Markterfolg mit Tradition

Gusseisen – Produkte aus Gusseisen haben sich seit Jahrzehnten bewährt. Weiterentwickelte Werkstoffe und optimierte Gießverfahren eröffnen seither immer neue Möglichkeiten.

17. Oktober 2008

Nicht jede technische Lösung muss in allen Facetten von Funktion und Fertigung völlig neu sein – entscheidender ist in vielen Fällen eine intelligente Kombination von bereits Bekanntem. Ein treffendes Beispiel hierfür bietet der Konstruktionswerkstoff Gusseisen, der seit Beginn der Industrialisierung seine herausragende Bedeutung verteidigt. Eine Ursache für den Erfolg von im Sandgussverfahren gefertigten Produkten ist die hohe Wirtschaftlichkeit von Gusseisenwerkstoffen aufgrund ihrer gießtechnischen Eigenschaften, die eine vergleichsweise einfache und hoch wirtschaftliche Prozessführung erlauben. So erfordert der Eisenguss zum Beispiel keine besonderen Vorkehrungen gegen Gasaufnahme oder Entzündungsgefahr, wie es bei einigen Leichtmetallen der Fall ist. Zudem sind die Werkzeugkosten gegenüber anderen Fertigungsverfahren moderat.

Durch Weiterentwicklungen des Werkstoffs konnten außerdem zahlreiche neue Anwendungsbereiche erschlossen werden. Gusseisen ist deshalb heute bei weitem nicht mehr ein spröder Werkstoff, der keine Stoßbeanspruchung ertragen kann. Statt dessen bieten Gusseisenwerkstoffe ein derart weites Eigenschaftsspektrum, dass sich für viele Anwendungsfälle geeignete Materialien finden lassen. Ein Beispiel hierfür war die Entwicklung von Gusseisen mit Kugelgraphit, das den wesentlich aufwendigeren Stahlguss inzwischen aus vielen Anwendungsbereichen vollständig verdrängt hat. So werden im Automobilbau heute zahlreiche Sicherheitsbauteile wie Achsschenkel, Querlenker, Bremsträger und Anhängerkupplungen aus zähem, ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit gefertigt. Ferritische Sorten werden vor allem dort eingesetzt, wo die Bauteile das Einwirken einer Missbrauchslast vor dem Versagen durch signifikante Verformung anzeigen müssen.

Die höherfesten, perlitischen Varianten finden dann Anwendung, wenn das entscheidende Kriterium für die Werkstoffwahl die Festigkeit ist und Zähigkeit eine untergeordnete Rolle spielt oder wenn das Bauteil höheren Verschleißbeanspruchungen gerecht werden muss. Ein wichtiges Einsatzfeld findet sich deshalb im Getriebebau. Hier bieten diese Werkstoffe zudem noch die Möglichkeit der lokalen Steigerung der Verschleißfestigkeit durch induktives Härten. Besonders hart sind carbidische Gusseisensorten, die bei extremer Verschleißbeanspruchung eingesetzt werden, etwa in Pumpen, die Flüssigkeiten mit einem hohen Anteil an Feststoffen fördern. Hier lässt sich die komplexe Geometrie eines strömungstechnisch günstig ausgeführten Pumpengehäuses aus einem extrem harten Werkstoff ausschließlich durch Gießen herstellen. Die Einsatzmöglichkeiten von Gusseisen erweitert hat auch die Entwicklung von Gusseisen mit Vermikulargraphit. Im Motorenbau zum Beispiel eröffnet dessen höhere Festigkeit im Vergleich zum bisher häufig verwendeten Gusseisen mit Lamellengraphit neue Leistungshorizonte.

Austenitische Gusseisensorten zeichnen sich dagegen durch hervorragende Hochtemperatureigenschaften aus. Einige Sorten können bis zu Temperaturen oberhalb von 1.000 °C eingesetzt werden. Verwendung finden diese Werkstoffe unter anderem in hochbeanspruchten Turboladern. Die hohe Korrosionsbeständigkeit erlaubt weiterhin den Einsatz in Pumpen und Armaturen, auch in alkalischen, sauren oder salzhaltigen Medien. Auch im Bereich besonders tiefer Temperaturen sind diese Werkstoffe anderen im Hinblick auf ihre Kaltzähigkeit weit überlegen. Innerhalb der austenitischen Gusseisen gibt es zudem Sorten, die nicht magnetisch sind. Dies ist interessant für Anwendungen, bei denen eine Funkenbildung vermieden werden muss.

Höchste Anforderungen erfüllen die sogenannten ADI-Werkstoffe (Austempered Ductile Iron). Diese Gruppe speziell wärmebehandelter, niedrig legierter Gusseisenwerkstoffe zeichnet sich aus durch extrem hohe Festigkeiten und weist zugleich eine signifikante Zähigkeit auf. Insbesondere die Werkstoffe EN-GJS-800-8 und EN-GJS-1000-5 ähneln mit ihrem Eigenschaftsprofil damit höherfesten Schmiedestählen, und es gibt zahlreiche Beispiele, bei denen Bauteile aus Vergütungsstählen durch solche aus einem ADI-Werkstoff ersetzt wurden.

Im Wettbewerb zu Schmiedebauteilen gewinnen ADI-Bauteile im Allgemeinen dann, wenn sie eine hohe geometrische Komplexität aufweisen oder geringe Stückzahlen ein teures Schmiedewerkzeug nicht rechtfertigen. Besonders große Chancen bieten diese Werkstoffe deshalb, wenn sich ihre herausragenden Werkstoffeigenschaften mit der gestalterischen Freiheit des Sandgussverfahrens kombinieren lassen.

Ein zweite Ursache für den Erfolg der Gusseisenwerkstoffe neben ihrem breiten Eigenschaftsspektrum ist die hohe geometrische Gestaltungsfreiheit der Formgebung im Sandgussverfahren, mit dem sich Hohlräume und Freiformflächen ebenso darstellen lassen wie nahezu beliebige Wandstärkenübergänge.

Ein intelligenter Einsatz dieser Möglichkeiten erlaubt Bauteile, die auch dem Finalprodukt eine neue Qualität geben können. Ein Beispiel dafür ist die gegossene Achse eines Miniladers mit Allradlenkung, die der Maschine nicht nur eine hohe Wendigkeit verleiht, sondern auch eine erhöhte Standsicherheit im Gelände oder beim Transport schwerer Lasten. Die Verwendung von Radnabenmotoren ermöglicht darüber hinaus eine hervorragende Fahrdynamik und einen niedrigen Fahrzeugschwerpunkt. Zudem verläuft die Ladeanlage in der unteren Endlage durch den Achsbereich, was die Last noch näher an das Fahrzeug bringt und so eine höhere Nutzlast ermöglicht. Allen diesen Anforderungen gerecht werden kann nur eine komplexe Bauteilgeometrie, die sich in technologisch und wirtschaftlich optimaler Weise allein aus im Sandgussverfahren vergossenem Gusseisen mit Kugelgraphit realisieren lässt.

Häufig erlaubt es eine optimal lastangepasste Bauteilgeometrie sogar, auf teure hochfeste Werkstoffe zu verzichten. Dies zeigt die Substitution eines geschweißten Motorsockels für einen Hydraulikmotor, der ursprünglich aus Stahl S355 MC gefertigt wurde, durch eine gegossene Variante aus ferritischem EN-GJS-400-15: Hier bietet das Gussbauteil trotz seiner niedrigeren Streckgrenze gegenüber der Schweißkonstruktion aus Stahl eine deutlich kürzere Lebensdauer. Ursache für das vorzeitige Versagen der Schweißkonstruktion trotz des höher festen Werkstoffs war hier die Kombination aus der scharf gekerbten Geometrie, die sich aus der Verwendung von Halbzeugen für die Schweißkonstruktion ergab, mit der lokalen Bauteilschwächung durch Schweißnähte.

Demgegenüber steht ein Gussbauteil, dessen Geometrie und Wandstärkenübergänge aus den Berechnungsergebnissen einer Topologieoptimierung abgeleitet wurde, bei der die Masse eines Bauteils innerhalb eines festgelegten Bauraums für die jeweils angestrebte Funktion optimal verteilt wird. Mit diesem Konstruktionsprinzip ähnlich dem Knochenwachstum in der Natur lassen sich die Geometrie optimal an den Lastfall anpassen und die Kerbspannungen auf ein Minimum reduzieren. Darüber hinaus erfährt das Gussbauteil keinerlei Schwächung durch Schweißnähte.

Einen wichtigen Beitrag im Entwicklungsprozess solcher maßgeschneiderten Gussbauteile leisten heute Gießereien wie die Unternehmensgruppe Claas Guss mit Hauptsitz in Bielefeld, deren Dienstleistungsangebot bis zur Erstellung eines Designvorschlags für ein fertigungsgerechtes Gussteil gehen kann.

Fakten

Die Claas Guss GmbH mit Hauptsitz in Bielefeld ist ein führendes Unternehmen der deutschen Gießerei-Industrie.

Das Unternehmen wurde 1890 gegründet als Ravensberger Eisenhütte Reinshagen & Vogt und produziert heute an vier Standorten in Nordrhein-Westfalen, Schleswig-Holstein und Baden-Württemberg.

Die Firmengruppe verarbeitet jährlich etwa 36.300 Tonnen Gusseisenwerkstoffe zahlreicher Qualitäten im Grau und Sphäroguss und produziert damit etwa 5,4 Millionen hand- und maschinengeformte Abgüsse mit Stückgewichten von 0,5 bis 8.000 Kilogramm.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008