Gusseisen vs. Stahlguss: So wählen Sie das richtige Material für Ihre Gussteile aus

Wo die Grenze verläuft – Kohlenstoff und die beiden Metallfamilien

Der Unterschied zwischen Gusseisen und Stahlguss lässt sich auf eine einzige Zahl zurückführen: 2%-Kohle. Unterhalb dieses Schwellenwerts befinden wir uns im Bereich des Stahls. Kohlenstoff löst sich in der Eisenmatrix auf und bildet so einen zähen, duktilen Werkstoff. Oberhalb dieses Schwellenwerts kann der Kohlenstoff nicht mehr gelöst bleiben. Er scheidet als Graphit aus, und das Verhalten des Metalls wechselt vom “Stahlmodus” in den “Gusseisenmodus”.”

Dies ist keine willkürliche Grenze. Sie ergibt sich aus dem Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm: Bei 1.148 °C kann Austenit (die Hochtemperaturphase von Eisen) maximal 2,11 Gew.-% Kohlenstoff in fester Lösung binden (ASM International, 2019). Jeder Kohlenstoff, der diesen Grenzwert überschreitet, bildet beim Erstarren eine eigene Graphit- oder Karbidphase. Und genau dieser Graphit verleiht Gusseisen seine charakteristischen Eigenschaften: hervorragende Schwingungsdämpfung, natürliche Schmierfähigkeit bei Gleitkontakt und eine Sprödigkeit, die Stahl einfach nicht aufweist.

Stellen Sie sich das so vor, als würde sich Zucker in Wasser auflösen. Rührt man einen Teelöffel in heißes Wasser, verschwindet er – genau das ist Kohlenstoff in Stahl. Fügt man weiterhin Zucker hinzu, bis der Sättigungspunkt überschritten ist, setzen sich Kristalle am Boden ab. Bei Gusseisen sind diese “Kristalle” Graphitflocken oder -knötchen, und sie verändern grundlegend, wie das Metall auf Belastung, Hitze und den Lauf der Zeit reagiert.

Der Stammbaum von Gusseisen und Stahlguss

Wenn Sie eine Sache aus diesem Artikel mitnehmen, dann soll es diese sein: “Gusseisen” und “Gussstahl” sind keine zwei Werkstoffe – es handelt sich um zwei Werkstofffamilien. Die Unterschiede innerhalb einer Familie können größer sein als die Unterschiede zwischen den einzelnen Familien.

Duktiles Gusseisen gehört beispielsweise zur Familie der Gusseisen, kann jedoch Zugfestigkeiten von über 600 MPa bei einer Dehnung von bis zu 18% erreichen. Diese Leistungsmerkmale überschneiden sich mit denen von Stahlguss mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Grauguss, sein Verwandter aus derselben Familie, bricht bereits bei einer Dehnung von weniger als 1%. Alle Gusseisen als “spröde” und alle Gussstähle als “zäh” zu betrachten, ist eine Vereinfachung, die zu falschen Entscheidungen führt.

Die folgende Tabelle weist jedem Untertyp eine eigene Bezeichnung zu. Merkt euch diese nicht auswendig. Nutzt sie als Nachschlagewerk, um die Bandbreite der Optionen zu verstehen, die sich hinter der Kurzbezeichnung “Eisen vs. Stahl” verbirgt.

Der Kostenvergleich ist relativ – bei gleichem Gewicht und gleicher Komplexität. Die tatsächlichen Teilekosten hängen zudem von der Bestellmenge, den Toleranzanforderungen und der Nachbearbeitung ab.

Direkter Vergleich – Wie sich Gusseisen und Stahlguss tatsächlich unterscheiden

Bevor man sich mit den einzelnen Eigenschaften befasst, ist es hilfreich, die zu vergleichenden Aspekte in drei Ebenen zu gliedern. Mechanik Diese Eigenschaften geben Aufschluss darüber, ob das Bauteil seinen ersten Tag im Einsatz übersteht: Festigkeit, Härte, Zähigkeit. Sach- und Dienstleistungsversicherung Anhand dieser Eigenschaften lässt sich erkennen, wie lange das Produkt hält und wie es sich in seiner Einsatzumgebung verhält: Verschleiß, Dämpfung, Korrosion, Temperaturbeständigkeit. Fertigungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit Ihnen Aufschluss darüber geben, ob das Bauteil zu Kosten hergestellt werden kann, die Ihr Projekt verkraften kann: Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit und Stückpreis. Alle drei Aspekte sind von Bedeutung. Ingenieure, die sich nur auf die mechanischen Eigenschaften beschränken, entwickeln regelmäßig Konstruktionen, die zwar technisch einwandfrei, aber wirtschaftlich nicht tragfähig sind.

Mechanische Eigenschaften – Festigkeit, Härte und der Kompromiss zwischen Festigkeit und Sprödigkeit

Die Frage, die sich jeder Ingenieur als Erstes stellt: “Was ist stärker?” Die Antwort hängt ganz davon ab, welche Art von Festigkeit gemeint ist.

Bei Zugbeanspruchung dominiert Stahlguss. Ein typischer Stahlguss mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (ASTM A216, Güteklasse WCB) weist eine Zugfestigkeit von 485–655 MPa auf (ASTM International). Grauguss (ASTM A48 Klasse 30) erreicht etwa 207 MPa. Das ist ein Unterschied um das 2- bis 3-Fache. Aber Bei der Komprimierung kehrt sich die Situation um. Die Druckfestigkeit von Grauguss kann das 3- bis 4-fache seiner Zugfestigkeit erreichen, was bei einem Guss der Klasse 30 etwa 600–800 MPa entspricht, da die Graphitflocken, die bei Zugbeanspruchung als Spannungskonzentratoren wirken, unter reiner Druckbeanspruchung weitgehend unschädlich sind. Die Druckfestigkeit von Stahlguss hingegen entspricht in etwa im Verhältnis 1:1 seiner Zugfestigkeit.

Die praktische Konsequenz: Bei einem Werkzeugmaschinenbett, das fast ausschließlich auf Druck beansprucht wird, gibt es keinen Grund, den Aufpreis für Stahlguss in Kauf zu nehmen. Bei einem Fahrwerksbauteil, das zyklischen Zug- und Biegebelastungen sowie gelegentlichen Stößen ausgesetzt ist, gibt es hingegen allen Grund, Grauguss zu vermeiden. Ein Sprödbruch im Betrieb ist keine Ausfallart, mit der man Kompromisse eingehen kann.

Duktiles Gusseisen liegt zwischen diesen beiden Werkstoffen, und genau deshalb sollten Sie diese Entscheidung niemals treffen, ohne zuvor zu prüfen, ob Sphäroguss für die jeweilige Anwendung geeignet ist. ASTM A536, Güteklasse 60-40-18, bietet eine Zugfestigkeit von 414 MPa bei einer Dehnung von 18%. Mit diesen Werten steht es in direkter Konkurrenz zu kohlenstoffarmem Stahlguss – und das bei etwa zwei Dritteln der Materialkosten.

Stellen Sie sich den Unterschied folgendermaßen vor: Grauguss ist wie ein Keks. Er ist stabil, wenn man ihn gerade nach unten drückt, aber wenn man ihn seitlich biegt, bricht er glatt durch. Stahlguss ist wie ein Stück Hartgummi – man kann daran ziehen und es verbiegen, und es verformt sich, bevor es versagt. Sphäroguss ist wie ein Keks mit Faserverstärkung. Er bricht zwar immer noch, aber nicht so leicht.

Physikalische Eigenschaften und Gebrauchseigenschaften – Verschleiß, Dämpfung, Korrosion und Temperatur

Sobald ein Bauteil die Konstruktionskalkulation verlässt und in die Praxis gelangt, sind die Eigenschaften, die seine Lebensdauer bestimmen, selten dieselben, die ausschlaggebend für die ursprüngliche Materialauswahl waren.

Verschleißfestigkeit ist der verborgene Vorteil von Grauguss. Die in seiner Mikrostruktur eingebetteten Graphitflocken wirken als Festschmierstoff: Sie lassen sich leicht abscheren, verteilen sich auf den Gleitflächen und sorgen über einen weiten Temperaturbereich hinweg für einen stabilen Reibungskoeffizienten zwischen 0,3 und 0,4. Deshalb bestehen Bremsscheiben und -trommeln fast ausnahmslos aus Grauguss. Das ist auch der Grund, warum Zerspaner Maschinentische aus Gusseisen bevorzugen: Das Graphit im Werkstück schmiert das Werkzeug beim Schneiden.

Schwingungsdämpfung Hier übertrifft Grauguss alle anderen Eisen-Gusswerkstoffe bei weitem. Gemessen an der spezifischen Dämpfungsfähigkeit leitet Grauguss pro Zyklus 20–500 × 10⁻⁴ Einheiten Schwingungsenergie ab, verglichen mit nur 1–4 Einheiten bei Gusskohlenstoffstahl (Atlas-Gießerei). Das entspricht einem Vorteil von 10–100×. Aus diesem Grund sind Präzisionswerkzeugmaschinenbetten, Motorblöcke und Sockel von Messgeräten durch Stahl im Grunde nicht zu ersetzen. Die Graphitflocken erzeugen lokale Zonen mit Mikroplastizität, die mechanische Schwingungen in Wärme umwandeln – ein Dämpfungsmechanismus, den Stahl nicht nachbilden kann.

Korrosionsbeständigkeit ist differenzierter, als die meisten Vergleichstabellen vermuten lassen. Sowohl Grauguss als auch unlegierter Kohlenstoffstahl rosten, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Bei atmosphärischer Einwirkung hat Gusseisen einen leichten Vorteil, da es eine dichtere, besser haftende Oxidschicht bildet. In chemisch aggressiven Umgebungen ist jedoch keines der beiden Materialien geeignet. Edelstahlguss (CF8, CF8M) oder legierte Stähle mit einem Chromgehalt von ≥11% sind die richtige Wahl, wenn Korrosionsbeständigkeit eine Konstruktionsanforderung ist, und diese Materialien gehören eindeutig zum Bereich des Stahlgusses.

Temperaturgrenzen eine klare Grenze ziehen. Gussteile aus Kohlenstoffstahl (ASTM A216 WCB) sind für den Dauerbetrieb bis zu etwa 540 °C ausgelegt. Grauguss beginnt sich oberhalb von 400 °C zu zersetzen, da sich die Perlitmatrix auflöst, was zu einem irreversiblen Volumenwachstum führt. Für Hochtemperaturventile, Pumpen und Turbinenkomponenten sind Stahlgusslegierungen (WC6, WC9 oder rostfrei) die einzige Option.

So lässt sich die Dämpfung veranschaulichen: Wenn man eine Stahlglocke läutet, erklingt ihr Klang noch einige Sekunden lang. Schlägt man mit demselben Hammer auf einen Amboss aus Gusseisen, verstummt der Klang sofort. Genau diese “Dämpfung” ist es, die man sich bei einem Maschinenbett wünscht. Jede Schwingung, die vom Gussteil absorbiert wird, ist eine Schwingung, die sich nicht als Bearbeitungsfehler auf Ihrem Werkstück bemerkbar macht.

Fertigungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit – Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit und Kosten

Die Materialkosten pro Kilogramm sind die auffälligste Zahl in einem Angebot. Oft sind sie jedoch für einen echten Vergleich am wenigsten aussagekräftig.

In puncto Gießbarkeit hat Gusseisen eindeutig die Nase vorn. Grauguss schmilzt bei 1.150–1.250 °C. Das sind 200–350 °C weniger als die Gießtemperatur von 1.540–1.620 °C bei Stahlguss, was geringere Energiekosten, weniger Verschleiß am Ofen und eine längere Lebensdauer der Gussformen bedeutet. Noch wichtiger ist, dass Gusseisen aufgrund seiner höheren Fließfähigkeit bei der Gießtemperatur auch dünne Wandstärken und komplexe Geometrien ausfüllen kann, mit denen Stahlguss Schwierigkeiten hat. Die lineare Schrumpfung von Grauguss während der Erstarrung beträgt etwa 1%, verglichen mit etwa 2,5% bei Stahlguss. Stahlgussteile benötigen größere Angusskanäle, eine aufwendigere Angussgestaltung und weisen aufgrund von Schrumpfungsfehlern höhere Ausschussquoten auf.

Bearbeitbarkeit Das gilt auch für Gusseisen, und der Grund dafür ist dasselbe Graphit, das es spröde macht. Graphitflocken wirken beim Zerspanen als Spanbrecher und als integriertes Schmiermittel, wodurch der Werkzeugverschleiß verringert wird und höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich sind. Die Bearbeitung eines Stahlgussteils mit derselben Geometrie kann hinsichtlich Werkzeugkosten und Zykluszeit 30–50% teurer sein.

Schweißbarkeit ist der entscheidende Vorteil von Stahlguss. Dank seines niedrigeren Kohlenstoffäquivalents lässt sich Stahlguss mit Standardverfahren problemlos schweißen. Das Schweißen von Gusseisen ist zwar möglich, bleibt jedoch ein hochqualifizierter Arbeitsgang. Es erfordert eine Vorwärmung auf 260–650 °C (abhängig vom Kohlenstoffäquivalent und der Wandstärke), Schweißzusätze auf Nickelbasis sowie eine kontrollierte, langsame Abkühlung. Selbst dann ist die Wärmeeinflusszone anfällig für Risse. Wenn Ihre Konstruktion für die Installation oder Reparatur Schweißarbeiten vor Ort erfordert, kommt Gusseisen im Grunde nicht in Frage.

Kosten: Das Gesamtbild. Grauguss ist als Rohstoff in der Regel 20–30% pro Kilogramm günstiger als Kohlenstoffstahl. Der Kostenvorteil bei der Verarbeitung (einfacheres Schmelzen, schnellere Bearbeitung, weniger Angussmaterial) vergrößert diesen Abstand noch weiter. Doch niedrigere Stückkosten bedeuten nicht automatisch niedrigere Gesamtkosten. Ein Stahlgussteil, das einen Bearbeitungsschritt überflüssig macht, eine fünfmal längere Lebensdauer aufweist oder einen katastrophalen Ausfall im Einsatz verhindert, kann weitaus niedrigere Lebenszykluskosten verursachen als eine kostengünstigere Alternative aus Grauguss. Die Materialauswahl gehört in denselben Diskussionsrahmen wie der Fertigungs- und Qualitätsplan und nicht in eine separate Beschaffungs-Tabelle.

Stellen Sie sich das einmal so vor: Wenn man Gusseisen statt Stahlguss kauft, nur weil der Preis pro Kilogramm niedriger ist, ist das so, als würde man einen Baustoff wählen, nur weil die Ziegel billiger sind. Dabei werden der Arbeitsaufwand für das Verlegen, die Bauzeit und die Lebensdauer der Mauer außer Acht gelassen.

Warum der Gussprozess für die Materialauswahl entscheidend ist

Die meisten Artikel zum Thema “Gusseisen vs. Stahlguss” beschränken sich auf die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften. Gießereitechniker wissen jedoch etwas, was in Vergleichstabellen nicht berücksichtigt wird: Der gleiche Werkstoff, der in unterschiedlichen Gussverfahren verarbeitet wird, führt zu Bauteilen mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften.

Die Abkühlgeschwindigkeit ist die unsichtbare Hand. Grauguss, der in eine Sandform gegossen wird, kühlt mit etwa 1 °C pro Sekunde ab und bildet dabei grobe Graphitflocken in einer ferritischen Matrix: weich, stark gedämpft und relativ schwach. Die gleiche Eisenzusammensetzung, die in eine Metallform gegossen wird, die mit 10 °C pro Sekunde abkühlt, bildet feine Graphitflocken in einer perlitischen Matrix: 30–50 Brinell-Punkte härter und erheblich fester (Campbell, Das umfassende Handbuch zum Gießen, 2. Auflage, 2015). Gleiches Material auf dem Zertifikat. Anderer Teil im Einsatz.

Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit folgen derselben Logik. Sandgussteile weisen typischerweise eine Oberflächenrauheit von Ra 12,5–25 μm auf. Beim Feinguss (Wachsausschmelzverfahren / Silikatsol-Verfahren) werden Werte von Ra 1,6–6,3 μm erreicht. Dieser Unterschied kann einen gesamten Bearbeitungsschritt an funktionalen Oberflächen überflüssig machen. Bei Bauteilen, bei denen die Gussoberfläche für den Kunden sichtbar ist oder direkt mit einem anderen Bauteil in Kontakt kommt, ist das Gussverfahren kein nachrangiger Faktor. Es ist Teil der Materialauswahl.

Die praktische Erkenntnis: Wenn Sie in einer Zeichnung “Grauguss” oder “Kohlenstoffstahl” angeben, ist das nur die halbe Wahrheit. Die Prozessfähigkeiten der Gießerei – Formguss, Feinguss, Vakuumguss, Wärmebehandlung – entscheiden darüber, ob das von Ihnen ausgewählte Material tatsächlich die von Ihnen vorgesehenen Eigenschaften aufweist.

Wo jedes Material seine Stärken ausspielt – Ein Leitfaden für die einzelnen Anwendungsbereiche

Wenn Sie wissen möchten, ob Gusseisen oder Stahlguss für Ihr Bauteil geeignet ist, schauen Sie am besten zunächst einmal, in welchen Bereichen die jeweiligen Werkstoffe in der Praxis vorherrschen. Die Frage lautet niemals: “Welcher Werkstoff ist besser?”, sondern: “Besser für was?” Im Folgenden erfahren Sie, wie sich die Antwort je nach den drei wichtigsten Anwendungsbereichen unterscheidet.

Pumpen, Ventile und Anlagen zur Förderung von Flüssigkeiten

Bei Gussteilen für Pumpen und Ventile muss täglich die Entscheidung zwischen Gusseisen und Stahl getroffen werden, und es gibt keine allgemeingültige Antwort. Selbst innerhalb einer einzigen Pumpe können für verschiedene Bauteile unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Bei Wasserpumpen für den Nieder- bis Mitteldruckbereich sowie bei allgemeinen Industriepumpen (typischerweise ≤PN16–PN25) ist Grauguss nach wie vor das Arbeitspferd. Er lässt sich problemlos in komplexe Spiralgehäuse- und Laufradgeometrien gießen, lässt sich sauber bearbeiten, und der Graphit in seiner Matrix sorgt für eine natürliche Schmierung von Gleitverschleißflächen wie Verschleißringen. Der Preis ist kaum zu übertreffen.

Mit steigendem Druck ändert sich die Wahl. Ventile aus duktilem Gusseisen sind in vielen Ausführungen für PN40 geeignet, doch ab PN100 wird Stahlguss (ASTM A216 WCB) zur Standardwahl. Nicht, weil Gusseisen dem Druck nicht standhalten könnte, sondern weil die Zähigkeit von Stahl eine Sicherheitsreserve gegen Sprödbruch bietet, die von Normen und Versicherungsanforderungen vorgeschrieben ist.

Bei chemischen, Hochtemperatur- und korrosiven Einsatzbedingungen kommt Gusseisen weitgehend nicht mehr in Frage. Hier dominieren Edelstahl (CF8M / 316, CF3M / 316L) oder legierte Stähle (WC6, WC9 für kriechfeste Hochtemperaturanwendungen). Die Temperatur ist das entscheidende Kriterium: Grauguss ist in der Regel auf 200 °C begrenzt, duktiler Guss auf 350–450 °C (je nach Güteklasse), während Cr-Mo-Gussstähle dauerhaft bei 540 °C und darüber eingesetzt werden können.

Automobilindustrie, Eisenbahn und Schwermaschinen

Diese Branche hat mehr Innovationen im Bereich der Gusswerkstoffe vorangetrieben als jede andere, da sie zwei unerbittliche Anforderungen miteinander verbindet: sicherheitskritische Leistungsanforderungen und hohen Kostendruck aufgrund großer Stückzahlen.

Motorblöcke und Zylinderköpfe sind nach wie vor die Domäne von Grauguss. Nicht, weil Ingenieure Aluminium oder verdichtetes Graphiteisen (CGI) nicht ausprobiert hätten, sondern weil die Kombination aus Schwingungsdämpfung, thermischer Stabilität und komplexer Gussform bei Verarbeitungskosten unter $2/kg bei Grauguss außerordentlich schwer zu übertreffen ist. Bremsscheiben und -trommeln bestehen aus einem anderen Grund aus Grauguss. Der Graphit, der das Material spröde macht, stabilisiert gleichzeitig den Reibungskoeffizienten über einen Betriebsbereich von 100–500 °C – ein selbstregulierendes Verhalten, das kein Bremsrotor aus Stahl ohne teure Oberflächenbehandlungen erreicht.

Wenn sich die Belastungen von Druck- zu dynamischen Belastungen verlagern, scheidet Grauguss aus. Achsschenkel, Querlenker und Anhängerkupplungskomponenten sind Biege-, Zug- und Stoßbelastungen ausgesetzt. Hier hat duktiles Gusseisen (EN-GJS-500-7 oder ASTM A536 60-40-18) gegenüber Stahlguss stetig an Boden gewonnen. Es bietet eine Zugfestigkeit von 500 MPa bei einer Dehnung von ≥7% zu geringeren Stückkosten, und moderne Impfverfahren haben seine Herstellung zuverlässig genug für Sicherheitsanwendungen im Automobilbereich gemacht. Stahlguss (ASTM A148 Grade 80/50) behält weiterhin die Oberhand, wenn eine Dehnung von über 15% zwingend erforderlich ist. Eisenbahnkupplungen und Halterungen für Schwerlast-Lkw-Fahrgestelle sind die klassischen Beispiele hierfür.

Anwendungen im Hoch- und Tiefbau sowie in der allgemeinen Industrie

Bei Anwendungen, bei denen das Bauteil unbewegt bleibt, Lasten trägt und niemals Stoßbelastungen ausgesetzt ist, ist Gusseisen fast immer die richtige Wahl. Und zwar mit großem Abstand.

Werkzeugmaschinenbetten und -fundamente sind der klassische Anwendungsfall. Ein Drehmaschinenbett, auf dem ein 2-Tonnen-Werkstück liegt, ist einer nahezu reinen Druckbeanspruchung ausgesetzt, begleitet von Schneidvibrationen. Grauguss absorbiert die Schwingungen (10–100-mal besser als Stahl), trägt das Gewicht (Druckfestigkeit 600–800 MPa) und dies in Form eines Gussteils, das spannungsfrei gemacht und auf Ebenheit im Mikrometerbereich präzisionsgeschliffen werden kann. Stahl bietet hier nichts, was Grauguss nicht besser und kostengünstiger leisten kann.

Bei Rohren und Formstücken hat der Übergang von Grauguss zu duktilem Gusseisen (ISO 2531 / EN 545) weitgehend stattgefunden, was durch die Notwendigkeit einer gewissen Duktilität bei Bodensetzungen und seismischen Verschiebungen bedingt ist. Schachtabdeckungen, Entwässerungsgitter und Poller werden weiterhin aus Grauguss gefertigt, da hier ausschließlich Druckbelastungen auftreten und der Kostenunterschied bei den Beschaffungsmengen der Kommunen ausschlaggebend ist.

Die Faustregel ist einfach: Wenn Ihr Bauteil stillsteht, von oben belastet wird und niemals geschweißt werden muss, ist Grauguss wahrscheinlich die richtige Wahl. Sobald es sich bewegt, unerwünschte Schwingungen aufweist oder seitlichen Stößen ausgesetzt ist, sollten Sie in der Produktpalette zu duktilem Gusseisen oder Stahlguss wechseln.

Die richtige Entscheidung treffen – Ein Entscheidungsrahmen für Ihr nächstes Projekt

Sie verfügen nun über die Daten. Die Frage ist, wie Sie diese nutzen können. Die Werkstoffauswahl ist keine rein technische Entscheidung. Sie befindet sich an der Schnittstelle zwischen technischen Anforderungen, fertigungstechnischen Gegebenheiten und Risiken in der Lieferkette. In den nächsten drei Abschnitten werden die einzelnen Aspekte in der Reihenfolge erläutert, in der Sie sie berücksichtigen sollten.

Beginnen Sie mit der Belastung – Wogegen kämpft Ihr Teil eigentlich?

Bevor Sie Zugfestigkeiten oder Kosten pro Kilogramm vergleichen, sollten Sie drei Fragen dazu beantworten, welchen Belastungen Ihr Bauteil im Einsatz tatsächlich ausgesetzt ist:

1. Handelt es sich bei der vorherrschenden Belastung um eine Druck- oder Zugbelastung? Wenn Ihr Bauteil hauptsächlich auf Druck beansprucht wird – ein Maschinenfuß, ein unter Innendruck stehender Ventilkörper, ein Schachtdeckel –, kommt Gusseisen zum Einsatz. Wenn es auf Zug, Biegung oder Torsion beansprucht wird – eine Hebeöse, ein Querlenker, ein verschraubter Flansch mit hoher Vorspannung –, benötigen Sie Stahl oder duktilem Gusseisen. Grauguss unter Zugbelastung ist ein Risiko, das Sie nicht eingehen sollten.

2. Ist das Bauteil Stößen oder Stoßbelastungen ausgesetzt? Wenn die Antwort „Ja“ lautet – und sei es auch nur gelegentlich –, sollten Sie Grauguss vermeiden. Der Schwellenwert ist praxisorientiert, nicht theoretisch. Wenn unter irgendwelchen Betriebsbedingungen die Beanspruchung die Streckgrenze von 50% überschreitet und die Belastungsgeschwindigkeit mehr als 0,1 pro Sekunde beträgt, stellt die mangelnde Duktilität von Grauguss ein echtes Risiko für einen Sprödbruch dar. Duktiler Guss oder Stahlguss sind die Mindestanforderung.

3. Sind Schwingungen ein Problem, das es zu beseitigen gilt – oder ein Signal, das es aufzunehmen gilt? Wenn Sie eine starre Baugruppe konstruieren, bei der Schwingungen zu Störgeräuschen führen (die meisten Tragwerke), kommt Ihnen die höhere Steifigkeit von Stahl zugute. Wenn Sie hingegen eine Maschine bauen, die im Rahmen ihrer Funktion Schwingungen erzeugt (jede jemals hergestellte Werkzeugmaschine), wandelt die Dämpfungswirkung von Grauguss diese Schwingungen in Wärme um, anstatt dass sie sich auf die Toleranzen Ihres Werkstücks auswirken.

Diese drei Fragen liefern Ihnen zwar keine endgültige Antwort, aber sie schließen die falsche Antwort aus. Das ist schon die halbe Miete.

Faktoren in der Fertigung – Was geschieht nach dem Gießen des Metalls?

Ein Werkstoff, der auf dem Datenblatt perfekt erscheint, kann sich in der Praxis als Fehlschlag erweisen, weil er sich nicht zu vertretbaren Kosten gießen, bearbeiten oder veredeln lässt. Führen Sie diese vier Prüfschritte durch, bevor Sie Ihre Auswahl endgültig festlegen:

Gießbarkeit: Weist Ihr Bauteil dünne Wände (unter 4 mm), scharfe Geometrieänderungen oder tiefe Vertiefungen auf? Grauguss lässt sich in dieser Hinsicht weitaus besser verarbeiten als Stahlguss, der eine höhere Überhitzung und aufwendigere Angussführung erfordert. Wenn Ihr Gussteil in der Gießerei in der Vergangenheit hohe Ausschussquoten aufwies, kann der Wechsel von Stahlguss zu duktilem Gusseisen nicht nur aus Kostengründen, sondern auch zur Verbesserung der Ausbeute sinnvoll sein.

Budget für die Bearbeitung: Die Bearbeitung eines Stahlgussteils mit derselben Geometrie ist in der Regel 30–50% teurer als die seines Gegenstücks aus Grauguss. Dieser Unterschied verstärkt sich mit steigender Losgröße. Bei einer Stückzahl von 1.000 Teilen können die Bearbeitungskosten die Materialkosten übersteigen.

Schweißbarkeit: Wenn das Bauteil an etwas angeschweißt werden muss – sei es zur Montage, zur Reparatur oder für eine Nachrüstung vor Ort –, erfordert Gusseisen eine Vorwärmung, einen Zusatzwerkstoff auf Nickelbasis und eine langsame Abkühlung nach dem Schweißen. Das ist zwar nicht unmöglich, aber kostspielig und erfordert Fachkenntnisse. Stahlguss lässt sich wie jeder andere Kohlenstoffstahl schweißen. Wenn Schweißarbeiten im Produktionsplan vorgesehen sind, kommt Gusseisen praktisch nicht in Frage.

Wärmebehandlung: Die Eigenschaften von Stahlguss lassen sich durch Abschreck- und Anlasszyklen über einen weiten Bereich hinweg abstimmen. Die Wärmebehandlungsmöglichkeiten für Grauguss beschränken sich auf Spannungsarmglühen und Oberflächenhärtung. Das Festigkeits-Duktilitäts-Profil lässt sich nach dem Gießen nicht grundlegend verändern. Wenn Sie bestimmte Härte-Zähigkeits-Kombinationen einstellen müssen, bietet Stahl Ihnen Einstellmöglichkeiten, über die Grauguss einfach nicht verfügt.

Stellen Sie sich das wie bei einer Hausrenovierung vor: Die Materialkosten für die Bodenfliesen sind nur eine Position auf der Rechnung. Der Arbeitsaufwand für die Verlegung, die Zeit, die der Mörtel zum Aushärten benötigt, und die Frage, ob der Unterboden überhaupt geeignet ist – darin liegen die eigentlichen Kosten. Bei Gussteilen verhält es sich genauso.

Überprüfen Sie alles, bevor Sie sich festlegen – Was Sie Ihre Gießerei fragen sollten

Man kann in einer Zeichnung zwar das perfekte Material festlegen, erhält aber dennoch ein schlechtes Ergebnis, wenn die Gießerei die Anforderungen nicht erfüllen kann. Die gute Nachricht: Man muss kein Metallurg sein, um kompetente Lieferanten von den anderen zu unterscheiden. Stellen Sie diese vier Fragen und achten Sie darauf, wie sie beantwortet werden.

“Wie überprüft man die Zusammensetzung der Schmelze vor dem Gießen?” Eine Gießerei, die jede Schmelze mit einem optischen Emissionsspektrometer (OES) untersucht – und die Zusammensetzung anpasst vorher Das Anzapfen – und nicht erst danach – ist Präzisionsmetallurgie. Eine Gießerei, die sich auf “Erfahrung” verlässt, um den Kohlenstoffgehalt anhand des Funkenmusters zu beurteilen, geht ein Risiko ein. Der Unterschied zeigt sich in Schwankungen der Eigenschaften von Charge zu Charge, die Ihre Bearbeitungsabteilung schon lange bemerken wird, bevor die Gießerei davon erfährt.

“Wie groß ist die Härteabweichung innerhalb einer einzelnen Charge?” In einer gut kontrollierten Gießerei sollten Gussteile aus derselben Schmelze innerhalb einer Abweichung von ±15 Brinell voneinander liegen. Eine Streuung von 30 HB oder mehr deutet auf eine ungleichmäßige Abkühlung, eine schwankende Legierung oder beides hin. Ungleichmäßige Gussteile führen zu ungleichmäßigen bearbeiteten Bauteilen.

“Können Sie sowohl Teile aus Gusseisen als auch aus Stahlguss herstellen?” Diese Frage verrät mehr, als man vielleicht denkt. Eine Gießerei, die beide Werkstofffamilien unter einem Dach verarbeitet und für jede davon eigene Fertigungsprozesse einsetzt, hat keinen Anreiz, Ihnen aufgrund von Anlagenbeschränkungen einen bestimmten Werkstoff gegenüber einem anderen zu empfehlen. Eine Gießerei, die ausschließlich Grauguss gießt, wird natürlich Grauguss empfehlen – unabhängig davon, ob dies für Ihr Bauteil die beste Lösung ist oder nicht.

“Werden Ihre Zugprüfstangen separat gegossen oder am Gussteil befestigt?” Separat gegossene Prüfstangen sind der Branchenstandard – sie sind kostengünstiger, einfacher herzustellen und für die meisten Anwendungen ausreichend. Angegossene (angegossene) Prüfstangen hingegen, die mit derselben Geschwindigkeit abkühlen wie das Gussteil selbst, geben Aufschluss über die tatsächlichen Eigenschaften Ihres Bauteils. Nicht darüber, welche Werte ein separat gegossener Prüfkörper unter idealisierten Bedingungen erreicht hat. Wenn es bei Ihrer Anwendung um sicherheitskritische Aspekte geht, ist dieser Unterschied von Bedeutung. Die besten Gießereien bieten beides an und kommunizieren den Unterschied offen.

Diese vier Fragen dienen als schnelle Überprüfung der Leistungsfähigkeit. Wenn ein Gießereiunternehmen diese Fragen klar beantwortet und die Antworten mit Daten auf Chargenebene untermauert, haben Sie es mit einem professionellen Betrieb zu tun. Wenn das Unternehmen ausweicht, verallgemeinert oder keine Zahlen vorlegen kann, sollten Sie sich weiter umsehen.

Literaturverzeichnis

1. ASM International. “Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm.” ASM-Handbuch, Band 3: Phasendiagramme von Legierungen. 2019. https://www.asminternational.org/
2. ASTM International. “ASTM A216/A216M-21: Norm für Stahlgussteile aus Kohlenstoffstahl, geeignet für das Schmelzschweißen, für den Einsatz bei hohen Temperaturen.” https://www.astm.org/a0216_a0216m-21.html
3. Atlas Foundry. “Mechanische Eigenschaften von Grauguss – Dämpfungsvermögen.” http://atlas-foundry.com/grayiron-damping.htm
4. Campbell, John. Das umfassende Handbuch zum Gießen. 2. Auflage. Elsevier, 2015. https://www.elsevier.com/books/complete-casting-handbook/campbell/978-0-444-63509-9
5. Reliance Foundry. “Gusseisen vs. Stahlguss.” https://www.reliance-foundry.com/blog/cast-iron-vs-cast-steel
6. CFS Foundry. “Stahlguss vs. Gusseisen.” https://www.investmentcastchina.com/cast-steel-vs-cast-iron/
7. BesserCast. “Qualitätszertifizierungen.” https://www.bessercast.com/quality/
8. BesserCast. “Kontakt.” https://www.bessercast.com/contact/
9. BesserCast. Homepage. https://www.bessercast.com/