K o h l e n s t o f f u n d S i l i z i u m sind von allen F rem dkörpern in größter Menge im G uß
eisen vertreten. Sie stehen m iteinander in W echselbeziehung: je m e h r S i l i z i u m e i n E i s e n e n t h ä l t , d e s t o w e n i g e r K o h l e n s t o f f v e r m a g es a u f z u n e h m e n u n d i n d e s t o g r ö ß e r e m U m f a n g e w i r d v o r h a n d e n e r K o h l e n s t o f f a l s G r a p h i t a u s g e s c h i e d e n 3). Die H ä rte des Eisens nim m t m it seinem G ehalte an chemisch gebun
denem K ohlenstoff zu u n d m it der Menge des ausgeschiedenen G raphites ab. Steigender G raphitgehalt b ee in träch tig t insbesondere die Festigkeit, d a die G rap h itb lättch en das Gefüge des Eisens unterbrechen.
D a das Silizium die G raphitausscheidung befördert, m uß zur Erreichung gleicher H ärte u n ter sonst gleichen U m stän d en davon u m so m ehr vorhanden sein, je geringer die W andstärken werden. N ach W ü s t 4) sind für weichen, leicht zu bearbeitenden M aschinen
guß folgende W e rte erforderlich:
W andstärke m m . . . . 10 20 30 40 über 40
Siliziumgehalt % . . . . 2,3 2 ,1 1,9 1,7 1,5
Dünnere W andstärken erfordern höheren Siliziumgehalt, weil die G raphitausscheidung in hohem Maße auch von der Geschwindigkeit der A bkühlung abhängt. J e rascher ein Gußeisen ab k ü h lt, um so weniger w ird u n te r sonst gleichen U m ständen G raphit au s
geschieden, u n d um so m ehr Silizium m uß daher zur Erzielung guter B earbeitbarkeit vorgesehen werden. Diesbezüglich b esteh t aber bei etw a 2,75 °/0 Silizium gehalt ein Grenzwert, nach dessen Ü berschreitung das Eisen wieder h ä rte r u n d schließlich weiß wird. Die W irkung verschiedener Silizium gehalte auf die G raphitabscheidung in m angan-, phosphor-, Schwefel- u n d kupferarm en Eisen zeigt Zahlentafel 26 auf S. 82.
Der A b b r a n d 5) an Silizium w ährend des Um schmelzens h än g t noch m ehr als von der Menge des Siliziums selbst von der Menge des vorhandenen M angans ab. Bei einem Eisen m it 1,5 —2 ,5 % Silizium u n d 1 —1 , 5% M angan k an n durchschnittlich eine M inderung des Siliziumgehaltes um etw a 8 % in R echnung gestellt werden. Der V erlust sinkt m it
J) Vgl. S. 141. 2) Vgl. S. 167 u. 210. 3) Vgl. S. 1 2 1. 4) Stahleisen 1897, S. 848.
5) U nter Abbrand ist verstanden der während des Sclimelzvorganges durch Oxydation erfolgte Verlust an Eisen und seinen w esentlichen Begleitern; vgl. S. 1 2 1 ff.
steigendem M angangehalte u n d w ächst bei größerer Silizium menge. Die genauen fü r jeden Einzelfall zutreffenden W erte m üssen auf G rund der fortlaufenden B etriebsanalysen festgestellt w erden 1).
I n welchem Maße der Silizium gehalt v on Schm elzung zu Schm elzung abnim m t, falls er n ich t durch entsprechende Z ugaben im m er w ieder aufgebessert w ird, zeigt die auf G rund J ü n g s t scher A nalysen gem achte Z usam m enstellung der Z ah len tafel 76.
Z ahlentafel 76.
Abbrand der verschiedenen Bestandteile des Gußeisens bei wiederholtem Umschmelzen.
Roheisen Silizium
°/Io
Gesamt- kohlenstoff
0Io/
Graphit
°/Io
Mangan
0Io/
Phosphor
°/Io
Schwefel
°lIo
Vor dem Umschmelzen . . . . 2,30 3,10 2,35 2 ,0 0 0,29 0,04
Nach 1 maligem Umschmelzen 2,42 3,33 2,73 1,09 0,31 0,04
.. 2 2,28 3,32 2,75 0,80 0,32 0,05
., 3 1,92 3,30 2,48 0 ,6 6 0,27 0,05
.. 4 1,38 3,34 2,54 0,44 0,30 0,09
.. 5 1,30 3,31 2,16 0,43 0,30 0 ,1 0
„ 6 „ 1,16 3,34 2,08 0,36 0,28 0 ,2 0
Die Zunahm e des Silizium gehaltes nach der erste n U m schm elzung b e ru h t auf dem sta rk e n A bbrande an M angan. Die absolute Silizium m enge ist n ich t größer geworden, n u r der verhältnism äßige A nteil an diesem E lem en te h a t eine Steigerung erfahren. Die W erte der Z ahlentafel 76 lehren, daß es n ich t angeht, auf G ru n d irgend eines bestim m ten Silizium gehaltes eine N o rm alg attieru n g u n te r V erw endung eines ste ts gleichmäßigen Anteiles an Abfällen der vorhergehenden Schm elzung zu benutzen, d a diese Abfälle dabei im m er m inderw ertiger w ürden. D er Silizium gehalt einer jeden Schm elzung ist durch A nalyse zu erm itteln, auf G rund deren d a n n die neue G a ttie ru n g zusam m enzustellen ist.
Der K ohlenstoffgehalt k a n n durch kohlenstoffarm e B estandteile etw as verm indert werden. Diese M inderung h ä lt sich ab er innerhalb enger Grenzen, d a solche Zusätze, z. B. S ta h l u n d Schmiedeisen, sich im K uppelofen zu G raueisen um w andeln. Sehr kohlenstoffreiches E isen k a n n einen Teil seines K ohlenstoffgehaltes verlieren.
D as M engenverhältnis zwischen dem K ohlenstoff- u n d dem Silizium gehalt ist in erster Linie bestim m end fü r den G efügeaufbau u n d d am it fü r die m echanischen und technischen E igenschaften des Gußeisens. Die A bscheidung eines Teiles des Kohlenstoffes als G ra p h it u n d insbesondere die F orm , in der der G ra p h it abgeschieden wird, hängt außerdem in hohem Maße vom W ä rm eunterschied zw ischen dem flüssigen E isen und den W änden der F o rm ab. Diesbezüglich schufen die F orschungen v on D i e f e n t h ä l e r u n d von S i p p 2) einige K la rh e it u n d fü h rte n zur zuverlässigen H erstellung v on P e r l i t - g u ß , d. i. Gußeisen, dessen Gefüge ausschließlich aus P e rlit u n d G ra p h it b esteht. Da die P erlitbildung begünstigt wird, w enn die G a ttieru n g m öglichst g e r i n g e n Anreiz zur G raphitbildung gibt, gelangten hier G attieru n g en zur V erw endung, deren Silizium
gehalt weit u n te r den auf S. 185 fü r verschiedene W a n d stä rk e n angegebenen Silizium
g eh a lte n liegen.
M it steigendem Silizium gehalte n im m t die Schw indung u n d die L unkerbildung ab.
D as S i l i z i u m bildet im allgem einen die G rundlage aller G attieru n g en . M it A usnahm e von Sonderguß, wie feuer- u n d säurebeständiger Guß, sowie Guß m it bestim m ten m agnetischen E igenschaften fü r elektrotechnische Zwecke u. dgl. ist es n ich t angezeigt, den Silizium gehalt höher als 3 % zu bemessen. Bei Silizium gehalten bis zu l ° / 0 bleibt d er Guß auch bei W ärm ebeanspruchungen, wie sie in E xplosionsm otoren üblich sind, u n v e rä n d e rt; d arü b er h inaus t r i t t in steigendem M aße ein Ü bergang vom ursprünglich m ehr perlitischen Gefüge zum F erritgefüge ein.
x) Vgl. W ü s t u nd S u l z e r - G r o ß m a n n , Stahleisen 1904, S. 28, 103.
2) Stahleisen 1920, S. 1141 u nd 1923, S. 553.
M a n g a n w irk t vielfach im entgegengesetzten Sinne wie Silizium. Es fördert die A nreicherung a n G esam tkohlenstoff, b eein träch tig t aber die A bscheidung von G raphit.
Infolgedessen m achen größere M anganm engen das Eisen h ärte r. Bei Mengen u n te r 1 % t r it t eine geringe E rhöhung der F estigkeit ein. M angan sch ü tzt das Silizium vo r der O xydation. Bei einem G ehalte von etw a 3,5 °/0 M angan k a n n sogar d urch R e d u k tio n aus der Schlacke eine A nreicherung an Silizium eintreten. D er A b b ran d h än g t von der Menge des vorhandenen M angans ab u nd k a n n im allgemeinen auf G rund der folgenden Aufstellung in R echnung gesetzt werden.
M angangehalt des R oheisens Abbrand
0,2- 0 , 5 % 5 %
0 , 5 -0,1% 1 0%
1,0— 1,5% 15%
1, 5 - 2 , 0 o/o 25 %
über 2 ,0 % bis 50%
Mit steigendem M angangehalte w ächst die Neigung zur L unkerbildung u nd erreicht bei 1,21 % den H öchstw ert. D er E influß verschiedener M angangehalte a u f die Schwindung ist ziemlich unregelm äßig und bedarf noch weiterer K läru n g x). M angan erhöht die F estig keit, vorausgesetzt, daß der P h o s p h o r g e h a l t in bescheidenen Grenzen bleibt. Bei P hosphorgehalten über 1,00% soll der M angangehalt 0 , 7 % nicht überschreiten, a n d e rn falls geht die F estigkeit rasch zurück. M angan w irkt den ungünstigen Einflüssen eines nennenswerten Schwefelgehaltes ausgleichend entgegen.
S c h w e f e l ist fa st im m er ein unerw ünschter Begleiter, er m acht das E isen dickflüssig und vergrößert die Schwindung. Eisen von gleicher T em p eratu r u n d gleicher sonstiger chemischer Zusam m ensetzung e rs ta rrt u m so rascher, je m ehr Schwefel es e n th ä lt. In dieser Beziehung tre te n schon deutlich w ahrnehm bare U nterschiede bei 0,07 u n d 0,1 % Schwefel auf. Im übrigen ist ein Schwefelgehalt von 0 .1 —0 ,1 5 % ohne m erkbaren E in fluß auf die technischen Eigenschaften des Gußeisens. H öhere G ehalte steigern die H ärte u nd Sprödigkeit.
Die W irkung des Schwefels h ä n g t in hohem Maße vom gleichzeitigen M angangehalte ab, ist aber unabhängig vom Siliziumgehalte. Schwefel fördert die Neigung des G u ß eisens, weiß zu werden, da er der G raphitausscheidung sehr kräftig entgegenw irkt. Diese Neigung besteht aber nicht, solange der Schwefelgehalt u n te r 0,022% bleibt. U n te r sonst gleichen U m stän d en zeigen schwefelreichere Abgüsse größere Neigung zur Lunker- büdung u n d höheres Schw indm aß. Die Zug- u n d B ruchfestigkeit, D urchbiegung und Schlagfestigkeit m anganarm er Schmelzen wird durch Schwefelgehalte bis zu 0,05 % kaum verändert. Dagegen verschlechtern sich die m echanischen Eigenschaften m it zunehmendem Schwefelgehalte. W achsender Schwefelgehalt steigert fa st im m er die H ä rte der Abgüsse, gleichviel, wie sie im übrigen zusam m engesetzt sein mögen. D er Schwefel kom mt im Gefüge der Abgüsse in F o rm von Einschlüssen vor. Diese Einschlüsse haben bei m anganarm en Schmelzen gerundete Form en, u n d bilden bei m anganreicheren Schmelzen wohlausgebildete, geradlinig begrenzte K ristalle. Bei rein perlitischen Güssen sind Schwefelgehalte von 0,15 — 0 ,2 % unschädlich. N ach U ntersuchungen von S i e g l e 2) soll Schwefel in bezug auf die physikalischen E igenschaften des Gußeisens die höchsten Werte zeitigen, falls das Schwefel-Silizium verhältnis 1:10 b eträgt. Diese Feststellung bedarf aber noch eingehenderer U ntersuchung, weshalb es sich noch im m er em pfiehlt, auf möglichst niedrigen Schwefelgehalt hinzuarbeiten und, da das Eisen beim Schmelzen im Kuppelofen fa st im mer eine Schwefelanreicherung erfährt, auf einen m öglichst niedrigen Schwefelgehalt im Roheisen großes Gewicht zu legen.
P h o s p h o r begünstigt die G raphitbildung, m ach t das Eisen dünnflüssiger und bew irkt gutes Ausfüllen der Form en. In Mengen u n te r 0.5 % beeinflußt er die Festigkeit und Zähigkeit n ich t ungünstig, darü b er hinaus m ac h t er den Guß h ä rte r u n d spröder.
Phosphorreiche Abgüsse sind schroffem W ärm ewechsel gegenüber empfindlich. P hosphor wirkt der L unkerbildung recht beträchtlich entgegen u nd ist d arum insbesondere bei
!) Vgl. S. 326.
2) „Carbon in Foundry Irons und Castings“ Foundry-Trade-J. 1923, S. 12.
Abgüssen m it s ta rk w echselnden Q uerschnitten v o n Vorteil. W achsender P h o sp h o rg e h a lt t r ä g t ab er auch dazu bei, den G ra p h it in stetig größer w erdenden L am ellen oder Flocken abzuscheiden, w odurch die Schlagfestigkeit der Abgüsse v e rrin g ert w ird. Aus diesem G runde w ird m an im allgem einen n u r bei kleineren A bgüssen m it s ta rk wechselnden Q uerschnitten höhere P hosphorgehalte vorsehen. D en schädlichen E inflüssen des P h o s
phors w irkt ein höherer Silizium gehalt entgegen. M it einem M ischungsverhältnis P hos
phor zu Silizium von 1,25: 3,00 lassen sich au ch bei hoch b ea n sp ru ch ten A bgüssen beste Erfolge erzielen. Beim Schm elzen im K uppelofen n im m t der P h o sp h o rg eh a lt n ich t ab, m an h a t im Gegenteil m it einer geringen Z unahm e en tsp rech en d der G ew ichtsverm inde
rung durch d e n A b b ra n d an Eisen, M angan u n d Silizium zu rechnen.
A r s e n w irk t in wesentlich v e rs tä rk te m Maße ähnlich wie Schwefel. E s kom m t nicht allzu selten im R oheisen vo r u n d v e rrä t sich in größeren M engen d urch einen eigen
artig e n Geruch, der auf der G ichtbühne, m itu n te r auch am E isenabstich b em e rk b ar wird.
K u p f e r ist im allgem einen schon in ganz geringen M engen ein u n erw ü n sch ter Begleiter des Eisens. E s g eh t m it dem Schwefel V erbindungen ein, die sich unregelm äßig ablagern u n d durch S törung des gleichm äßigen Gefüges die F estigkeit m indern. I n E isen mit 0 ,0 9 % u n d weniger Schwefelgehalt w irk t ein n achträglicher Z usatz v on 0 ,5 % K upfer n ich t schädlich. D er B ruch b leib t u n v e rä n d e rt u n d die m etallographische U ntersuchung lä ß t das V orhandensein v o n K u p fe r oder einer K u p ferv erb in d u n g n ic h t erkennen x).
K upfer scheint der G raphitabscheidung günstig zu sein, b ew irk t aber dennoch eine Zu
nahm e der B rinellhärte.
N i c k e l legiert sich m it E isen in allen V erhältnissen. E s bew irkt in Mengen von 1 % beträchtliche G raphitausscheidung u n d eine H e rab m m d eru n g des G esam tkohlen
sto ffg e h a lte s2). U ntersuchungen von 0 . B a u e r , E. P i w o w a r s k y u n d K. E b b e f e l d h aben bei etw a 1 % N ickel die günstigsten Zahlen g e z e itig t3). D ie Steigerung der Biege
festigkeit gegenüber dem ursprünglichen E isen b etru g an n ä h e rn d 3 0 % bei nah ezu gleicher D urchbiegung u n d gleichbleibender spezifischer S chlagarbeit. Die D ruckfestigkeit erreichte eine Verbesserung um 30 % , die Z ugfestigkeit wuchs u m 2 5 % , w äh ren d die H ä rte nur um 18% zunahm . M etallographisch zeigten säm tliche Schmelzen das norm ale Gefüge eines g u ten grauen Gußeisens. D urch Z usatz v on 4 —5 % N ickel zu K olb en rin g -G aitierungen w ird eine nach dem B earbeiten außerordentlich feine u n d gleichm äßige Oberfläche und eine F estigkeit bis zu 2400 kg/qcm erzielt 4).
Das Nickel w ird erst in der P fan n e in F o rm v on E lektrolytnickel, v o n Ferronickel m it 25 — 7 5 % Nickel oder v o n N ick elth erm it dem E isen zugesetzt.
K o b a l t w irkt entgegengesetzt wie Nickel, es h e m m t die G raphitausscheidung und w irk t in keiner Weise verbessernd auf die technischen E igenschaften des Gußeisens.
C h r o m g alt frü h er als ein gefährlicher F rem d k ö rp e r im Gußeisen. E r s t in jüngster Zeit w urden seine Vorzüge, insbesondere fü r silizium ärm ere G ußeisensorten, z. B. für Zylindereisen e r k a n n t 5). E s erh ö h t die Löslichkeit des K ohlenstoffes u n d m ac h t, ähn
lich wie P hosphor, die Schmelze dünnflüssiger und länger flüssig bleibend. E s w irkt auf siliziumreiches gewöhnliches G raueisen ebenso wie auf silizium ärm eres Zylindereisen kornverfeinernd, festigkeitserhöhend u n d h ä rte n d . Die g ü n stigsten W irkungen dürften bei G attierungen m it etw a 2,0 % Silizium bei einer Z usatzm enge von 0,2 — 0 ,3 % Chrom und bei Eisen m it 1,3 —1 , 5 % Silizium bei etw a 0 ,7 5 % Chrom zu erreichen sein. Zylindereisen m it 0 ,7 5 % Chrom ist bereits m eliert u n d n u r noch schwierig b e a rb eitb ar. Chromzusätze erfolgen n u r in der P fan n e in F o rm von F errochrom m it hohem (65% ) C hrom gehalt. Da G ußeisen m it C hrom zusätzen in den an g e fü h rten Mengen sich von au ß e n bis zum Kerne sowohl im Gefügebilde, als auch in der H ä rte d urch völlige G leichm äßigkeit auszeichnet
— diese ü ber den ganzen Q uerschnitt gleiche H ä rte e n tsp ric h t der H ä rte eines aus gleichem Eisen ohne C hrom zusatz gegossenen Stückes in n äc h ste r N ähe des A ußenrandes —
J) Stahleisen 1924, S. 498. 2) Stahleisen 1908, S. 1 2 2 0. 3) Stahleisen 1920, S. 1301 und 1923, S. 967.
4) F oundry-T rade-J. 1922, S. 505.
5) O. S i n a l l e y: E ffect of Spec. E lem en ts on' Cast Iron. F ou ndry-T rade-J. 1923, I. S. 5.
eignet es sich insbesondere fü r H artw alzen, Z ahnräder u nd ähnliche Teile, bei denen größte W iderstandsfähigkeit gegen reibende B eanspruchung von lebensw ichtiger B edeutung ist.
T i t a n z u s ä t z e verm ögen das Gußeisen ganz wesentlich zu verbessern. Sie wirken auf die G rap h itb ild u n g im selben Sinne wie Silizium, jedoch in wesentlich v erstärk tem Maße, so zw ar, daß unabhängig vom Silizium gehalte der H ö h e p u n k t der G raphitbildung bereits bei 0,1 % G esam t-T itangehalt ü b erschritten ist. H öhere T itanzusätze bis zu 0,58°/0 bewirken eine Steigerung der Biegefestigkeit bis zu 5 0 % . Steigender T itanzusatz v e r
feinert das K o rn u n d ist von günstigem Einfluß auf die m echanischen Eigenschaften des Gußeisens. Mit zunehm endem T itangehalt nim m t die Säurelöslichkeit ab bei gleich
zeitig anw achsender W iderstandsfähigkeit gegen atm osphärische Einflüsse. D er Einfluß des T itans d ü rfte vor allem auf seiner reinigenden W irkung beruhen. Das dem Eisenbade zugesetzte T ita n erleidet einen A bb ran d bis zu 7 0 % . Infolge des hohen Schm elzpunktes reinen T itan s (1800°) em pfiehlt es sich, nicht zu hochprozentige u n d daher hochschm el
zende T itan-F errolegierungen zu verw enden , auch ist es besser hochgekohltes F e rro titan s ta tt alum inotherm isch hergestellter Zusatzlegierungen zu b en ü tz en , da die letzteren größere Neigung zu verschlacken haben. D er T itanzusatz soll möglichst u n m ittelb ar vor dem Gießen erfolgen. E in je größerer Z eitraum zwischen dem Zusetzen und dem Gießen verstreicht, um so m ehr T ita n geht v e rlo re n 1).
M o l y b d ä n z u s ä t z e w irken kornverfeinernd, sie begünstigen die G raphitausscheidung und wirken auf eine Verfeinerung der G raphitteilchen hin. M olybdän d rü c k t auch den Schwefelgehalt recht erheblich herunter. D er Guß wird fester und zäher. Zusatzm engen bis zu 0 ,5 % beeinflussen die B earbeitbarkeit der Abgüsse nicht, größere Zusätze m achen rasch zunehm end die B earbeitung schwieriger. Besonders w ertvoll erwiesen sich M olybdän
zusätze fü r Abgüsse, die grob reibender B eanspruchung unterw orfen sind, wie Steinbrecher
backen, M ahlplatten, L äuferringe u nd andere Teile m ehr. Auch für Zylinder- u n d P u m p e n futter haben sich M olybdänzusätze bew äh rt -).
V a n a d i u m soll bei Zusätzen von 0 ,0 1 % die F estigkeit um 10 — 2 0 % erhöhen, das Korn verfeinern u nd eine gleichmäßigere V erteilung des G raphits bewirken. Bei H a r t
guß wird die H ärtu n g ssch ich t dicker u n d zäher u nd bleibt bearbeitungsfähig. T itan und V anadium w erden dem E isen in feingepulvertem Zustande zugesetzt. I n Am erika findet eine Zusatzlegierung aus 30 — 3 5 % V anadium , 10 — 1 5 % Silizium, 5 — 1 0 % M angan und 2 — 5 % A lum inium , die sich im E isenbade leicht löst, V e rw en d u n g 3).
S c h m i e d e i s e n - u n d S t a h l z u s ä t z e dienen zur V erringerung des Gehaltes an allen F rem d k ö rp ern im Gußeisen. Solche Zusätze nehm en in der K o h lenoxydatm o
sphäre des K uppelofens in B erührung m it dem K oks K ohlenstoff auf, u n d zw ar um so mehr, je höher die W ärm e ansteigt. D a der Schm elzpunkt des Eisens m it wachsendem Kohlenstoffgehalt fällt, g e rä t der S tahl bzw. das Schmiedeisen durch diesen Vorgang in einen Z ustand, in dem er bei den vorhandenen T em p eratu ren leicht verflüssigt werden kann. D a seine durchschnittliche T em p e ratu r in der Schmelzzone 1350 — 1400° b eträg t, bedarf das Eisen zu seiner erfolgreichen Verflüssigung eines K ohlenstoffgehaltes von 3 - 4 % .
Insbesondere in am erikanischen Gießereien a rb eitet m an sehr viel m it S tahlzusätzen.
Nach M o l d e n k e 4) w ird regelm äßig m it 5 % S tahlzusatz gesetzt. Es gibt d o rt W erke, die bis auf 4 0 % gehen. Ohne besondere V orkehrungen w ürde der Guß freilich voller Blasen u n d schwam mig werden. S etzt m an ab er 4 % M angan (von dem 3 % wieder verschwinden) in F o rm von F erro m an g an zu, so ergeben sich ganz ausgezeichnete G u ß stücke. Dieses V erfahren findet besonders bei Güssen fü r elektrische Zwecke Anwendung.
Auch schwere hydraulische P reßzylinder m it 100 — 150 m m W an d stärk e fallen m it 4 0 % Schm iedeisenzusatz sehr g u t aus. Die sonst im m er Schwierigkeiten verursachenden Späne d re h te n sich wie Schmiedeisen, u n d die Abgüsse hielten noch bei 500 a t d i c h t 5).
!) Vgl. S. 156.
2) O. S m a l l e y : E ffect of Spez. Elem ents on Cast Iron. Foundry-Trade J. 1923, I. S. 3/5.
3) Iron A ge 1911, 8. Juni, S. 1398 u. f.
4) Stahleisen 1910, S. 718.
5) N ach O. L e y d e : Stahleisen 1910, S. 718.