Gusseisen vs. Gussstahl: Wichtige Unterschiede und Einsatzbereiche

Was ist der Unterschied zwischen Gusseisen und Gussstahl?

Gießen bietet außergewöhnliche Gestaltungsfreiheit für Details und macht oft zusätzliche Fertigung und Montage überflüssig. Viele Materialien lassen sich gießen, darunter verschiedene Metalle und Kunststoffe, doch Eisen und Stahl zeichnen sich besonders durch hervorragende mechanische Eigenschaften für ein breites Anwendungsspektrum aus.

Zwar mögen Gusseisen und Stahl oberflächlich ähnlich erscheinen, doch sie haben jeweils deutliche Vor- und Nachteile – von der Produktion bis zur Anwendung. Diese zu verstehen und passend zu wählen, kann den Unterschied zwischen unnachgiebiger Festigkeit und Haltbarkeit einerseits und gebrochenen oder verformten Teilen bedeuten, die schnell an Glanz verlieren.

Kohlenstoffgehalt ist der Hauptunterschied

Eisen und Stahl sind beides ferroze Metalle, die hauptsächlich aus Eisenatomen bestehen. In der Fertigung ist es jedoch nicht so einfach – es gibt viele verschiedene Legierungen und Güten. Um sie zu verstehen, muss man zwischen dem Eisen in Alltagsprodukten und dem chemischen Element Eisen (Fe) unterscheiden. Elementares Eisen kommt in der Natur vor, typischerweise oxidiert, und erfordert aufwendiges Verhütten (Schmelzen) zur Gewinnung.

Reines elementares Eisen ist zu weich für die meisten Anwendungen. Es wird härter und damit nützlicher, wenn es legiert – also mit Kohlenstoff gemischt – wird. Tatsächlich ist die Kohlenstoffzusammensetzung der Hauptunterschied zwischen Gusseisen und Stahl. Gusseisen enthält typischerweise mehr als 2 % Kohlenstoff, während Gussstahl oft zwischen 0,1–0,5 % Kohlenstoff liegt.

Eigenschaften

Die folgende Tabelle gibt einen allgemeinen Überblick über die Eigenschaften jedes Materials. Obwohl es viele verschiedene Eisen- und Stahlsorten gibt, konzentriert sich diese Tabelle auf Grauguss, Duktiles Gusseisen und Kohlenstoffstahl.

Grauguss

Duktiles Gusseisen

Stahl

Zerspanbarkeit

★

Gießbarkeit

★

Schwingungsdämpfung

★

Korrosionsbeständigkeit

★

★

Zähigkeit

★

Sprödigkeit

★

Druckfestigkeit

★

Zugfestigkeit

★

Härte

★

Anwendungen

Motorblöcke, Zylinderköpfe, Krümmer, Gasbrenner, Zahnradrohlinge, Gehäuse, Verkleidungen, Außenhardscape-Produkte, Bratpfannen, Elektrokästen, Dekorguss, Ofenteile, Gewichte

Poller, Stadtmöbel, Lenkknorren, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Fahrzeug- und LKW-Federungskomponenten, Hydraulikkomponenten, Autotürscharniere

Poller, Industrieräder, Gusszahnräder, Ventilkörper, Bergbaumaschinen, Wasserkraft-Turbinräder, Schmiedepressen, Eisenbahnwagengestelle, Pumpengehäuse, Marineausrüstung, Motorgehäuse, Schwerlast-LKW, Baumaschinen

Grauguss

Zerspanbarkeit

★

Gießbarkeit

Schwingungsdämpfung

★

Korrosionsbeständigkeit

★

Zähigkeit

Sprödigkeit

★

Druckfestigkeit

Zugfestigkeit

Härte

★

Anwendungen

Motorblöcke, Zylinderköpfe, Krümmer, Gasbrenner, Zahnradrohlinge, Gehäuse, Verkleidungen, Außenhardscape-Produkte, Bratpfannen, Elektrokästen, Dekorguss, Ofenteile, Gewichte

Duktiles Gusseisen

Zerspanbarkeit

Gießbarkeit

★

Schwingungsdämpfung

Korrosionsbeständigkeit

★

Zähigkeit

Sprödigkeit

Druckfestigkeit

★

Zugfestigkeit

Härte

Anwendungen

Poller, Stadtmöbel, Lenkknorren, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Fahrzeug- und LKW-Federungskomponenten, Hydraulikkomponenten, Autotürscharniere

Stahl

Zerspanbarkeit

Gießbarkeit

Schwingungsdämpfung

Korrosionsbeständigkeit

Zähigkeit

★

Sprödigkeit

Druckfestigkeit

Zugfestigkeit

★

Härte

Anwendungen

Poller, Industrieräder, Gusszahnräder, Ventilkörper, Bergbaumaschinen, Wasserkraft-Turbinräder, Schmiedepressen, Eisenbahnwagengestelle, Pumpengehäuse, Marineausrüstung, Motorgehäuse, Schwerlast-LKW, Baumaschinen

Gießbarkeit

Die meisten Menschen sind Eisen oder Stahl im flüssigen Zustand nie begegnet – verständlich, da Eisen bei ca. 1.260 °C (2.300 °F) und Stahl bei ca. 1.425 °C (2.600 °F) schmilzt und beide bei noch höheren Temperaturen in Formen gegossen werden. Wer mit flüssigem Eisen und Stahl arbeitet, entdeckt schnell, dass sie sich dramatisch in Fließverhalten und Schwindraten unterscheiden.

Gusseisen ist relativ leicht zu gießen: es fließt gut und schwindet weniger als Stahl. Das bedeutet, es füllt komplexe Formhohlräume bereitwillig und benötigt weniger Schmelze dafür. Diese Fließfähigkeit macht Gusseisen ideal für architektonische oder kunstvolle Eisengussstrukturen wie Zäune und Bänke.

Stahl zu gießen ist deutlich schwieriger. Er ist weniger flüssig als flüssiges Eisen und reagiert empfindlicher auf Formmaterialien. Er schwindet beim Abkühlen stärker, sodass mehr Schmelze gegossen werden muss – typischerweise in einen Speiser (Riser), ein Reservoir, aus dem der Guss beim Abkühlen nachgespeist wird.

Gussteile kühlen jedoch meist nicht gleichmäßig in ihrer inneren Struktur ab. Außenbereiche und dünnere Abschnitte kühlen und schwinden anders schnell als Innenbereiche und massivere Partien – oft entstehen innere Spannungen, die nur durch Wärmebehandlung abgebaut werden können. Stahl ist viel anfälliger für Schwindspannungen als Eisen, und in manchen Fällen können diese Spannungen zu signifikanten inneren und/oder äußeren Lunkern und möglichen späteren Brüchen führen.

Aus diesen Gründen erfordert Gussstahl mehr Aufmerksamkeit und Prüfung während des Gießprozesses, was die Produktion ressourcenintensiver macht.

Zerspanbarkeit

Je nach Endanwendung müssen Gussteile zerspant werden, um bestimmte Toleranzen zu erreichen oder ein gewünschtes Finish zu erzeugen. Mindestens müssen Anschnitt und Überlaufe (Gates and runners) abgetrennt und geschliffen werden.

Zerspanbarkeit misst, wie leicht ein Material zu schneiden oder zu schleifen ist; manche Materialien sind schwieriger zu bearbeiten als andere. Als Faustregel gilt: Metalle mit hohen Legierungszugaben zur Verbesserung der mechanischen Leistung haben geringere Zerspanbarkeit.

Gusseisen ist typischerweise deutlich leichter zu zerspanen als Stahl. Die Graphitstruktur im Gusseisen bricht leichter und gleichmäßiger ab. Härtere Eisenarten wie Weißguss sind aufgrund ihrer Sprödigkeit viel schwieriger zu bearbeiten.

Stahl lässt sich nicht mit derselben Konsistenz schneiden und verursacht mehr Werkzeugverschleiß, was die Produktionskosten erhöht. Gehärtete Stähle oder solche mit höherem Kohlenstoffgehalt erhöhen den Werkzeugverschleiß weiter. Aber weicher Stahl ist nicht unbedingt besser – niedrigkohlenstoffhaltige Stähle können trotz ihrer Weichheit „klebrig“ und schwer zu bearbeiten sein.

Schwingungsdämpfung

Dämpfungseigenschaften sollten bei der Wahl eines Gussmaterials berücksichtigt werden, da mangelnde Dämpfung zu übermäßigen Vibrationen und Geräuschen wie Singen oder Quietschen führen kann. Je nach Einsatzort kann effektive Dämpfung zu stabilerer, zuverlässigerer Leistung führen.

Die Graphitstrukturen im Gusseisen, besonders die lamellaren Bildungen im Grauguss, sind besonders gut darin, Vibrationen zu absorbieren. Das macht Gusseisen ideal für Motorblöcke, Zylindergehäuse, Maschinenbetten und andere Anwendungen, wo Steifigkeit und Präzision wichtig sind. Vibrationsminderung kann Spannungen minimieren und Verschleiß an beweglichen Teilen verhindern.

Druckfestigkeit

Druckfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Kräften standzuhalten, die die Objektgröße verringern würden. Das ist das Gegenteil von Kräften, die ein Material auseinanderziehen. Druckfestigkeit ist in mechanischen Anwendungen vorteilhaft, wo Druck und Eindämmung eine Rolle spielen. Typischerweise hat Gusseisen eine bessere Druckfestigkeit als Stahl.

Schlagzähigkeit

Bisher könnte es scheinen, als habe Gusseisen mehr Vorteile als Stahl, aber Stahl hat einen entscheidenden Vorteil: Schlagzähigkeit. Stahl widersteht plötzlichen Stößen hervorragend, ohne sich zu verbiegen, zu verformen oder zu brechen. Das liegt an seiner Zähigkeit: der Fähigkeit, hohen Spannungen und Dehnungen standzuhalten.

Festigkeit ohne Duktilität ergibt ein sprödes Material, das hoch bruchempfindlich ist – und Gusseisen ist das Paradebeispiel für Festigkeit ohne Duktilität. Aufgrund seiner Sprödigkeit hat Gusseisen einen begrenzten Anwendungsbereich.

Gleichzeitig nützt hohe Duktilität – die Fähigkeit, sich ohne Versagen zu verformen – wenig ohne die Festigkeit, signifikanten Schlag zu widerstehen. Ein Gummiband kann große Verformungen ohne Bruch durchlaufen, aber die aufnehmbare Kraft ist sehr begrenzt.

Während Eisen in den meisten Gussanwendungen leichter zu verarbeiten ist, bietet Stahl eine optimale Mischung aus Festigkeit und Duktilität für viele Anwendungen, und Gussstahl ist extrem zäh. Die schlagfesten Eigenschaften und die allseitige Tragfähigkeit machen Stahl für viele mechanische und strukturelle Anwendungen begehrenswert – deshalb ist Stahl das am weitesten verbreitete Metall der Welt.

Korrosionsbeständigkeit

Eisen hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Stahl. Beide Metalle oxidieren in Gegenwart von Feuchtigkeit, aber Eisen entwickelt eine Patina, die tiefe Korrosion der Metallintegrität verhindert.

Eine weitere Korrosionsschutzmöglichkeit bieten Farbe oder Pulverbeschichtung, oder IronArmor für zusätzlichen Schutz. Jeder Riss oder Sprung, der das darunterliegende Metall freilegt, führt zu Korrosion, daher ist regelmäßige Wartung bei beschichteten Metallen wichtig.

Wenn Korrosionsbeständigkeit bei Beibehaltung eines silberfarbenen Rohmetall-Looks wichtig ist, sind Legierungsstähle wahrscheinlich die bessere Wahl – speziell Edelstähle, die Chrom und andere Legierungen zur Verhinderung von Oxidation enthalten.

Verschleißfestigkeit

Gusseisen hat typischerweise besseren Widerstand gegen mechanischen Verschleiß als Stahl, besonders bei Reibungsverschleiß. Ein gewisser Graphitgehalt in der Gusseisenmatrix erzeugt ein graphitisches Trockenschmiermittel, das feste Oberflächen gegeneinander gleiten lässt, ohne die Oberflächenqualität zu verschlechtern, was Verschleiß erschwert.

Stahl verschleißt leichter als Eisen, kann aber dennoch gegen bestimmte Abriebarten beständig sein. Bestimmte Legierungszugaben können auch die Abriebeigenschaften von Stahl verbessern.

Kosten

Gusseisen ist oft günstiger als Gussstahl wegen niedrigerer Materialkosten, Energie- und Arbeitsaufwand für das Endprodukt. Rohstahl ist teurer in der Anschaffung und erfordert mehr Zeit und Aufmerksamkeit beim Gießen. Beim Design von Gussprodukten lohnt es sich jedoch, langfristige Nutzung und Ersatzkosten zu berücksichtigen. Teurer in der Herstellung hergestellte Teile können langfristig günstiger sein.

Stahl ist auch in vielen vorgefertigten Formen erhältlich – Bleche, Stäbe, Rohre, Profile – und kann oft zerspant oder montiert werden, um eine bestimmte Anwendung zu bedienen. Je nach Produkt und benötigter Menge kann die Fertigung aus bestehenden Stahlprodukten kosteneffizient sein.

Verschiedene Arten von Gusseisen und Gussstahl

Wir haben die Eigenschaften der grundlegendsten Formen von Gusseisen (Grauguss) und Gussstahl (Baustahl/Kohlenstoffstahl) verglichen, aber die spezifische Zusammensetzung und Phasenstruktur von Eisen und Stahl können die mechanischen Eigenschaften stark beeinflussen. Beispielsweise liegt der Kohlenstoff im normalen Grauguss als scharfe Graphitlamellen vor, während duktiles Gusseisen kugeligen Graphit aufweist. Lamellargraphit macht Grauguss spröde, während die runden Graphitpartikel im duktilen Gusseisen die Zähigkeit verbessern – was es für schlagfeste Anwendungen geeigneter macht.

Legierungen können sowohl Eisen als auch Stahl zugesetzt werden, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Mangan erhöht beispielsweise die Zähigkeit, Chrom verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Variierender Kohlenstoffgehalt unterscheidet auch zwischen niedrig-, normal- und hochkohlenstoffhaltigen Stählen – höhere Anteile erzeugen deutlich härtere Materialien.

Letztlich hängt die Wahl zwischen Gusseisen und Gussstahl von der Art und Anwendung der endgültigen Installation ab.

Für weitere Informationen zu Eisen oder Stahl oder um ein Angebot für ein individuelles Projekt anzufordern, kontaktieren Sie uns bitte.

Quellen

• American Foundry Society. "Machining Cast Iron Components". afsinc.org
• American Foundry Society. "Understanding Material Specifications for Steel Castings". afsinc.org
• Machine Design. "Cast Iron". machinedesign.com
• Nickel Institute. "Cast Irons & Cast Alloys". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Iron and Steel. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Iron and steel". explainthatstuff.com