Alles aus einem Guss?

Die meisten von uns machen sich wenig Gedanken um den aufwändigen Herstellungsprozess, der hinter so alltäglichen Dingen wie Absperreinrichtungen steckt. Dabei sind in die Fertigung von Absperrpollern, Sitzbänken oder auch Abfallbehältern viele hochspezialisierte Industrien involviert – von metallverarbeitenden Betrieben über Schreinereien bis hin zur Kunststoffindustrie. Ein gleichzeitig uraltes und hochmodernes Verfahren zur Herstellung ist dabei das Gießen von Metallen. Grauguss, Stahlguss, Temperguss und Aluminiumguss – seit rund 5.000 Jahren gehört das Einschmelzen von Rohmetall, die anschließende Veredelung durch Zuschläge und das finale Gießen in Formen zur Evolution der Menschheit mit dazu. Gründe genug, das Verfahren einmal genauer zu betrachten.

Eine kurze Geschichte des Gießens

Der Umgang mit Metallen ist der Menschheit bereits seit der Steinzeit bekannt. Gold, Silber und auch Kupfer lagen in metallischer Form vor, wurden von unseren Vorfahren abgebaut und mittels Hämmer bearbeitet. Das Formen der genannten Metalle mit einem Hammer hatte jedoch einen großen Nachteil: Es macht die Materialien brüchig und spröde. Klar, dass so bearbeitetes Metall nicht als Werkzeug zu gebrauchen war, daher wurde Gold, Silber und Kupfer nur als Schmuck verwendet. Um 3.000 vor Christus entwickelte sich in China und Indien der Umgang mit Schmelzöfen. Fortan war es in diesen Regionen der Welt möglich, Metalle in Formen zu gießen. Vor allem Kupfer war aber in der Verarbeitung kompliziert, da es zum einen bei der Schmelze Blasen wirft und zum anderen einen extrem hohen Schmelzpunkt aufweist. Im Laufe der Zeit kam man daher auf die Idee, Metalle zu „mischen“ – der Fachmann spricht hier von „legieren“ – um einem Ausgangsmaterial gewünschte Eigenschaften zu ermöglichen. Dem flüssigen Kupfer setzte man im Schmelzofen Zinn zu – und erhielt Bronze. Bronze lässt sich im Gegensatz zu reinem Kupfer optimal vergießen, ist deutlich härter und fester und machte so auch den Einsatz von Guss bei der Fertigung von Werkzeugen möglich. Ein derartiger Sprung in der Entwicklung will entsprechend geehrt werden – in diesem Fall mit der Benennung einer ganzen Epoche der Menschheit als „Bronzezeit“.

In der Antike löste Eisen die Bronze als wichtigsten Werkstoff ab. Allerdings abermals in China, wo bereits seit etwa 500 vor Christus der Umgang mit Gusseisen bekannt war. In Europa hingegen ließ sich Eisen bis ins Mittelalter hinein nicht gießen, so dass hier weiterhin Bronze als wichtigster Werkstoff für Werkzeuge galt. Erst im Hochmittelalter fand das Wissen der Eisenverarbeitung auch den Weg auf das europäische Festland. Hier gelang dank neuer Schachtöfen die Herstellung von Gusseisen. Das „neue“ Material ließ sich zwar gießen, aber nicht schmieden – so dass der Guss in Europa weiterhin im Kunstsektor verblieb. Besondere Bedeutung erlangte das Gusseisen im Glockenguss.

In der frühen Neuzeit war es der Krieg, der wie so oft in der Geschichte der Menschheit die Entwicklung der Technik vorantrieb. Mit der Verbreitung von Schießpulver wurden Kanonen auf den Schlachtfeldern immer relevanter. Kanonen wurden zunächst aus Bronze im Vollguss hergestellt und anschließend gebohrt, später verwendete man einen Kern zum Abbilden des Hohlraums (in dem später die Kanonenkugel abgefeuert wird), so dass die Kanonen nur noch ausgebohrt werden mussten. Das sparte Zeit – und Geld.

Mit Einsetzen des Industriezeitalters schließlich wurde Gusseisen zu einem der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe. Fortan wurde nicht nur Eisen, sondern auch Aluminium und Magnesium vergossen.

Und heute? Gussteile finden wir in so gut wie allen Bereichen unseres Lebens. Von Bauteilen im Auto über Absperrpoller auf unseren Straßen bis hin zu riesigen Turbinen, die aus Wasser Energie erzeugen.

Der Eisenguss – Schmelzverfahren und Ofentypen

Grundlage für jeden Eisenguss sind Rohmaterialien. In der modernen Gießerei werden hier als Ausgangsstoffe Gießereiroheisen, Gussbruch, Stahlschrott und Kreislaufmaterialien der Gießereien (Speiser, Steiger, Ausschuss) verwendet. Hinzu kommen noch unterschiedliche Legierungselemente, die abhängig vom späteren Gusswerkstoff hinzugefügt werden.

Die Rohstoffe und Zuschläge müssen, damit sie als Guss verwendet werden können, entsprechend erhitzt und zum Schmelzen gebracht werden. Je nach Gusseisensorte und Einsatzstoffen werden dabei unterschiedlichste Öfen verwendet:

(Heißwind-)Kupolofen. Der auch als Schachtofen bezeichnete Kupolofen ist die weltweit immer noch am weitesten verbreitete Schmelzeinrichtung für Gusseisen. Der Kupolofen besteht aus einem schachtförmigen, gemauerten Ofenraum. Im unteren Bereich wird über Düsen vorgewärmte Verbrennungsluft eingeblasen, die Koks als Heizmaterial erhitzt und verbrennt. Aufsteigende heiße Gase erhitzen das über dem Koks im Ofen eingebrachte Metall. Dieses schmilzt kurz über den Düsen und wird in einen Sammelbehälter, den Vorherd, geleitet. Hier wird das Eisen dann von der leichteren Schlacke getrennt.
Induktions-Tiegelofen. Bei diesem Schmelzofen ist rund um einen Schmelztiegel eine wassergekühlte Kupferspule angeordnet. In dieser Spule fließt Wechselstrom, welcher innerhalb des Tiegels ein elektromagnetisches Wechselfeld induziert – was die Rohmaterialien dann zum Schmelzen bringt. Das Wechselfeld sorgt weiterhin für eine Rührbewegung in der Schmelze – und verteilt so Legierungselemente besonders gleichmäßig.

Wichtige Legierungselemente

Legierungselemente und Begleitelemente ermöglichen die unterschiedlichsten Eigenschaften von Gusswerkstoffen. Während Legierungselemente insbesondere die Korrosionsbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit erhöhen, beeinflussen Begleitelemente die Festigkeit und Zähigkeit der Gussteile.
Zu den gängigsten Legierungs- und Begleitelementen gehören:

Legierung

Chrom. Erhöht die Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, vermindert die Dehnungsfähigkeit
Nickel. Erhöht die Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, vermindert die Wärmedehnung
Wolfram. Erhöht die Härte, Schnitthaltigkeit und Warmfestigkeit, vermindert Dehnung und Zerspanbarkeit

Nichtmetallische Begleitelemente

Kohlenstoff. Erhöht Festigkeit und Härte, vermindert Schmelzpunkt, Schweiß- und Schmiedbarkeit
Phosphor. Erhöht Zugfestigkeit, Warmfestigkeit und Korrosionswiderstand, verringert Kerbschlagzähigkeit und Schweißbarkeit
Schwefel. Erhöht die Zerspanbarkeit, verringert die Schweißbarkeit

Gusssorten im Überblick

Zu den am weitesten verbreiteten Gusstypen zählt neben dem Gusseisen mit Lamellen- oder Kugelgrafit der Aluminiumguss. Weitere Gusssorten sind der Stahlguss und der Temperguss, die vorrangig im Fahrzeug- und Maschinenbau eingesetzt werden und daher hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden sollen.

Gusseisen mit Lamellengrafit
(EN-GJL, früher DIN GG (Grauguss) 15-35)

Das auch als Grauguss bekannte Material verdankt seinen Namen dem eingelagerten Kohlenstoff, der hier als winzig kleine, blättchenförmige Grafitlamellen ausgeprägt ist. Der schwarze, weiche Grafit im ansonsten hellen Ferritgefüge des Gusseisens lässt diesen an Bruchkanten grau erscheinen – daher der Name „Grauguss“. Der hohe Kohlenstoffanteil von 2,6 % bis 3,6 % bewirkt eine gute Zerspanbarkeit und beste schwingungsdämpfende Eigenschaften. Die Grafitlamellen sorgen allerdings auch dafür, dass Zugfestigkeit und Dehnung wesentlich vermindert sind. Die Druckfestigkeit bei Gusseisen mit Lamellengrafit ist ungefähr viermal so hoch wie die Zugfestigkeit! Daher findet Grauguss vor allem bei der Produktion von Werkzeugmaschinen oder der Herstellung von Getriebegehäusen Anwendung. Zusammengefasst: Grauguss weist eine geringe Bruchlast auf und bricht bei Krafteinwirkungen schneller als bspw. globularer Grauguss, besser bekannt als Kugelgraphitguss.

Gusseisen mit Kugelgrafit
(EN-GJS, früher DIN GGG (globularer Grauguss) 35.3 – 80)

Von allen Gusseisensorten kommt das Gusseisen mit Kugelgrafit (welches auch zum Bereich Grauguss zählt) dem Stahl am nächsten. Der eingelagerte Kohlenstoff ist hier als kugelförmiger Grafit ausgeprägt. So entsteht anders als beim Lamellengrafit eine nur sehr geringe Kerbwirkung – was zu hoher Bruchfestigkeit und guter Bruchdehnung führt. Gusseisen mit Kugelgrafit kann darüber hinaus noch vergütet oder gehärtet werden, was die Festigkeit und Bruchdehnung noch weiter erhöht. Immer dann, wenn Bauteile gefragt sind, die eine hohe Festigkeit und Bruchdehnung aufweisen müssen, ist Gusseisen mit Kugelgrafit der Werkstoff der Wahl – unter anderem bei großen Zahnrädern, Kurbelwellen oder Turbinengehäusen.

Aluminiumguss

Aluminium zählt zu den Nichteisenmetallen und wird innerhalb dieser Gruppe anhand der Dichte zu den Leichtmetallen einsortiert. Reines Aluminium ist extrem weich und als Konstruktionswerkstoff nicht verwendbar. Daher wird Aluminium immer mit anderen Metallen legiert. Im Falle des Aluminiumgusses findet Silicium mit einem Anteil von bis zu 12 % als Legierungselement Anwendung. Silicium bewirkt zum einen eine hervorragende Gießbarkeit und somit die Möglichkeit, auch sehr dünnwandige Werkstücke zu gießen und zum anderen eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Endproduktes. Aluminiumguss ist im Vergleich zu Eisenguss sehr leicht und gut zu zerspanen und nicht zuletzt in der Herstellung günstiger. Daher wird Aluminiumguss im Bereich der Stadtmöbilierung gerne für Absperrpoller oder Sitzmöbel eingesetzt. Im Vergleich zum Grauguss GG oder GGG weist Aluminiumguss eine wesentlich gleichmäßigere Oberfläche und eine gute Formbarkeit auf. Mit Aluminiumguss können sehr komplexe Formen realisiert werden, was viele Schweißarbeiten überflüssig macht.

Guss in der Stadt –
Die Verwendung von Gussteilen als Stadtmobiliar

Gegossene Teile laufen einem bei einem Rundgang durch eine Stadt ständig über den Weg – beziehungsweise versperren diesen, denn Guss ist das bevorzugte Material bei der Fertigung von Absperrpollern. Genauer gesagt ist es Aluminiumguss, der für die Fertigung der unterschiedlichen Absperrpoller verwendet wird. Aluminiumguss lässt sich dank des vergleichsweisen geringen Gewichts gut handhaben und ausgezeichnet formen. Insbesondere dann, wenn die Absperrpoller komplexe bzw. nicht schweißbare Formen aufweisen oder mit fein ausgeprägten Stadtwappen verziert werden sollen, ist Aluminium ein unschlagbarer Werkstoff für den Einsatz als Stadtmobiliar.

Doch nicht nur Absperrpoller lassen sich aus Aluminiumguss herstellen. Es gibt Abfallbehälter aus Aluminiumguss ebenso wie Pflanzkübel, Leuchtpoller, Lampenköpfe, Baumschutzscheiben oder Trinkbrunnen. Auch viele Tische, die sich auf Spielplätzen, an Haltestellen oder öffentlichen Plätzen befinden, sind mit einem Gestell aus Aluminiumguss versehen. Im Prinzip setzt immer nur die Kreativität in Verbindung mit dem Preis die Grenzen für einen Einsatz von Aluminiumguss als Stadtmobiliar.

Und was ist mit dem klassischen Grauguss? Noch vor weniger als hundert Jahren prägten schwere „gusseiserne“ Zäune, Pfosten und Poller das Stadtbild. In der modernen Stadt ist allerdings Leichtigkeit und natürlich Wirtschaftlichkeit gefragt – und Gusseisen somit nicht mehr Nummer 1 unter den Werkstoffen für den Einsatz in der Stadt.

Als Faustregel kann man festhalten: Alle komplexen Formen, die in mittleren Stückzahlen auf Formmaschinen gefertigt und abgegossen werden können, eignen sich in der Regel als Verwendung für Stadtmobiliar.

Guss – Ein umweltfreundliches Verfahren?

In Zeiten stetig steigender Verknappung von Rohstoffen, hohen Co2-Belastungen in den Städten und Klimawandel stellt sich gerade bei einem so energieintensiven Verfahren wie dem Gießen die Frage, ob das Verfahren überhaupt noch zeitgemäß ist.

Fakt ist: Das Schmelzen von Metallen benötigt große Mengen an Energie, um die benötigten hohen Temperaturen für den Schmelzvorgang zu realisieren. In der Vergangenheit wurden auch in Deutschland die bei der Schmelze entstehende Abgase ungefiltert in die Luft abgegeben – wer noch die Häuser des „alten“ Duisburg rund um die Hochöfen von Thyssen kennt, der weiß, wie schmutzig die Abgase der Gießereien früher einmal waren. Hier hat sich allerdings in den letzten Jahrzehnten einiges getan. Während alte Anlagen mit moderner, aber teurer Filtertechnik ihre Emissionen deutlich reduzieren konnten oder andernfalls geschlossen werden mussten, setzen moderne Anlagen direkt auf emissionsarme Techniken.

Auch hinsichtlich des Rohstoffbedarfs kann das Gießen nicht als Umweltsünde bezeichnet werden. Da der umweltzerstörende Abbau von Roherzen oder Aluminium in Deutschland unrentabel geworden ist und auch der Transport der Rohstoffe aus anderen Teilen der Erde keine wirtschaftliche Alternative darstellt, sind unsere Gießereien schon längst auf das Recycling von Schrott umgestiegen. Bei Metallen für den Guss liegt die Recyclingquote weit über 80 % – in einigen Fällen sogar bei nahezu 100 %! Ein Absperrpoller, der das Ende seines Lebenszyklus erreicht hat, kann also fast vollständig wiederverwertet werden – und besteht mit allergrößter Wahrscheinlichkeit so gut wie komplett aus Recyclingmaterial!

Gießen vs. Zerspanen

Dass sich hochkomplexe Teile, beispielsweise Turbinenschaufeln oder Motorblöcke, schneller gießen als fräsen lassen, ist naheliegend. Doch was ist mit Teilen wie einem Absperrpoller? Warum nimmt man nicht einfach ein Stück Rohmaterial, spannt es auf eine Drehmaschine und bringt den Poller so in Form?

Nun, möchte man ein absolutes Unikat an Absperrpoller fertigen – beispielsweise für den eigenen Vorgarten – ist die Zerspanung auf einer Drehmaschine in der Tat das schnellere, einfachere und günstigere Verfahren. Anders sieht es aber bei Großserien aus. Zum Vergleich:

Nach Erstellen der Form ist nur noch ein Arbeitsschritt nötig, um einen Absperrpoller zu gießen – nämlich das Einfüllen des heißen Metalls in die Form.
Beim Drehen muss zunächst das Rohmaterial eingekauft werden, dieses dann auf Länge gesägt und auf der Drehmaschine gespannt werden. Anschließend wird ein Programm geschrieben, welches die Geometrie und Kontur des Absperrpollers definiert. Daraufhin muss die Maschine mit Werkzeugen bestückt und eingerichtet werden. Erst dann beginnt der Zerspanungsvorgang. Ist dieser Vorgang beendet, stehen eventuelle Nacharbeiten an (Gewinde schneiden, bohren, schleifen…). Und das für jedes Bauteil aufs Neue. Legt man übliche Maschinenstundensätze von 300 Euro oder mehr zu Grunde, kann man sich leicht ausrechnen, wie teuer ein so gefertigter Absperrpoller für den Endkunden werden würde.

Dieses (stark vereinfache und verkürzte) Beispiel zeigt deutlich, warum in vielen Fällen das Gussverfahren die wirtschaftlichere Alternative gegenüber der Zerspanung ist.

Gießen: Das uralte Verfahren bleibt auch in der Zukunft unverzichtbar

Auch wenn sich die Technik im stetigen Wandel befindet – das archaische Verfahren des Erschmelzens von Metallen wird auch in Zukunft nicht an Bedeutung verlieren. Ganz im Gegenteil, denn aufwändige Maschinen und Anlagen erfordern immer präzisere und gleichzeitig wirtschaftlichere Einzelteile. Vor allem in der Energiebranche, dem Maschinenbau oder der Automobilindustrie existiert de facto kein alternatives Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile. Was unsere Vorfahren vor vielen Tausend Jahren erfunden haben, treibt auch noch im modernen Zeitalter die Welt an – und wird es aller Digitalisierung zum Trotze auch in den nächsten Jahrhunderten weiterhin tun.

Wenn Sie also demnächst vor einem Absperrpoller stehen, denken Sie daran: In dem unscheinbaren Gegenstand verbirgt sich eine mehr als 7000 Jahre alte Kulturgeschichte.

Quellen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Gie%C3%9Fen_(Metall)
Fachkunde Metall, Verlag Europa-Lehrmittel