Stahlguss

Metallurgie

Formgussstücke aus Stahl. Im Gegensatz dazu: in Kokillen zu Blöcken vergossener Stahl, der ausschließlich zur weiteren Umformung dient und durch Stahlstrangguss.

Der Basiswerkstoff für Stahlguss ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einer Vielzahl von unlegierten und legierten Werkstoffsorten, wobei der Kohlenstoffgehalt bis maximal 0,5 % eingestellt wird.

Daraus leiten sich für die Herstellung von Stahlguss folgende Besonderheiten ab:

  • Wegen der niedrigen Kohlenstoffgehalte hat der Stahl hohe Schmelztemperaturen (circa 1600 °C) und in der Folge auch höhere Gießtemperaturen, die größere Anforderungen an die Schmelztechnik, die feuerfesten Werkstoffe der Ofenauskleidungen, der Schmelztiegel und auch an die Formstoffe stellt.
  • Zur Analyseneinstellung sind metallurgische Reaktionen wie beispielsweise das Frischen gezielt anzuwenden und erfordern eine entsprechende Technik.
  • Die Gießeigenschaften sind gegenüber Gusseisen wie zum Beispiel das Formfüllungsvermögen, die Lunkerneigung und die Schwindung deutlich ungünstiger. Das Schwindmaß hängt von der Stahlzusammensetzung ab und beträgt im Durchschnitt etwa 2 %.
  • Zur Einstellung definierter Werkstoffeigenschaften ist in vielen Fällen eine Wärmebehandlung unumgänglich. Im Gusszustand ist Stahlguss relativ spröde. Das Gefüge ist grobkörnig, dendritisch und zeigt zum Teil eine typisch Widmannstättensche Struktur. Stahlguss muss daher normalgeglüht oder vergütet werden (Bilder 1 und 2).

Zum Erschmelzen des Werkstoffs ist ein höherer Energieeinsatz im Vergleich zum Gusseisen erforderlich, der auch für die Ofenauswahl einen Einfluss hat.

Überwiegend werden Elektroöfen (Lichtbogen- und Induktionsöfen) zur Herstellung von Stahlguss eingesetzt, und das Stahlgusserzeugnis wird als Elektrostahlguss bezeichnet. Der Siemens-Martin-Ofen hat für Stahlguss in Stahlgießereien keine Bedeutung mehr.

Wenn bei der Stahlerschmelzung intensive metallurgische Reaktionen erforderlich sind, zum Beispiel Frischen und/oder Raffinieren, findet in erster Linie der Lichtbogenofen Anwendung, während sich der Induktionstiegelofen mehr für das Umschmelzen eignet, obgleich auch hier durch Zusatz von Sauerstoffträgern, beispielsweise Eisenerzpellets, in gewissem Umfang gefrischt werden kann, sofern es sich um unlegierte oder schwach legierte Stähle handelt.

Beim Schmelzen im Lichtbogenofen unterscheidet man zwischen dem Ein- und Zweischlackenverfahren. Beim Einschlackenverfahren wird nur mit einer einzigen Schlacke gearbeitet, wobei der Stahl erschmolzen, gefrischt, fertiglegiert, desoxidiert und abgestochen wird. Beim Zweischlackenverfahren wird nach dem Frischen vordesoxidiert und die Schlacke gewechselt. Mit der zweiten Schlacke wird raffiniert beziehungsweise gefeint (vor allem der Schwefel- und Phosphorgehalt gesenkt), dann fertiglegiert, desoxidiert und abgestochen.

Beim Schmelzen im Induktionstiegelofen wird ebenfalls das Einschlackenverfahren angewandt, wobei jedoch das Frischen entfällt. Daher muss die Zusammensetzung der Einsatzstoffe jeder Charge bekannt sein, und auch der Schrott muss sorgfältig sortiert werden, um den Anforderungen an Reinheit und chemischer Zusammensetzung gerecht zu werden. Es ist zwar möglich, ein Frischen in begrenztem Umfang durch Zusatz von Eisenoxid (Eisenerzpellets) und Nickeloxid zur Charge vorzunehmen, auch kann gegebenenfalls entschwefelt und entphosphort werden, indem man spezielle Schlacken mit Kalkstein, Tonerde oder auch Flussspat benutzt.

Üblich ist auch die Kombination verschiedener Schmelzverfahren, zum Beispiel Lichtbogenofen für die unlegierte Ausgangsschmelze und Induktionsofen für legierte Schmelzen, die beide in eine Mischerpfanne abgestochen werden. Häufige Anwendung findet das Doppelgefäßverfahren mit einem Schmelzofen (Lichtbogenofen) in Kombination mit getrennten Behandlungseinheiten für das Frischen und Entgasen, wie AOD-Konverter, VOD-Konverter und Abstich-, Umlauf- oder Vakuum-Heiz-Entgasungsanlagen, (Sekundärmetallurgie).

Die hauptsächlichsten Formgebungsverfahren für Stahlguss sind Sandguss, Maskenformguss, Kernblockguss, Feinguss, Genauguss, Schleuderguss und Strangguss.

Nach der Europäischen Norm DIN EN 10027–1 und DIN EN 10027–2 sind zur kurzgefassten Identifikation die Bezeichnungen der Stähle mittels Kennbuchstaben und -zahlen festgelegt und die Werkstoffnummern systematisiert.

Die technischen Lieferbedingungen für Stahlgussstücke sind mit den zusätzlichen Anforderungen nach EN 1559–2 spezifiziert.

Die Unterteilung des Stahlgusses erfolgt in folgende Gruppen:

  • Stahlguss für allgemeine Anwendungen, unlegiert und legiert (DIN EN 10293/EN 10293)
  • Hitzebeständiger Stahlguss (DIN EN 10295/EN 10295)
  • Korrosionsbeständiger Stahlguss (DIN EN 10283/EN 10283)
Stahlguss für allgemeine Verwendungszwecke

Die DIN EN 10 293 enthält die Übersicht über die unlegierten und legierten Stahlgusssorten für allgemeine Verwendungszwecke, zum Beispiel für Maschinen, Kraftfahrzeuge, Eisenbahnen und den Bergbau. Schmelzanalysenvorgaben für den Kohlenstoffgehalt für ausgewählte Stahlsorten sind:

  • GS200 max. 0,18 % C,
  • GS240 max. 0,23 % C,
  • G17Mn5: 0,15 bis 0,20 % C, 1,00 bis 1,60 % Mn,
  • G42CrMo4: 0,38 bis 0,45 % C, 0,80 bis 1,20 % Cr, 0,60 bis 1,00 % Mo.

Für unlegierte Stähle gilt für wichtigsten Legierungselemente:

Cr + Mo + Ni + V + Cu  ≤  1,00 %

Sind für den Einsatzfall Wärmebehandlungen des Stahlgusses vorgesehen, so ist die Stahlbezeichnung mit einem Zusatzkurzzeichen zu ergänzen, zum Beispiel für das Vergüten (Härten in Luft oder Flüssigkeit + Anlassen) mit Zusatzsymbol +Q1:

G42CrMo4 + Q1

Für das Produktionsschweißen der Stahlgussteile sind Angaben über Vorwärm- und Zwischenlagerungstemperaturen sowie das Verfahren nach dem Schweißen in DIN EN 10293/EN 10293 (Anhang) vorgeschlagen.
Beispiel:

G42CrMo4:

  • Vorwärmtemperatur: 200 bis 350 °C
  • Zwischenlagentemperatur: max. 400 °C
  • Wärmebehandlung: min. 20 K/max. 50 K unter Anlasstemperatur der vorgesehen Wärmebehandlung.

Wenn bei Stahlguss Angaben zur magnetischen Induktion gefordert werden, so ist das zu verwendete Messverfahren zu vereinbaren (EN 10293). Die einzuhaltenden Mindestwerte der magnetischen Induktion werden in drei Feldstärkegruppen zugeordnet.

Hitzebeständiger Stahlguss

Hier handelt es sich um legierten Stahlguss mit hoher Zunderbeständigkeit in oxidierender oder reduzierender Ofenatmosphäre bei Temperaturen über 600 °C. Die Hauptlegierungsbestandteile sind Chrom, Nickel und Silizium.

Die Werkstoffgruppe ist in DIN EN 10295/EN 10295 genormt, die sich in folgende Sorten unterteilt:

  • Ferritischen und austenitisch-ferritische Sorten
    Beispiel: GX30CrSi7: höchste Anwendungstemperatur in Luft: 750 °C
  • Austenitischen Sorten
    Beispiel: GX25CrNiSi18–9: höchste Anwendungstemperatur in Luft: 900 °C
  • Nickel- und Cobaltbasislegierungen
    Beispiel: G-NiCr28W höchste Anwendungstemperatur in Luft: 1150 °C

Bei der Konstruktion von hitzebeständigen Bauteilen muss beachtet werden, dass die Wärmedehnung möglichst ungehindert erfolgen kann, damit keine zusätzlichen Spannungen auftreten. Die Temperaturbeanspruchung erfolgt oft einseitig, sodass in einem Bauteil beträchtliche Temperaturunterschiede vorliegen können. Die gesamte Konstruktion sollte deshalb nicht zu starr ausgelegt sein. Versetzte Anordnungen von Rippen oder die Unterteilung in mehrere Einzelteile verhindern Spannungen durch Wärmedehnung.

Korrosionsbeständiger Stahlguss

Als korrosionsbeständig gelten Stähle, die sich durch besonderen Widerstand gegenüber chemisch aggressiven Stoffen auszeichnen. Sie haben im Allgemeinen einen Chromgehalt von mindestens 12 %, der eine Passivierungswirkung ausübt. Die niedriglegierten, sogenannten witterungsbeständigen Stahlsorten mit lediglich höherer Beständigkeit gegen natürliche Atmosphäre, gelten nicht in diesem Sinne als korrosionsbeständig.

Die Stähle mit niedrigem Nickelgehalt sind vergütbare Sorten, jene mit höheren Nickelgehalten sind austenitische Werkstoffe. Wichtig ist bei den austenitischen korrosionsbeständigen Stahlgusssorten, dass der Ferritgehalt stark beachtet wird. Der Ferritgehalt hängt von der Stahlzusammensetzung ab, und zur Abschätzung kann man das Schaeffler-Diagramm nach Bild  3 oder das Schoefer-Diagramm nach Bild  4 verwenden. Üblich ist meist die Einstellung eines Ferritgehaltes von 10 bis 15 % in den Stählen mit 18 % Cr und 10 % Ni. Dieser Ferritgehalt verbessert die Schweißbarkeit sowie die Dehngrenze und Zugfestigkeit ohne nachteiligen Verlust an Zähigkeit (Bild 5).

Die Werkstoffgruppe ist in DIN EN 10283/EN 10283 genormt, die sich in folgende Sorten unterteilt:

  • Martensitische Sorten
    Beispiel: GX12Cr12 (11,50 bis 13,50 % Cr, max. 1,00 % Ni)
  • Austenitischen Sorten
    Beispiel: GX2CrNiSi19–11: (18,00 bis 20,00 % Cr, 9,00 bis 12,00 % Ni)
  • Vollaustenitische Sorten
    Beispiel: GX2NiCrMo28–20–2 (19,00 bis 22,00 % Cr, 26,00 bis 30,00 % Ni, 2,00 bis 2,50 % Mo)
  • Ferritisch-austenitische Sorten
    Beispiel: GX4CrNiMoN26–5–2 (25,00 bis 27,00 % Cr, 4,50 bis 6,50 % Ni, 1,30 bis 2,00 % Mo, 0,12 bis 0,20 % N)

Unter der Bezeichnung „Nichtrostender Duplexstahlguss“ wird ein Stahl mit eine Gefügegrundmasse aus Ferrit in die Austenit eingelagert ist („Duplex“-Gefüge). Es handelt sich dabei um hochlegierte ferritisch-austenitische Stähle (Bilder  6 und 7). Im Mittel liegen die Anteile an Ferrit und Austenit bei circa je 50 %. Die Stähle sind hervorragend korrosionsbeständig und schweißbar.

Die Gefügeumwandlungen der Duplexstähle sind aus dem Zustandsdiagramm ersichtlich. Bild  8 zeigt in schematischer Darstellung einen quasibinären Schnitt im ternären Diagramm Fe-Cr-Ni bei 70 % Fe, das in vier Zonen unterteil wird:

Zone 1: Es erstarrt Austentit, und bei Raumtemperatur liegt nur ein geringer Restferritanteil vor. Der Werkstoff hat gewisse Warmrissneigung, vor allem beim Schweißen, und wird nicht als Duplexstahl verwendet.

Zone 2: Es erstarrt Ferrit, der sich bei niedrigen Temperaturen in Austenit umwandelt. Bei Raumtemperatur sind etwa 20 bis 30 % Ferrit, Rest Austenit, vorhanden.

Zone 3: Es erstarrt Ferrit, der sich bei niedrigen Temperaturen etwa zur Hälfte in Austenit verwandelt. Bei Raumtemperatur besteht das Gefüge aus rund 50 % nadeligem Ferrit und 50 % Austenit (Hauptanwendungsbereich der Duplexstähle).

Zone 4: Es erstarrt Ferrit, der sich bei weiterer Abkühlung nur zum geringen Teil in Austenit umwandelt. Bei Raumtemperatur beträgt der Ferritanteil etwa 80 bis knapp 100 % Rest Widmannstättenscher Austenit (keine Anwendung als Duplexstahl).

Die Hauptlegierungselemente sind Chrom, Nickel und Molybdän. Die Rahmenzusammensetzung lautet ungefähr:

< 0,04 % C, 20 bis 26 % Cr, 4 bis 8 % Ni, 0 bis 4 % Mo, 0 bis 3,5 % Cu, 0 bis 0,25 % N.

Unter der Bezeichnung „Superduplex“-Stahlguss wird eine hochlegierte ferritisch-austenitische Stahlgusssorte bezeichnet, die sich durch hohe Beständigkeit gegen allgemeine Korrosion sowie Lochfraß-, Spalt- und Spannungsrisskorrosion in Kombination mit hoher Dehngrenze auszeichnen, die aus der norwegischen Offshore-Industrie kommt. Maßgebend für solche Werkstoffe ist ein Pittingbeständigkeitsäquivalent (PRE ≥ 40%). Für PRE gilt folgende Wirksumme:

PRE  =  % Cr + 3,3 (% Mo) + 15 (% N)

Die Zusammensetzung solcher Superduplex-Stähle liegt bei etwa 25 % Cr, 7 % Ni, 4 % Mo und 0,2 % N (entsprechend PRE = 41,2 %). Als Beispiel sei der Stahl GX2CrNiMoN25–7–4 genannt.

Vergütungsstahlguss

Als Vergütungsstahlguss bezeichnet man solche legierte und unlegierte Stahlgusssorten, die im vergüteten Zustand bei Temperaturen bis etwa 300 °C verwendet werden. Durch Legieren mit Chrom, Mangan, Molybdän, Nickel und/oder Vanadin erhält man Werkstoffe, die im vergüteten Zustand eine höhere Festigkeit und ein höheres Streckgrenzenverhältnis erreichen.

Verschleißbeständiger Vergütungsstahlguss

Für Gussstücke, die hohe Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit, vor allem bei Mineralverschleiß, erfüllen müssen, werden niedrig- und hochlegierte Vergütungsstähle verwendet.

Beim niedriglegierten Vergütungsstahlguss werden perlitische und martensitische Sorten unterschieden. Die ersteren werden hauptsächlich für Panzerungen von Erz- und Gesteinsmühlen eingesetzt und haben den Vorteil, dass sie günstiger als die martensitischen Sorten herzustellen sind. Bevorzugt werden höhergekohlte Sorten, die genügend Chrom und Molybdän enthalten, um nach dem Normalisieren und Anlassen ein hartes perlitisches Gefüge zu bilden.

Niedriglegierten martensitischen Sorten eignen sich für verschleißbeanspruchte Gussstücke, auch wenn sie in erster Linie für eine bestimmte Kombination von Zugfestigkeit und Zähigkeit ausgewählt worden sind. Wenn es dagegen sehr auf die Verschleißfestigkeit ankommt, wird der Kohlenstoffgehalt meist etwas höher eingestellt, als beim normalen Vergütungsstahlguss üblich ist.

Zu den hochlegierten verschleißfesten Sorten zählen die Vergütungschromstähle mit 5 bis 6 % Cr und 12 bis 15 % Cr. Das Gefüge dieser Stähle enthält Chromsondercarbide und bei 12 % Cr auch Anteile von Chromcarbid-Eutektikum. Der nicht genormte verschleißfeste Chromstahlguss wird meist mit folgender Analyse hergestellt:

  • 6 %-Chromstahl: 0,70 bis 1,20 % C, 5 bis 6,5 % Cr, 0,4 bis 1,2 %Mo und 0,10 bis 0,50 % Si.
  • 12 %-Chromstahl: 0,80 bis 2,10 % C, 11 bis 15 % Cr, 0,5 bis 1,2 % Mo, 0,20 bis 0,50 % Si, 0,20 bis 0,40 % Mn und 0 bis 1 % Ni.
Warmfester Stahlguss

Für warmfeste Gussstücke werden bei Betriebstemperaturen zwischen 300 bis 600 °C eingesetzt und basieren hauptsächlich auf ferritischem Stahlguss.

Die Wärmebehandlung umfasst Vergüten (Härten und Anlassen) sowie Spannungsarmglühen.

Für noch höhere Temperaturen wird hitzebeständiger Stahlguss verwendet, während für Temperaturen unter 300 °C Stahlguss für allgemeine Verwendungszwecke normalerweise genügt.

Kaltzäher Stahlguss

Als kaltzäh gelten Stähle mit guter Kerbschlagzähigkeit bei hinreichend hoher Zugfestigkeit im Temperaturbereich bis etwa –190 °C. Sie werden in der industriellen Kältetechnik verwendet und in drei Gruppen unterschieden:

  1. Unlegierter Stahlguss mit ferritisch-perlitischem Gefüge und einer Zugfestigkeit von 450 bis 600 N/mm² für eine Verwendungstemperatur bis –40 °C;
  2. Stahlguss mit Vergütungsgefüge, zum Beispiel mit Chrom und Molybdän oder mit Nickel legiert, und einer Zugfestigkeit von 600 bis 750 N/mm² für eine Verwendungstemperatur bis –120 °C;
  3. Austenitischer Stahlguss mit Chrom und Nickel legiert für eine Verwendungstemperatur bis –195 °C.

Voraussetzung für hohe Zähigkeit bei tiefen Temperaturen sind niedrige Gehalte an Phosphor, Schwefel und Spurenelementen sowie eine in Bezug auf Schmelzführung und Desoxidation sorgfältige Herstelltechnik. Die Kaltzähigkeit erfordert ein möglichst feinkörniges Gefüge aus Martensit mit nur geringen Anteilen an unterem Bainit. Für die Zähigkeit des Martensits ist ein niedriger Kohlenstoffgehalt vorteilhaft. Die kaltzähen Stahlgusssorten enthalten daher im Allgemeinen nicht mehr als 0,2 % Kohlenstoff.

Ein niedriger Kohlenstoffgehalt ist auch zugleich für die Schweißbarkeit von Vorteil. Die kaltzähen Sorten sind daher allgemein gut schweißbar und teilweise für Schweißverbundkonstruktionen geeignet. Hinsichtlich der Tieftemperatureigenschaften ist eine Wärmebehandlung notwendig, vor allem dann, wenn die Festigkeiten erhöht werden sollen.

Nichtmagnetisierbarer Stahlguss

Als nichtmagnetisierbar bezeichnet man jene Stähle, deren magnetische Permeabilität weniger als 1,02 μH/m beträgt. Da der Austenit in Eisenlegierungen unmagnetisch ist, werden für diese Zwecke austenitische Stahlsorten eingesetzt. Durch Legierungszusätze, in erster Linie Mangan und Nickel oder Chrom und Nickel wird die eutektoide Zerfallstemperatur des Austenits so weit gesenkt, dass die Werkstoffe auch bei Raumtemperatur noch ein austenitisches Gefüge aufweisen.

Zu den austenitischen Stählen zählen der Manganhartstahlguss mit 1,2 % C und 12 % Mn, ferner der Chrom-Nickel-Mangan-Stahlguss sowie auch die korrosionsbeständige Chrom-Nickel-Stahlgusssorten.

Manganhartstahlguss ist nicht nur ein unmagnetischer, sondern auch ein sehr verschleißfester Werkstoff. Für Chrom-Nickel-Stahlguss lässt sich der von der Zusammensetzung abhängige austenitische Gefügebereich auch aus dem Schaeffler-Diagramm abschätzen (Bild  3). Austenitischer Stahlguss wird bei etwa 1050 °C lösungsgeglüht und abgeschreckt, um ein vollständig austenitisches Gefüge zu erhalten.

Stahlguss mit besonderen magnetischen Eigenschaften

Für kernphysikalische Anlagen, elektromagnetische Ausrüstungen und bestimmte Konstruktionsteile im Elektromaschinenbau (beispielsweise Rotorsterne, Jochringe oder Generatorennaben) wird Stahlguss mit hoher magnetischer Induktion und Permeabilität verlangt. Soweit keine hohen Festigkeitseigenschaften gefordert werden, wird unlegierter weichmagnetischer Stahlguss mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eingesetzt.

Im Elektromaschinenbau werden für höher beanspruchte Bauteile Stahlgusssorten mit höheren Festigkeiten gefordert. Hierzu werden Stähle mit höheren Kohlenstoffgehalten von etwa 0,10 bis 0,40 % verwendet, die eine angehobene Streckgrenze und Zugfestigkeit haben. Eine Verminderung der magnetischen Induktion ist damit verbunden. Legierungselemente, ausgenommen Nickel, wirken ebenfalls nachteilig auf die magnetische Induktion und Permeabilität. In der Regel handelt es sich dabei um unlegierten oder niedrig legierten Vergütungsstahlguss mit 0,10 bis 0,40 % C, 0,35 bis 0,50 % Si, 0,90 bis 1,50 % Mn, bis 1,40 % Ni, gegebenenfalls bis 0,10 % Cr und bis 0,25 % Mo.

Stahlguss für Oberflächenhärtung

Stähle, die sich zur Oberflächenhärtung eignen, haben einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4 bis 0,5 %. Durch ein Nitrierhärten können je nach Stahlzusammensetzung Oberflächenhärten von 400 HV bis 1100 HV erreicht werden.

Zum Thema