Lexikon

Temperguss

Temperguss bezeichnet Gusseisen, das zunächst hart und spröde als weißes Gusseisen vergossen und danach durch eine Glühbehandlung in ein zähes, verformbares Gefüge umgewandelt wird: schwarzer Temperguss bei rund 950 °C über etwa 30 Stunden, weißer Temperguss bei rund 1050 °C über 50 bis 80 Stunden.[3] Er eignet sich für Bauteile, die Festigkeit und Schlagzähigkeit brauchen.

Herstellungsverfahren beim Temperguss

Die Herstellung von Temperguss erfolgt in zwei klar definierten Schritten. Zunächst entsteht ein weißes Gusseisen, das äußerst hart, dabei jedoch spröde ist. In einem zweiten Prozessschritt findet dann die Wärmebehandlung statt – auch „Tempern“ genannt. Temperatur und Dauer unterscheiden sich deutlich zwischen schwarzem und weißem Temperguss (siehe unten). Während dieses Prozesses verwandelt sich der im Gusseisen eingelagerte Zementit in Temperkohle (Flockengraphit). Dadurch erhält der Temperguss seine typische Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit, was ihn in der Produktion und Verarbeitung besonders wertvoll macht.

Unterschiedliche Arten von Temperguss

Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen schwarzem und weißem Temperguss; die Bezeichnung bezieht sich auf die Bruchfläche, nicht auf die Bauteiloberfläche. Schwarzer Temperguss entsteht durch eine Glühbehandlung unter sauerstoffarmen Bedingungen bei rund 950 °C über rund 30 Stunden.[3] Dabei zerfällt der im Inneren eingelagerte Zementit zu Temperkohle, die die Bruchfläche schwarz erscheinen lässt; es lagert sich nichts an der Oberfläche ab, und einen besonderen Korrosionsschutz gibt es nicht. Weißer Temperguss hingegen wird in einer oxidierenden Atmosphäre bei rund 1050 °C über 50 bis 80 Stunden geglüht.[3] Dabei wird die Randzone des Bauteils aktiv entkohlt, sodass die Bruchfläche weiß bleibt. Der ferritische schwarze Temperguss (EN-GJMB-350-10) zeichnet sich durch besondere Zähigkeit und Plastizität aus (10 % Bruchdehnung),[1][2] weißer Temperguss (EN-GJMW-400-5) erreicht dagegen nur 5 %[1][2] und eignet sich durch die entkohlte Randzone gut für dünnwandige, feinmechanische Bauteile.

Anwendungsbereiche und Vorteile von Temperguss

Dank seiner robusten und zugleich verformbaren Eigenschaften eignet sich Temperguss besonders für Anwendungen in der Automobilindustrie, im Maschinenbau sowie für Armaturen und Rohrverbindungen in der Sanitärtechnik. Der wesentliche Vorteil liegt darin, dass Tempergussprodukte eine sehr hohe mechanische Festigkeit besitzen, gleichzeitig aber auch den Belastungen durch Vibrationen und Schläge dauerhaft standhalten können. Somit erfüllen sie optimal die Anforderungen an stabile, zuverlässige und langlebige Bauteile.

Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker Temperguss braucht

Für den Techniker ist Temperguss die Wahl, wenn ein Bauteil komplexe Geometrien wie Gusseisen zulässt, im Betrieb aber Schlagzähigkeit und Duktilität wie Stahl benötigt, etwa bei Rohrverbindungsstücken, Beschlägen oder Bauteilen in der Landtechnik. Die Herstellung verlangt zwei sauber getrennte Prozessschritte: zuerst wird als weißes Gusseisen mit hohem gebundenem Kohlenstoff (Zementit) vergossen, danach folgt die Glühbehandlung, deren Temperatur und Dauer von der Sorte abhängen: rund 950 °C über rund 30 Stunden für schwarzen, rund 1050 °C über 50 bis 80 Stunden für weißen Temperguss.[3] In der Praxis entscheidet die Glühatmosphäre über das Endergebnis: eine oxidierende Atmosphäre erzeugt weißen Temperguss mit kohlenstoffarmer Randzone und guter Schweißeignung, eine sauerstoffarme Atmosphäre erzeugt schwarzen Temperguss mit gleichmäßigerer Kohlenstoffverteilung über den Querschnitt. Wandstärke ist dabei eine harte Grenze: bei zu dickwandigen Bauteilen erstarrt der Kern nicht mehr vollständig weiß, sodass sich dort bereits beim Guss Graphit statt Zementit bildet und die spätere Temperung nicht mehr greift.

Temperguss-Sorten nach DIN EN 1562

KurznameTypProbestabdurchmesserZugfestigkeit Rm (min.)Bruchdehnung A (min.)
EN-GJMW-400-5weißer Temperguss12 mm400 MPa5 %
EN-GJMB-350-10schwarzer Temperguss (ferritisch)12-15 mm350 MPa10 %
EN-GJMB-700-2schwarzer Temperguss (perlitisch)12-15 mm700 MPa2 %

Werte nach DIN EN 1562:2019-06, gerundet und beispielhaft; die Norm umfasst weitere Zwischensorten.[1][2] Die Kennwerte gelten für den 12-mm-Probestab.

Häufige Fragen zu Temperguss

Was ist Temperguss?

Temperguss ist ein Gusseisenwerkstoff, der zunächst als hartes, sprödes weißes Gusseisen vergossen und anschließend durch eine mehrstündige Glühbehandlung („Tempern“) in ein zähes, gut verformbares Gefüge umgewandelt wird. Er vereint die Gießbarkeit von Gusseisen mit einer Schlagzähigkeit, die in die Nähe von Stahlguss reicht.

Was ist weißer Temperguss?

Weißer Temperguss (EN-GJMW) entsteht durch Glühen in oxidierender Atmosphäre. Dabei entkohlt die Randzone des Bauteils, während im Kern Temperkohle entsteht. Er lässt sich gut verzinken und schweißen und wird bevorzugt für dünnwandige, kleinere Bauteile eingesetzt.

Was ist der Unterschied zwischen Temperguss und Gusseisen mit Kugelgraphit?

Bei Gusseisen mit Kugelgraphit entsteht die kugelige Graphitform bereits während der Erstarrung durch Impfen der Schmelze mit Magnesium. Bei Temperguss entsteht die Graphitform (Temperkohle) erst nachträglich durch Glühen aus zunächst weiß erstarrtem Gusseisen. Für große Wandstärken ist Gusseisen mit Kugelgraphit wirtschaftlicher, weil keine zusätzliche Glühbehandlung nötig ist.

Normbezug

DIN EN 1562:2019-06 legt Sorten, Kurzbezeichnungen und Mindestkennwerte für Temperguss fest, unterteilt in weißen (EN-GJMW) und schwarzen (EN-GJMB) Temperguss.[1]

Weiterführende Begriffe

Quellen

  1. DIN EN 1562:2019-06, Gießereiwesen – Temperguss, Tabelle: Kurzbezeichnungen und Mindestkennwerte für EN-GJMW-400-5, EN-GJMB-350-10 und EN-GJMB-700-2, gewährleistet am 12-mm-Probestab.
  2. Schmiedeberger Gießerei GmbH (DIHAG Foundry Group): Werkstoffdatenblatt, Temperguss (GTW) nach DIN EN 1562 – Auswahl. Abgerufen am 27.08.2026.
  3. maschinenbau-wissen.de: Eisengusswerkstoffe – Temperguss, Abschnitt Glühverfahren. Abgerufen am 27.08.2026.

Eluat

Ein Eluat bezeichnet die Flüssigkeit, die beim Auswaschen eines Stoffes mithilfe eines Lösungsmittels erhalten wird und in der Gießereiindustrie oft zur Untersuchung von Materialeigenschaften dient.

Was ist ein Eluat und wo kommt es zum Einsatz?

Ein Eluat entsteht durch den Prozess der Elution, wobei ein Lösungsmittel (Eluent) über einen festen Stoff wie etwa eine Sandprobe oder ein Metallgemisch geleitet wird. Dabei lösen sich spezifische Bestandteile heraus und können anschließend analysiert werden. In der Gießereiindustrie werden beispielsweise Proben von Formsanden, Schlacken oder metallurgischen Zusätzen mittels Elution untersucht, um die chemische Zusammensetzung, potenzielle Schadstoffe oder lösliche Substanzen zu identifizieren. Diese Analyse hilft dabei, Materialqualität sicherzustellen und Umweltauflagen einzuhalten.

Bedeutung der Eluat-Untersuchung für Qualität und Umwelt

Eine genaue Definition und Unterscheidung von Eluaten ist wichtig, da in der Praxis oft komplizierte chemische Prozesse auf Materialproben angewendet werden, die weitreichende Auswirkungen auf Produktionsabläufe und Nachhaltigkeit haben können. Die Untersuchung des Eluats erlaubt es, problematische Stoffe wie Schwermetalle oder Salze frühzeitig zu erkennen. Damit sind vor allem Gießereien in der Lage, ökologische Risiken zu minimieren, Vorschriften zum Gewässerschutz zu erfüllen, und langfristige Schäden für Umwelt und Anlagen zu vermeiden.

Typische Verfahren zur Gewinnung eines Eluats in der Gießerei

Zur Bestimmung des Eluats wird meist das standardisierte Säulen- oder Schüttelverfahren angewendet. Im Säulenverfahren durchläuft das Lösemittel eine gepackte Säule mit Probenmaterial und extrahiert dabei lösliche Komponenten kontinuierlich. Beim Schüttelverfahren wird das Probenmaterial mit einem Lösungsmittel gemischt und für eine definierte Zeit geschüttelt, danach wird die Flüssigkeit als Eluat separiert und analysiert. Beide Verfahren sind übliche Praxis in der Gießereiindustrie, wobei die Wahl abhängig von der jeweiligen Fragestellung sowie von nationalen und internationalen Normen oder Standards ist.

Martensit

Martensit ist ein metastabiles, extrem hartes und sprödes Gefüge, das sich beim schnellen Abkühlen (Abschrecken) von Stahl aus dem Austenit heraus bildet, wobei Kohlenstoff zwangsweise im Kristallgitter eingeschlossen bleibt und dieses tetragonal verzerrt. Die erreichbare Härte hängt vor allem vom Kohlenstoffgehalt ab, von rund 45 HRC bei 0,2 % C bis 65 bis 67 HRC bei 0,8 % C.[1]

Bildung und Eigenschaften von Martensit

Martensit entsteht durch eine diffusionslose Umwandlung, wenn Stahl nach einem Erhitzen bis in den Austenit-Bereich sehr schnell abgekühlt wird. Diese rasche Abschreckung verhindert, dass Kohlenstoffatome ausreichend Zeit haben, um aus dem Austenitgitter zu diffundieren. Stattdessen wird Kohlenstoff zwangsweise im kubisch-raumzentrierten Kristallgitter eingeschlossen, wodurch eine tetragonale Verzerrung entsteht. Diese verzerrte Gitterstruktur verleiht Martensit seine außergewöhnliche Härte und Sprödigkeit, die es für bestimmte industrielle Anwendungen ideal macht.

Bedeutung von Martensit für die Mechano-technologischen Eigenschaften von Stählen

Dank seiner extrem hohen Härte und Verschleißfestigkeit wird Martensit typischerweise in Anwendungen verwendet, bei denen Härte und Stabilität wichtig sind. Dazu zählen Schneidwerkzeuge, Messer, Industrieanlagen, Verschleißschutzteile und andere hochbeanspruchte metallische Bauteile. Ein Nachteil des Martensitgefüges ist jedoch seine charakteristische Versprödung. Daher wird Martensit häufig einer anschließenden Wärmebehandlung (Anlassen) unterzogen, um die Zähigkeit gezielt zu verbessern.

Martensitbildung gezielt steuern: Wärmebehandlungsprozesse

Die Bildung des Martensits und seine Eigenschaften können gezielt über die Wärmebehandlung gesteuert werden. Je schneller die Abkühlung erfolgt, desto höher ist der Anteil des Martensitgefüges. Indem die Parameter des Abschreckvorgangs variiert werden, wie etwa Abschreckmedium, Temperatur und Abschreckgeschwindigkeit, können produzierende Betriebe spezifisch auf die gewünschten mechanischen und technologischen Anforderungen hin optimieren und anpassen. Diese sorgfältige Steuerung der Martensitbildung ist ein Schlüsselelement in der Wärmebehandlungstechnik technologisch anspruchsvoller Stahlkomponenten.

Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker Martensit braucht

Für den Techniker ist Martensit vor allem eine Zielgröße beim Härten: er will einen definierten Martensitanteil im Bauteil erzeugen, ohne dass Risse durch die begleitenden Härtespannungen entstehen. Dazu muss die Abschreckgeschwindigkeit über die gesamte Bauteildicke die kritische Abkühlgeschwindigkeit übersteigen, sonst bildet sich statt Martensit unerwünschter Bainit oder Perlit, und die Härte bleibt unter Spezifikation. Bei dickwandigen Gussteilen ist das eine reale Grenze: der Kern kühlt langsamer ab als der Rand, weshalb legierte Stähle mit besserer Durchhärtbarkeit eingesetzt werden, wenn auch der Kern martensitisch werden soll. Nach dem Härten wird Martensit fast immer angelassen, also auf 150 bis 650 °C wiedererwärmt, um die Sprödigkeit zu reduzieren und die Zähigkeit für den praktischen Einsatz herzustellen. Die Härteprüfung nach dem Härten ist damit die schnellste Kontrolle, ob der gewünschte Martensitanteil tatsächlich erreicht wurde.

Härte von Martensit in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt

Die erreichbare Martensithärte hängt in erster Linie vom Kohlenstoffgehalt des Stahls ab, nicht von den Legierungselementen.[1] Die folgenden Werte sind gerundete Richtwerte für frisch abgeschreckten, noch nicht angelassenen Martensit.

KohlenstoffgehaltMartensithärte (ca.)
0,2 % C~45 HRC[1]
0,4 % C~55 HRC[1]
0,6 % C~63 HRC[1]
0,8 % C~65–67 HRC[1]

Häufige Fragen zu Martensit

Was ist Martensitgefüge einfach erklärt?

Martensit ist das Gefüge, das entsteht, wenn Stahl aus dem Austenitbereich so schnell abgekühlt wird, dass Kohlenstoffatome keine Zeit haben, aus dem Kristallgitter zu diffundieren. Sie bleiben zwangsweise im Gitter eingeschlossen und verzerren es tetragonal, was die charakteristische hohe Härte und Sprödigkeit erzeugt.

Warum ist Martensit spröde?

Die tetragonale Gitterverzerrung durch den eingeschlossenen Kohlenstoff und die hohe Versetzungsdichte behindern jede plastische Verformung. Ohne Anlassen bricht Martensit deshalb eher, als dass er sich verformt.

Wie unterscheidet sich Martensit von Bainit?

Martensit entsteht diffusionslos bei sehr schneller Abkühlung unterhalb der Martensit-Start-Temperatur. Bainit entsteht bei einer isotherm gehaltenen Zwischentemperatur und ist weniger hart, dafür zäher als Martensit.

Normbezug

Die Härteprüfung, mit der der erreichte Martensitanteil in der Praxis kontrolliert wird, ist in DIN EN ISO 6507[2] (Vickers-Härteprüfung) und DIN EN ISO 6508[3] (Rockwell-Härteprüfung) genormt.

Quellen

  1. Dieter Liedtke: Merkblatt 450 – Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren. Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf, Ausgabe 2005, Bild 16 und Abschnitt 3.1.1 (S. 12–13): Zusammenhang Kohlenstoffgehalt/Höchsthärte, Formel Erreichbare Höchsthärte = 35 + 50 · C-Gehalt in Masse-% ± 2 HRC; sowie Abschnitt 3.4.1 (S. 20): Härte bei Stahl höchstens 65 HRC. Als PDF abgerufen am 27.08.2026.
  2. DIN EN ISO 6507-1:2018-07, Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Vickers – Teil 1: Prüfverfahren (ISO 6507-1:2018); Deutsche Fassung EN ISO 6507-1:2018.
  3. DIN EN ISO 6508-1:2016-12, Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Rockwell – Teil 1: Prüfverfahren (ISO 6508-1:2016); Deutsche Fassung EN ISO 6508-1:2016.

Weiterführende Begriffe

Hall-Petch-Beziehung

Die Hall-Petch-Beziehung beschreibt den Zusammenhang zwischen Korngröße und mechanischer Festigkeit eines metallischen Werkstoffes: je kleiner die Korngröße, desto höher Festigkeit und Härte, weil Korngrenzen die Bewegung von Versetzungen behindern. Formel: σ = σ₀ + k·d⁻¹ᐟ², mit σ als Fließspannung und d als mittlerer Korngröße. Kornfeinung ist deshalb ein eigenständiger Festigkeitshebel, unabhängig von Legierungszusätzen.

Grundlagen der Hall-Petch-Beziehung

Die Hall-Petch-Beziehung geht auf die Forscher E.O. Hall und N.J. Petch zurück und besagt, dass mit abnehmender Korngröße eines Metalls dessen Fließspannung und somit die Festigkeit zunimmt. Ursächlich hierfür sind Korngrenzen, welche als Hindernisse für Versetzungen wirken und somit die plastische Verformung erschweren. Die mathematische Darstellung erfolgt üblicherweise mittels der Gleichung: σ = σ₀ + k·d⁻¹/², wobei σ die Fließspannung, σ₀ eine materialabhängige Konstante für die grundlegende Festigkeit, k eine materialspezifische Konstante und d die mittlere Korngröße darstellt.

Bedeutung der Hall-Petch-Beziehung in der Gießereiindustrie

In der Gießereiindustrie ist es von großer Bedeutung, die mechanischen Eigenschaften der gefertigten Bauteile gezielt zu optimieren. Durch die Steuerung der Erstarrungsbedingungen, der Abkühlrate und Wärmebehandlung nach dem Gießen lässt sich die Korngröße innerhalb des metallischen Gefüges beeinflussen. Feinkörnige Strukturen erreichen dabei eine höhere Festigkeit und bessere mechanische Eigenschaften. Gießereien streben daher eine gezielte Herstellung feinster Gefüge an, um anspruchsvollen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dauerhaltbarkeit und Verschleißwiderstand gerecht zu werden.

Grenzen der Hall-Petch-Beziehung

Allerdings besitzt die Hall-Petch-Beziehung auch ihre Grenzen, insbesondere bei extrem kleinen Korngrößen im nanometrischen Bereich. Unterhalb einer bestimmten Grenze beobachtet man unter Umständen eine Umkehr des Effekts, den sogenannten inversen Hall-Petch-Effekt. Dabei kann eine weitere Kornverfeinerung sogar mit einer Abnahme der Materialfestigkeit verbunden sein. Bei Hochleistungswerkstoffen sollten daher Korngröße und mechanische Eigenschaften jeweils in einem ausgewogenen Verhältnis gewählt werden.

Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker die Hall-Petch-Beziehung braucht

In der Gießereipraxis ist die Hall-Petch-Beziehung kein Selbstzweck, sondern der Grund, warum Kornfeinung bei der Schmelzeführung so viel Aufwand rechtfertigt. Wer die Erstarrungsgeschwindigkeit erhöht, gezielt Impfmittel (Kornfeiner) zusetzt oder die Gießtemperatur senkt, verkleinert die Korngröße im erstarrten Gefüge. Über die Hall-Petch-Beziehung steigt damit direkt die Streckgrenze, ohne dass ein zusätzliches Legierungselement nötig wird. Das ist besonders bei Aluminiumgusslegierungen relevant, wo Titan-Bor-Kornfeiner Standard sind, und bei Stahlguss, wo eine gezielte Wärmebehandlung nach dem Guss die Korngröße nachträglich verfeinert. Für den Techniker heißt das in der Praxis: eine Schliffprobe mit erkennbar feinerem Korn ist ein verlässlicher Vorbote für eine höhere gemessene Zugfestigkeit, noch bevor der Zugversuch vorliegt.

Typische Kennwerte der Hall-Petch-Gleichung

Die Gleichung σ = σ₀ + k·d⁻¹ᐟ² benötigt für jedes Metall eigene Konstanten σ₀ und k. Die folgenden Werte sind gerundete Literaturwerte und schwanken je nach Reinheit, Wärmebehandlungszustand und Quelle spürbar.

Werkstoffσ₀ (MPa)k (MPa·mm⁰·⁵)Beispiel: Δσ bei Kornverkleinerung von 100 µm auf 10 µm
Unlegierter Baustahl (ferritisch)~70~23[1]+157 MPa
Kupfer~25~3,5+24 MPa
Aluminium~10[1]~2,2+15 MPa

Rechenbeispiel für Baustahl: bei d = 100 µm (0,1 mm) ergibt sich k·d⁻¹ᐟ² ≈ 23 · 0,1⁻⁰·⁵ ≈ 73 MPa, bei d = 10 µm (0,01 mm) ≈ 23 · 0,01⁻⁰·⁵ ≈ 230 MPa. Die Differenz von rund 157 MPa zeigt, warum Kornfeinung ein wirksamerer Festigkeitshebel sein kann als eine zusätzliche Legierung.

Häufige Fragen zur Hall-Petch-Beziehung

Was sagt die Hall-Petch-Beziehung einfach erklärt aus?

Je feiner das Korn eines Metalls, desto höher seine Festigkeit. Kleinere Körner bedeuten mehr Korngrenzen, und Korngrenzen behindern die Bewegung von Versetzungen, die für die plastische Verformung verantwortlich sind.

Gilt die Hall-Petch-Beziehung für jede Korngröße?

Nein. Unterhalb einer kritischen Korngröße im nanoskaligen Bereich, meist unter 10–20 Nanometern, kehrt sich der Effekt um (inverser Hall-Petch-Effekt). Für die üblichen Korngrößen im Gießerei- und Walzprozess, typischerweise 5 µm bis mehrere hundert µm, gilt die Beziehung zuverlässig.

Wie wird die Korngröße für die Berechnung ermittelt?

Über die metallografische Auswertung eines Schliffbildes, meist per Linienschnittverfahren oder Vergleichsbildreihen an der Schliffprobe.

Normbezug

DIN EN ISO 643 regelt die metallografische Bestimmung der scheinbaren Korngröße in Stahl und liefert damit den Wert d, der in die Hall-Petch-Gleichung eingesetzt wird.[2] Ohne genormtes Prüfverfahren ist die Korngröße zwischen Labor und Lieferant nicht vergleichbar.

Weiterführende Begriffe

  • Gefüge – Grundlage der Korngrößenbetrachtung
  • Zugfestigkeit – die über Hall-Petch beeinflusste Kenngröße
  • Härte – korreliert mit Korngröße und Festigkeit
  • Ferrit – Gefügebestandteil, dessen Korngröße häufig betrachtet wird

Quellen

  1. R. W. Armstrong: Hall-Petch Relationship: Use in Characterizing Properties of Various Materials. University of Maryland, 2016: k ≈ 23,4 MPa·mm⁵₁⁵₂ für unlegierten (mild) Stahl, σ₀ ≈ 10 MPa für Aluminium. Abgerufen am 27.08.2026.
  2. Norm: DIN EN ISO 643, Stahl – Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße.

Dauerbruch

Der Dauerbruch bezeichnet in der Gießereitechnik das schrittweise Versagen eines Bauteils durch wiederholt auftretende mechanische Belastungen, häufig deutlich unterhalb der Zugfestigkeit oder Streckgrenze des Werkstoffs. Mikroskopisch kleine Risse wachsen dabei unbemerkt an, bis das Bauteil abrupt bricht. Betroffen sind vor allem zyklisch belastete Teile wie Achsen, Wellen, Kolben und Kurbelwellen.

Was versteht man unter einem Dauerbruch?

Ein Dauerbruch, häufig auch Ermüdungsbruch oder Schwingungsbruch genannt, tritt auf, wenn ein metallisches Bauteil über einen längeren Zeitraum wiederkehrenden, dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Dabei werden Risse gebildet, die zunächst unbemerkt bleiben können, aber allmählich anwachsen, bis schließlich das Bauteil versagt. Dies geschieht oft selbst dann, wenn die allgemeine Belastung weit unterhalb der Zugfestigkeit oder Streckgrenze des Werkstoffes liegt. In der Gießereipraxis tritt der Dauerbruch typischerweise bei Bauteilen wie Achsen, Wellen, Kolben und Kurbelwellen auf.

Ursachen und Mechanismus eines Dauerbruchs

Die Hauptursachen eines Dauerbruches sind zyklische Schwankungen der mechanischen Belastungen, wie etwa Vibrationen, rotierende Belastungen oder pulsierende Kräfte. Diese Belastungen initiieren mikroskopisch kleine Risse, oft ausgehend von Materialdefekten, Oberflächenrauheiten oder inneren Spannungskonzentrationen. Durch ständig wiederkehrende Belastungen wachsen diese Risse sukzessiv an, was schließlich zum abrupten Versagen des Bauteils führen kann. Faktoren wie Materialqualität, Oberflächenzustand des Bauteils und Fertigungsverfahren beeinflussen maßgeblich, wie anfällig ein Werkstück für Dauerbruch ist.

Präventive Maßnahmen zur Vermeidung eines Dauerbruchs

Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Gussteilen können durch gezielte Maßnahmen verbessert werden. Dazu zählen die Optimierung des Designs zur Reduktion von Spannungskonzentrationen, sorgfältige Materialauswahl, Oberflächenbehandlungen und gezielte Nachbearbeitungen zur Reduzierung von Oberflächendefekten. Ebenso entscheidend ist eine systematische Kontrolle und Überwachung von Belastungen im Betrieb mittels zerstörungsfreier Prüfungen, wie Ultraschall- oder Röntgenuntersuchungen, um frühzeitig mögliche Ermüdungserscheinungen erkennen und Bauteile austauschen zu können.

Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker den Dauerbruch braucht

Für den Techniker ist der Dauerbruch der Grund, warum ein Bauteil trotz ausreichender Zugfestigkeit im Betrieb versagt. Bei zyklisch belasteten Gussteilen wie Kurbelwellen, Achsen oder Radnaben reicht die statische Auslegung über die Zugfestigkeit nicht aus, weil Risse an Kerbstellen, Lunkern oder rauen Gussoberflächen schon weit unterhalb der Streckgrenze starten können. In der Praxis heißt das: Übergangsradien werden großzügig ausgelegt, um Spannungsspitzen zu vermeiden, die Gussoberfläche wird an hoch belasteten Stellen gezielt verdichtet oder gestrahlt, und die Qualitätssicherung setzt zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall oder Farbeindringprüfung genau dort ein, wo nach Berechnung die höchste Wechselbeanspruchung auftritt. Wer die Dauerfestigkeit eines Gusswerkstoffs kennt, kann die zulässige Betriebslast so auslegen, dass ein Bauteil rechnerisch unbegrenzt viele Lastwechsel erträgt, statt nach einer bestimmten Zahl an Zyklen zu brechen.

Dauerfestigkeit im Verhältnis zur Zugfestigkeit

Als grobe Faustregel liegt die Biegewechselfestigkeit vieler Stahl- und Gusswerkstoffe bei etwa 40 bis 50 Prozent der Zugfestigkeit. Die folgenden Werte sind gerundete Richtwerte für ungekerbte Proben und dienen der Einordnung.

WerkstoffZugfestigkeit Rm (ca.)Biegewechselfestigkeit (ca.)Verhältnis
GJL-250 (Grauguss)250 MPa~90–100 MPa~0,4
GJS-400 (Gusseisen mit Kugelgraphit)400 MPa~180–200 MPa~0,5
Unlegierter Stahlguss (z. B. GS-45)450 MPa~200–220 MPa~0,45–0,5

Häufige Fragen zum Dauerbruch

Was ist der Unterschied zwischen Dauerbruch und Gewaltbruch?

Ein Gewaltbruch entsteht durch eine einmalige Überlastung oberhalb der Zugfestigkeit. Ein Dauerbruch entsteht durch viele wiederholte Lastwechsel, oft weit unterhalb der Zugfestigkeit, und kündigt sich äußerlich kaum an.

Woran erkennt man einen Dauerbruch an der Bruchfläche?

Typisch sind Rastlinien (Schwingungsstreifen), die den schrittweisen Rissfortschritt zeigen, sowie ein glatter Anschwingbereich, der abrupt in eine raue Restgewaltbruchfläche übergeht, sobald der verbleibende Querschnitt die Last nicht mehr trägt.

Wie lässt sich die Dauerfestigkeit eines Gussteils erhöhen?

Durch Vermeiden scharfer Kerben im Design, durch Verbesserung der Gussoberfläche, durch Druckeigenspannungen etwa aus Kugelstrahlen sowie durch ein möglichst lunker- und porenfreies Gefüge im hoch belasteten Querschnitt.

Normbezug

DIN 50100 regelt den Schwingfestigkeitsversuch (Wöhlerversuch), mit dem Dauer- und Zeitfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen ermittelt werden. Er ist die Grundlage für die in Kennwerttabellen angegebenen Dauerfestigkeitswerte.

Weiterführende Begriffe

ZTU-Diagramm

Ein ZTU-Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlung-Diagramm) zeigt, welche Phasenumwandlungen ein Werkstoff, vor allem eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur bei kontinuierlicher oder isothermer Abkühlung durchläuft. Daraus lässt sich ablesen, welche Abkühlgeschwindigkeit zu welchem Gefüge führt, etwa Perlit, Bainit oder Martensit, und welche mechanischen Eigenschaften das Bauteil dadurch erhält.

Was ist ein ZTU-Diagramm und wozu wird es genutzt?

Ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm (ZTU-Diagramm) dient der grafischen Darstellung der strukturellen Änderungen, die in einem metallischen Material, vor allem Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, bei bestimmten thermischen Einflüssen auftreten. Die Kenntnis dieser Diagramme ist entscheidend für die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit in der Gießereiindustrie. So kann exakt bestimmt werden, welche Mikrostrukturmerkmale wie Perlit, Bainit oder Martensit entsteht und welche mechanischen Eigenschaften die resultierenden Bauteile aufweisen.

Unterschiede zwischen kontinuierlichen und isothermen ZTU-Diagrammen

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von ZTU-Diagrammen: kontinuierliche und isotherme. Isotherme ZTU-Diagramme stellen die Phasenumwandlungen bei konstanter Temperatur über unterschiedliche Zeitintervalle dar. Im Gegensatz dazu bilden kontinuierliche Diagramme die Ergebnisse bei kontinuierlicher Abkühlung des Werkstücks ab. Kontinuierliche Diagramme sind besonders praxisnah, da sie den realen Abkühlverlauf beim Gießen oder Abschrecken widerspiegeln.

Bedeutung des ZTU-Diagramms für die Praxis in der Gießerei

In der Gießereipraxis bildet das ZTU-Diagramm die Grundlage, um die Qualität und Eigenschaften des erstarrten Metalls gezielt zu steuern. Je nach gewünschter Anwendung können dadurch maßgeschneiderte Bauteile mit definierten Festigkeiten, Zähigkeiten und Härten produziert werden. Durch exakte Abstimmung der Abkühlgeschwindigkeit können kostspielige Fehler und Nacharbeit vermieden und effiziente sowie hochwertige Ergebnisse nachhaltig sichergestellt werden.

Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker das ZTU-Diagramm braucht

Im Betrieb liest der Gießereitechniker das ZTU-Diagramm nicht als Theorie, sondern als Entscheidungshilfe für die Wärmebehandlung. Vor dem Härten oder Vergüten eines Bauteils zeigt das Diagramm, welche Abkühlgeschwindigkeit nötig ist, um die gewünschte Gefügemischung zu erreichen, und welche Geschwindigkeit vermieden werden muss, um Risse zu verhindern. Unerwünschter Restaustenit entsteht dagegen nicht durch die Abkühlgeschwindigkeit, sondern wenn die Martensit-Finish-Temperatur (Mf) unter der Abschrecktemperatur liegt; Gegenmittel sind Tiefkühlbehandlung und Anlassen. Bei großen oder ungleichmäßig dicken Gussteilen kühlt der Kern langsamer ab als der Rand. Das ZTU-Schaubild macht sichtbar, ob der Kern noch im Martensitbereich liegt oder bereits in die Bainit- oder Perlitstufe abgleitet, und liefert damit die Grundlage für Härteprofil und Abschreckmedium. Kontinuierliche ZTU-Diagramme werden für reale Abkühlkurven aus Ofen, Bad oder Luft verwendet, isotherme Diagramme für Prozesse mit gehaltener Zwischentemperatur wie das Bainitisieren.

Charakteristische Umwandlungsbereiche im Überblick

Die folgenden Werte sind typische Richtwerte für unlegierte und niedriglegierte Baustähle (z. B. C45, 42CrMo4) und dienen der Einordnung, nicht der Auslegung eines konkreten Bauteils. Genaue Werte liefert immer das ZTU-Diagramm der jeweiligen Stahlsorte.

GefügeTypischer Temperaturbereich der BildungCharakteristik
Perlitca. 550–720 °Clangsame Abkühlung, lamellare Ferrit-Zementit-Struktur
Bainitca. 250–550 °Cmittlere Abkühlung, nadelige Ferrit-Karbid-Struktur
Martensitab Martensit-Start (Ms), stahlabhängig ca. 220–340 °Cschnelle Abkühlung, diffusionslose Umwandlung

Häufige Fragen zum ZTU-Diagramm

Wie liest man ein ZTU-Diagramm?

Man legt die Abkühlkurve des Bauteils über das Diagramm. Jede Umwandlungslinie, die die Kurve schneidet, markiert den Beginn oder das Ende einer Gefügeumwandlung bei der zugehörigen Temperatur und Zeit. Am Endpunkt der Kurve liest man die Gefügeanteile ab, die sich bei dieser Abkühlung einstellen, häufig ergänzt um die resultierende Härte in HV oder HRC.

Was ist der Unterschied zwischen ZTU- und ZTA-Diagramm?

Das ZTA-Diagramm beschreibt die Umwandlung beim Erwärmen in den Austenitbereich, also den umgekehrten Vorgang zum ZTU-Diagramm, das die Umwandlung beim Abkühlen aus dem Austenit zeigt.

Welche Stahlsorten benötigen ein eigenes ZTU-Diagramm?

Jede Stahlsorte hat ein eigenes ZTU-Diagramm, da Legierungselemente wie Chrom, Molybdän oder Mangan Lage und Form der Umwandlungslinien verschieben. Ein Diagramm für C45 lässt sich nicht auf 42CrMo4 übertragen.

Normbezug

Die Ermittlung von ZTU-Schaubildern für Eisenwerkstoffe ist im Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP 1680 des Stahlinstituts VDEh geregelt. Es legt Vorgehen und Darstellung für kontinuierliche und isotherme ZTU-Diagramme fest, damit Diagramme unterschiedlicher Quellen vergleichbar bleiben.

Weiterführende Begriffe

  • ZTA-Diagramm – die Umwandlung beim Erwärmen
  • Martensit – Gefüge bei sehr schneller Abkühlung
  • Bainit – Gefüge bei mittlerer Abkühlung
  • Zementit – Bestandteil von Perlit
  • Abschrecken – Verfahren zur schnellen Abkühlung

Stranggießen

Stranggießen ist das kontinuierliche Gießverfahren, mit dem Strangguss erzeugt wird: Flüssiges Metall erstarrt in einer gekühlten Kokille zu einem endlosen Strang und wird fortlaufend abgezogen.

Kokille und Kühlung

Das flüssige Metall wird in eine kurze, intensiv gekühlte Kokille gegossen.[1] Die Primärkühlung im Kokillenbereich bildet eine stabile Randschale des Strangs; danach folgt außerhalb der Kokille die Sekundärkühlung.[1]

Abzug

In dem Maß, wie flüssiges Metall nachfließt, wird bereits erstarrtes Metall aus der Kokille abgezogen. So entsteht ein endloser Strang, der anschließend abgelängt wird.[1]

Varianten: horizontal und vertikal

Nach der Anlagenbauform unterscheidet man vertikales und horizontales Stranggießen.[1]

Siehe auch

  • Strangguss – das Erzeugnis, das beim Stranggießen entsteht.

Quellen

  1. MAGMA Gießereitechnologie GmbH: Strangguss. Lösungsseite, abgerufen am 27.08.2026.

Farbeindringverfahren

Das Farbeindringverfahren oder auch Eindringverfahren ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode in der Werkstoffkunde zur Detektion von Oberflächenrissen und Poren an Gussteilen oder anderen Werkstücken.

Was ist das Farbeindringverfahren und wie funktioniert es?

Beim Farbeindringverfahren, oft als „Penetrant Testing (PT)“ bezeichnet, handelt es sich um eine einfach durchzuführende Methode der Werkstoffprüfung, die insbesondere in der Gießereiindustrie weit verbreitet ist. Zunächst wird die zu prüfende Oberfläche gründlich gereinigt, um Schmutz oder Fremdkörper zu entfernen. Danach wird ein farbiges Prüfmittel, das sogenannte Eindringmittel, aufgetragen, welches aufgrund seiner niedrigen Oberflächenspannung tief in vorhandene Risse oder Poren eindringt. Anschließend wird das überschüssige Mittel sorgfältig entfernt und schließlich ein Entwickler aufgetragen. Dieser zieht das Eindringmittel aus Fehlerstellen heraus, sodass Risse deutlich sichtbar werden.

Anwendungsgebiete des Farbeindringverfahrens in der Gießereiindustrie

In der Gießereiindustrie findet das Farbeindringverfahren vor allem in der Qualitätskontrolle von Gussteilen wie Stahl-, Aluminium-, oder Gusseisenbauteilen Anwendung. Es eignet sich hervorragend für die Prüfung komplex geformter Bauteile oder Komponenten, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Durch dieses einfache Testverfahren kann die Oberflächenqualität schnell und kosteneffizient beurteilt werden. Typische Anwendungsbeispiele sind Teile aus der Automobilindustrie, Flugzeugbauteile sowie Maschinen- und Anlagenkomponenten.

Vorteile und Grenzen des Farbeindringverfahrens

Zu den großen Vorteilen des Farbeindringverfahrens gehört seine einfache Handhabung, kostengünstige Durchführung sowie schnelle Verfügbarkeit der Testergebnisse. Darüber hinaus können auch kleinste Risse zuverlässig erkannt werden. Allerdings kann dieses Verfahren keine Aussage über Fehler im Inneren des Materials treffen, da es sich ausschließlich auf die Oberflächenprüfung beschränkt. Für tiefere Materialuntersuchungen sind ergänzende Verfahren wie Ultraschall- oder Röntgenprüfungen erforderlich.

Pinholes

Pinholes sind kleine Gasblasen oder Lufteinschlüsse, die in der Oberfläche von Metallgussteilen auftreten können.

Ursachen für Pinholes

Pinholes entstehen hauptsächlich durch die Freisetzung von Gasen während des Abkühlungsprozesses des Metalls. Diese Gase können aus der Schmelze selbst stammen oder durch Verunreinigungen und Feuchtigkeit in der Gießform verursacht werden. Eine unzureichende Entgasung und falsche Gießtemperaturen können ebenfalls zur Bildung von Pinholes führen.

Auswirkungen von Pinholes

Die Anwesenheit von Pinholes kann die mechanischen Eigenschaften des Gussteils erheblich beeinträchtigen, insbesondere die Festigkeit und Dichte. Zudem können sie die Oberfläche anfällig für Korrosion machen und die optische Qualität des Endprodukts wesentlich mindern.

Vermeidungsstrategien

Um die Bildung von Pinholes zu verhindern, ist es entscheidend, sowohl die Gießform als auch die Metallschmelze gründlich zu entgasen. Der Einsatz von Schutzgasen kann ebenfalls hilfreich sein, um die Wechselwirkung mit atmosphärischer Feuchtigkeit zu reduzieren. Darüber hinaus sollte die Gießtemperatur innerhalb der empfohlenen Parameter gehalten werden, um die Gaslöslichkeit zu minimieren.

Ferrit

Ferrit – Grundlegende Eigenschaften und Bedeutung in der Metallurgie

Definition und Einordnung

Ferrit ist eine wichtige kristalline Phase im Gefüge von Eisen und Stahl, die aus einer kubisch-raumzentrierten (krz) Anordnung der Eisenatome besteht. Als Reinstoff wird Ferrit auch als α-Eisen bezeichnet und bildet eine der grundlegenden Strukturen, die für die vielfältigen Eigenschaften von Eisenwerkstoffen verantwortlich sind. Der Name leitet sich vom lateinischen „ferrum“ (Eisen) ab.

Chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur

Ferrit besteht hauptsächlich aus Eisen mit einem geringen Anteil an gelöstem Kohlenstoff. Die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Ferrit beträgt:

  • Bei Raumtemperatur: ca. 0,008%[2]
  • Bei 723°C (eutektoide Temperatur): ca. 0,02%[2]

Die kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur des Ferrits unterscheidet sich grundlegend von der kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur des Austenits und ist verantwortlich für seine spezifischen Eigenschaften wie höhere Zähigkeit und geringere Festigkeit im Vergleich zu anderen Eisenphasen.

Bildung und Vorkommen

Ferrit entsteht im Eisen-Kohlenstoff-System unter folgenden Bedingungen:

  • Beim Abkühlen von reinem Eisen aus der Schmelze unterhalb von 1538°C[3]
  • Bei der eutektoiden Umwandlung von Austenit unterhalb der A1-Temperatur (723°C)[2]
  • Durch Ausscheidung aus dem Austenit bei Abkühlung zwischen A3- und A1-Temperatur

Im Stahlgefüge tritt Ferrit in verschiedenen Morphologien auf:

  • Als Primärferrit in untereutektoiden Stählen
  • Als Bestandteil von Perlit in Form von Ferritlamellen
  • Als Widmanstätten-Ferrit in Form nadelförmiger Strukturen
  • Als körniger Ferrit nach speziellen Wärmebehandlungen

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Ferrit weist folgende charakteristische Eigenschaften auf:

  • Hohe elektrische Leitfähigkeit
  • Ferromagnetismus unterhalb der Curie-Temperatur (770 °C bzw. 1043 K)[1]
  • Relative Weichheit und hohe Zähigkeit
  • Gute Verformbarkeit
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit

Diese Eigenschaften machen Ferrit zu einem wichtigen Gefügebestandteil für zahlreiche technische Anwendungen, besonders wenn Duktilität und Zähigkeit gefordert sind.

Ferrit in verschiedenen Stahlsorten

Der Ferritanteil bestimmt maßgeblich die Eigenschaften verschiedener Stahlsorten:

  1. Ferritische Stähle:
    • Enthalten überwiegend Ferrit im Gefüge
    • Typischerweise chromlegierte Stähle, zum Beispiel Werkstoff 1.4016 (X6Cr17) mit 16 bis 18% Chrom[4]
    • Zeichnen sich durch gute Korrosionsbeständigkeit und moderate Festigkeit aus
  2. Ferritisch-perlitische Stähle:
    • Enthalten sowohl Ferrit als auch Perlit
    • Bieten eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit
    • Weit verbreitet als Baustähle und niedrig legierte Stähle
    • Beispiele: S235JR, C45
  3. Dualphasenstähle:
    • Bestehen aus Ferrit und Martensit
    • Kombinieren gute Umformbarkeit mit hoher Festigkeit
    • Werden häufig in der Automobilindustrie verwendet

Einfluss von Legierungselementen auf Ferrit

Verschiedene Legierungselemente beeinflussen die Bildung und Eigenschaften von Ferrit:

  • Ferritbildner: Chrom, Silizium, Molybdän, Titan und Niob erweitern das Ferritgebiet und fördern die Ferritbildung
  • Austenitbildner: Kohlenstoff, Stickstoff, Nickel und Mangan verkleinern das Ferritgebiet und begünstigen die Austenitbildung

Durch gezielte Legierung können die Eigenschaften des Ferrits modifiziert werden, was zu einer Verbesserung der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder anderer funktionaler Eigenschaften führt.

Wärmebehandlung und Gefügebeeinflussung

Durch verschiedene Wärmebehandlungsverfahren kann der Ferritanteil im Stahlgefüge gesteuert werden:

  • Ferritisieren: Wärmebehandlung zur Erhöhung des Ferritanteils
  • Grobkornglühen: Führt zu einer Vergröberung des ferritischen Gefüges und verbessert die Zerspanbarkeit
  • Normalglühen: Erzeugt ein feinkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge
  • Rekristallisationsglühen: Bildet nach Kaltverformung neue, verformungsfreie Ferritkörner

Bedeutung in der Gießereitechnik

In Gusswerkstoffen spielt Ferrit eine wichtige Rolle:

  • Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS):
    • Ferritisches GJS bietet hohe Dehnung und gute Zähigkeit
    • Perlitisch-ferritisches GJS kombiniert höhere Festigkeit mit moderater Zähigkeit
  • Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL):
    • Der Ferritanteil beeinflusst die Bearbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften
    • Ferritisches GJL zeigt verbesserte Dämpfungseigenschaften

Moderne Anwendungen und Forschung

Die Forschung an ferritischen Stählen und deren Anwendungen entwickelt sich kontinuierlich weiter:

  • Entwicklung hochfester ferritischer Stähle für den Leichtbau
  • Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen in aggressiven Umgebungen
  • Optimierung der magnetischen Eigenschaften für elektrotechnische Anwendungen
  • Nutzung in nanostrukturierten Werkstoffen mit verbesserten Eigenschaften

Prüfung und Analyse

Zur Bestimmung des Ferritgehalts und der Gefügestruktur kommen verschiedene Methoden zum Einsatz:

  • Metallographische Untersuchungen mittels Lichtmikroskopie nach geeigneter Ätzung
  • Elektronenmikroskopische Verfahren für detaillierte Gefügeanalysen
  • Magnetische Messverfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung des Ferritanteils
  • Röntgenografische und spektroskopische Analysemethoden

Zusammenfassung

Ferrit ist ein fundamentaler Gefügebestandteil in Eisenwerkstoffen, der durch seine charakteristische Kristallstruktur und Eigenschaften maßgeblich das Verhalten von Stählen und Gusseisen bestimmt. Durch gezielte Beeinflussung des Ferritanteils und seiner Morphologie können Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und magnetisches Verhalten präzise eingestellt werden. Dies macht Ferrit zu einem Schlüsselelement in der modernen Werkstofftechnik mit Anwendungen vom Automobilbau bis zur Elektrotechnik.

Quellen

  1. Kittel, C.: Introduction to Solid State Physics. 8. Auflage, John Wiley & Sons, 2005, Kapitel 12 „Ferromagnetism and Antiferromagnetism“, S. 329, Tabelle 1 „Ferromagnetic crystals“ (Eisen 1043 K). Abgerufen am 26.08.2026.
  2. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. maschinenbau-wissen.de, Abschnitt Löslichkeit von Kohlenstoff in Ferrit, eutektoide Temperatur 723 °C. Abgerufen am 27.08.2026.
  3. Delta-Eisen. Gießerei-Lexikon, Schmelzpunkt von reinem Eisen 1538 °C. Abgerufen am 27.08.2026.
  4. Kloeckner Metals Germany: Werkstoffnummer 1.4016 (X6Cr17). Werkstoff-Datenblatt, Chromanteil 16,0–18,0%. Abgerufen am 27.08.2026.