Gusseisen – Wikipedia

Altan bzw. Balkon aus Gusseisen am Herrenhaus Brunn (Mecklenburg)
Kanaldeckel aus Gusseisen mit dem Bremer Schlüssel
Erste gusseiserne Brücke der Welt in Ironbridge
Klassischer Gusseisen-Lichtmast: Schupmann-Kandelaber am Brandenburger Tor in Berlin-Mitte
Gusseiserne Pfanne
Getriebegehäuse aus Gusseisen
Säulen aus Gusseisen
Rohrfitting aus schwarzem Temperguss (GJMB)
Gusseisener Kohlenfrosch

Gusseisen ist ein Eisenwerkstoff mit hohem Kohlenstoffgehalt (Massenanteil über 2 %), der diesen Werkstoff von Stahl unterscheidet. Gusseisen weist eine gute Gießbarkeit auf (geringer Schmelzpunkt, dünnflüssige Schmelze, …), lässt sich aber nicht durch Schmieden bearbeiten, da es hart und spröde ist. Stahl dagegen lässt sich relativ schlecht gießen, aber sehr gut schmieden. Die Zerspanbarkeit von Gusseisen hängt von der genauen Sorte ab; bei Gusseisen mit Lamellengraphit – der häufigsten Sorte – ist sie gut. Seine Festigkeit ist geringer als die von Stahlguss, die Dämpfung aber höher.

Unter Gusseisen versteht man eine Gruppe von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem hohen Anteil von Kohlenstoff (> 2 %). Viele Sorten enthalten zusätzlich noch Silicium, das die Gießbarkeit verbessert, sowie weitere Legierungsanteile wie Mangan, Chrom oder Nickel. Es wird unterschieden zwischen

  • grauem Gusseisen (Grauguss), in dem der Kohlenstoff in Form von Graphit vorkommt. Die Bruchflächen erscheinen grau.
  • weißem Gusseisen, in dem der Kohlenstoff als Carbid in Form von Zementit (Fe3C) vorkommt. Die Bruchflächen sind weiß.

Die Dichte von Gusseisen beträgt etwa 7,2 g/cm³ und ist niedriger als die Dichte von Stahl oder reinem Eisen (7,85 g/cm³). Das Material hat im eutektischen Bereich mit etwa 1150 °C einen deutlich geringeren Schmelzpunkt als Stahl, es lässt sich aber wegen des hohen Kohlenstoffgehalts nicht schmieden, da dieser zu einer hohen Härte und Sprödigkeit führt und einer geringen Plastizität. Die Schmelze ist dünnflüssig, daher lässt sie sich leichter vergießen als die höherviskose Stahlschmelze. In Gießereien wird es meist in einem Kupolofen geschmolzen.

Gusseisenteile sind besser korrosionsbeständig als Stahl,[1] insbesondere wenn die Gusshaut unverletzt ist. Daher wurde und wird Gusseisen für Kanalguss (Regeneinläufe und Abwasserleitungen, Baumscheiben u. ä.) eingesetzt. Durch Zulegieren von Silizium, Chrom und Nickel kann die Korrosionsbeständigkeit noch erhöht werden.

Ein einfaches Verfahren zur Qualitätsprüfung von Grauguss ist ein Schlag mit einem Hammer auf eine rechtwinklige Kante: Er soll einen bleibenden Eindruck hinterlassen, ohne dass die Kante absplittert.

Bezeichnungssystem

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Gesamtaufbau der Bezeichnungen von Gusseisenwerkstoffen durch Kurzzeichen nach EN 1560:2011 - Anhang A Tabelle A.1
Position 1

obligatorisch

Position 2

obligatorisch

Position 3

obligatorisch

Position 4

optional

Position 5

obligatorisch a) oder b) ist zu wählen

Position 6

optional

Vorsilbe Metallart Graphitstruktur Mikrostruktur oder

Makrostruktur

a) mechanische Eigenschaften b) chemische Zusammensetzung zusätzliche Anforderungen
Zeichen Zeichen Zeichen Zeichen Zeichen Zeichen
EN- Gusseisen GJ lamellar L Austenit A aa) Zugfestigkeit:
3- oder 4stellige
Zahl
z. B. 350 ba) Buchstaben-
symbol für
hochlegierte
Klassen
X Rohgussstück D
kugelig S Ausferrit R ab) Dehnung: ein
Bindestrich und
eine 1- oder
2-stellige Zahl
z. B. -19 bb) Kohlenstoff-
gehalt in
Prozent × 100,
jedoch nur, wenn
der Kohlenstoff-
gehalt signifikant ist
z. B. 300 wärme-
behandeltes
Gussstück
H
Temperkohle a M Ferrit F ac) 1 Buchstabe,
für die Herstellung
von Probestücken,
die einem
Gussstück
entnommen wurden
C bc) chemische
Symbole der
Legierungs-
elemente
z. B. Cr Schweißeignung
für Verbindungs-
schweißungen
W
vermikular V Perlit P ad) Härte:
2 Buchstaben und
2- oder 3stellige
Zahl
z. B. HB 155 bd) Prozentsatz × 10,
oder für hochlegierte
Klassen × 1 der
Legierungselemente,
durch Bindestriche
voneinander getrennt
z. B. 45-10
z. B. 9-5-2
zusätzliche
Anforderungen,
in der Bestellung
festgelegt
Z
graphitfrei
(Hartguss)
ledeburitisch
N Martensit M ae) Schlagenergie:
ein Bindestrich und
2 Buchstaben für
die Prüftemperatur:
- Raumtemperatur
- Tieftemperatur
-RT
-LT
Sonderstruktur,
in der jeweiligen
Werkstoffnorm
ausgewiesen
Y Ledeburit L
abgeschreckt Q
abgeschreckt
und vergütet
T
nichtentkohlend
geglüht b
B
entkohlend
geglüht b
W
ANMERKUNG: Die freie Kombination der einzelnen Merkmale in diesem Anhang ist nicht für jedes Gusseisen möglich.
a einschließlich entkohlend geglühter Temperguss

b nur für Temperguss

Gesamtaufbau der Bezeichnung von Gusseisenwerkstoffen durch Nummern nach EN 1560:2011 - Anhang B Tabelle B.1
Positionen 1 und 2 Position 3 Position 4 Positionen 5 und 6
Nummern der Werkstoffgruppe Graphitstruktur Matrixstruktur jeweiliger Werkstoff
Zahl Zahl Zahl Zahl
Gusseisen 5. lamellar 1 Ferrit 1 Diese Zahlen werden durch
CEN/TC 190 - Arbeitsgruppen, die mit
den jeweiligen Werkstoff-Normen
wie z. B. EN 1560, EN 1561, EN 1562,
EN 1563, EN 1564, EN 12513,
EN 13835, EN 16079 und EN 16124
befasst sind, zugewiesen.
00 bis 99
vermikular 2 Ferrit / Perlit 2
kugelig 3 Perlit 3
Temperkohlea 4 Ausferrit 4
graphitfrei 5 Austenit 5
Reserve 6 Ledeburit 6
Reserve 7 Reserve 7
Reserve 8 Reserve 8
andere 9 andere 9
a einschließlich entkohlend geglühter Temperguss

Gusseisen mit Lamellengraphit

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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 infolge der Kerbwirkung relativ gering. 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.

Bezeichnungen für Gusseisen mit Lamellengraphit
EN 1561:2012 - Tabelle 1 EN 1561:1997 - Tabelle 1 ISO 185:2005 - Tabelle 1
Kurzbezeichnung Nummer Nummer Bezeichnung
Klassifizierung basierend auf der Zugfestigkeit
EN-GJL-100 5.1100 EN-JL1010 ISO185/JL/100
EN-GJL-150 5.1200 EN-JL1020 ISO185/JL/150
EN-GJL-200 5.1300 EN-JL1030 ISO185/JL/200
EN-GJL-250 5.1301 EN-JL1040 ISO185/JL/250
EN-GJL-300 5.1302 EN-JL1050 ISO185/JL/300
EN-GJL-350 5.1303 EN-JL1060 ISO185/JL/350
Klassifizierung basierend auf der Härte
EN-GJL-HB155 5.1101 EN-JL2010 ISO185/JL/HBW/155
EN-GJL-HB175 5.1201 EN-JL2020 ISO185/JL/HBW/175
EN-GJL-HB195 5.1304 EN-JL2030 ISO185/JL/HBW/195
EN-GJL-HB215 5.1305 EN-JL2040 ISO185/JL/HBW/215
EN-GJL-HB235 5.1306 EN-JL2050 ISO185/JL/HBW/235
EN-GJL-HB255 5.1307 EN-JL2060 ISO185/JL/HBW/255
Bezeichnungen für Gusseisen mit Lamellengraphit[2]
Kurzzeichen nach EN 1561:1997 Kurzzeichen nach DIN 1691 Nummer nach EN 1561:1997 Werkstoff Nr.
EN-GJL-150 GG-15 EN-JL-1020 0.6015
EN-GJL-200 GG-20 EN-JL-1030 0.6020
EN-GJL-250 GG-25 EN-JL-1040 0.6025
EN-GJL-300 GG-30 EN-JL-1050 0.6030
EN-GJL-350 GG-35 EN-JL-1060 0.6035

Gusseisen mit Kugelgraphit

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Bessere mechanische Eigenschaften hat Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss, duktiles Gusseisen, Bezeichnung GJS nach aktueller europäischer Norm EN 1563, früher GGG nach DIN 1693), bei dem der Graphit in mehr oder weniger kugeliger Form vorliegt. Erreicht wird dies durch Entschwefeln der Schmelze mittels Zugabe von geringen Mengen Magnesium, Cer oder Calcium kurz vor dem Abgießen. Duktiles Gusseisen wird bevorzugt für Rohrleitungen beim Schleudergussverfahren eingesetzt, aber auch für Kurbelwellen und andere hochbeanspruchte Maschinenteile.

Bezeichnungen für Gusseisen mit Kugelgraphit nach europäischer und internationaler Normung
EN 1563:2011,

Tabelle 1 und Tabelle 3

EN 1563:1997 ISO 1083:2004
Kurzzeichen Nummer Tabelle 1 Tabelle 3 Tabelle 1 und A.1 Tabelle 3 und A.1
EN-GJS-350-22-LTa 5.3100 EN-JS1015 EN-JS1019 ISO 1083/JS/350-22-LT/S ISO 1083/JS/350-22-LT/U
EN-GJS-350-22-RTb 5.3101 EN-JS1014 EN-JS1029 ISO 1083/JS/350-22-RT/S ISO 1083/JS/350-22-RT/U
EN-GJS-350-22 5.3102 EN-JS1010 EN-JS1032 ISO 1083/JS/350-22/S ISO 1083/JS/350-22/U
EN-GJS-400-18-LTa 5.3103 EN-JS1025 EN-JS1049 ISO 1083/JS/400-18-LT/S ISO 1083/JS/400-18-LT/U
EN-GJS-400-18-RTb 5.3104 EN-JS1024 EN-JS-059 ISO 1083/JS/400-18-RT/S ISO 1083/JS/400-18-RT/U
EN-GJS-400-18 5.3105 EN-JS1020 EN-JS1062 ISO 1083/JS/400-18/S ISO 1083/JS/400-18/U
EN-GJS-400-15 5.3106 EN-JS1030 EN-JS1072 ISO 1083/JS/400-15/S ISO 1083/JS/400-15/U
EN-GJS-450-18 5.3108 - - - -
EN-GJS-450-10 5.3107 EN-JS1040 EN-JS1132 ISO 1083/JS/450-10/S ISO 1083/JS/450-10/U
EN-GJS-500-14 5.3109 - - - -
- - - - ISO 1083/JS/500-10/S ISO 1083/JS/500-10/U
EN-GJS-500-7 5.3200 EN-JS1050 EN-JS1082 ISO 1083/JS/500-7/S ISO 1083/JS/500-7/U
- - - - ISO 1083/JS/550-5/S ISO 1083/JS/550-5/U
EN-GJS-600-10 5.3110 - - - -
EN-GJS-600-3 5.3201 EN-JS1060 EN-JS1092 ISO 1083/JS/600-3/S ISO 1083/JS/600-3/U
EN-GJS-700-2 5.3300 EN-JS1070 EN-JS1102 ISO 1083/JS/700-2/S ISO 1083/JS/700-2/U
EN-GJS-800-2 5.3301 EN-JS1080 EN-JS1112 ISO 1083/JS/800-2/S ISO 1083/JS/800-2/U
EN-GJS-900-2 5.3302 EN-JS1090 EN-JS1122 ISO 1083/JS/900-2/S ISO 1083/JS/900-2/U
a LT für tiefe Temperaturen
b RT für Raumtemperatur
veraltete Bezeichnungen für Gusseisen mit Kugelgraphit nach DIN 1693-1:1973-10 (zurückgezogen)
Sorte
Kurzzeichen Werkstoffnummer
Normalsorten
GGG-40 0.7040
GGG-50 0.7050
GGG-60 0.7060
GGG-70 0.7070
GGG-80 0.7080
Sorten mit gewährleisteter Kerbschlagarbeit
GGG-35.3 0.7033
GGG-40.3 0.7043

Eine weitere wichtige Form ist der Temperguss, der nach dem Erstarren als Ledeburit nochmals einer Glühbehandlung über mehrere Tage (Tempern) unterzogen wird:

  • Beim weißen Temperguss (GJMW) glüht man in einer Sauerstoff abgebenden Atmosphäre, wodurch den Gussstücken (zumindest im Randbereich) der Kohlenstoff entzogen wird, wodurch sich die Eigenschaften denen des Stahls annähern. Dünnwandige Teile aus weißem Temperguss mit geringem Kohlenstoffgehalt sind schweißbar.
  • Schwarzer Temperguss (GJMB) wird in einer sauerstofffreien Atmosphäre geglüht. Dabei bildet sich ein gleichmäßiges Gefüge mit eingelagerten Flocken aus Temperkohle mit geringer Kerbwirkung. Die ohnehin schon höhere Festigkeit lässt sich durch schnelleres Abkühlen gegen Ende der Glühzeit noch steigern. Die mechanischen Eigenschaften sind wanddickenunabhängig.

Diese Sorten vertragen auch geringe plastische Verformungen, ohne zu brechen. Typische Anwendung finden solche Werkstoffe als Tempergussfittings im Rohrleitungsbau bei geschraubten Verbindungen.

Bezeichnungen für Temperguss nach europäischer und internationaler Normung
EN 1562:2019 EN 1562:1997 ISO 5922
Kurzzeichen Nummer Nummer Werkstoffbezeichnung
entkohlend geglühter Termperguss
EN-GJMW-350-4 5.4200 EN-JM1010 ISO 5922/JMW/350-4
EN-GJMW-360-12 5.4201 EN-JM1020 ISO 5922/JMW/360-12
EN-GJMW-450-5 5.4202 EN-JM1030 ISO 5922/JMW/400-5
EN-GJMW-450-7 5.4203 EN-JM1040 ISO 5922/JMW/450-7
EN-GJMW-550-4 5.4204 EN-JM1050 ISO 5922/JMW/550-4
nicht entkohlend geglühter Temperguss
EN-GJMB-300-6 5.4100 EN-JM1110 ISO 5922/JMB/300-6
EN-GJMB-350-10 5.4101 EN-JM1130 ISO 5922/JMB/350-10
EN-GJMB-450-6 5.4205 EN-JM1140 ISO 5922/JMB/450-6
EN-GJMB-500-5 5.4206 EN-JM1150 ISO 5922/JMB/500-5
EN-GJMB-550-4 5.4207 EN-JM1160 ISO 5922/JMB/550-4
EN-GJMB-600-3 5.4208 EN-JM1170 ISO 5922/JMB/600-3
EN-GJMB-650-2 5.4300 EN-JM1180 ISO 5922/JMB/650-2
EN-GJMB-700-2 5.4301 EN-JM1190 ISO 5922/JMB/700-2
EN-GJMB-800-1 5.4302 EN-JM1200 ISO 5922/JMB/800-1
veraltete Bezeichnungen für
Temperguss nach DIN 1692:1982-01
(zurückgezogen)
Sorte, Kurzzeichen Werkstoffnummer ISO-Kurzzeichen
neue Bezeichnung alte Bezeichnung ISO 5922
nicht entkohlend geglühter Temperguß
GTS-35-10 GTS-35 0.8135 B 35-10
GTS-45-06 GTS-45 0.8145 P 45-06
GTS-55-04 GTS-55 0.8155 P55-04
GTS-65-02 GTS-65 0.8165 P 65-02
GTS-70-02 GTS-70 0.8170 P 70-02
entkohlend geglühter Temperguß
GTW-35-04 GTW-35 0.8035 W 35-04
GTW-40-05 GTW-40 0.8040 W 40-05
GTW-45-07 GTW-45 0.8045 W 45-07
GTW-S 38-12 GTW-S 38 0.8038 W 38-12

GTW-S 38-12: für Konstruktionsschweißungen Güteklasse A ohne thermische Nachbehandlung geeigneter Temperguß

Ausferritisches Gusseisen

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Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit nach EN 1564 (früher: Bainitisches Gusseisen) ist eine auf Eisen, Kohlenstoff und Silicium basierende Gusslegierung, wobei der Kohlenstoff vorwiegend in der Form von Kugelgraphit-Partikeln vorliegt. Im Vergleich mit den Gusseisen mit Kugelgraphit, wie in EN 1563 festgelegt, weist dieser Werkstoff als Ergebnis der ausferritischen Gefügegrundmasse höhere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf.

Bezeichnungen für ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit nach europäischer und internationaler Normung
EN 1564:2011 - Tabelle 1 ISO 17804:2005 - Tabelle 1
Kurzzeichen Nummer Bezeichnung
Klassifizierung nach der Zugfestigkeit
EN-GJS-800-10 5.3400 ISO 17804/JS/800-10
EN-GJS-800-10-RT 5.3401 ISO 17804/JS/800-10-RT
EN-GJS-900-8 5.3402 ISO 17804/JS/900-8
EN-GJS-1050-6 5.3403 ISO 17804/JS/1050-6
EN-GJS-1200-3 5.3404 ISO 17804/JS/1200-3
EN-GJS-1400-1 5.3405 ISO 17804/JS/1400-1
EN 1564:2011 - Tabelle A.1 ISO 17804:2005 - Tabelle A.1
Kurzzeichen Nummer Bezeichnung
Klassifizierung nach der Härte
EN-GJS-HB400 5.3406 ISO 17804/JS/HBW400
EN-GJS-HB450 5.3407 ISO 17804/JS/HBW450

Gusseisen mit Vermiculargraphit

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Eine neuere Werkstoffentwicklung ist das Gusseisen mit Vermiculargraphit (Bezeichnung GJV nach aktueller EN 16079 und ISO 16112, früher GGV). Bei ihm liegt der Graphit weder in Lamellenform noch in 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.

  • verschleißbeständiges Gusseisen EN 12513
  • austenitisches Gusseisen EN 13835
  • niedriglegiertes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit für Anwendungen bei höheren Temperaturen EN 16124

Hinweise hierzu finden sich in EN 1011-8 Schweißen - Empfehlungen zum Schweißen metallischer Werkstoffe - Teil 8: Schweißen von Gusseisen.

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.[3][4]

  • Hans Berns, Werner Theisen: Eisenwerkstoffe – Stahl und Gusseisen. 4. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-79955-9.
  • Peter Marks: Europäische Gusseisen- und Stahlgusssorten = European Cast Iron and Steel Casting Grades. Hrsg.: DIN, Deutsches Institut für Normung e. V. 2. Auflage. Beuth, Berlin/Wien/Zürich 2009, ISBN 978-3-410-17030-3 (Beuth-Pocket. Werkstoffe; Text deutsch und englisch).
  • Franz Neumann: Gußeisen: Schmelztechnik, Metallurgie, Schmelzbehandlung. 2. Auflage. Expert, Renningen-Malmsheim 1999, ISBN 3-8169-1728-3.
  • Eugen Piwowarsky: Hochwertiges Gußeisen – seine Eigenschaften und die physikalische Metallurgie seiner Herstellung. 2. Auflage. Springer, Göttingen/Heidelberg 1958.
  • Hermann Schmitz: Das Gußeisen in der Baukunst. In: Zentralblatt der Bauverwaltung. Nr. 41, 1923, S. 241–242 (zlb.de).
Commons: Gusseisen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Gusseisen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  1. So ist beispielsweise der Eiserne Mann in einem Waldstück bei Bonn seit langer Zeit der Witterung und der Bodenfeuchte ausgesetzt, ohne dass auffällige Korrosionserscheinungen erkennbar wären.
  2. hegi.ch (PDF)
  3. Metalock Engineering Germany. In: Hannes Hesse, Florian Langenscheidt, Hartmut Rauen (Hrsg.): Encyclopaedia of German Mechanical Engineering – The Best of German Engineering. VDMA-Verlag, Frankfurt am Main 2013, ISBN 978-3-8163-0628-3, S. 521–523.
  4. Patent DE1136163: Druckdichte Verbindung von gerissenen oder gebrochenen Werkstücken aus gegossenen Eisenwerkstoffen, insbesondere Grauguss. Veröffentlicht am 15. Oktober 1957, Erfinder: Rolf Joeres.