Die Rolle verschiedener Elemente beim Gießen von hochchromhaltigem Gusseisen Cr15, Cr20 und Cr26

Hochchromhaltiges Gusseisen (HCCI) findet aufgrund seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität breite Anwendung in Branchen wie dem Bergbau, der Zementindustrie, der Metallurgie und der Energieerzeugung. Zu den gängigsten Sorten zählen Cr15, Cr20 und Cr26, deren Eigenschaften maßgeblich von der Zusammensetzung und dem Anteil der Legierungselemente abhängen. Dieser Artikel erläutert systematisch die Rolle der einzelnen Elemente im Gießprozess, die Mikrostrukturbildung und das Gebrauchsverhalten von Cr15, Cr20 und Cr26. Gusseisen mit hohem Chromgehalt, und bietet praktische Anleitungen für die Gestaltung von Gießverfahren und die Materialauswahl.

1. Kohlenstoff (C): Das Kernelement, das die Verschleißfestigkeit bestimmt

Kohlenstoff ist das wichtigste Element in hochchromhaltigem Gusseisen und liegt im Allgemeinen zwischen 2.0 % und 3.3 % für Cr15, Cr20 und Cr26 (im Wesentlichen konstant bei allen drei Sorten). Seine Hauptaufgabe besteht in der Bildung harter Karbide, die die primäre Ursache für die Verschleißfestigkeit des Materials sind.

Bei hochchromhaltigem Gusseisen der Sorte Cr15 liegt der Kohlenstoffgehalt üblicherweise zwischen 2.4 % und 3.0 %, was zu einem Karbidvolumenanteil von etwa 25 % bis 30 % führt. Bei Cr20 liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 2.3 % und 3.1 %, wobei die Karbide 30 % bis 35 % ausmachen. Cr26 weist mit einem Kohlenstoffgehalt von 2.2 % bis 3.0 % aufgrund seines höheren Chromgehalts den höchsten Karbidvolumenanteil (35 % bis 40 %) auf.

Der Einfluss von Kohlenstoff ist eindeutig: Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Anzahl der Carbide zu, was die Härte und Verschleißfestigkeit des Materials deutlich verbessert. Übersteigt der Kohlenstoffgehalt jedoch 3.3 %, führt dies zur Bildung von netzartigen oder groben Carbiden, wodurch die Zähigkeit des Gusseisens stark abnimmt und es anfällig für Sprödbrüche wird. Entscheidend ist daher die Abstimmung von Kohlenstoff und Chrom: Das Cr/C-Verhältnis muss größer als 4 sein (insbesondere bei Cr26 sollte es größer als 7 sein), um sicherzustellen, dass der vorherrschende Carbidtyp M₇C₃ (und nicht das spröde M₃C) ist und somit ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erzielt wird.

2. Chrom (Cr): Das Schlüsselelement zur Unterscheidung der Güteklassen

Chrom ist das bestimmende Element von hochchromhaltigem Gusseisen, und sein Gehalt ist direkt ausschlaggebend für die Unterscheidung der Sorten Cr15, Cr20 und Cr26. Zu seinen Kernfunktionen gehören die Bestimmung von Karbidart und -menge, die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und die Erhöhung der Hochtemperaturstabilität.

Hochchromgusseisen der Sorte Cr15 enthält 11–18 % Chrom. Es bildet hauptsächlich M₇C₃-Karbide mit einem geringen Anteil an M₂₃C₆ und bietet im Vergleich zu höher chromhaltigen Sorten eine moderate Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, aber eine bessere Zähigkeit. Cr20 (18–23 % Chrom) weist einen höheren und stabileren Anteil an M₇C₃-Karbiden auf, was zu einer deutlich besseren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit als bei Cr15 führt und ein optimales Verhältnis zwischen Leistung und Kosten ermöglicht.

Hochchromhaltiges Gusseisen Cr26 (23–30 % Chrom) weist den höchsten Volumenanteil an M₇C₃-Carbiden (≥ 35 %) auf und zeichnet sich daher durch hervorragende Verschleißfestigkeit unter hoher Belastung, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Übersteigt der Chromgehalt jedoch 25 %, neigt das Gusseisen zur Bildung spröder Phasen wie M₆C und M₂₃C₆, was die Zähigkeit verringert und die Gießbarkeit beeinträchtigt.

Gemeinsames Merkmal von Chrom in allen drei Qualitäten ist, dass es sich in der Matrix auflöst und einen Cr₂O₃-Passivfilm bildet, wodurch die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit des Materials effektiv verbessert wird.

3. Silicium (Si): Ein Hilfselement zur Desoxidation und Raffination

Silizium wird als Hilfselement in hochchromhaltigem Gusseisen mit einem streng kontrollierten Gehalt von ≤1.2 % für alle drei Sorten (Cr15, Cr20, Cr26) zugesetzt. Seine Hauptfunktionen sind folgende:

• Desoxidation: Silizium kann den Oxidationsverlust von Chrom, Mangan und anderen Legierungselementen während des Gießprozesses wirksam reduzieren und so die Stabilität der Legierungszusammensetzung gewährleisten.
• Karbidverfeinerung: Sie verringert die Fest-Flüssig-Zweiphasenregion während der Erstarrung, wodurch die Karbide feiner und besser dispergiert werden und somit die Gleichmäßigkeit des Mikrogefüges verbessert wird.
• Mischkristallverfestigung: Silizium löst sich in der Matrix auf, um die Festigkeit und Elastizitätsgrenze des Materials zu verbessern.

Es ist zu beachten, dass bei einem Siliziumgehalt von über 2 % die Gefahr der Graphitausscheidung besteht, was die Härte und Verschleißfestigkeit des Gusseisens erheblich verringert. Daher ist die strikte Kontrolle des Siliziumgehalts (≤ 1.2 %) beim Gießen unerlässlich.

4. Mangan (Mn): Verbesserung der Härtbarkeit und der Mikrostrukturhomogenität

Mangan wird üblicherweise in einer Menge von 0.5 % bis 1.0 % (maximal ≤ 2.0 %) für hochchromhaltiges Gusseisen der Sorten Cr15, Cr20 und Cr26 zugesetzt. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

• Die Stabilisierung des Austenits und die Senkung des Ms-Punktes verringern die Perlitbildung und verbessern die Härtbarkeit des Materials.
• Durch Mischkristallverfestigung und Dendritenverfeinerung wird das Mikrogefüge gleichmäßiger und die Gesamtleistung verbessert.
• Durch die Förderung der Ausscheidung von Sekundärkarbiden während der Wärmebehandlung werden Härte und Verschleißfestigkeit des Materials weiter verbessert.

Ein zu hoher Mangangehalt (über 1.5 %) führt zu einem übermäßigen Anteil an Restaustenit, was eine instabile Härte und Maßänderungen der Gussteile zur Folge hat. Daher ist eine angemessene Kontrolle des Mangangehalts von entscheidender Bedeutung.

5. Molybdän (Mo): Verbesserung der Härtbarkeit und Zähigkeit

Molybdän ist ein wichtiges Legierungselement zur Festigkeitssteigerung und Zähigkeitsverbesserung von hochchromhaltigem Gusseisen. Der übliche Gehalt liegt bei 0.5 % bis 1.5 % für Cr15 und Cr20 sowie bei 1.0 % bis 2.0 % für Cr26. Seine Hauptfunktionen sind:

• Durch die deutliche Verbesserung der Härtbarkeit wird sichergestellt, dass auch großflächige Gussteile eine durchgehende Martensit- oder Bainitstruktur aufweisen und die Bildung von weichem Perlit vermieden wird.
• Durch die Verfeinerung des Korngefüges und die Hemmung der Bildung von Netzwerkkarbiden werden die Zähigkeit und Rissbeständigkeit des Materials verbessert.
• Durch die Erzielung einer Mischkristall- und Ausscheidungshärtung wird die Härte der Matrix auf HRC 50–60 erhöht, wodurch die Karbide effektiv gestützt und das Abplatzen der Karbide während des Betriebs reduziert werden kann.
• Verbesserung der Hochtemperaturstabilität, Erhöhung der Beständigkeit gegen Anlasserweichung und der Rothärte (bei 500–600℃), wodurch das Material für Hochtemperatur-Einsatzbedingungen geeignet wird.

Bei hochchromhaltigem Gusseisen der Sorte Cr26 wird der höhere Molybdängehalt (1.0 %–2.0 %) verwendet, um die durch den hohen Chromgehalt bedingte geringere Härtbarkeit und Zähigkeit auszugleichen.

6. Nickel (Ni): Stabilisierung von Austenit und Verbesserung der Zähigkeit

Nickel wird üblicherweise in einer Menge von 0.5 % bis 1.5 % für Cr15 und Cr20 und 0.8 % bis 1.8 % für Cr26 zugesetzt. Seine Hauptfunktionen sind:

• Es wirkt als starker Austenitstabilisator, erweitert den γ-Phasenbereich, verbessert die Härtbarkeit und hemmt die Bildung von Perlit.
• Durch die Verbesserung der Tieftemperaturzähigkeit und die Reduzierung der Kaltversprödungsübergangstemperatur eignet sich das Material für den Einsatz in Tieftemperatur-Arbeitsumgebungen.
• Synergismus mit Molybdän: Molybdän verbessert die Härtbarkeit, während Nickel den Austenit stabilisiert, was zu einer gleichmäßigen Struktur und hoher Zähigkeit bei dicken und großen Gussteilen führt.

Ein zu hoher Nickelgehalt führt zu einem übermäßigen Anteil an Restaustenit und damit zu einer geringen Härte des Werkstoffs. Daher sollte der Nickelgehalt in einem angemessenen Bereich gehalten werden.

7. Kupfer (Cu): Zusätzliche Festigkeitssteigerung und Korrosionsbeständigkeit

Kupfer ist ein Hilfslegierungselement mit einem Gehalt von ≤ 2.0 % in hochchromhaltigem Gusseisen. Seine Hauptaufgaben sind:

• Durch die Verfestigung der Matrix mittels fester Lösung werden Festigkeit und Härte des Materials verbessert.
• Stabilisierung des Austenits und Unterstützung bei der Verbesserung der Härtbarkeit (schwächer als Nickel).
• Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in verdünnten Säuren und atmosphärischen Korrosionsumgebungen.
• Die Bearbeitbarkeit des Materials wird geringfügig verbessert.

8. Schwefel (S) und Phosphor (P): Streng kontrollierte Schadstoffe

Schwefel und Phosphor sind schädliche Verunreinigungen in hochchromhaltigem Gusseisen, und ihr Gehalt muss streng kontrolliert werden: Schwefel ≤0.06 % und Phosphor ≤0.10 % für Cr15, Cr20 und Cr26.

Schwefel bildet niedrigschmelzende Einschlüsse wie MnS, die zu Korngrenzenversprödung, Heißrissen und verringerter Schlagzähigkeit führen. Phosphor bildet spröde Verbindungen wie Fe₃P, die die Tieftemperatursprödigkeit und die Kaltrissneigung beim Gießen erhöhen. Die strikte Kontrolle des Schwefel- und Phosphorgehalts ist daher unerlässlich, um die Zuverlässigkeit der Gussteile und die Gebrauchseigenschaften von hochchromhaltigem Gusseisen zu gewährleisten.

9. Vergleich der Elementauslegung für Cr15, Cr20 und Cr26

10. Fazit und Zusammenfassung der wichtigsten Punkte

Die Eigenschaften von hochchromhaltigem Gusseisen der Sorten Cr15, Cr20 und Cr26 werden durch das Zusammenspiel verschiedener Legierungselemente bestimmt. Kohlenstoff und Chrom sind die Kernelemente, die Menge und Art der Karbide sowie die Verschleißfestigkeit beeinflussen: Je höher der Chromgehalt, desto besser die Verschleißfestigkeit, jedoch desto geringer die Zähigkeit und desto schwieriger das Gießen. Molybdän und Nickel bilden eine wichtige Kombination zur Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit: Molybdän verbessert die Härtbarkeit und die Kornfeinung, während Nickel den Austenit stabilisiert und die Zähigkeit erhöht.

Silizium und Mangan sollten auf niedrigem Niveau gehalten werden, um Desoxidation und Festigkeitssteigerung zu gewährleisten und gleichzeitig Graphitausscheidung und übermäßigen Restaustenit zu vermeiden. Schwefel und Phosphor müssen streng kontrolliert werden, um Heißrisse, Kaltversprödung und Korngrenzenversprödung zu verhindern. Bei der Materialauswahl gilt: Cr15 ist kostengünstig, weist eine gute Zähigkeit auf und eignet sich für allgemeine Verschleißteile; Cr20 bietet das beste Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit und ist die gängigste Sorte; Cr26 bietet extreme Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung, jedoch auf Kosten höherer Sprödigkeit, schwierigerer Gießbarkeit und höherer Kosten.

Durch eine sinnvolle Gestaltung der Legierungszusammensetzung und die Optimierung des Gießprozesses kann das Leistungspotenzial von hochchromhaltigem Gusseisen der Sorten Cr15, Cr20 und Cr26 voll ausgeschöpft werden, sodass die Anforderungen unterschiedlicher industrieller Einsatzbedingungen erfüllt werden.