Eisenguss Weiterentwickelter Stahlguss und Gusseisen für leichte Bauteile

Als hoch technologisch aufgerüstete Branche ist die Gießereiindustrie in Deutschland auf vielen Gebieten Technologieführer. Das gilt besonders für dünnwandige Stahlguss- und Gusseisenkomponenten, die als hochkomplexe Gussteile in reproduzierbarer Qualität gefertigt werden. Durch die Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie und dem Maschinenbau haben viele Gießereien ihre Kompetenz im Bauteilentwicklungsprozess und in der Werkstoffentwicklung ausgebaut. Sie folgen den Entwicklungen aus der Stahlindustrie und haben bereits viele der hoch-, höher- und höchstfesten Legierungen gießtechnisch als Stahlguss umgesetzt. Im Gusseisenbereich beginnen sich ebenfalls höherfeste Sorten stärker durchzusetzen.

Anbieter zum Thema

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

Franke GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

ZGV Zentrale für Gussverwendung

Viele Gießereien sind heute anerkannter Entwicklungspartner der Kunden und bereits in die frühen Phasen des Bauteilentwicklungsprozesses eingebunden. Von der dadurch möglichen frühzeitigen Berücksichtigung gießereispezifischer Konstruktionsaspekte profitieren Kunde wie Gießerei, da fertigungstechnisch sicher herstellbare Gussteile konstruiert werden, die den Enderzeugnissen einen Wettbewerbsvorteil ermöglichen.

Werkstoffspezifische Aspekte des Leichtbaus mit Gussteilen

Maßgeblich an diesem weltweiten Erfolg der deutschen Gießereien sind auch neue Entwicklungen bei den Gusswerkstoffen beteiligt. Zu verzeichnen ist ein verstärkter Bedarf an leichteren Gussteilen aus Eisen- und Nichteisenmetallen im Automotivebereich, aber zunehmend auch aus den verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus. Die Herstellung solcher komplexer Gussteile ist mit dünnen Kernsegmenten im Innenbereich und formungstechnisch ungünstigen Konturen und Proportionen im Außenbereich verbunden, die hohe Anforderungen an die Gießformenfertigung stellen, was aber mit einer modernen Gussfertigung heute prozesssicher realisiert werden kann [1].

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Im Folgenden soll auf die werkstoffspezifischen Aspekte und Trends des Leichtbaus mit Gussteilen eingegangen werden. Aus werkstofftechnischer Sicht ist die augenscheinlichste Lösung der Wechsel zu einem Werkstoff mit niedrigerem spezifischen Gewicht. Von allen technisch genutzten Metallen hat Stahl mit 7,9 kg/cm³ das höchste und Magnesium mit 1,8 kg/cm³ das niedrigste spezifische Gewicht. Aus dieser Sicht spricht alles für den Superleichtbau in Magnesium. Allerdings ist der Leichtbau nicht nur vom spezifischen Gewicht, sondern von dem gesamten Eigenschaftspotenzial des Bauteils abhängig und über die höchsten mechanischen Eigenschaften verfügen die Eisengusswerkstoffe, so dass auch beim Leichtbau die Eisengusswerkstoffe noch einiges zu bieten haben und den Leichmetallen Konkurrenz machen können.

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Dank seiner guten Eigenschaftskombinationen und der bis zum fünffachen höheren Festigkeit gegenüber anderen Konstruktionswerkstoffen hat Stahl somit immer noch ein bedeutendes Masseeinsparungspotenzial, das zudem durch die breite Palette von Werkstoffverbünden zukünftig noch effektiver ausgenutzt werden kann. So hat beispielsweise die Werkstoffentwicklungsdynamik der Automobilindustrie in den letzten Jahren zur Entwicklung hoch und höherfester Stähle geführt, die sich durch eine Kombination hoher Festigkeit mit hoher Umformbarkeit auszeichnen, wie Dualarbeitsstähle, Trip-Stähle und Martensitphasenstähle. Mit der Entwicklung von Stahlsorten mit extrem hohem Festigkeitsverhalten oder anderen speziellen Eigenschaften, die den Leichtbau in eine neue Dimension bringen, dürfte die weitere Entwicklungsrichtung vorgegeben sein. Die Gießereien folgen diesen Entwicklungen aus der Stahlindustrie und haben bereits viele dieser Legierungen auch gießtechnisch umgesetzt. Zudem konnte eine Technologie zur prozesssicheren Herstellung von Dünnwandstahlguss entwickelt werden, die es den Gussteilen ermöglicht, mit bisher nicht gießtechnisch machbaren Wanddicken bis zu 1,5 mm dem Trend der Umformstähle zum Leichtbau zu folgen.

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Im Gusseisenbereich beginnen sich ebenfalls höherfeste Sorten stärker durchzusetzen. Neuentwicklungen, die vor allem durch die steigenden Anforderungen im Automobilbau getragen werden, sind weiter entwickelte Gusseisen mit Vermicular- und Kugelgraphit sowie die ADI-Gusseisen. Diese Werkstoffe sind gießtechnische Höchstleistungen, die den derzeitigen Stand der Gießtechnik voll ausnutzen. Weiterentwickelte Gusswerkstoffe aus Gusseisen mit Kugelgraphit zielen auf weiteren Leichtbau und verstärkte Belastbarkeit von Sicherheitsbauteilen am Automobil. Das Resultat dieser Entwicklungsarbeit sind die Eisengusswerkstoffe „SiboDur“. Diese Werkstoffgruppe zielt vor allem auf die steigenden Anforderungen an die Sicherheitsbauteile mit sehr hohen Anforderungen bezüglich Steifigkeit, Formdehngrenze und plastischer Verformung - Eigenschaften, die sich auch für den weiteren Leichtbau nutzen lassen. Diese Werkstoffgruppe hat Eigenschaften, die schon in den Bereich des ausferittischen ADI-Gusseisens eindringen und diesem gleichwertige Eigenschaften bereits ohne zusätzliche Wärmebehandlung erbringen [1].

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Eine neuere Werkstoffentwicklung, die jetzt auch zunehmend in Europa als Leichtbau- und Hochleistungswerkstoff Anwendung findet, ist das ADI (Austemperd Ductil Iron)-Gusseisen (ausferittisches Gusseisen). Dieses Gusseisen bietet mit seiner durch Wärmebehandlung eingestellte Kombination von hoher Festigkeit und Duktilität vielfach neue technische Lösungen, die mit anderen Werkstoffen und Fertigungsverfahren nicht realisiert werden können. Der in den klassischen Stahlbereich eindringende Werkstoff besticht mit einer etwa 10 % geringeren Dichte gegenüber Stahl und einem höheren Dämpfungsvermögen. Zusammen mit seiner hohen spezifischen Festigkeit bietet ADI Potenziale zum vergleichsweise kostengünstigen Leichtbau gegenüber Stahl, da sich diese Werkstoffe besser gießtechnisch verarbeiten lassen [2].

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Nach der anfangs zögerlichen Anwendung des GJV im Motorenbau hat sich dieser Werkstoff bei leistungsstarken Motoren im PKW-Bereich heute bereits durchgesetzt und auch schon Eingang in neue NKW-Dieselmotor-Konzepte gefunden. Über die Verbesserung der Legierungsreinheit (Variferisierung) der Sorte GJV-350 konnten neue Legierungen mit verbesserten Eigenschaften entwickelt werden: Für Bremsscheiben eine Legierung mit höherer Wärmeleitfähigkeit (Varifer I), für den Schalenhartguss eine Legierung mit höherer Härte und Verschleißbeständigkeit (Varifer II) und für Zylinderköpfe eine Legierung mit einem größeren Widerstand gegen thermomechanische Ermüdung (Varifer III) [3].

Da die inzwischen verfügbaren höherfesten Aluminiumgusslegierungen teuer in der Herstellung sind, haben die Gusseisen neben ihren höheren spezifischen Eigenschaften oft auch einen Kostenvorteil, was vielfach ein entscheidendes Auswahlkriterium ist.

Zur weiterführenden Informationen über die hier nur kurz angesprochenen Trends bei den Gusswerkstoffen können die nachfolgend angeführten Quellen kostenfrei bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf (e-mail:zgv@dgv.de) angefordert werden.

Schrifttum:

[1] Güll, A., A. Hecker und W. Menk: Sinnvolles Zusammenspiel - Moderne Werkstoffe und Verfahren für hoch beanspruchbare Eisengussteile. konstruieren + giessen 31 (2006) H. 3, S. 6 - 9.

[2] ADI-Gusseisen - Herstellung, mechanische Eigenschaften und Anwendungen. Sonderdruck der ZGV, Düsseldorf 2002.

[3] Lampic, M., und M. Walz: Innovative Eisengusswerkstoffe für Automobilteile - Six Sigma“ konform. konstruieren + giessen 30 (2005) H. 4, S. 16 - 22.

*Karl-Heinz Schütt, ZGV - Zentrale für Gussverwendung im Deutschen Gießereiverband, Düsseldorf

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