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2 Gusseisen Cast Iron
2 Das Gusseisen
Der Begriff Gusseisen ist ein Sammelbegriff für alle
Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit mindestens 2 %
Kohlenstoff und weiteren Legierungsbestandteilen,
insbesondere Silicium. Man unterscheidet grund-
sätzlich graphitische Gusseisen (graues Gusseisen
oder Grauguss, auch Gusseisen mit Lamellengraphit
genannt, ferner Gusseisen mit Kugelgraphit und
Gusseisen mit Vermiculargraphit), welche alle eine
graue Bruchfläche haben, sowie Tempergusseisen
(Temperrohguss) und Hartguss, die weiß erstarren
und eine weiße Bruchfläche besitzen.
Gusseisen wird durch Zusammenschmelzen der
Rohstoffe (Roheisen Stahlschrott, Kreislaufmaterial
und möglicherweise Gussbruch sowie weiterer
Zusätze) im Kupolofen oder Elektroofen erzeugt.
Nach dem Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff
unterscheidet man zwischen dem stabilen Fe-C-Sys-
tem (Eisen-Graphit) und dem metastabilen Fe-Fe3C-
System (Eisen-Zementit).
Um je nach dem beabsichtigten Verwendungs-
zweck Grau- oder Weißerstarrung zu erzielen, muss
das Gusseisen bei der gießtechnisch jeweils gege-
benen Abkühlgeschwindigkeit entsprechend zusam-
mengesetzt sein. Diese Bedingung zielt im Wesentli-
chen auf eine Beeinflussung des Intervalls zwischen
der stabilen und der metastabilen eutektischen
Gleichgewichtstemperatur ab (Bild 2). So wird bei-
spielsweise durch Silicium dieses Intervall aufge-
weitet, so dass die Schmelze auch bei stärkerer
2 Cast Iron
The definition of cast iron is a collective term for all
iron-carbon-alloys containing 2 % of carbon in mini-
mum and other alloying elements in particular sili-
con. A distinction is to be made between graphite
cast iron (grey iron or grey cast iron, also called
lamella cast iron, further on nodular iron and com-
pacted/vermicular graphite iron) which all are char-
acterized by a grey fracture area as well as malleable
cast iron and chilled cast iron the solidification of
which results in a white structure and which have a
white fracture area.
Cast iron is generated by melting down the raw
materials (pig iron, steel scrap, returns and possibly
cast iron scrap, as well as additions) in the cupola or
electric furnace.
According to the iron-carbon phase diagram (figu-
re 1) a distinct is made between the stable sytem Fe-
C (iron-graphite) and the metastable system Fe-Fe3C
(iron-cementite).
To achieve grey solidification or white solidificati-
on according to the intended purpose, the cast iron
must be composed according to the cooling rate
depending on the pouring technique. This condition
is aimed essentially at influencing the interval bet-
ween the stable and the metastable eutectic equili-
brium temperature (figure 2). For example silicon is
able to enlarge this interval so that the melt will cer-
tainly solidify grey in spite of more intensive under-
cooling. If white solidification is intended the iron is
Bild 1. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm; links: metastabiles Sys-tem, rechts: stabiles System [1]
Figure 1. Iron-Carbon-phase-diagram; above: metastable sys-tem; below: stable sytem [1]
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2 Gusseisen Cast Iron
Unterkühlung noch mit Sicherheit grau erstarrt.
Umgekehrt wird, wenn Weißerstarrung beabsichtigt
ist, die Eisenzusammensetzung so gewählt, dass
das Intervall der beiden eutektischen Temperaturen
gering ist.
Die Bereitschaft zur Grau- bzw. Weißerstarrung
hängt aber nicht nur von der Eisenzusammenset-
zung allein, sondern von der Abkühlungsgeschwin-
digkeit und damit auch von den Gussstückwand-
dicken ab.
Die in Bild 3, Bild 5 und Bild 7 dargestellten
Abkühlkurven machen dies deutlich. Bei höherer
Abkühlgeschwindigkeit kann das Eisen bis unter die
Temperatur des metastabilen Systems Eisen-Zemen-
composed in such way as to ensure that the interval
between both eutectic temperatures (stable and
metastable) is low.
The option to grey solidification or white solidifi-
cation depends not only on the iron composition,
but on the cooling rate and on the casting wall thick-
nesses along with it.
The cooling curves shown in figure 3, figure 5 and
figure 7 elucidate this fact. Higher cooling rates enab-
le the iron to cool down under the temperature of the
metastable system iron-cementite obtaining the iron
carbide (Fe3C) formation. This applies to thinner
cross sections and to casting edges (so called edge
hardness as a result of carbide precipitaion).
Bild 2. Unterschied zwischen den eutektischen Temperatu-ren des stabilen und des metastabilen Systems [2]
Figure 2. Difference between the eutectic temperatures ofthe stable and the metastable system [2]
Bild 3. Abkühlkurve eines meliert erstarrten Gusseisens [2]
Figure 3. Cooling curve of a mottled solidified cast iron [2]
Bild 4. Gefüge eines meliert erstarrten Gusseisens, 100:1,geätzt
Figure 4. Structure of a mottled solidified cast iron, 100:1,etched
Bild 5. Abkühlkurve eines vollständig weiß erstarrten Guss-eisens [2]
Figure 5. Cooling curve of a completely white solidified castiron [2]
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2 Gusseisen Cast Iron
tit abkühlen, so dass sich Eisencarbid (Fe3C) zu bil-
den vermag; dies trifft vor allem in dünneren Quer-
schnitten und an Gussstückkanten zu (sog. Kanten-
härte infolge Carbidausscheidung). Wird bei der
eutektischen Reaktion viel Wärme frei, kann die Tem-
peratur der Restschmelze wieder über die eutekti-
sche Temperatur des metastabilen Systems steigen
und Grauerstarrung auslösen (Bild 3). Das Ergebnis
ist ein meliertes, weiß-grau erstarrtes Gefüge, wie in
Bild dargestellt.
Bleibt es jedoch bei der Weißerstarrung unterhalb
der eutektischen Temperatur des metastabilen Sys-
tems (Bild 5), erhält man das Gefüge eines typisch
weißen Gusseisens (Bild 6).
Carbide können auch erst später, gegen Ende des
Erstarrungsvorganges, gebildet werden. Mit fort-
schreitender eutektischer Erstarrung wird in der
Regel genügend Wärme frei, um die Temperatur
anzuheben (Rekaleszenz), aber gegen Ende der
Erstarrung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab,
und die Temperatur beginnt wieder zu fallen. Dabei
kann es vorkommen, dass die verbleibende Rest-
schmelze unter die eutektische Temperatur des
metastabilen Systems abkühlt und Carbide gebildet
werden (Bild 7). Sie bauen sich an den Grenzen der
bereits gewachsenen eutektischen Körner auf (Bild
8) und werden als Korngrenzencarbide bezeichnet.
Außerdem spielt der Keimbildungszustand der
Schmelze eine bedeutende Rolle. Dazu gehört
neben der Schmelzweise (Aufschmelzen, Überhit-
zen, Halten) auch das Impfen.
Durch Impfen wird die Zahl der Keime für die Kris-
tallisation des Graphiteutektikums erhöht und so
If the eutectic reaction releases a lot of heat, the
temperature of the remaining melt can rise again
above the eutectic temperature of the metastable
system and obtain grey solidification (figure 3). This
resulted in a mottled, white-grey solidified structure,
as shown in figure 4.
If the white solidification below the eutectic tem-
perature of the metastable system (figure 5)
remains, the structure of a typically white cast iron
(figure 6) is received.
Carbides can be formed later on, near to the end of
the solidification. With progressive eutectic solidifi-
cation usually enough heat is released to raise the
Bild 6. Gefüge eines weiß erstarrten Gusseisens, 100:1,geätzt
Figure 6. Structure of white solidified cast iron, 100:1,etched
Bild 7. Abkühlkurve eines grau-weiß erstarrten Gusseisensmit Korngrenzencarbiden [2]
Figure 7. Cooling curve of a grey/white solidified cast ironwith intergranular carbides [2]
Bild 8. Gefüge eines grau erstarrten Gusseisens mit Korn-grenzencarbiden, 100:1, geätzt
Figure 8. Structure of a grey solidified cast iron with intergra-nular carbides, 100:1, etched
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2 Gusseisen Cast Iron
die Schrecktiefe verringert und eine Kornfeinung des
eutektischen Gefüges erreicht, die ihrerseits die Fes-
tigkeitseigenschaften im Gussstück verbessert.
Die älteste Gruppe der Eisengusswerkstoffe ist
das Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss) mit
perlitischer oder ferritisch-perlitischer Grundmasse
und Graphitlamellen in sehr unterschiedlicher Grö-
ße. Die Zugfestigkeit dieses Werkstoffes liegt zwi-
schen 100 und 400 N/mm2, allerdings weist er fast
keine Dehnung auf, besitzt aber andererseits den
großen Vorteil einer relativ geringen Erstarrungs-
schwindung von etwa nur 1 %. Wird die lamellare
Ausbildungsform vermieden und der Kohlenstoff
mehr in Knoten- oder Kugelform erzeugt, so steigen
die Festigkeitseigenschaften an; im Besonderen
aber erhält man Werkstoffe mit viel besserer Zähig-
keit.
Während die Herstellung des Tempergusses, in
welchem der elementare Kohlenstoff knoten- bis
kugelförmig vorliegt, schon ein sehr lange geübtes
Verfahren darstellt, ist die betriebsmäßige Erzeu-
gung von Gusseisen mit Kugelgraphit erst seit etwas
mehr als fünf Jahrzehnten allgemein in Anwendung.
Die beiden letztgenannten Werkstoffe unterschei-
den sich vor allem im Siliciumgehalt, der beim Tem-
perguss bei rund 1 %, beim Gusseisen mit Kugelgra-
phit üblicherweise zwischen 2 und 3 % liegt. Die Fes-
tigkeits- und Zähigkeitswerte erreichen bei beiden
Werkstoffen dieselbe Größenordnung und können
außerdem durch Legierungszusätze und Wärmebe-
handlungen weitgehend variiert werden. Auf alle Fäl-
le liegen sie bei vergleichbarer Grundmasse weit
über den Eigenschaftswerten des üblichen Gussei-
sens mit Lamellengraphit.
Um eine sphärolithische Graphitausbildung zu
erreichen, ist bei technischen Eisen-Kohlenstoff-
Legierungen normalerweise eine „Modifizierung“
der Schmelze durch eine besondere Behandlung
notwendig. Dies kann entweder durch eine Reini-
gung und Entgasungsbehandlung der Schmelze im
Hochvakuum oder, wie in der Praxis üblich, durch
Zusatz von gewissen reaktiven Metallen, üblicher-
weise durch Magnesium, erreicht werden. Gewisse
Verunreinigungen, so genannte Störelemente, kön-
nen die Kugelbildung verhindern. Beide Verfahren
laufen auf eine Erniedrigung der Gehalte dieser stö-
renden Spurenelemente, insbesondere der Elemen-
te Schwefel und Sauerstoff, hinaus.
Vermiculargraphit entstand ursprünglich als uner-
wünschte Graphitform bei der Herstellung von Guss-
eisen mit Kugelgraphit bei ungenügender oder
bereits wieder abklingender Behandlung mit kugel-
bildenden Zusätzen.
temperature (recalescence), but near to the end of
the solidification the reaction velocity and the tem-
perature start to decrease again. At this point the
remaining melt can cool down under the eutectic
temperature of the metastable system and carbides
are formed (figure 7). They are situated on the bor-
ders of the already grown eutectic grains (figure 8)
and are designated as intergranular carbides.
In addition, the state of nucleation of the melt
plays a significant part. Beside that the different
steps of melting (melting, overheating, holding) are
included as well as inoculation.
The number of nuclei for the crystallization of the
graphite eutectic is raised by inoculation and thus
the chill depth is reduced. A grain refining is obtained
improving the mechanical properties of the casting.
The oldest group of the cast iron materials is the
cast iron with lamella graphite (grey iron) with pear-
litic or ferritic-pearlitic matrix and graphite lamella in
very different sizes. The tensile strength of this mate-
rial achives a level between 100 and 400 N/mm2,
indeed, it shows almost no elongation, but has the
advantage of a relatively low contration of only 1%
during solidification. If the lamella structure is avoi-
ded and the carbon is generated more in knot or
nodular form, the mechanical properties rise; in par-
ticular material with much better toughness is achie-
ved.
The production of the malleable cast iron in which
the elementary carbon is knot-shaped or spherically
shaped is a very long trained and established pro-
cess, while the production according to cast iron
with spheroidal graphite has only been in applicati-
on for slightly more than five decades. The silicon
content of both previously mentioned materials dif-
fers between 1 % for the malleable cast iron and 2 %
- 3 % in case of the spheroidal graphite iron. The
material properties and toughness of both materials
achive the same order and, in addition, can be
varied by additions of alloys and heat treatments to
quite a great extent. In any case both materials, with
comparable matrix structure, achive property values
well over those of the usual cast iron with lamellar
graphite.
To obtain spheroidal graphite for technical iron-
carbon-alloys, ordinarily a „modification“ of the melt
with a special treatment is necessary. This can be
reached either by a cleaning and degassing treat-
ment of the melt under vacuum or, like in practice
commonly, by the addition of certain reactive
metals, usually by magnesium. Certain impurities,
so-called detrimental elements, can prevent the
spheric formation of the carbon. Both processes
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2 Gusseisen Cast Iron
Aus den Arbeiten von H. Morrogh 1948 [3] war
bereits bekannt, dass bei geringen Zusätzen von Cer
die ideale Kugelform des Graphits nicht erzielt wur-
de. Es bildeten sich verdickte, abgerundete Graphit-
lamellen mit kleinen Abmessungen, die eine „würm-
chenförmige“ Gestalt aufwiesen. 0. K. Donoho [4]
und später R. D. Schelleng [5] nannten diese Graphit-
form Vermiculargraphit (vermiculus = Würmchen).
Der gezielte Einsatz dieses Gusseisens dürfte erst-
mals 1955 von J. W. Estes und R. Schneidewind [6]
vorgeschlagen worden sein. Die betriebssichere Her-
stellung war erst viel später möglich, nachdem
geeignete Schmelzbehandlungsverfahren [7, 8] ent-
wickelt worden waren. Gusseisen mit Vermiculargra-
phit findet heute zunehmend im Motorenbau Ver-
wendung [9, 10]. Es ist aufgrund seiner Eigenschaf-
ten ein Bindeglied zwischen Gusseisen mit Lamel-
lengraphit (GJL) und Gusseisen mit Kugelgraphit
(GJS). Hohe Zugfestigkeit von über 400 N/mm2, 2 bis
6 % Bruchdehnung, gute Wärmeleitfähigkeit und
gute Gießbarkeit sind kennzeichnende Eigenschaf-
ten von Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV).
Die Wirkung der Kugelgraphit erzeugenden Ele-
mente auf das Kristallwachstum war und ist Gegen-
stand zahlreicher Untersuchungen und auch die Aus-
bildungsformen des Kohlenstoffes wurden einge-
hend untersucht. Vor allem durch den Einsatz moder-
ner Untersuchungsverfahren (Rasterelektronenmikro-
skopie, EDX-Analysen usw.) gelang es nachzuweisen,
dass alle Graphitformen aus hexagonalen Graphit-
plättchen mit Durchmessern von einigen Mikron und
einer Dicke von einigen Zehntel Mikron aufgebaut
sind und dass sich die zahlreichen Graphitformen im
technischen Gusseisen nur durch die verschiedene
Anordnung dieser Plättchen unterscheiden.
Während beim grauen Gußeisen der Graphit z. T.
aus der Schmelze, z. T. während der Abkühlung aus-
geschieden wird, wird beim Temperguss das Eisen-
karbid erst nachträglich durch eine besondere Lang-
zeitglühung zum Zerfall gebracht. Der entstehende
Graphit sammelt sich zu charakteristischen Knoten
und führt den Namen Temperkohle.
Man unterscheidet dabei nach dem makroskopi-
schen Bruchaussehen den weißen (GJMW) und den
schwarzen (GJMB) Temperguss.
Bei Gussstücken aus entkohlend geglühtem wei-
ßem Temperguss ist die Gefügeausbildung von den
Wanddicken abhängig. Die Ausbildungsform der
Randzone wird durch die Glühdauer und die Zusam-
mensetzung der Glühatmosphäre bestimmt. Nicht
entkohlend geglühter schwarzer Temperguss hat ein
von seinen Wanddicken weitgehend unabhängiges
Gefüge, das über den ganzen Querschnitt ein-
lead to a decrease in the contents of these detrimen-
tal elements, in particular of sulphur and oxygen.
Vermicular/compacted graphite iron originated
originally as an undesirable graphite shape during
the production of spheroidal graphite cast iron with
insufficient or already fading treatment with noduli-
zers.
From the works of H. Morrogh in 1948 [3] it was
already known that with low additions of cerium the
ideal spheroidal shape of the graphite had not been
achieved. Thickened, rounded graphite lamellae
were formed with small dimensions which show a
“worm-shaped“ formation. 0. K. Donoho [4] and
later on R. D. Schelleng [5] called these graphite for-
mation vermicular graphite (vermiculus = mite,
worm). The specific introduction of this cast iron
would have been suggested for the first time in 1955
by J. W. Estes and R. Schneidewind [6]. The reliable
production was possible much later, after suitable
treatment processes [7,8] had been developed.
Today cast iron with vermicular graphite finds increa-
sing application in the engine castings [9, 10].
Cast iron with vermicular graphite (GJV) is a con-
nection between cast iron with lamella graphite (GJL)
and spheroidal graphite iron (GJS) on account of its
properties. A high tensile strength of more than 400
N/mm2, 2 to 6 % of elongation (after fracture), good
thermal conductivity and good castability are cha-
racteristic properties of cast iron with vermicular gra-
phite.
The effect of the nodulizers on the crystal growth
was and is an object of numerous investigations and
also the different formations of the carbon were
examined thoroughly. Above all, the inset of modern
investigation processes (scanning electron micros-
copy, EDX analysis etc.) succeeded in proving that all
graphite formations base on hexagonal graphite
panels with diameters of some microns and a thick-
ness by some tenths micron. Furthermore, it was
detected that the numerous graphite formations in
technical cast iron differ only by the different arran-
gement of these panels.
The graphite of the grey iron precipitated partly
from the melt and partly during cooling while the
iron carbide of the malleable cast iron disintergrated
after a special long term annealing. In the case of
grey cast iron the graphite is eliminated partly from
the melt, partly during cooling. In contrast the iron
carbide of the malleable cast iron can be decompo-
sed only afterwards by a special long term anne-
aling. The originated graphite gathers to typical
knots and leads to the name temper carbon.
According to the macroscopic fracture appearance
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2 Gusseisen Cast Iron
schließlich der Randzone gleich ist und neben Ferrit
und/oder Perlit bzw. Vergütungsgefüge auch Tem-
perkohle enthält.
Der weiße Temperguss weist auf Grund seiner gra-
phitfreien Grundmasse ein helles Bruchaussehen
auf und wird so hergestellt, dass weiß erstarrtes
Gusseisen in einem sauerstoffabgebenden Mittel
bei 1000 °C 60 bis 120 Stunden geglüht wird.
Bei Hartguss verläuft die Erstarrung nach dem
metastabilen System. Das sich dabei bildende
Eutektikum aus Austenit und Zementit wird Ledebu-
rit genannt. Die hohe Härte dieses Zementits gibt der
Legierung seinen Namen. Da der Bruch von Hart-
guss, ähnlich wie der von weißem Temperguss, weiß
aussieht, spricht man auch von weißem Gusseisen.
Da sich heute die Verwendung von Hartguss auf ein
verhältnismäßig begrenztes Verwendungsgebiet
beschränkt, wird im Weiteren nicht näher auf diesen
Werkstoff eingegangen.
Eine generelle Übersicht über die Eisen-Kohlen-
stoff-Gusswerkstoffe zeigt Bild 9.
there is a difference to be made between the white
(GJMW) and the black (GJMB) malleable cast iron.
The structure from decarburised annealed white
malleable castings depends on the wall thicknesses.
The formation of the peripheral zone is determined
by the annealing time and the composition of the
annealing atmosphere. Non-decarburised annealed
black malleable castings have a structure indepen-
dent of the wall thicknesses which is equal throug-
hout the whole cross section including the periphe-
ral zone. Beside ferrite and/or pearlite or tempered
structure it also contains temper carbon.
The white malleable cast iron shows a bright
fracture appearance because the matrix structure is
free of graphite. For that white solidified cast iron is
annealed in an oxygen-containing atmosphere at
1000 °C from 60 up to 120 hours.
The solidification of chilled cast iron occurs after
the metastable system. The generated eutectic, con-
sisting of austenite and cementite, is called Ledebu-
rit. The name of this alloy is based on the high hard-
ness value of this cementite. Because the fracture of
chilled cast iron also looks white like that of white
malleable cast iron, it is called white cast iron. But
today the use of chilled cast iron is limited, so this
material is not dealt with in more details.
A general overview about the iron carbon materi-
als is given in figure 9.
Bild 9. Übersicht der Gusswerkstoffe auf Eisenbasis [11] Figure 9. Overview of the casting materials on iron basis [11]
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2 Gusseisen Cast Iron
Schrifttum
[1] Weißbach, W.: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, ViewegVerlag, 1988.
[2] Hasse. S.: GIESSEREI-LEXIKON, Fachverlag Schiele & Schön,Berlin 2002.
[3] Morrogh, H.: American Foundryman, April 1948.[4] Donoho, C. K.: Trans. Amer. Foundrym. Soc. 69, 1961.[5] Schelleng, R. D.: AFS-Cast Metals, Mßrz 1967.[6] Estes, L. W., R. Schneidewind: Trans. Amer. Foundrym. Soc. 63,
1955.[7] SinterCast, Europ. patent Nr. 0 192 764 B1, 1989.[8] Dawson, S., M. Lampic, Materialwiss. und Werkstoff. 29, 1998,
Nr. 8.[9] Junk, H., W. Lenz: Zylinderkurbelgehäuse für die Großserie, VDI-
Bericht Nr. 1830, 2005.[10] Langmayr, F., M. Howlett, W. Schöffmann: Zylinderkopf-Konzep-
tion in Abhängigkeit der Werkstoffauswahl, VDI Werkstofftech-nik Fachtagung 25. und 26. Oktober 2006, Vortrag Nr. 8.
[11] konstruieren+gießen 8 (1983) Nr. 1/2.
Literature
[1] Weißbach, W.: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, ViewegVerlag, 1988
[2] Hasse. S.: GIESSEREI-LEXIKON, Fachverlag Schiele & Schön,Berlin 2002
[3] Morrogh, H.: American Foundryman, April 1948[4] Donoho, C. K.: Trans. Amer. Foundrym. Soc. 69, 1961[5] Schelleng, R. D.: AFS-Cast Metals, März 1967[6] Estes, L. W., R. Schneidewind: Trans. Amer. Foundrym. Soc. 63,
1955[7] SinterCast, Europ. patent Nr. 0 192 764 B1, 1989[8] Dawson, S., M. Lampic, Materialwiss. und Werkstoff. 29, 1998,
Nr. 8 [9] Junk, H., W. Lenz: Zylinderkurbelgehäuse für die Großserie, VDI-
Bericht Nr. 1830, 2005[10] Langmayr, F., M. Howlett, W. Schöffmann: Zylinderkopf-Konzep-
tion in Abhängigkeit der Werkstoffauswahl, VDI Werkstofftech-nik Fachtagung 25. und 26. Oktober 2006, Vortrag Nr. 8
[11] konstruieren+gießen 8 (1983) Nr. 1/2.