Gusseisen
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Gusseisen ist eine Klasse von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Seine Nützlichkeit ergibt sich aus seiner relativ niedrigen Schmelztemperatur. Die Legierungsbestandteile beeinflussen die Farbe des Gusseisens beim Bruch: weißes Gusseisen hat Karbidverunreinigungen, die Risse durchlassen, graues Gusseisen hat Graphitflocken, die einen vorbeiziehenden Riss ablenken und unzählige neue Risse verursachen, wenn das Material bricht, und duktiles Gusseisen hat kugelförmige Graphit-"Knollen", die das weitere Fortschreiten des Risses verhindern. ⓘ
Kohlenstoff (C) mit einem Anteil von 1,8 bis 4 Gew.-% und Silizium (Si) mit 1 bis 3 Gew.-% sind die wichtigsten Legierungselemente von Gusseisen. Eisenlegierungen mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt werden als Stahl bezeichnet. ⓘ
Gusseisen neigt dazu, spröde zu sein, mit Ausnahme von verformbarem Gusseisen. Aufgrund seines relativ niedrigen Schmelzpunkts, seiner guten Fließfähigkeit, Gießbarkeit, ausgezeichneten Bearbeitbarkeit, Verformungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit hat sich Gusseisen zu einem technischen Werkstoff mit einem breiten Anwendungsspektrum entwickelt und wird in Rohren, Maschinen und Teilen der Automobilindustrie wie Zylinderköpfen, Zylinderblöcken und Getriebegehäusen eingesetzt. Gusseisen ist resistent gegen Oxidationsschäden, aber bekanntermaßen schwer zu schweißen. ⓘ
Die frühesten gusseisernen Artefakte stammen aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. und wurden von Archäologen im heutigen Jiangsu in China entdeckt. Gusseisen wurde im alten China für die Kriegsführung, die Landwirtschaft und die Architektur verwendet. Im 15. Jahrhundert wurde Gusseisen für Kanonen in Burgund, Frankreich, und in England während der Reformation verwendet. Die Mengen an Gusseisen, die für Kanonen verwendet wurden, erforderten eine groß angelegte Produktion. Die erste Brücke aus Gusseisen wurde in den 1770er Jahren von Abraham Darby III. gebaut und ist als The Iron Bridge in Shropshire, England, bekannt. Gusseisen wurde auch für den Bau von Gebäuden verwendet. ⓘ
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Herstellung
Gusseisen wird aus Roheisen hergestellt, das durch das Schmelzen von Eisenerz in einem Hochofen gewonnen wird. Gusseisen kann direkt aus dem geschmolzenen Roheisen oder durch Wiedereinschmelzen von Roheisen hergestellt werden, oft zusammen mit erheblichen Mengen an Eisen, Stahl, Kalkstein, Kohlenstoff (Koks) und verschiedenen Maßnahmen zur Entfernung unerwünschter Verunreinigungen. Phosphor und Schwefel können aus dem geschmolzenen Eisen herausgebrannt werden, aber dabei wird auch der Kohlenstoff ausgebrannt, der ersetzt werden muss. Je nach Anwendung werden der Kohlenstoff- und der Siliziumgehalt auf die gewünschten Werte eingestellt, die zwischen 2-3,5 % bzw. 1-3 % liegen können. Falls gewünscht, werden der Schmelze noch weitere Elemente zugesetzt, bevor die endgültige Form durch Gießen hergestellt wird. ⓘ
Gusseisen wird manchmal in einem speziellen Hochofen, dem so genannten Kupolofen, geschmolzen, aber in modernen Anwendungen wird es häufiger in elektrischen Induktionsöfen oder Lichtbogenöfen geschmolzen. Nach Abschluss des Schmelzvorgangs wird das geschmolzene Gusseisen in einen Warmhalteofen oder eine Pfanne gegossen. ⓘ
Arten
Legierungselemente
Die Eigenschaften von Gusseisen werden durch die Zugabe verschiedener Legierungselemente oder Legierungsmittel verändert. Neben Kohlenstoff ist Silizium das wichtigste Legierungselement, da es den Kohlenstoff aus der Lösung verdrängt. Bei einem geringen Siliziumanteil kann der Kohlenstoff in Lösung bleiben, wodurch Eisenkarbid und weißes Gusseisen entstehen. Ein hoher Siliziumanteil verdrängt den Kohlenstoff aus der Lösung und führt zur Bildung von Graphit und zur Herstellung von Grauguss. Andere Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Molybdän, Titan und Vanadium wirken dem Silizium entgegen, fördern die Zurückhaltung von Kohlenstoff und die Bildung dieser Karbide. Nickel und Kupfer erhöhen die Festigkeit und die Bearbeitbarkeit, verändern aber nicht die Menge des gebildeten Graphits. Der Kohlenstoff in Form von Graphit führt zu einem weicheren Eisen, verringert die Schrumpfung, senkt die Festigkeit und verringert die Dichte. Schwefel, der größtenteils als Verunreinigung auftritt, bildet Eisensulfid, das die Bildung von Graphit verhindert und die Härte erhöht. Das Problem mit Schwefel ist, dass er geschmolzenes Gusseisen zähflüssig macht, was zu Fehlern führt. Um den Auswirkungen von Schwefel entgegenzuwirken, wird Mangan zugesetzt, da sich die beiden Stoffe anstelle von Eisensulfid zu Mangansulfid verbinden. Das Mangansulfid ist leichter als die Schmelze, so dass es dazu neigt, aus der Schmelze heraus und in die Schlacke zu schwimmen. Die zur Neutralisierung von Schwefel erforderliche Manganmenge beträgt 1,7 × Schwefelgehalt + 0,3 %. Wird mehr als diese Menge Mangan zugesetzt, bildet sich Mangankarbid, das die Härte und die Abkühlung erhöht, außer bei Grauguss, wo bis zu 1 % Mangan die Festigkeit und Dichte erhöht. ⓘ
Nickel ist eines der gebräuchlichsten Legierungselemente, da es die Perlit- und Graphitstruktur verfeinert, die Zähigkeit verbessert und die Härteunterschiede zwischen den Profilstärken ausgleicht. Chrom wird in geringen Mengen zugesetzt, um freien Graphit zu reduzieren, Kälte zu erzeugen und weil es ein starker Karbidstabilisator ist; Nickel wird oft in Verbindung mit Chrom zugesetzt. Eine geringe Menge Zinn kann als Ersatz für 0,5 % Chrom zugesetzt werden. Kupfer wird in der Pfanne oder im Ofen in der Größenordnung von 0,5-2,5 % zugesetzt, um die Abschreckung zu verringern, den Graphit zu verfeinern und die Fließfähigkeit zu erhöhen. Molybdän wird in der Größenordnung von 0,3-1 % zugesetzt, um die Abschreckung zu erhöhen und die Graphit- und Perlitstruktur zu verfeinern; es wird oft in Verbindung mit Nickel, Kupfer und Chrom zugesetzt, um hochfeste Eisen zu erzeugen. Titan wird als Entgaser und Desoxidationsmittel zugesetzt, erhöht aber auch die Fließfähigkeit. 0,15-0,5 % Vanadium werden dem Gusseisen zugesetzt, um den Zementit zu stabilisieren, die Härte zu erhöhen und die Verschleiß- und Hitzebeständigkeit zu verbessern. 0,1-0,3 % Zirkonium hilft bei der Bildung von Graphit, desoxidiert und erhöht die Fließfähigkeit. ⓘ
In schmiedbaren Eisenschmelzen wird Wismut in einer Größenordnung von 0,002-0,01 % zugesetzt, um die Zugabe von Silizium zu erhöhen. Bei weißem Eisen wird Bor zugesetzt, um die Herstellung von schmiedbarem Eisen zu unterstützen; außerdem verringert es die vergröbernde Wirkung von Wismut. ⓘ
Grauguss
Grauguss zeichnet sich durch sein graphitisches Gefüge aus, das die Bruchstellen des Materials grau erscheinen lässt. Es ist das am häufigsten verwendete Gusseisen und gemessen an seinem Gewicht der am häufigsten verwendete Gusswerkstoff. Die meisten Gusseisen haben eine chemische Zusammensetzung von 2,5-4,0 % Kohlenstoff, 1-3 % Silizium und der Rest Eisen. Grauguss weist eine geringere Zugfestigkeit und Stoßfestigkeit als Stahl auf, seine Druckfestigkeit ist jedoch mit der von Stahl mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt vergleichbar. Diese mechanischen Eigenschaften werden durch die Größe und Form der im Gefüge vorhandenen Graphitflocken bestimmt und können nach den Richtlinien der ASTM charakterisiert werden. ⓘ
Weißes Gusseisen
Weißes Gusseisen weist weiße Bruchflächen auf, die auf das Vorhandensein eines Eisencarbid-Niederschlags namens Zementit zurückzuführen sind. Bei geringerem Siliziumgehalt (Graphitbildner) und schnellerer Abkühlung scheidet sich der Kohlenstoff in weißem Gusseisen nicht als Graphit, sondern als metastabile Phase Zementit, Fe3C, aus der Schmelze aus. Der Zementit, der aus der Schmelze ausfällt, bildet relativ große Partikel. Durch die Ausscheidung des Eisenkarbids wird der ursprünglichen Schmelze Kohlenstoff entzogen, so dass sich das Gemisch dem Eutektikum annähert und als Phase der niedrigere Eisen-Kohlenstoff-Austenit übrig bleibt (der sich beim Abkühlen in Martensit umwandeln kann). Diese eutektischen Karbide sind viel zu groß, um den Vorteil der so genannten Ausscheidungshärtung zu bieten (wie bei einigen Stählen, wo viel kleinere Zementitausscheidungen die [plastische Verformung] hemmen können, indem sie die Bewegung von Versetzungen durch die reine Eisen-Ferrit-Matrix behindern). Vielmehr erhöhen sie die Gesamthärte des Gusseisens einfach aufgrund ihrer eigenen sehr hohen Härte und ihres erheblichen Volumenanteils, so dass die Gesamthärte durch eine Mischungsregel angenähert werden kann. In jedem Fall geht die Härte auf Kosten der Zähigkeit. Da Karbid einen großen Teil des Materials ausmacht, könnte weißes Gusseisen als Cermet eingestuft werden. Weißes Gusseisen ist zu spröde für die Verwendung in vielen Bauteilen, aber aufgrund seiner guten Härte und Abriebfestigkeit und seiner relativ geringen Kosten wird es für Anwendungen wie die Verschleißflächen (Laufrad und Spiralgehäuse) von Schlammpumpen, Mantelauskleidungen und Hubstangen in Kugelmühlen und autogenen Mahlwerken, Kugeln und Ringe in Kohlemühlen und die Zähne der Baggerschaufel eines Baggers verwendet (obwohl gegossener martensitischer Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für diese Anwendung üblicher ist). ⓘ
Es ist schwierig, dicke Gussstücke schnell genug abzukühlen, um die Schmelze durchgehend als weißes Gusseisen zu verfestigen. Durch schnelles Abkühlen kann jedoch eine Schale aus weißem Gusseisen erstarren, woraufhin der Rest langsamer abkühlt und einen Kern aus Grauguss bildet. Das so entstandene Gussstück, das so genannte Kokillengussstück, hat die Vorteile einer harten Oberfläche mit einem etwas zäheren Inneren. ⓘ
Mit hochchromhaltigen Weißeisenlegierungen können massive Gussstücke (z. B. ein 10 Tonnen schweres Laufrad) im Sandgussverfahren hergestellt werden, da das Chrom die Abkühlungsgeschwindigkeit verringert, die für die Bildung von Karbiden in den größeren Materialstärken erforderlich ist. Chrom erzeugt auch Karbide mit beeindruckender Abriebfestigkeit. Diese hochchromhaltigen Legierungen verdanken ihre hohe Härte dem Vorhandensein von Chromkarbiden. Die Hauptform dieser Karbide sind die eutektischen oder primären M7C3-Karbide, wobei "M" für Eisen oder Chrom steht und je nach Zusammensetzung der Legierung variieren kann. Die eutektischen Karbide bilden Bündel aus hohlen sechseckigen Stäben und wachsen senkrecht zur hexagonalen Basalebene. Die Härte dieser Karbide liegt im Bereich von 1500-1800HV. ⓘ
Verformbares Gusseisen
Verformbares Eisen wird zunächst als weißes Gusseisen gegossen, das dann ein oder zwei Tage lang bei etwa 950 °C wärmebehandelt und anschließend ein oder zwei Tage lang abgekühlt wird. Dadurch verwandelt sich der Kohlenstoff im Eisenkarbid in Graphit und Ferrit plus Kohlenstoff. Der langsame Prozess ermöglicht es der Oberflächenspannung, den Graphit in kugelförmige Partikel statt in Flocken zu formen. Aufgrund ihres geringeren Aspektverhältnisses sind die Sphäroide relativ kurz und weit voneinander entfernt und haben einen geringeren Querschnitt gegenüber einem sich ausbreitenden Riss oder Phonon. Außerdem haben sie im Gegensatz zu Flocken stumpfe Ränder, was die Probleme der Spannungskonzentration in Grauguss verringert. Im Allgemeinen ähneln die Eigenschaften von Temperguss eher denen von Baustahl. Da Temperguss aus weißem Gusseisen hergestellt wird, kann ein Teil nur bis zu einer bestimmten Größe gegossen werden. ⓘ
Sphäroguss
Das 1948 entwickelte Gusseisen mit Kugelgraphit oder duktilem Gusseisen hat seinen Graphit in Form von sehr kleinen Knötchen, wobei der Graphit in Form von konzentrischen Schichten vorliegt, die die Knötchen bilden. Die Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit entsprechen daher denen eines schwammigen Stahls, ohne die Auswirkungen der Spannungskonzentration, die Graphitflocken verursachen würden. Der Kohlenstoffanteil liegt bei 3 bis 4 % und der Siliziumanteil bei 1,8 bis 2,8 %. Winzige Mengen von 0,02 bis 0,1 % Magnesium und nur 0,02 bis 0,04 % Cer, die diesen Legierungen zugesetzt werden, verlangsamen das Wachstum von Graphitausscheidungen, indem sie sich an die Kanten der Graphitebenen binden. Zusammen mit einer sorgfältigen Kontrolle der anderen Elemente und des Zeitplans ermöglicht dies die Abtrennung des Kohlenstoffs in Form von kugelförmigen Partikeln bei der Verfestigung des Materials. Die Eigenschaften ähneln denen von Temperguss, aber die Teile können mit größeren Querschnitten gegossen werden. ⓘ
Duktiles Gusseisen wird bevorzugt für Rohrleitungen beim Schleudergussverfahren eingesetzt, aber auch für Kurbelwellen und andere hochbeanspruchte Maschinenteile. ⓘ
Tabelle der vergleichbaren Eigenschaften von Gusseisen
| Bezeichnung | Nominale Zusammensetzung [Gew.-%] | Form und Zustand | Streckgrenze [ksi (0,2% Offset)] | Zugfestigkeit [ksi] | Dehnung [%] | Härte [Brinell-Skala] | Verwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Grauguss (ASTM A48) | C 3,4, Si 1,8, Mn 0,5 | Gegossen | — | 50 | 0.5 | 260 | Motorzylinderblöcke, Schwungräder, Getriebegehäuse, Werkzeugmaschinensockel |
| Weißes Gusseisen | C 3,4, Si 0,7, Mn 0,6 | Guss (wie Guss) | — | 25 | 0 | 450 | Lagerflächen |
| Verformbares Eisen (ASTM A47) | C 2,5, Si 1,0, Mn 0,55 | Gegossen (geglüht) | 33 | 52 | 12 | 130 | Achslager, Kettenräder, Automobilkurbelwellen |
| Gusseisen mit Kugelgraphit oder Sphäroguss | C 3,4, P 0,1, Mn 0,4, Ni 1,0, Mg 0,06 | Gegossen | 53 | 70 | 18 | 170 | Zahnräder, Nockenwellen, Kurbelwellen |
| Duktiles Eisen oder Sphäroguss (ASTM A339) | — | Guss (vergütet) | 108 | 135 | 5 | 310 | — |
| Ni-Hart Typ 2 | C 2,7, Si 0,6, Mn 0,5, Ni 4,5, Cr 2,0 | Sandgegossen | — | 55 | — | 550 | Anwendungen mit hoher Festigkeit |
| Ni-Resist Typ 2 | C 3,0, Si 2,0, Mn 1,0, Ni 20,0, Cr 2,5 | Gegossen | — | 27 | 2 | 140 | Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion |
Geschichte
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Gusseisen und Schmiedeeisen können bei der Verhüttung von Kupfer unter Verwendung von Eisenerz als Flussmittel ungewollt entstehen. ⓘ
Die frühesten gusseisernen Artefakte stammen aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. und wurden von Archäologen im heutigen Kreis Luhe in Jiangsu in China während der Zeit der Streitenden Staaten entdeckt. Dies geht aus einer Analyse der Mikrostrukturen des Artefakts hervor. ⓘ
Da Gusseisen vergleichsweise spröde ist, eignet es sich nicht für Zwecke, bei denen eine scharfe Kante oder Flexibilität erforderlich ist. Es ist stark unter Druck, aber nicht unter Spannung. Gusseisen wurde im 5. Jahrhundert v. Chr. in China erfunden und in Gussformen gegossen, um Pflugscharen und Töpfe sowie Waffen und Pagoden herzustellen. Obwohl Stahl begehrter war, war Gusseisen billiger und wurde daher im alten China häufiger für Werkzeuge verwendet, während Schmiedeeisen oder Stahl für Waffen genutzt wurde. Die Chinesen entwickelten eine Methode zum Glühen von Gusseisen, indem sie heiße Gussstücke eine Woche oder länger in einer oxidierenden Atmosphäre hielten, um einen Teil des Kohlenstoffs in der Nähe der Oberfläche abzubrennen, damit die Oberflächenschicht nicht zu spröde wurde. ⓘ
Im Westen, wo es erst ab dem 15. Jahrhundert verfügbar war, wurde es schon früh für Kanonen und Schrot verwendet. Heinrich VIII. begann in England mit dem Gießen von Kanonen. Bald entwickelten englische Eisenarbeiter mit Hilfe von Hochöfen die Technik zur Herstellung gusseiserner Kanonen, die zwar schwerer waren als die vorherrschenden Bronzekanonen, aber viel billiger und es England ermöglichten, seine Marine besser zu bewaffnen. Die Technologie des Gusseisens wurde aus China übernommen. Al-Qazvini im 13. Jahrhundert und andere Reisende stellten später eine Eisenindustrie im Alburz-Gebirge südlich des Kaspischen Meeres fest. Dies liegt in der Nähe der Seidenstraße, so dass die Verwendung einer aus China stammenden Technologie denkbar ist. Die Eisengießer im Weald setzten die Produktion von Gusseisen bis in die 1760er Jahre fort, und nach der Restauration war die Rüstungsindustrie eine der wichtigsten Verwendungszwecke für Eisen. ⓘ
Gusseiserne Töpfe wurden zu dieser Zeit in vielen englischen Hochöfen hergestellt. 1707 patentierte Abraham Darby ein neues Verfahren zur Herstellung von Töpfen (und Kesseln), die dünner und damit billiger waren als die mit traditionellen Methoden hergestellten. Dies bedeutete, dass seine Öfen in Coalbrookdale als Lieferanten von Töpfen dominierten, eine Tätigkeit, die in den 1720er und 1730er Jahren von einer kleinen Anzahl anderer koksbefeuerter Hochöfen übernommen wurde. ⓘ
Die Anwendung der Dampfmaschine zum Antrieb von Blasebälgen (indirekt durch das Pumpen von Wasser zu einem Wasserrad) in Großbritannien, die 1743 begann und in den 1750er Jahren zunahm, war ein Schlüsselfaktor für die Steigerung der Produktion von Gusseisen, die in den folgenden Jahrzehnten stark anstieg. Mit dem dampfgepumpten, wasserbetriebenen Gebläse wurden nicht nur die Beschränkungen der Wasserkraft überwunden, sondern auch höhere Ofentemperaturen erreicht, was die Verwendung eines höheren Kalkanteils ermöglichte und die Umstellung von Holzkohle, für die die Holzvorräte nicht ausreichten, auf Koks erlaubte. ⓘ
Gusseiserne Brücken
Die Verwendung von Gusseisen für Bauzwecke begann in den späten 1770er Jahren, als Abraham Darby III. die Eiserne Brücke baute, obwohl bereits zuvor kurze Balken verwendet worden waren, etwa in den Hochöfen von Coalbrookdale. Weitere Erfindungen folgten, darunter eine von Thomas Paine patentierte. Mit der industriellen Revolution wurden Brücken aus Gusseisen alltäglich. Thomas Telford verwendete das Material für seine Brücke flussaufwärts bei Buildwas und dann für das Longdon-on-Tern Aquädukt, ein Kanaltrog-Aquädukt bei Longdon-on-Tern am Shrewsbury-Kanal. Es folgten das Chirk-Aquädukt und das Pontcysyllte-Aquädukt, die beide nach den jüngsten Restaurierungsarbeiten noch in Betrieb sind. ⓘ
Die beste Art, Gusseisen für den Brückenbau zu verwenden, war die Verwendung von Bögen, so dass das gesamte Material unter Druck steht. Gusseisen ist, wie auch Mauerwerk, sehr druckfest. Schmiedeeisen ist, wie die meisten anderen Eisenarten und die meisten Metalle im Allgemeinen, zugfest und auch zäh, d. h. bruchfest. Die Beziehung zwischen Schmiedeeisen und Gusseisen kann für strukturelle Zwecke als Analogie zu der Beziehung zwischen Holz und Stein betrachtet werden. ⓘ
Gusseiserne Balkenbrücken waren bei den frühen Eisenbahnen weit verbreitet, wie etwa die Water Street Bridge im Jahr 1830 an der Endstation der Liverpool and Manchester Railway in Manchester. Die Probleme bei ihrer Verwendung wurden jedoch nur allzu deutlich, als eine neue Brücke der Chester and Holyhead Railway über den Fluss Dee in Chester im Mai 1847, weniger als ein Jahr nach ihrer Eröffnung, zusammenbrach und fünf Menschen tötete. Das Unglück der Dee-Brücke wurde durch eine übermäßige Belastung der Balkenmitte durch einen vorbeifahrenden Zug verursacht, und viele ähnliche Brücken mussten abgerissen und neu gebaut werden, oft aus Schmiedeeisen. Die Brücke war schlecht konstruiert und mit schmiedeeisernen Trägern versehen worden, von denen man fälschlicherweise annahm, dass sie die Konstruktion verstärken würden. Die Balken wurden in der Mitte auf Biegung und an der Unterkante auf Zug beansprucht, wo Gusseisen, wie auch Mauerwerk, sehr schwach ist. ⓘ
Dennoch wurde Gusseisen weiterhin in unangemessener Weise für Konstruktionen verwendet, bis die Katastrophe der Tay Rail Bridge von 1879 ernsthafte Zweifel an der Verwendung des Materials aufkommen ließ. Die entscheidenden Laschen zur Befestigung der Zugstangen und Streben der Tay-Brücke waren in die Pfeiler eingegossen worden und versagten bereits in der Frühphase des Unfalls. Außerdem waren die Bolzenlöcher ebenfalls gegossen und nicht gebohrt worden. Aufgrund des Entformungswinkels des Gusses wurde die Spannung der Ankerstäbe auf den Rand des Lochs übertragen, anstatt sich über die Länge des Lochs zu verteilen. Die Ersatzbrücke wurde aus Schmiedeeisen und Stahl gebaut. ⓘ
Es kam jedoch zu weiteren Brückeneinstürzen, deren Höhepunkt das Eisenbahnunglück von Norwood Junction im Jahr 1891 war. Tausende von gusseisernen Eisenbahnunterführungen wurden schließlich bis 1900 durch stählerne Pendants ersetzt, da die Bedenken gegen gusseiserne Unterführungen im britischen Eisenbahnnetz weit verbreitet waren. ⓘ
Die Eisenbrücke über den Fluss Severn in Coalbrookdale, England (fertiggestellt 1779)
Die Eglinton Tournament Bridge (fertiggestellt um 1845), North Ayrshire, Schottland, gebaut aus Gusseisen
Original Tay Bridge von Norden (fertiggestellt 1878)
Eingestürzte Tay Bridge von Norden ⓘ
Bauwerke
Gusseiserne Säulen, die erstmals in Mühlengebäuden eingesetzt wurden, ermöglichten es Architekten, mehrstöckige Gebäude ohne die enorm dicken Wände zu bauen, die für gemauerte Gebäude jeglicher Höhe erforderlich sind. Außerdem ermöglichten sie die Vergrößerung der Bodenflächen in Fabriken und die Verbesserung der Sichtachsen in Kirchen und Auditorien. Mitte des 19. Jahrhunderts waren gusseiserne Säulen in Lager- und Industriegebäuden üblich, kombiniert mit schmiede- oder gusseisernen Trägern, was schließlich zur Entwicklung von Wolkenkratzern mit Stahlrahmen führte. Gusseisen wurde manchmal auch für dekorative Fassaden verwendet, vor allem in den Vereinigten Staaten, und im New Yorker Stadtteil Soho gibt es zahlreiche Beispiele. Gelegentlich wurde es auch für komplette Fertighäuser verwendet, wie z. B. für das historische Iron Building in Watervliet, New York. ⓘ
Textilfabriken
Eine weitere wichtige Verwendung war in Textilfabriken. Die Luft in den Fabriken enthielt brennbare Fasern aus der Baumwolle, dem Hanf oder der Wolle, die gesponnen wurden. Infolgedessen hatten Textilfabriken eine alarmierende Neigung, abzubrennen. Die Lösung bestand darin, sie vollständig aus nicht brennbaren Materialien zu errichten, und es erwies sich als zweckmäßig, das Gebäude mit einem Eisenrahmen zu versehen, der größtenteils aus Gusseisen bestand und das brennbare Holz ersetzte. Das erste derartige Gebäude wurde in Ditherington in Shrewsbury, Shropshire, errichtet. Viele andere Lagerhäuser wurden mit gusseisernen Säulen und Balken gebaut, obwohl fehlerhafte Konstruktionen, mangelhafte Balken oder Überlastungen manchmal zum Einsturz des Gebäudes und zum Versagen der Struktur führten. ⓘ
Während der industriellen Revolution wurde Gusseisen auch in großem Umfang für Rahmen und andere feste Teile von Maschinen verwendet, darunter Spinn- und später Webmaschinen in Textilfabriken. Gusseisen fand weite Verbreitung, und viele Städte verfügten über Gießereien, die industrielle und landwirtschaftliche Maschinen herstellten. ⓘ
Sorten
Gusseisen mit Lamellengraphit
Die einfachste und häufigste Gusseisen-Sorte ist Gusseisen mit Lamellengraphit (Bezeichnung nach aktueller europäischer Norm EN 1561 „GJL“ oder früher nach DIN 1691 „GGL“), in dem der Graphit in Form von dünnen, unregelmäßig geformten Lamellen vorliegt. Diese Lamellen wirken bei Zugbelastung als Kerben, daher ist die Zugfestigkeit relativ gering („Sollbruchstellen“). Im Gegensatz zur Zugfestigkeit ist die Übertragung der Druckspannung wesentlich besser. Die Druckfestigkeit liegt etwa um den Faktor 4 höher als die Zugfestigkeit. ⓘ
Wegen mangelnder Beweglichkeit im uneinheitlichen Gefüge mit den Grafitlamellen und inneren Spannungen hat Grauguss keine erkennbare Plastizität – es ist ein spröder Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, guten Dämpfungseigenschaften und wegen der Sprödigkeit guter Formsteifigkeit. Daher eignet sich Grauguss in besonderer Weise für Maschinenbetten und -ständer. Hinzu kommen vorteilhafte Selbstschmiereigenschaften, wenn durch Bearbeitung die Lamellen angeschnitten und der Graphit selbst oder an dessen Stelle andere Schmiermittel in den Hohlräumen „bevorratet“ werden können. ⓘ
| nach DIN EN 1561 | nach DIN 1691 |
|---|---|
| EN-GJL-150 | GG-15 |
| EN-GJL-200 | GG-20 |
| EN-GJL-250 | GG-25 |
| EN-GJL-300 | GG-30 |
| EN-GJL-350 | GG-35 |
Gusseisen mit Vermiculargraphit
Eine neuere Werkstoffentwicklung ist das Gusseisen mit Vermiculargraphit (Bezeichnung GJV nach aktueller ISO 16112, früher GGV). Bei ihm liegt der Graphit weder in Lamellenform noch als Kugelform vor, sondern als Klumpen, die im Schliffbild wie Würmer aussehen (Vermiculus, lat. für Würmchen). Die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes liegen zwischen dem Gusseisen mit Lamellengraphit und denen des Gusseisens mit Kugelgraphit. Seine Herstellung ist jedoch schwieriger und erfordert eine in engen Toleranzen geführte Schmelzbehandlung. ⓘ
Reparatur
Die Reparatur von gerissenen oder gebrochenen Gussteilen ist mit Hilfe spezieller Verfahren möglich. So können quer zum Bruch- oder Rissverlauf in dafür eingebrachte Kettenbohrungen Metallriegel eingepresst und verstemmt werden. Zusätzlich können entlang der Bruchlinie Gewindelöcher in die Tiefe gebohrt und mit Gewindestiften verschraubt werden. Das Ergebnis ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung mit hoher Druckdichtigkeit, die Öle und Gase nicht entweichen lässt. ⓘ