(EN-
JS3081)
410-
337293186
276-
199193107
7,5 -
7,5 7 18
-165
105 1)
68 42 1)
----
----
- 7
- 12,5
EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5(EN-JS3091)
450-
426337153
312-
291239130
3,5-
4 11 30
-120
67 1)
44 21 1)
----
----
- 10,5
-25
EN-GJSA-XNiCr35-3(EN-
JS3101)
427-
332286175
288-
181170131
7-
9 6,5 24,5
-176
105 1)
70 39 1)
190 1)
112 1)
67 1)
56
- 70
- 39
- 6,5
- 13,5
Tabelle 21: Anhaltswerte für die Eigenschaften von austenitischem Gusseisen bei erhöhten Temperaturen nach EN 13835
24 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
äußere dynamische Spannungsbelastun-gen hinzu. Derartige Beanspruchungenspielen vor allem im Motorenbau eine Rolle.
Der hohe thermische Ausdehnungskoef-fizient des Austenits und die relativ geringeWärmeleitfähigkeit sind an sich ungünstig,werden aber durch die hohe Warmfes-tigkeit und vor allem die Zähigkeit desWerkstoffs überkompensiert, so dass dieaustenitischen Gusseisen allgemein einegute Beständigkeit gegen die Bildung vonTemperaturwechselrissen aufweisen. Inmanchen Fällen kann es aber zu einemVerzug kommen. Die anderen Gusseisen-werkstoffen überlegene Beständigkeit wirdanhand von Versuchsergebnissen anAuspuffkrümmern im Bild 47 deutlich ge-macht. Eine besonders hohe Temperatur-wechselbeständigkeit hat die Sorte GJSA-XNiSiCr35-5-2, die sie zu dem hoch-wertigsten Gusseisenwerkstoff für Abgas-krümmer und Turboladergehäuse gemachthat. Sie zeichnet sich außer durch hoheHitzebeständigkeit auch infolge des Nickel-gehalts von 35 % durch einen besondersniedrigen thermischen Ausdehnungsko-effizienten (siehe dort) aus. Dadurch wer-
Bild 37: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA-XNiCr22 [64]Bild 38: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA-XNiMn23-4 [64]Bild 39: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA-XNiCr20-2 [1, 64]Bild 40: Zugfestigkeit, 0,2%-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von GJSA-XNiSiCr35-5-2 [57]
Bild 41: Dünnwandiger Abgaskrümmer für 8-Zylinder-Otto- und -Dieselmotor aus GJSA-XNi-SiCr35-5-2 (Bild: Montforts Mönchen-gladbach)
den die inneren Spannungen aufgrundvon Temperaturdifferenzen, die bei Tempe-raturwechseln Risse oder Verzug erzeu-gen können, besonders niedrig gehalten.Die durch Temperaturwechsel erzeugteSpannung in einem Bauteil lässt sich an-genähert berechnen nach der Formel [67]:
zientE - E-Modul∆T - Temperaturdifferenz im Bauteil
Druckfestigkeit [N/mm2]
700 - 980180 - 35040 - 80
Temperatur [°C]
370540820
Zugfestigkeit [N/mm2]
180 - 280110 - 18040 - 80
Tabelle 22: Warmfestigkeitswerte für GJSA-XNiCuCr15-6-2 [1]
Bild 36. Typische Werte der Temperaturabhängigkeit von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung von ferritischen und austenitischenGusseisensorten und zweier Stahlgusssorten [3, 4, 55, 57, 60 - 63]. Die genannten Werkstoffe werden in einem Bereich vonZusammensetzungen und teilweise auch Wärmebehandlungen erzeugt, so dass die tatsächlichen Kennwerte der Eigenschaften in einembreiten Streuband liegen. Während der Temperaturbeanspruchung können Gefügeänderungen und Ausscheidungen auftreten, die ebenfallsdie Eigenschaften verändern.
37
38
39
40
25 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Nach diesem Verfahren wurden für einigeWerkstoffe die bei einer Temperaturdif-ferenz im Bauteil von 100 K auftretendenSpannungen berechnet. Die Ergebnisseenthält Tabelle 25.
Der Vorteil der hochnickelhaltigen austeni-tischen Gusseisen mit niedrigem thermi-schen Ausdehnungskoeffizienten ist offen-sichtlich. Bei der weiteren Beurteilung müs-sen natürlich die unterschiedlichen Wertevon Festigkeit, Zähigkeit und thermischerLeitfähigkeit berücksichtigt werden.
9.5 Anwendungen bei er-höhten TemperaturenDie mengenmäßig wichtigste Anwendungvon austenitischen Gusseisen bei erhöhtenTemperaturen ist heute Fahrzeugguss in
Bild 42. Zeitstandfestigkeit von ferritischem und zwei austenitischen Gusseisen sowie von19 Cr-9 Ni-Stahlguss bei 600 °C [2, 64]
Bild 43. Larson-Miller-Parameter-Schaubild verschiedener Gusswerkstoffe. Werte derGusseisen für 100 und 1 000 h, der Stahlgusswerkstoffe für 10 000 h
Bild 44. Zeitstandwerte und Kriechkurven dreier Schmelzen der Sorte GJSA-XNiSiCr35-5-2 (GGG-NiSiCr 35 5 2, D-5S) bei 760 und 860 °C [5, 57]
Bild 46: Turbolader für Porsche 911 Turbo miteinem Gehäuse aus GJSA-XNiSiCr35-5-2(Bild: 3K-Warner, Kirchheimboladen)
Bild 45: Turbolader von Allied Signal-Garretfür den V8-Bi-Turbodieselmotor von BMW miteinem Turbinengehäuse aus GJSA-XNiSiCr35-5-2 und einem Feingussteil Turbinenlauf-rad aus einer hoch warmfesten Nickelle-gierung (Bild: BMW München)
Tabelle 23: Zeitstandwerte verschiedener austenitischer Gusseisen mit Kugelgraphit [51]
44a
42 43
44b
ZeitTempe-ratur
[°C]
Werkstoff
GJSA-XNiCr20-21)
GJSA-XNiCr20-2+MoGJSA-XNiCr20-22)
GGG-NiSiCr20 5 2
GJSA-XNiCr20-21)
GJSA-XNiCr20-2+MoGJSA-XNiCr20-22)
GGG-NiSiCr20 5 2GJSA-XNiCr30-3GJSA-XNiSiCr30-5-5
GGG-NiSiCr20 5 2GJSA-XNiCr30-3GJSA-XNiSiCr30-5-5
550
650
725
3000 hRp0,5
[N/mm2]
----
46(65) 3)
(31) 3)
(23) 3)
49(29) 3)
(15) 3)
--
Rp1,0[N/mm2]
(108) 3)
---
577446355939
(20) 3)
(29) 3)
-
10000 hRm
[N/mm2]
(147) 3)
-(116) 3)
(119) 3)
(54) 3)
(70) 3)
49(39) 3)
(42) 3)
39
(23) 3)
-23
30000 hRm
4)
[N/mm2]
113/122136/-113/-
-
46/3962/-
46/4034/29465)/-34/28
18/1725/-
18/17
Rm[N/mm2]
178228162131
718871547254
293529
1) 2 % Cr2) 3 % Cr3) In Klammern gesetzte Werte durch geringe Extrapolation aus Spannungs-Zeit-Kurven erhalten4) Erster Wert nach Larson-Miller-Methode, zweiter Wert durch durch extrapolation aus Spannungs-Zeit-Kurven (bis 77 500 h)erhalten5) Mögliche Nichtlinearität der Kurve vernachlässigt, Wert kann daher zu hoch sein
26 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Bild 47. Im Motorenprüfstand ermittelte relative Temperaturwechselzahl bis zum Reißen des Auspuffkrümmers aus verschiedenenGusseisenwerkstoffen bei Spitzentemperatur der Temperaturzyklen von 900 °C. Im Dilatometer kam es zu einem Wachsen, während derAbgaskrümmer infolge der behinderten Expansion und Kontraktion schrumpfte [66].
Bild 48. Streuband der Kerbschlagarbeit von GJSA-XNiMn23-4, ermittelt an Proben aus Betriebs- und Laborschmelzen [68]
Tabelle 25: Durch Temperaturwechsel in einem Bauteil erzeugte Spannungen, angenähertberechnet nach der Formel ótherm = á . E . ÄT für 100 K Temperaturdifferenz [67]
Spannung[N/mm2]
98210204238408216200 97 57 59112
Form von Auspuffsammelrohren und Tur-boladergehäusen. Diese Teile bestehen jenach Höhe der Temperaturbeanspruchungaus GJSA-XNiCr20-2 mit angepasstemChromgehalt, GJSA-XNiSiCr35-3 oder vor-zugsweise aus GJSA-XNiSiCr35-5-2.
Im Ofen- und Anlagenbau und in der Verfah-renstechnik wird austenitisches Gusseisenmit Kugelgraphit für zahlreiche Bauteile imWettbewerb zu den hitzebeständigenStahlgusssorten verwendet. Aufgrund sei-ner geringeren Festigkeit wird es für me-chanisch nicht oder gering beanspruchteGussstücke vor allem aus Kostengründeneingesetzt.
48a47 48b
Tabelle 24: Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen von fünf austenitischen Gusseisen mit und ohne Molybdänzusatz [65]
1) Molybdän-Zusatz (0,7 bis 1%)2) Diese Werte sind inter- bzw. extrapoliert
10 Eigenschaften beitiefen TemperaturenDie austenitische Grundmasse behält auchbei tiefen Temperaturen eine hohe Zähig-keit. Es ist keine Übergangstemperatur derKerbschlagarbeit zu beobachten (Bild 5).Austenitische Gusseisen sind also für denEinsatz bei tiefen Temperaturen geeignet,wobei heute wegen ihrer günstigeren Eigen-schaften fast ausschließlich die Sorten mitKugelgraphit Verwendung finden.
Wie aus Bild 5 zu entnehmen ist, ist GJSA-XNi22 für Temperaturen bis - 80 °C undGJSA-XNiMn23-4 sogar bis -196 °C geeig-net. Auch chromfreies GJSA-XNiCr30-2 hatbei niedrigen Temperaturen hohe Werte fürdie Kerbschlagarbeit.
GJSA-XNiMn23-4 ist speziell für Tieftempe-raturzwecke entwickelt worden [7, 16, 68].Nach [75] hat es das beste Z ähigkeits-verhalten aller bekannten Gusseisenwerk-stoffe sowohl bei Raum- als auch bei tieferTemperatur. Das Gefüge bleibt auch nachlangzeitigem Halten bei -196 °C stabil aus-tenitisch. Auch metallographische Unter-suchungen von Proben nach 2550 h Halte-zeit in flüssigem Stickstoff ergaben keinerleiGefügeänderungen. Das gleiche Ergebniszeigten Proben, die 20-mal hintereinanderschnell von +20 auf -196 °C abgeschrecktund wieder erwärmt wurden.
Im Bild 48 ist der Einfluss der Temperaturauf die Kerbschlagarbeit von GJSA-XNiMn-23-4, der an Proben aus zahlreichen Be-triebs- und Laboratoriumsschmelzen ermit-telt wurde, dargestellt. Wie zu erkennen,fallen selbst bei -200 °C die Werte ge-genüber Raumtemperatur nicht ab. Auchnach mehr als 2 500 h Haltezeit in flüssigemStickstoff und Kerbschlagprüfung bei -196°C zeigten die Proben praktisch keinenAbfall [68].
Gussteile aus diesem Werkstoff werden vorallem in Anlagen der Kältetechnik verwen-det, wo sie eine Alternative zu kaltzähenaustenitischen Stählen darstellen.
12 Physikalische Eigen-schaftenDie austenitischen Gusseisen haben aufGrund ihres hohen Nickelgehalts und ihreraustenitischen Grundmasse besonderephysikalische Eigenschaften (Tabelle 3),die in mehreren Anwendungsbereichenausgenutzt werden. Besonders zu nennensind die Wärmeausdehnung und die Nicht-magnetisierbarkeit.
12.1 Thermischer Ausdehnungs-koeffizientEisen-Nickel-Legierungen sind für eine spe-zielle mit dem magnetischen Verhalten(Magnetostriktion) zusammenhängendeAbhängigkeit des thermischen Ausdeh-nungskoeffizienten vom Nickelgehaltbekannt (Bild 51). Bei etwa 35 % Ni trittein ausgeprägtes Minimum auf, das sichmit steigender Temperatur abflacht und zuhöheren Nickelgehalten verschiebt. Wei-tere Legierungselemente wie Kohlenstoff,Chrom, Mangan, Kupfer und vermutlichauch Silicium über die Silicide erhöhen denAusdehnungskoeffizienten, woraus sichder hohe Ausdehnungskoeffizient der Le-gierungen mit 10 bis 20 % Ni wie GJSA-XNiCr20-2 oder auch austenitischer Cr-Ni-Stähle erklärt.
Austenitische Gusseisen können also mitdefiniertem sowohl besonders hohem alsauch besonders niedrigem thermischenAusdehnungskoeffizienten erzeugt wer-den. Von Interesse ist ein niedriger thermi-scher Ausdehnungskoeffizient, da die bei
11 Verschleißbeständig-keit und Gleiteigen-schaftenAustenitische Gusseisen haben wegen derin der Matrix eingelagerten, fein verteiltenGraphitlamellen oder Graphitkugeln ähnlichgute Gleiteigenschaften wie die üblichengrauen Gusseisen. Hinzu kommt, dass sichdas austenitische Grundgefüge an derOberfläche kaltverfestigt und somit wider-standsfähig gegenüber Abrieb und Fest-fressen gleitender Teile wird [1]. Um guteLaufeigenschaften zu erzielen, solIen dieCarbide in fein verteilter Form ausgeschie-den sein. Grobe Carbideinschlüsse führenzum vorzeitigen Verschleiß des Gegen-werkstoffs. Daraus folgt, dass sich beson-ders die Sorten mit niedrigem und mittle-rem Chromgehalt als Gleitwerkstoffe eig-nen. Die Brinellhärte von austenitischenGusseisen mit gutem Widerstand gegen-über Verschleiß und Fressen liegt daher oftim Bereich zwischen 130 und 175 [1]. Einehöhere Härte deutet meist auf grobeCarbide.
Austenitische Gusseisen werden für Zy-linderlaufbüchsen in Pumpen und Motoren,für Kolben, Kolbenringträger, Kolbenringe,Lager und Dichtungen im Gegenlauf mitaustenitischem Gusseisen, nichtros-en-dem Edelstahl mit 12 bis 13 % Chrom,NiCu-30Fe oder legiertem Grauguss be-nutzt. Sie haben sich besonders dann be-währt, wenn der Werkstoff sowohl gegen-über reibendem Verschleiß als auch gegenkorrosive Medien beständig sein muss.
Austenitische Gusseisen haben zwar imGusszustand nur eine mäßige Härte, nei-gen aber zur Kaltverfestigung. Aus diesemGrunde können gleitende Teile beim Ein-laufen an der Oberfläche gut kaltverfes-tigen. Für manche Anwendungsfälle wiezum Beispiel Zylinderlaufbüchsen habensich Phosphorgehalte zwischen 0,4 und 1,0% bewährt.
Bild 50: Schleuderguss-Lagerbüchsen für denChemieanlagenbau - links Rohguss, rechtsvorbearbeitete Abschnitte aus GJSA-XNiCr20-3 und GJLA-X15-6-2 (Bild: Kuhn,Radevormwald)
Bild 49: Abgaskrümmer aus GJSA-XNiSiCr35-5-2 mit eingeschweißtem Dehnungsglied, dereinteilig gegossen, anschließend bearbeitet und geschnitten wird, bevor er ohne Vorwärmengeschweißt werden kann (Bild: Monforts, Mönchengladbach)
28 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Temperaturwechseln oder Temperaturdif-ferenzen im Bauteil auftretenden Spannun-gen dem Ausdehnungskoeffizienten pro-portional sind.
Bei den Ausdehnungskoeffizienten mussaufgrund der starken Änderung mit derTemperatur zwischen dem mittleren Wert,der von Raumtemperatur bis zur angege-benen Temperatur gilt, und dem differen-tiellen Ausdehnungskoeffizienten, der fürdie jeweilige Temperatur gilt, unterschiedenwerden. Im Bild 52 ist die Temperaturab-hängigkeit des mittleren Ausdehnungskoef-fizienten für einige austenitische Gusseisenund im Bild 53 die relativen Längenände-rungen solcher Werkstoffe angegeben.
Der mittlere und der differentielle thermi-sche Ausdehnungskoeffizient der kalt-zähen Sorte GJSA-XNiMn23-4 bei ver-schiedenen Temperaturen sind im Bild 54angegeben. Bei mittleren thermischenAusdehnungskoeffizienten im Bereich von9 bis 13 · 10-6/K besteht eine steileAbhängigkeit vom Nickelgehalt, die im Bild55 dargestellt ist. Innerhalb des Norm-bereichs für Nickel ändert sich der Ausdeh-nungskoeffizient bei Raumtemperatur umrund 50 %, wenn der Nickelgehalt an deroberen oder unteren Grenze liegt. Hinzukommt gegebenenfalls noch ein Einflussder übrigen Legierungszusammensetzung.Eine Absprache zwischen Besteller undGießerei ist also erforderlich.
Auch bei den Sorten mit 35 % Ni, die einenbesonders niedrigen Ausdehnungskoeffi-zienten haben, gibt es gravierende Unter-
Bild 51. Isothermen des linearen dilatometrisch bestimmten thermischen Ausdehnungs-koeffizienten von Eisen-Nickel-Legierungen [70]
Bild 52. Mittlere (von Raumtemperatur bis zur angegebenen Temperatur) thermische Aus-dehnungskoeffizienten verschiedener austenitischer Gusseisensorten im Vergleich zu unle-giertem Gusseisen und Stahl [1]
Bild 53. Relative Längenänderung einiger austenitischer Gusseisen mit Kugelgraphit beimAufheizen von 20 bis etwa 1 000 °C entsprechend dem Beiblatt zur DIN 1694
Bild 54. Mittlerer und differentieller thermischer Ausdehnungskoeffizient von GJSA-XNiMn23-4 bei verschiedenen Temperaturen [1]
Bild 55. Einfluss des Nickelgehalts auf den mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizientenbei GJSA-XNiCr30-3 [1]
Bild 56. Temperaturabhängigkeit des differentiellen thermischen Ausdehnungskoeffizientenvon GJSA-XNi35 [18]
schiede, je nach dem bei welcher chemi-schen Zusammensetzung innerhalb desNormbereichs und bei welcher Temperaturgemessen wurde. Wie nach Bild 51 zuerwarten, nimmt der Ausdehnungskoef-fizient mit steigender Temperatur zu. Ta-belle 26 enthält Messwerte des mittlerenund des differentiellen Ausdehnungskoeffi-zienten in Abhängigkeit von der Temperatur.Hierbei steigt der differentielle Ausdeh-nungskoeffizient, wie die graphische Dar-stellung im Bild 56 verdeutlicht, nichtkontinuierlich an, sondern zwischen etwa400 und 700 °C tritt ein Plateau auf.
Auch bei dieser Legierung hat die chemi-sche Zusammensetzung einen Einfluss auf
den thermischen Ausdehnungskoeffizien-ten. Tabelle 27 enthält die Ergebnisse ei-ner Untersuchung an Probeabgüssen mitmeist im Bereich der Norm liegenden che-mischen Zusammensetzungen bei ver-schiedenen Wanddicken. Nickelgehalteunterhalb der Normgrenze von 34 % er-höhen den Ausdehnungskoeffizienten er-heblich, aber auch die Wanddicke lässt ihnum bis zu 10 % streuen. Die Graphitformhat kaum einen systematischen Einfluss.Der Kobaltzusatz erfolgte, weil diesesElement nach metallphysikalischen Er-kenntnissen den Ausdehnungskoeffizien-ten bei Fe-Ni-Legierungen senken kann.Die Tabelle 27 enthält noch Angaben zuweiteren physikalischen Eigenschaften.
Tabelle 26: Thermischer Ausdehnungskoef-fizient von GJSA-XNi35 in Abhängigkeit vonder Temperatur [18]
29 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
des Legierungseinflusses einen höherenAusdehnungskoeffizienten als GJSA-XNi35,wie aus Bild 57 hervorgeht. Bei dieser Le-gierung ist die Erhöhung der thermo-me-chanischen Beständigkeit durch Vermin-dern der Temperaturwechselspannungennach Gleichung 7 der Anlass, nach einemmöglichst tiefen Ausdehnungskoeffizientenzu streben. Auch hier wirken sich die Tem-peratur sowie Variationen der chemischenZusammensetzung insbesondere des Ni-ckelgehalts aus. Die beiden Legierungen Gund H mit höherem Nickelgehalt bezieh-ungsweise einem Kobaltzusatz kommenGJSA-XNi35 am nächsten, verursachenaber auch die höchsten Kosten. Eine Ver-minderung des Siliciumgehalts in RichtungGJSA-XNiCr35-3 setzt den Ausdehnungs-koeffizienent ebenfalls herab, verschlech-tert aber die Oxidationsbeständigkeit.
12.2 Magnetische EigenschaftenWie aus Bild 2 und den Angaben in Tabelle3 hervorgeht, ist das magnetische Verhal-ten der austenitischen Gusseisenwerkstof-fe sehr unterschiedlich. Die Sorten mit we-niger als 25 % Ni sind nichtmagnetisierbarund daher von Interesse für Bauteile mitgeringer Permeabilität. Speziell für Anwen-dungen, bei denen es auf möglichst gerin-ge Permeabilität ankommt, müssen sowohlSpuren von Martensit als auch ferromag-
netische Gefügebestandteile wie Eisen-Chrom-Carbide ausgeschlossen werden.Unter diesem Gesichtspunkt sind die Sor-ten GJLA-XNiMn13-7 und GJSA-XNiMn13-7entwickelt worden. Sie sind allerdings nichtbesonders korrosionsbeständig. Werdenzusätzlich noch Anforderungen an dieKorrosionsbeständigkeit gestellt, dann sinddie nichtmagnetisierbaren Sorten mitniedrigen Mangan- und entsprechend
Bild 57. Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von austeni-tischen Gusseisen vom Typ GJSA-XNiSiCr35-5-2 (D-5S) mit verschiedenen chemischen Zu-sammensetzungen [57]
höheren Nickelgehalten und möglichstniedrigen oder keinem Chromgehalt zuwählen, wie GJLA-NiCuCr15-6-2, GJSA-XNiCr20-2, GJSA-XNi22 und GJSA-X-NiMn23-4.
Unter welchen Bedingungen eine möglichstniedrige Permeabilität zu erhalten ist, wurdein [8, 9, 72] ausführlich untersucht. Nach die-sen Arbeiten ist eine Wärmebehandlung
Die zusätzlich mit Chrom und Silicium legier-te Sorte GJSA-XNiSiCr35-5-2 hat infolge
Tabelle 27: Physikalische Eigenschaften von Probeabgüssen aus austenitischen Gusseisen mit 30 bis 36 % Ni bei verschiedenen Wanddickenund Graphitformen [71]
Chemische Zusammensetzung[Masse-%]
ThermischerAusdehnungs-
koeffizient[mm/(m×K)]
Graphit-ausbildung
kugelig
kugelig
kugelig
vermicular
vermicular
vermicular
vermicular
lamellar
lamellar
Wand-dicke
[mm]
252525
25
30
122550
1225
2550
2550
122550
2550
Ni
35,634,934,2
30,7
31,6
} 33,7
} 35,6
34,033,4
} 36,7
} 35,7
} 35,8
C
2,102,001,98
1,76
1,59
2,05
2,07
1,921,93
1,75
2,07
2,31
Si
1,731,721,89
2,50
2,43
1,71
1,89
1,441,37
2,47
1,77
1,98
Mn
0,510,520,51
0,45
0,27
0,44
0,42
0,530,48
0,47
0,45
0,48
Co
---
-
1,40
-
-
--
2,33
-
2,54
a100
4,45,04,7
11,4
4,7
5,65,85,1
5,04,9
5,05,4
6,25,2
4,74,84,3
4,23,6
a200
6,36,67,8
14,4
6,2
7,5
7,8
7,0
8,510,0
7,0
6,87,2
10898137
118
137
12798
127
127118
127127
7878
108108
Dichte[g/cm3]
7,097,487,58
7,27
7,35
7,457,70
7,38
7,11
-
7,607,617,59
7,557,54
0,49
0,46
0,43
0,48
0,480,47
0,52
0,52
-
0,470,500,52
0,430,43
Spezi-fische
Wärme[J/(g×K)]
4,83
4,19
3,56
3,94
4,394,75
5,69
4,39
-
8,428,568,64
10,810,5
Tempe-raturleit-fähigkeit[mm2/s]
Wärme-leit-
fähigkeit[W/(m×k)]
17
15
11
14
1617
21
16
-
303334
3534
E-Modul[GPa]
30 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
ratsam. Im Bild 58 ist die Wirkung ver-schiedener Behandlungen bei zwei Schmel-zen von GJSA-XNiMn23-4 aufgeführt. Ähn-liche Wirkungen hat die Wärmebehand-lung auch bei GJSA-XNiCr20-2 und GJSA-XNiCr22. Hier kann beispielsweise durch8 Stunden Glühen bei 1 000 °C und nachfol-gende Ofenabkühlung eine Permeabilitätvon 1,034 mit GJSA-XNiCr20-2 und von1,016 mit GJSA-XNi22 erreicht werden. BeiGJSA-XNiMn13-7 wird durch 8 Stunden Glü-hen bei 1 000 °C mit anschließendem Ab-schrecken in Wasser eine Permeabilitätvon 1,0055 erreicht. Je nach Art der Legie-rung ist nach dem Glühen eine Ofenab-kühlung oder ein Wasserabschreckengünstiger.
Die Permeabilität spricht empfindlich aufdie chemische Zusammensetzung, das Ge-füge und die Gussstückoberfläche an [8,9, 72]. So können zu geringe Gehalte anNickel oder Mangan vor allem in Seigerungs-zonen zu Martensit und zu hohe Chromge-halte zu Carbiden führen, was beides diePermeabilität steigert. Martensit bildet sichferner als Folge selektiver Oxidation vonKohlenstoff und Mangan in der Rand-schicht. Hier ist auch der Einfluss ferro-magnetischer Oxide zu berücksichtigen.
Außer in der Elektrotechnik finden nicht-magnetisierbare austenitische Gusseisen-werkstoffe unter anderem dort Anwendung,wo Wärmeentwicklung und Stromverlustedurch auftretende Wirbelströme weitge-hend vermieden werden müssen oder ausanderen Gründen magnetische Feldernicht beeinflusst werden dürfen.
12.3 Elektrische EigenschaftenDie austenitischen Gusseisen haben einenhohen spezifischen elektrischen Wider-stand, der höher ist als bei unlegiertenGusseisen oder Stählen. Er ist bei denSorten mit Lamellengraphit auf Grund ihrerStruktur höher als bei entsprechendenSorten mit Kugelgraphit. Tabelle 3 enthälteinige Werte, weitere Angaben werden in[8, 72] gegeben.
Der Temperaturkoeffizient des elektrischenWiderstandes zwischen 20 und 425 °Cbeträgt bei allen Sorten mit Lamellen- undKugelgraphit 0,4 .10-3.
12.4 WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit von austenitischenGusseisen ist aufgrund des hohen Gehaltsan Legierungselementen wesentlich nie-driger als bei unlegierten Gusseisen mitLamellen- bzw. Kugelgraphit. Sie beträgt fürdie Sorten mit Lamellengraphit 30 bis 42W/(m • K), wobei Unterschiede nach Legie-rungszusammensetzung und Graphitaus-bildung auftreten. Für die Sorten mit Kugel-graphit wird eine mittlere Wärmeleit-fähigkeit von 12,6 W/(m • K), angegeben,die damit noch etwas geringer ist als dievon austenitischem Stahl. Anhaltswerte fürdie Wärmeleitfähigkeit sind in Tabelle 3angegeben, Messwerte für GJSA-XNi35auch in Tabelle 27.
12.5 DämpfungsfähigkeitGusseisen mit Lamellengraphit habenbekanntlich eine hohe Dämpfungsfähigkeit.Nach einer Vergleichsuntersuchung [78] hatGJLA-XNiCuCr15-6-2 eine besonders hoheDämpfungsfähigkeit, die die höchste vonallen Eisenwerkstoffen ist. Tabelle 28 ent-hält die Versuchsergebnisse. Worauf diehohe Dämpfungsfähigkeit dieser Sortezurückzuführen ist, bleibt unklar, da dasandere untersuchte austenitische Guss-eisen mit Lamellengraphit, das GJLA-XNiMn13-7 mit reduziertem Nickelgehaltentspricht, den gleichen Wert der Dämp-fungsfähigkeit wie übliches Gusseisen mitLamellengraphit aufweist. Möglicherwei-se spielt der Kupfergehalt bei GJSA-XNiCuCr-15-6-2 eine Rolle.
Bild 58. Wirkung verschiedener Wärmebehandlungen auf die Permeabilität von zweiSchmelzen von GJSA-XNiMn23-4 [72]
58b58a
Bild 59: Hochtemperaturbeständige Halteklemmen aus GJSA-X20-2 (Foto: Buchholz, Vienenburg)Bild 60: Turboladerabgaskrümmer aus GJSA-XNiSiCr35-5-2, Masse 14 kg (Buchholz, Zweibrücken)
Anwendung:wie GJLS-XNiCMn13-7 bei erhöhten Anforderungen.
GJLA-XNiCuCr15-6-2Älteste Sorte der austenitischen Gusseisen.Gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in Alkalien, verdünn-ten Säuren, Meerwasser und Salzlösungen, aber keine guteBeständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion;gute Gleiteigenschaften und Verschleißbeständigkeit durch Kalt-verfestigung der Randschicht;mäßige Hitzebeständigkeit wegen innerer Oxidation;infolge des Lamellengraphits geringe Festigkeitseigenschaftenund Zähigkeit;hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, hohe Dämpfungs-fähigkeit, bei niedrigem Chromgehalt nichtmagnetisierbar;preiswerte Legierung, relativ geringe Fertigungskosten.
GJSA-XNiSiCr30-5-5Hohe Korrosions-, Hitze- und Temperaturwechselbeständigkeit;besonders hohe Zunderbeständigkeit;gute Verschleißbeständigkeit, aber geringere Duktilität alsGJSA-XNiCr30-3;bei Molybdänzusatz weiter erhöhte Warmfestigkeit;durch Einstellen des Nickelgehalts thermischer Ausdehnungs-koeffizient im mittleren Bereich einstellbar; magnetisierbar.
Anwendung:Bei erhöhten Anforderungen an die Hitzebeständigkeit undVerschleißbeständigkeit bei definiertem mittleren thermischenAusdehnungskoeffizienten, Ofenbauteile.
Anwendung:Nichtmagnetisierbare Gusstücke, zum Beispiel Druckdeckelfür Turbogeneratoren, Gehäuse für Schaltanlagen, Isolier-flansche, Klemmen, Durchführungen.
Anwendung:Maßbeständige Teile für Werkzeugmaschinen, wissenschaft-liche Instrumente, Formen
Anhang: Austenitische Gusseisensorten im Überblick
GJSA-XNiCrNb20-2Schweißgeeignete Variante von GJSA-XNiCr20-2,Eigenschaften wie diese.
Anwendung:Wie GJSA-XNiCr20-2 für alle Gussstücke, die fertigungs- oderkonstruktionsgeschweißt werden sollen.
GJSA-XNiCr20-2Häufigste Sorte der austenitischen Gusseisen mit Kugelgraphit.Gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in Alkalien, verdünn-ten Säuren, Meerwasser und Salzlösungen, bei Gefahr vonSpannungsrisskorrosion aber unbedingt spannungsarm glühen;gute Hitzebeständigkeit, bei Molybdänzusatz weiter erhöhteWarmfestigkeit;gute Gleiteigenschaften und Verschleißbeständigkeit;hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient;Festigkeit, Korrosions-, Hitze- und Erosionsbeständigkeit einer-seits sowie Zähigkeit und Bearbeitbarkeit andererseits könnendurch Einstellung des Chromgehalts verändert werden;bei niedrigem Chromgehalt nichtmagnetisierbar.
Anwendung:Pumpen allgemein und für Seewasser, Ventile, Kompressoren,Turboladergehäuse, Abgaskrümmer, nichtmagnetisierbareGussstücke.
GJSA-XNiCr35-3Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient;besser korrosionsbeständig als GJSA-XNiCr35;gut hitzebeständig, Warmfestigkeit kann durch Mo erhöhtwerden.
GJSA-XNiMn23-4Kaltzähe Sorte, bleibt bis -196 °C zäh,mechanische Eigenschaften, Korrosions- und Hitzebeständigkeitähnlich wie bei GJSA-XNiCr22
Anwendung:Gussstücke für die Kältetechnik
GJSA-XNiCr30-3Höhere Korrosions-, Hitze- und Temperaturwechselbestän-digkeit, aber geringere Duktilität als GJSA-XNiCr20-2;bei Molybdänzusatz weiter erhöhte Warmfestigkeit;durch Einstellen des Nickelgehalts thermischer Ausdehnungs-koeffizient im mittleren Bereich einstellbar;magnetisierbar.
Anwendung:Wie GJSA-XNiCr20-2, wenn erhöhte Anforderungen an dieKorrosionsbeständigkeit gestellt werden, Teile mit definiertemmittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
GJSA-XNiCr22Hohe Duktilität und Zähigkeit bis etwa -100 °C;geringere Korrosions- und Hitzebeständigkeit alsGJSA-XNiCr20-2; hoher Ausdehnungskoeffizient;nicht magnetisierbar; schwierig zu gießen und zu schweißen.
Anwendung:Wie GJSA-XNiCr20-2, wenn erhöhte Anforderungen an Zähigkeitbis zu tieferen Temperaturen gestellt werden.
GJSA-XNiSiCr35-5-2Sorte mit der höchsten Hitze- und Temperaturbeständigkeit;besonders hohe Zunderbeständigkeit;bei Molybdänzusatz weiter erhöhte Warmfestigkeit;Niedriger thermischer Ausdehungskoeffizient.
Anwendung:bei erhöhten Anforderungen an die Hitzebeständigkeit, vorallem Abgaskrümmer und Turboladergehäuse, Gasturbinengehäuseteile.
32 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Schrifttum[1] Die Ni-Resist-Gusseisenwerkstoffe. Heraus-geber: International Nickel, Düsseldorf 1968.
[3] Engineering Properties and Applications ofthe Ni-Resists and Ductile Ni-Resists. NiDI NickelDevelopment Institute, Birmingham 1987.
[4] Röhrig, K.: Austenitisches Gusseisen – Ei-genschaften und Anwendung. konstruieren +giessen 18 (1983) H. 3, S. 4 - 29.
[5] Covert, R., J. Morrison, K. Röhrig u. W. Spear:Properties and Applications Ni-Resist and Duc-tile Ni-Resist Alloys. Broschüre No. 11018, NiDINickel Development Institute, Birmingham1998.
[6] The susceptibility of type D2 Ni-Resist tostress corrosion cracking in warm seawater andthe influence of stress relief heat treatment, part1. Bericht der BCIRA an NiDI Nickel DevelopmentInstitute, Birmingham Juni 1988.
[7] Rickards, J: The low temperature propertiesof austenitic cast iron. BCIRA J. 1970.
[8] Dietrich, H.: Die magnetischen Eigenschaftenvon Gusseisen mit Kugelgraphit. VDI-Berichte(1961) Nr. 49, S. 47 – 55.
[9] Dietrich, H.: Einfluss der Gießbedingungenauf die magnetischen Eigenschaften von nicht-magnetisierbaren Gusseisen. Nickelberichte 23(1965) S. 279 – 290.
[10] Franson, I. A., u. R. D. Schelleng: The Ef-fect of Composition on the Mechanical Proper-ties of Austenitic Ductile Cast Iron Containingabout 20 % Nickel. Trans. Amer. Foundrym. Soc.70 (1962) S. 1095 - 1100.
[11] Dahl, O. u. F. Pawlek: Z. Phys. 94 (1939)S. 504 – 522, vgl. Houdremont, E.: Handbuchder Edelstahlkunde, Bd. 1. Springer VerlagBerlin, 1956.
[12] Morrison, J. C.: Austenitisches Gusseisenmit Kugelgraphit GGG-NiCrNb 20 2 - Hinweisezu Zusammensetzung und Wärmebehandlungvon Gußstücken zum Einsatz in Seewasser. Gie-ßerei-Praxis (1997) H. 1/2, S. 6 - 18.
[13] Morrison, J. C., und K. Röhrig: Erzeugungvon Gußstücken aus austenitischen Gusseisen(Ni-Resist). 45 Gießerei-Praxis (1997) H. 17/18, S. 361 - 372.
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33 konstruieren + giessen 29 (2004) Nr. 2
Zeit bis zu den miniaturisierten Abmes-sungen von 6 x 14 x 2 Millimetern zurVerfügung und sind über einen Zeitraum von10 Jahren einsatzfähig.
Mikrosysteme in der Medizintechnik wer-den auf der “ComPaMED”, der inter-nationalen Fachmesse der Zulieferin-dustrie für die medizinische Fertigung vom24. bis 26. November 2004 im Rahmen derMedizinmesse “MEDICA” in Düsseldorf mitentsprechenden Firmenpräsentationen unddem Forum “Mikrosysteme für die Medizin-technik” vertreten sein. Dort werden An-gebotsbreite und Trends auf dem breitenGebiet der Mikrotechnik vermittelt. Dieneuen Innovationen im Bereich der Ferti-gungstechniken, Komponenten und Kom-plettsystemen lassen die Anwendungmikrotechnischer Lösungen in der Medizin-technik weiter ansteigen.
mit Kugelgraphit bei Temperaturen bis 725 °C.Giesserei 58 (1971) H. 26, S. 805 - 811.
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In der Medizintechnik ist ein ständigesFortschreiten der Miniaturisierung zu ver-zeichnen. Es ist deshalb eine steigendeNachfrage nach solchen mikrotechnischenLösungen und damit zwangsläufig nachgeeigneten Methoden zur Mikrobearbeitungund dafür geeigneten Werkstoffen zu ver-zeichnen, darunter auch spezielle Körperverträgliche Metalllegierungen, die auch mitspeziellen Mikrogießtechniken vergossenwerden. Marktforscher prognostizieren denMikrotechniksystemen in den nächstenJahren jährliche Zuwachsraten von 20 %.
Derzeit werden Anwendungsfälle in derAnalyse und Diagnostik erschlossen, wokleinste Flüssigkeitsmengen exakt gehand-habt werden müssen. Neben den Lab-on-a-chip-Lösungen sind hier Systeme zurkontinuierlichen oder diskreten Dosierungunterschiedlicher Medien und Reagenzien
Mikrotechnik etabliert sich in der Medizingefragt. Dosierpumpen mit Fördermengenvon 80 Nanolitern bis 10 Litern pro Stundesind hier derzeit machbar, die zudem biszu drei unterschiedliche Flüssigkeiten imdefinierten Verhältnis fördern und vermi-schen können.
Verschiedene Möglichkeiten zur Medika-mentenabgabe stellen derzeit ein anderesaktuelles Anwendungsfeld der Mikrotechnikin der Medizin dar. Dafür werden Kom-ponenten wie Mikrokanäle, Ventile, Pum-pen, Sensoren oder Durchflussregler benö-tigt. Angestrebt wird hier die Herstellungkleinster Behälter, die sich unter die Hauttransplantieren lassen. Sie kommen vorallem bei der Schmerztherapie zum Ein-satz, wo kontinuierlich oder in bestimmtenZeitabständen kleinste Mengen an Medizin(Smart Pills) dem Körper zugesetzt werdenmüssen. Derartige Systeme stehen zur
Zu den Messeexponaten auf der ACHEMA2003 gehören nicht zuletzt auch die mag-netisch angetriebenen Standard-Chemie-Pumpen “MAG DIABON” gemäß JSO 2858,die sich insbesondere für den Einsatz in An-lagen der chemischen Industrie empfehlen.
Neben den hervorragenden Qualitätseigen-schaften wie Sicherheit, Standfestigkeitund Leistungsfähigkeit, die unter anderemdurch die mehrteilige Gussgehäusekons-truktion abgesichert werden, zeichnen sichdie Pumpen insbesondere durch ihreWiderstandskraft gegenüber aggressiven
Sicher, standfest, leistungsfähig - Chemie-Pumpen mit GussgehäuseDie Pumpenteile, die mit dem zu förderndenbeziehungsweise zu transportierendenMedium in Berührung kommen, sind ausdem Apparatebaugraphit “DIA-BON” ge-fertigt. Die Pumpen verfügen über eineFörderkapazität von bis zu 80 m3/h sowieüber eine maximale Förderhöhe von 40Metern. Sie sind bis zu einer Temperaturvon 180 °C einsetzbar. Die “MAG DIABON”-Standard-Pumpen von SGL Acotec eignensich auf Grund ihrer Produktcharakteristikainsbesondere für Einsätze in Anlagen derchemischen Industrie.(Bild: SGL CARBON Group)
Medien aus. Im Ergebnis wird auf dieseWeise ein nachhaltig wirksamer Korro-sionsschutz garantiert.
