Die Wärmebehandlung von Gusseisen weist Ähnlichkeiten und Unterschiede zur Wärmebehandlung von Stahl auf. Die Wärmebehandlung des Gusseisens kann die Morphologie und Verteilung des Graphits im Ausgangsgefüge nicht verbessern. Bei Grauguss ist der durch den Blattgraphit verursachte Spannungskonzentrations-Effekt der maßgebliche Faktor für die Eigenschaften des Gusseisens; daher fällt der verstärkende Effekt der Wärmebehandlung auf Grauguss weitaus geringer aus als bei Stahl und Sphäroguss. Daher umfasst das Wärmebehandlungsverfahren für Grauguss hauptsächlich Glühen, Normalisieren usw.
Bei Sphäroguss ist der Graphit kugelförmig, wodurch der Spaltungs-Effekt auf die Matrix erheblich verringert wird. Durch die Wärmebehandlung kann die Matrixstruktur ihre Eigenschaften voll entfalten, was die mechanischen Eigenschaften des Sphärogusses deutlich verbessert. Daher verfügt Sphäroguss – ähnlich wie Stahl – über Verfahren wie Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen, Mehrtemperaturabschrecken, Induktionsheizungs‑Abschrecken sowie oberflächennahe chemische Wärmebehandlungen.
Wärmebehandlungsverfahren für Gusseisen:
1. Spannungsarmglühen
Aufgrund der ungleichmäßigen Wanddicke von Gussteilen entstehen während des Erwärmens, Abkühlens und der Phasenumwandlung wirksame Spannungen sowie strukturelle Spannungen. Zudem bleiben bei großen Bauteilen nach der Bearbeitung leicht innere Spannungen bestehen; all diese inneren Spannungen müssen beseitigt werden. Die übliche Erwärmungstemperatur beim Spannungsarmglühen liegt bei 500–550 °C, die Haltezeit beträgt 2–8 Stunden, anschließend erfolgt eine Ofenabkühlung (bei Grauguss) oder Luftkühlung (bei Sphäroguss). Dieses Verfahren kann etwa 90–95 % der inneren Spannungen des Gussteils abbauen, ohne jedoch die Gefügestruktur des Gusseisens zu verändern. Überschreitet die Temperatur 550 °C oder ist die Haltezeit zu lang, kommt es stattdessen zur Graphitisierung, wodurch Festigkeit und Härte des Gussteils abnehmen.
2. Hochtemperatur‑Graphitisierungs‑Glühen zur Beseitigung der weißen Struktur
Beim Abkühlen des Gussteils tritt häufig an der Oberflächenschicht und in dünnen Bereichen eine weiße Randzone auf. Diese weiße Mikrostruktur ist hart und spröde, weist schlechte Bearbeitbarkeit auf und neigt zum Abblättern. Daher muss ein Glüh‑ oder Normalisierungsverfahren angewendet werden, um die weiße Struktur zu beseitigen. Glühprozess: Erwärmung auf 550–950 °C für 2–5 Stunden, anschließend Ofenabkühlung auf 500–550 °C, danach Luftkühlung nach dem Herausnehmen aus dem Ofen. Während der Hochtemperatur‑Haltezeit zerfallen freies Zementit und eutektischer Zementit in Graphit und Austenit; zudem werden sekundärer Zementit sowie eutektoider Zementit im weiteren Abkühlungsprozess ebenfalls abgebaut, was zur Graphitisierung führt. Durch den Abbau des Zementits sinkt die Härte, wodurch sich die Bearbeitbarkeit verbessert.
3. Normalisieren von duktilem Gusseisen
Der Zweck der Normalisierung von Sphäroguss besteht darin, eine Perlitmatrixstruktur zu erhalten, die Korngröße zu verfeinern und die Mikrostruktur gleichmäßig zu machen, um so die mechanischen Eigenschaften der Gussteile zu verbessern. Manchmal dient die Normalisierung auch als strukturelle Vorbereitung für das Oberflächenabschrecken von Sphäroguss. Die Normalisierung lässt sich in Hochtemperatur- und Niedertemperaturnormalisierung unterteilen. Die Hochtemperaturnormalisierung erfolgt in der Regel bei Temperaturen bis maximal 950–980 °C, während die Niedertemperaturnormalisierung üblicherweise im eutektoiden Temperaturbereich von 820–860 °C durchgeführt wird. Nach der Normalisierung ist in der Regel eine zusätzliche Wärmebehandlung erforderlich, um die während des Normalisierungsprozesses entstehenden inneren Spannungen abzubauen.
4. Abschrecken und Anlassen von Sphäroguss
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Sphäroguss werden die Gussteile im Allgemeinen auf 30 bis 50 °C oberhalb der Afc1-Temperatur (Afc1 bezeichnet die Endtemperatur der Austenitbildung beim Erhitzen) erwärmt und nach einer Wärmehaltezeit in Öl abgeschreckt, um eine Martensitstruktur zu erhalten. Um die Restspannungen nach dem Abschrecken wirksam zu reduzieren, erfolgt im Allgemeinen anschließend ein Anlassen. Die Struktur des Niedertemperatur-Anlassens besteht aus temperiertem Martensit sowie Bainit und kugelförmigem Graphit. Diese Mikrostruktur weist eine gute Verschleißfestigkeit auf und wird für Bauteile eingesetzt, die sowohl hohe Verschleißfestigkeit als auch hohe Festigkeit erfordern. Die Mitteltemperatur-Anlasstemperatur liegt bei 350–500 °C. Nach dem Anlassen entsteht eine Struktur aus temperiertem Troostit sowie kugelförmigem Graphit; sie eignet sich für dicke Bauteile mit guter Verschleißfestigkeit, gewisser Stabilität und Elastizität. Die Hochtemperatur-Anlasstemperatur beträgt 500–600 °C. Nach dem Anlassen bildet sich eine Struktur aus temperiertem Sorbit sowie kugelförmigem Graphit, die über ausgezeichnete Gesamteigenschaften hinsichtlich Zähigkeit und Festigkeit verfügt und daher in der Produktion weit verbreitet ist.
5. Isothermisches Abschrecken von duktilem Gusseisen
Duktiles Gusseisen kann nach der isothermen Abschreckung hohe Festigkeit, gute Plastizität und Zähigkeit erreichen. Bei der Auswahl der Erwärmungstemperatur für die isotherme Abschreckung wird hauptsächlich darauf geachtet, dass die Ausgangsstruktur vollständig aus Austenit besteht, ohne Restferrit, und gleichzeitig ein Kornwachstum des Austenits vermieden wird. Die Erwärmungstemperatur liegt in der Regel 30 bis 50 °C oberhalb der Afc1-Temperatur, um eine untere Bainitstruktur mit umfassenden mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Nach der isothermen Abschreckung von seltenerd‑Magnesium‑Aluminium‑Kugelgraphitguss beträgt die Zugfestigkeit σb 1200–1400 MPa, die Kerbschlagarbeit αk 3–3,6 J/cm² und die Härte HRC 47–51. Allerdings ist zu beachten, dass nach der isothermen Abschreckung ein Anlassen durchgeführt werden sollte.
6. Oberflächenhärtung
Zur Verbesserung der Oberflächenhärte, der Verschleißfestigkeit und der Ermüdungsfestigkeit bestimmter Gussteile kann eine Oberflächenabschreckung eingesetzt werden. Sowohl Grauguss- als auch Sphäroguss-Gussteile können oberflächengehärtet werden. Üblicherweise kommen dabei hoch‑ (oder mittel‑)frequente Induktionsheizverfahren zur Oberflächenabschreckung sowie elektrische Kontaktabschreckverfahren zum Einsatz.
7. Chemische Wärmebehandlung
Für Gussteile, die eine hohe Oberflächenverschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern, kann ein chemisches Wärmebehandlungsverfahren ähnlich wie beim Stahl angewendet werden, etwa das Gas‑Weichchlorieren, Chlorieren, Borieren oder Schwefeln.