Stahlguss: Eigenschaften, Herstellung und Anwendungen

Stahlguss ist ein faszinierendes Material, das in zahlreichen industriellen Anwendungen eine zentrale Rolle spielt. Durch das Gießen von Stahl in Formen entstehen Gussstücke, die sich durch ihre besonderen Eigenschaften von anderen Gusswerkstoffen unterscheiden. Dieser Blogartikel beleuchtet die Besonderheiten, Vorteile und Herausforderungen von Stahlguss sowie seine vielfältigen Einsatzgebiete.

Was ist Stahlguss?

Stahlguss ist der Ausgangswerkstoff für Gussstücke aus Stahl. Im Gegensatz zu Gussstücken aus anderen Materialien wie Grauguss oder Aluminiumlegierungen, bietet Stahlguss eine Kombination aus herausragenden mechanischen Eigenschaften und einer hohen Duktilität. Stahlguss ist schweißbar und kann aus allen üblichen Stahlsorten hergestellt werden, einschließlich Edelstählen. Die Herstellung von Stahlguss ist anspruchsvoller als die von Gusseisen, was sich jedoch in den überlegenen Eigenschaften der Endprodukte widerspiegelt[3].

Vorteile von Stahlguss

Stahlguss zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus, die ihn für verschiedene industrielle Anwendungen attraktiv machen:

• Gute mechanische Eigenschaften
  Stahlguss bietet eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, was ihn für Bauteile unter hohen Belastungen prädestiniert[6].
• Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
  Aufgrund der großen Werkstoffvielfalt und der Möglichkeit, die Festigkeitseigenschaften durch Wärmebehandlung anzupassen, kann Stahlguss in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden[6].
• Gießbarkeit und Verformbarkeit
  Trotz seiner Festigkeit lässt sich Stahlguss gut gießen und verformen, was die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien ermöglicht[4].

Herstellung von Stahlguss

Die Herstellung von Stahlguss ist ein komplexer Prozess, der spezialisierte Techniken und Ausrüstung erfordert, um die einzigartigen Eigenschaften und die hohe Qualität der Endprodukte zu gewährleisten. Stahlguss ist ein Ausgangswerkstoff für Gussstücke aus Stahl, der sich von anderen Gusswerkstoffen durch seine besonderen mechanischen Eigenschaften und eine hohe Duktilität unterscheidet[1][3].

Grundlagen der Herstellung von Stahlguss

Die Herstellung von Stahlguss beginnt mit dem Schmelzen von Stahl in einem Schmelzofen. Die Gießtemperatur von Stahlguss liegt zwischen 1520 und 1600 Grad Celsius. Aufgrund dieser hohen Temperaturen müssen Gießpfannen, Schmelzaggregate und deren Auskleidung eine sehr gute Feuerfestigkeit aufweisen, um den Anforderungen des Herstellungsprozesses standzuhalten[2].

Gießprozess

Nach dem Schmelzen wird der flüssige Stahl in vorbereitete Formen gegossen. Diese Formen können aus Sand oder anderen Materialien bestehen, die in der Lage sind, den hohen Temperaturen des geschmolzenen Stahls standzuhalten. Der Gießprozess muss sorgfältig kontrolliert werden, um Defekte wie Lunker (Hohlräume) zu vermeiden, die durch die relativ hohe Schwindung von etwa 2% beim Erstarren des Stahls entstehen können[2][20].

Wärmebehandlung

Nach dem Gießen und Erstarren sind Stahlgussstücke in ihrer Primärerstarrung zunächst spröde und grobkörnig. Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, ist eine anschließende Wärmebehandlung in den meisten Fällen notwendig. Diese Wärmebehandlung, auch als Normalisierung bekannt, optimiert die Mikrostruktur des Stahlgusses und verbessert seine mechanischen Eigenschaften.

Besonderheiten

Die Herstellung von Stahlguss ist anspruchsvoller als die von Gusseisen, was sich in den überlegenen Eigenschaften der Endprodukte widerspiegelt. Stahlguss ist ideal für hoch belastbare Bauteile im Anlagen- und Energie-Maschinenbau geeignet, da er hohe Zugfestigkeit in Verbindung mit hohen mehrachsigen Belastungen standhalten kann. Die Herausforderungen bei der Verarbeitung von Stahlguss umfassen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Kontrolle des Gießprozesses, um Defekte zu minimieren, sowie die Durchführung spezifischer Wärmebehandlungen, um die gewünschten Eigenschaften der Gussstücke zu erzielen[20].

Zusammenfassend erfordert die Herstellung von Stahlguss spezialisierte Techniken und Ausrüstung, um die hohen Temperaturen zu bewältigen und die Qualität der Endprodukte zu sichern. Die anschließende Wärmebehandlung spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Stahlgussstücken.

Herausforderungen bei der Verarbeitung von Stahlguss

Die Herstellung von Stahlgussstücken ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Ein wesentlicher Nachteil ist die im Vergleich zu Gusseisen größere Schwindung beim Erstarren, die zur Bildung von Lunkern führen kann. Dies erfordert sorgfältige Gießverfahren und gegebenenfalls nachträgliche Wärmebehandlungen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen und Materialfehler zu minimieren[3][5].

Stahlguss im Vergleich zu anderen Gusswerkstoffen

Stahlguss bietet gegenüber anderen Gusswerkstoffen wie Grauguss oder Aluminiumlegierungen eine Reihe von Vorteilen, die ihn für bestimmte industrielle Anwendungen besonders attraktiv machen. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Gute mechanische Eigenschaften: Stahlguss zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aus, was ihn für Bauteile unter hohen Belastungen prädestiniert[6][5][13].
• Verformbarkeit: Im Gegensatz zu vielen anderen Gusswerkstoffen ist Stahlguss verformbar, was nachträgliche Bearbeitungen wie Biegen oder Schmieden ermöglicht[6][5].
• Große Werkstoffvielfalt: Stahlguss kann aus einer Vielzahl von Stahlsorten hergestellt werden, einschließlich unlegierter und hochlegierter Werkstoffe sowie Edelstählen, was eine breite Palette von Eigenschaften ermöglicht[6][22].
• Anpassungsfähigkeit der Festigkeitseigenschaften: Durch Wärmebehandlung lassen sich die Festigkeitseigenschaften von Stahlguss einstellen und an die spezifischen Anforderungen der Anwendung anpassen[6][5].
• Hohe Plastizität und Zähigkeit: Stahlguss weist eine hohe Plastizität und Zähigkeit auf, was ihn für anspruchsvolle Anwendungen geeignet macht, bei denen diese Eigenschaften gefordert sind[13].
• Schweißbarkeit: Stahlguss ist schweißbar, was die Fertigung komplexer Strukturen durch das Verbinden einzelner Gussstücke ermöglicht[22].

Diese Eigenschaften machen Stahlguss zu einem bevorzugten Material für Anwendungen, bei denen es auf hohe Festigkeit, Zähigkeit und Anpassungsfähigkeit ankommt, wie im Maschinen- und Anlagenbau, in der Automobilindustrie, in der Energieerzeugung und in der Öl- und Gasindustrie[6][5][13][22].

Vorteile von Stahlguss

Stahlguss bietet viele Vorteile, hat aber auch einige Nachteile gegenüber anderen Gusswerkstoffen wie Grauguss oder Aluminiumlegierungen. Hier sind einige der wichtigsten Nachteile:

• Höherer Schmelzpunkt
  Stahlguss hat einen höheren Schmelzpunkt als Eisen, was höhere Anforderungen an die Gießtechnik stellt[6].
• Schlechteres Formfüllvermögen
  Stahlguss hat ein schlechteres Formfüllvermögen als andere Gusswerkstoffe, was die Herstellung komplexer Formen erschweren kann[6][23].
• Hohe Schwindung bei Erstarrung
  Stahlguss hat eine relativ hohe Schwindung von etwa 2% bei der Erstarrung. Dies kann zu Hohlräumen (sogenannten Lunkern) in den Gussteilen führen[6][5].
• Nachträgliche Wärmebehandlung erforderlich
  Stahlgussteile müssen einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen werden, da sie im Gusszustand spröde, grobkörnig und dendritisch sind[6][5].
• Schlechtere Gussleistung
  Im Vergleich zu Gusseisen hat Stahlguss eine schlechtere Gussleistung[23].
• Höheres Gewicht
  Im Vergleich zu Aluminium ist Stahlguss schwerer, was in bestimmten Anwendungen, in denen das Gewicht eine Rolle spielt, ein Nachteil sein kann.

Diese Nachteile müssen bei der Auswahl des geeigneten Gusswerkstoffs für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden. Es ist wichtig, die spezifischen Anforderungen der Anwendung und die Eigenschaften der verschiedenen Gusswerkstoffe zu berücksichtigen, um die beste Wahl zu treffen.

Einsatzgebiete von Stahlguss

Stahlguss wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, hauptsächlich aufgrund seiner hohen Festigkeit, Zähigkeit und Plastizität. Hier sind einige der Hauptanwendungsgebiete:

Industrielle Kältetechnik und Petrochemie

Kaltzäher Stahlguss wird hauptsächlich in der industriellen Kältetechnik eingesetzt, insbesondere zum Verflüssigen und Fraktionieren von Gasen. Er findet auch Anwendung in der petrochemischen Industrie[19][12].

Automobilbau und Maschinenbau

Stahlguss wird häufig in der Automobil- und Maschinenbauindustrie verwendet. Er wird für Bauteile eingesetzt, bei denen hohe Anforderungen an die Festigkeit und Dehnung gestellt werden[13].

Energieerzeugung und Öl- und Gasindustrie

In der Energieerzeugung und der Öl- und Gasindustrie wird Stahlguss für Komponenten wie Gas-, Dampf- und Industrieturbinen sowie Kompressoren und Ventile verwendet[23].

Schienenfahrzeuge

Ein großer Teil des Umsatzes der Stahlgussindustrie wird durch die Herstellung von Stahlgussteilen für Schienenfahrzeuge erzielt[24].

Die Wahl von Stahlguss für diese Anwendungen beruht auf seinen herausragenden mechanischen Eigenschaften, einschließlich hoher Festigkeit und Zähigkeit. Darüber hinaus ermöglicht Stahlguss die Herstellung komplexer Formen, was in vielen dieser Anwendungen von Vorteil ist[13].

Welche Stahlgruppen werden hauptsächlich für den Stahlguss verwendet

Für die Herstellung von Stahlguss werden die gleichen Stahlgruppen wie bei Walz- und Schmiedestahl verwendet. Dies umfasst eine große Werkstoffvielfalt, die es ermöglicht, die Festigkeitseigenschaften durch Wärmebehandlung anzupassen und somit den spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden[6+]. Stahlguss kann aus allen üblichen Stahlsorten hergestellt werden, einschließlich unlegierter und hochlegierter Werkstoffe sowie Edelstählen[28].

Zu den spezifischen Stahlgruppen, die für Stahlguss verwendet werden, gehören unter anderem:

• Rost- und säurebeständiger Stahlguss, der in austenitischen[27], ferritischen und martensitischen[27] Varianten verfügbar ist. Beispiele für austenitischen Stahlguss sind 1.4306 GX2CrNiN18-9 und 1.4308 GX5CrNi19-10[27].
• Hitzebeständige Stähle wie 1.4828 X15CrNiSi20-12 und 1.4833 X7CrNi23-14, die in austenitischen Varianten verfügbar sind und für Anwendungen bei hohen Temperaturen geeignet sind[27].
• Nichtrostende Stähle mit Sonderzusätzen, die für spezielle Anforderungen in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften entwickelt wurden[26].

Die Auswahl der Stahlgruppe für einen bestimmten Stahlguss hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich der gewünschten mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Verarbeitbarkeit.

Innovationen im Stahlguss

Im Bereich des Stahlgusses gibt es mehrere Innovationen, die darauf abzielen, die Effizienz, Nachhaltigkeit und Qualität der Gussprozesse zu verbessern. Diese Innovationen umfassen neue Technologien, Anlagenkonzepte und Fertigungsverfahren, die in verschiedenen Aspekten der Stahlgussproduktion Anwendung finden.

Innovative Technologie- und Anlagenkonzepte

Ein innovatives Technologie- und Anlagenkonzept für Gießereien zielt auf eine nachhaltige Prozessgestaltung ab. Dies beinhaltet den Einsatz von ressourcenschonendem Materialeinsatz und eine effiziente Nutzung von Energie. Ein Beispiel hierfür ist ein neu entwickeltes gasbasiertes, modulares Brennerkonzept, das den Einsatz von Gas in elektrischer Regelgüte zur Erzeugung von Wärme ermöglicht. Dieses Konzept erlaubt es, prozessintern anfallende Abwärme zielführend wiederverwertet zu werden, was zu einer erheblichen Energieeffizienzsteigerung führt[33].

3D-Sanddruck

Der 3D-Sanddruck stellt eine weitere bedeutende Innovation im Bereich des Stahlgusses dar. Dieser innovative Fertigungsprozess wird vor allem bei Gussteilen für die Energiebranche oder den Bahnbereich angewendet. Der 3D-Sanddruck ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien, die mit traditionellen Gießverfahren schwer zu realisieren wären. Diese Technologie bietet das Potenzial, die Flexibilität in der Produktion zu erhöhen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken[34].

Integration von additiver Fertigung

Die Integration des additiven Fertigungsverfahrens oder 3D-Drucks in den Stahlgussprozess ist eine weitere Innovation, die die Produktion von Wachsmodellen vereinfacht und die Präzision des Endprodukts verbessert. Diese Technologie macht das Stahlguss-Investitionsgießen zu einer bevorzugten Wahl in verschiedenen Branchen, indem sie die Präzision erhöht und die Kosten senkt. Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer und leistungsfähigerer Teile, was das Stahlguss-Investitionsgießen zu einem Eckpfeiler in der modernen Fertigung macht[35].

Energie- und Materialersparnis

Ein Beispiel für die erfolgreiche Implementierung von Innovationen im Bereich des Stahlgusses ist die Friedr. Lohmann GmbH in Nordrhein-Westfalen, die Stahlgussteile für Windräder, Werkzeugbau und andere Zwecke produziert. Durch die Einführung einer innovativen flexiblen Gießlinie in Hochregallagerform konnte das Unternehmen Energie und Material sparen, was die Produktion kleiner Stückzahlen mit wechselnden Gusswerkstoffen und -stücken effizienter macht[36].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Innovationen im Bereich des Stahlgusses darauf abzielen, die Produktionsprozesse effizienter, nachhaltiger und kosteneffektiver zu gestalten. Durch die Einführung neuer Technologien und Verfahren wie den 3D-Sanddruck und die additive Fertigung wird die Flexibilität und Präzision in der Stahlgussproduktion erheblich verbessert.

Chancen und Risiken der Stahlgussindustrie

Die Stahlgussindustrie steht vor einer Reihe von Chancen und Risiken, die durch technologische Entwicklungen, Marktbedingungen und politische Rahmenbedingungen beeinflusst werden.

Chancen

• Technologische Innovationen
  Neue Technologien wie der 3D-Sanddruck und die Integration von additiver Fertigung verbessern die Flexibilität und Präzision in der Stahlgussproduktion. Diese Innovationen ermöglichen die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien und senken gleichzeitig die Produktionskosten[29][30][31].
• Nachhaltigkeit und Recycling
  Die Gießerei-Industrie wird zunehmend als Teil der Recycling-Industrie wahrgenommen. Die Fähigkeit, hochwertige Produkte aus recycelten Materialien herzustellen, bietet eine große Chance auf zukünftiges Wachstum, insbesondere in einem Markt, der zunehmend Wert auf Nachhaltigkeit legt[30][31].
• Energie- und Verkehrswende
  Die Energie- und Verkehrswende bietet für die deutschen Gießereiunternehmen mit ihren qualitativ hochwertigen Produkten große Chancen. Die steigende Nachfrage nach gegossenen Strukturteilen für den Ausbau des Schienen- und Straßennetzes im ÖPNV sowie des erneuerbaren Energiesektors eröffnet neue Märkte[31].

Risiken

• Energiekosten und Gasmangellage
  Die stark gestiegenen Stromkosten und die Gasmangellage stellen aktuell große Herausforderungen für die Gießerei-Industrie dar. Diese Faktoren beeinträchtigen die Wettbewerbsfähigkeit und können zu existenziellen Bedrohungen für Unternehmen führen[31].
• Fachkräftemangel
  Der Mangel an qualifizierten Fachkräften ist eine weitere Herausforderung, die die Entwicklung der Branche behindern kann. Die Sicherung des Nachwuchses und die Qualifizierung von Mitarbeitern sind entscheidend für die Zukunftsfähigkeit der Industrie[31][32].
• Politische Rahmenbedingungen
  Die politischen Rahmenbedingungen, insbesondere die Umsetzung des europäischen Green Deals und die damit verbundenen Klimaschutzziele, erzeugen einen großen Veränderungsdruck auf die Gießereiindustrie. Die Anpassung an die Anforderungen der Klimaneutralität bis 2050 erfordert erhebliche Investitionen und Innovationen[31].

Zusammenfassend hat die Stahlgussindustrie gute Chancen, sich in einem sich wandelnden Marktumfeld zu behaupten und von den aktuellen Entwicklungen zu profitieren. Gleichzeitig stehen die Unternehmen vor erheblichen Herausforderungen, die eine Anpassung der Geschäftsmodelle und eine kontinuierliche Innovation erfordern, um langfristig erfolgreich zu sein.

Fazit

Stahlguss ist ein vielseitiger und leistungsfähiger Werkstoff, der in vielen Bereichen der modernen Industrie unverzichtbar ist. Trotz der Herausforderungen in der Herstellung bieten die Endprodukte aus Stahlguss eine Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit, die sie für anspruchsvolle Anwendungen prädestiniert. Die kontinuierliche Entwicklung neuer Legierungen und Verarbeitungstechniken wird die Möglichkeiten von Stahlguss in Zukunft weiter erweitern.

 

Quellen