Die Wahl des richtigen Materials für Feinguss entscheidet über Erfolg oder Misserfolg Ihres Teils. Der Unterschied zwischen Edelstahl und Aluminium liegt nicht nur im Gewicht, sondern auch darin, ob Ihr Bauteil 1000 °C Hitze übersteht, Seewasserkorrosion widersteht oder sich nach dem Gießen leicht bearbeiten lässt.
Feinguss funktioniert mit praktisch jeder Metalllegierung, von kostengünstigem Kohlenstoffstahl bis hin zu exotischen Superlegierungen, die pro Pfund mehr kosten als Silber. Jede Materialkategorie bringt spezifische Stärken und Schwächen mit sich, die sich direkt auf Leistung, Herstellungskosten und Lebensdauer auswirken.
Sie müssen die Materialeigenschaften an Ihre Anwendungsanforderungen anpassen. Für eine Turbinenschaufel eines Flugzeugs werden Nickel-Superlegierungen benötigt, die ihre Festigkeit auch bei Temperaturen behalten, bei denen Aluminium schmelzen würde. Ein medizinisches Implantat erfordert die perfekte Biokompatibilität von Titan. Ein Pumpenlaufrad benötigt möglicherweise die Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Fressschutz von Bronze.
Edelstahl vereint hohe Festigkeit mit außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit und ist daher die erste Wahl für Teile, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Alle Edelstahlsorten enthalten mindestens 10.5 % Chrom, das eine schützende Oxidschicht bildet, die Rostbildung verhindert.
Diese Legierungen erreichen Zugfestigkeiten von 500 MPa bei austenitischen Güten wie 304 bis über 1300 MPa bei ausscheidungshärtenden Güten wie 17-4 PH nach Wärmebehandlung. Das Material behält diese Festigkeit auch bei mäßig hohen Temperaturen bei, wobei bestimmte Güten bis zu 800 °C gute Leistungen erbringen.
Die Korrosionsbeständigkeit wird durch die Chromoxidschicht erreicht, die sich bei Kratzern oder Beschädigungen selbst heilt. Das bedeutet, dass rostfreie Teile selbst in Meeres- oder chemischen Umgebungen oft keine Schutzbeschichtung benötigen.
Die Zähigkeit von Edelstahl variiert je nach Güte. Austenitische Edelstähle (wie 316) bieten eine hervorragende Duktilität und Schlagfestigkeit, während martensitische Güten eine höhere Härte, aber weniger Flexibilität bieten.
Der größte Nachteil ist die Zerspanbarkeit. Edelstahl verfestigt sich beim Schneiden, wodurch er schwieriger zu bearbeiten ist als Kohlenstoffstahl und spezielle Werkzeuge erfordert.
Kohlenstoffstähle bieten hohe Festigkeit zu den niedrigsten Kosten aller Gussmetalle und verfügen über Eigenschaften, die Sie durch Wärmebehandlung individuell anpassen können. Diese Eisen-Kohlenstoff-Legierungen enthalten 0.1 % bis 1.0 % Kohlenstoff. Niedriglegierte Varianten enthalten geringe Mengen Chrom, Molybdän oder Nickel.
Gussteile aus mittelhartem Stahl erreichen nach der Wärmebehandlung typischerweise Streckgrenzen von 400–800 MPa. Durch Abschrecken und Anlassen lässt sich die Härte weiter steigern, wodurch verschleißfeste Oberflächen entstehen und gleichzeitig ein zäher Kern erhalten bleibt.
Diese Stähle lassen sich leicht bearbeiten, insbesondere in den kohlenstoffärmeren Sorten. Das Material lässt sich sauber schneiden, gut bohren und problemlos schweißen – so sind die Nachbearbeitungsvorgänge unkompliziert und wirtschaftlich.
Kohlenstoffstähle verfügen über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und magnetische Eigenschaften. Dadurch eignen sie sich ideal für Elektromotorkomponenten und Anwendungen, bei denen es auf die Wärmeableitung ankommt.
Die größte Einschränkung stellt die Korrosion dar. Ohne Schutzbeschichtung rostet Kohlenstoffstahl schnell, wenn er Feuchtigkeit oder Chemikalien ausgesetzt wird.
Kohlenstoffreiche Stähle können außerdem spröde werden, wenn sie nicht richtig gehärtet werden, wodurch die Gefahr eines katastrophalen Versagens bei Stoßbelastungen besteht.
Aluminiumlegierungen bieten das beste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis unter den gängigen Gussmetallen und wiegen nur ein Drittel so viel wie Stahl. Beliebte Gusslegierungen wie A356 kombinieren Aluminium mit Silizium und Magnesium, um Zugfestigkeiten von 150–300 MPa zu erreichen.
Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts von 660 °C lässt sich Aluminium leichter gießen als Eisenlegierungen. Es lässt sich leicht zu dünnen Abschnitten und komplexen Geometrien verarbeiten und ermöglicht so komplizierte Designs, die mit anderen Metallen nicht möglich wären.
Aluminium ist von Natur aus korrosionsbeständig, da es innerhalb von Sekunden nach Kontakt mit der Luft eine schützende Oxidschicht bildet. Diese selbstschützende Eigenschaft macht in den meisten Umgebungen Beschichtungen überflüssig.
Das Material lässt sich hervorragend bearbeiten. Aluminium lässt sich schnell und mit minimalem Werkzeugverschleiß schneiden, obwohl ein hoher Siliziumgehalt die Schneidwerkzeuge leicht abrasiv beeinflussen kann.
Die Wärme- und Stromleitfähigkeit ist außergewöhnlich, was Aluminium ideal für Kühlkörper und elektrische Komponenten macht. Das Material bleibt auch bei kryogenen Temperaturen robust und wird bei Kälte nie spröde.
Die größte Schwäche liegt in der Hochtemperaturbeständigkeit. Aluminium verliert über 200 °C schnell an Festigkeit und ist daher für heiße Motorbereiche oder andere Anwendungen mit hohen Temperaturen ungeeignet.
Nickel-Superlegierungen behalten ihre außergewöhnliche Festigkeit bei Temperaturen, bei denen andere Metalle schmelzen oder sich verformen würden. Einige Sorten funktionieren zuverlässig bei 1000 °C. Gängige Legierungen wie Inconel 718 bieten bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 700 MPa und behalten bei 700 °C immer noch über 100 MPa.
Diese Legierungen widerstehen dem Kriechen – der Tendenz, sich unter anhaltender Belastung bei hohen Temperaturen langsam zu verformen. Ihre stabile austenitische Kristallstruktur verhindert das Gleiten an den Korngrenzen, das bei anderen Werkstoffen zu Versagen führt.
Die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit ist hervorragend. Chrom und Aluminium in der Legierung bilden schützende Oxidschichten, die das Grundmetall vor heißen Gasen und Verbrennungsprodukten schützen.
Die Dichte von Nickellegierungen (8.1–8.8 g/cm³) ist mit der von Stahl vergleichbar und daher schwer. Wenn es jedoch auf Festigkeit bei extremen Temperaturen ankommt, kommt nichts anderes an diese Legierung heran.
Nickellegierungen sind bekanntermaßen schwer zu bearbeiten. Sie verfestigen sich beim Schneiden sofort und zerstören Werkzeuge rasch, weshalb das Feingießen in nahezu fertiger Form so wichtig ist.
Das Material behält auch nach Tausenden von Wärmezyklen eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit und ist daher ideal für Teile, die wiederholt erhitzt und abgekühlt werden.
Kobaltlegierungen zeichnen sich durch ihre hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen aus. Einige Sorten behalten ihre nützlichen Eigenschaften sogar bis zu 900 °C. Stellitlegierungen kombinieren Kobalt mit Chrom und Karbiden, um Oberflächen zu schaffen, die selbst im glühenden Zustand abriebfest sind.
Diese Materialien vertragen thermische Ermüdung besser als jede andere Superlegierung. Sie können schnellen Temperaturschwankungen standhalten, ohne zu reißen – eine Eigenschaft, die sie für Turbinenkomponenten unschätzbar wertvoll macht.
Die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit übertrifft häufig die von Nickellegierungen, insbesondere in Umgebungen mit Schwefelverbindungen. Die schützende Chromoxidschicht bleibt auch bei Temperaturwechselbelastung stabil.
Kobaltlegierungen haben typischerweise eine Dichte von 8.4–9.0 g/cm³, ähnlich wie Nickel-Superlegierungen. Obwohl sie etwas weniger temperaturbeständig sind als hochwertige Nickellegierungen, bieten sie eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit.
Die extreme Härte, die für Verschleißfestigkeit sorgt, macht eine maschinelle Bearbeitung nahezu unmöglich. Die meisten Kobaltteile werden in ihre endgültige Form gegossen oder durch Schleifen und Funkenerosion (EDM) bearbeitet.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Biokompatibilität. Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen sind für die langfristige Implantation im menschlichen Körper unbedenklich und korrosionsbeständig gegenüber Körperflüssigkeiten.
Kupferlegierungen bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit natürlichen antimikrobiellen Eigenschaften und einer hohen thermischen/elektrischen Leitfähigkeit. Bronze- und Messinggussteile erreichen Zugfestigkeiten von 200–300 MPa für Standardgüten bis über 1000 MPa für Speziallegierungen wie Berylliumkupfer.
Diese Materialien eignen sich hervorragend für den Einsatz in Meeresumgebungen. Siliziumbronze und Aluminiumbronze bilden Schutzfilme, die den Abbau im Meerwasser verhindern und jahrzehntelang ohne Wartung halten.
Aufgrund der geringen Reibung und Verschleißfestigkeit eignet sich Bronze ideal für Lageranwendungen. Es läuft reibungslos auf Stahloberflächen mit minimalem Fressen oder Festfressen.
Kupferlegierungen lassen sich hervorragend bearbeiten, insbesondere Automatenmessing und bleihaltige Bronze. Sie erzeugen kleine Späne und ermöglichen hohe Schnittgeschwindigkeiten bei langer Werkzeugstandzeit.
Der Schmelzpunktbereich von 900–1050 °C macht das Gießen unkompliziert, allerdings weisen diese Legierungen eine erhebliche Erstarrungsschrumpfung (ca. 6 %) auf, die eine sorgfältige Formgestaltung erfordert.
Duktilität und Zähigkeit sind ausgezeichnet. Kupferlegierungen biegen sich, bevor sie brechen, und behalten ihre Zähigkeit auch bei kryogenen Temperaturen, im Gegensatz zu Stählen, die spröde werden.
Titanlegierungen bieten stahlähnliche Festigkeit bei halbem Gewicht. Ti-6Al-4V erreicht beispielsweise eine Zugfestigkeit von 900 MPa bei einer Dichte von nur 4.5 g/cm³. Dieses außergewöhnliche Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht macht Titan in der Luft- und Raumfahrt unersetzlich.
Die Korrosionsbeständigkeit von Titan kann in vielen Umgebungen mit der von Platin mithalten. Titan bildet einen unglaublich stabilen Oxidfilm, der es in Meerwasser, Chloriden und Körperflüssigkeiten nahezu inert macht.
Das Material behält seine guten Eigenschaften bis 400–500 °C, oxidiert jedoch oberhalb dieser Temperatur schnell. Spezielle Legierungen können den nutzbaren Bereich etwas höher legen.
Titan hat einen niedrigen Elastizitätsmodul (110 GPa), etwa halb so hoch wie Stahl. Diese Flexibilität hilft zwar, Stöße zu absorbieren, führt aber zu einer stärkeren Durchbiegung unter Belastung.
Der hohe Schmelzpunkt von 1668 °C und die extreme Reaktivität von geschmolzenem Titan stellen eine Herausforderung beim Gießen dar. Um Verunreinigungen zu vermeiden, sind Vakuumöfen und spezielle Keramikschalen auf Zirkonoxidbasis erforderlich.
Die Biokompatibilität ist perfekt – Titan verursacht keine Nebenwirkungen im menschlichen Körper und ermöglicht tatsächlich das direkte Knochenwachstum auf seiner Oberfläche, was es ideal für dauerhafte Implantate macht.
| Medientyp | Relative Kosten (Material) | Korrosionsbeständigkeit | Typische Stärke[^1] | Bearbeitbarkeit (Leichtigkeit) | Dichte (g / cm³) |
|---|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoff-/niedriglegierter Stahl | Niedrig | Niedrig – ohne Beschichtung rostanfällig | Mittel – Hoch (wärmebehandelbar) | Mittel – leicht zu bearbeiten und zu schweißen | ~7.8 (Schwer) |
| Edelstahl | Hoch (aufgrund von Ni/Cr) | Ausgezeichnet – widersteht Korrosion und Oxidation | Mittel – gute Festigkeit, einige Grade hoch | Niedrig – schwieriger zu bearbeiten als einfacher Stahl | ~7.7–8.0 (Schwer) |
| Aluminiumlegierungen | Medium | Mittel/Gut – bildet schützendes Oxid | Niedrig – mittel (geringere absolute Stärke) | Hoch – sehr gut bearbeitbar | ~2.7 (leicht) |
| Legierungen auf Nickelbasis | Sehr hoch – teure Elemente | Hoch – hervorragend bei Hitze/Korrosion | Hoch bei hoher Temperatur (mittel bei RT) | Niedrig – sehr schwer zu bearbeiten | ~8.1–8.8 (Schwer) |
| Legierungen auf Kobaltbasis | Sehr hoch – teuerste Superlegierungen | Hoch – hervorragende Korrosions- und Verschleißbeständigkeit | Mittel – sehr gut bis ~800 °C | Niedrig – extrem hart; in Endform gegossen | ~8.4–8.8 (Schwer) |
| Kupferbasierte Legierungen | Mittel – Kupfer ist mittelpreisig | Hoch – ausgezeichnet in Meeres-/normaler Umgebung. | Niedrig – mittel (Bronze < Stahl; Be-Cu hoch) | Hoch – leicht (insb. Messing/Bleibronze) | ~7.5–8.9 (Schwer) |
| Titanlegierungen | Sehr hoch – teures Material und Verfahren | Hoch – nahezu inert, biomedizinische Qualität | Hoch – stahlähnliche Festigkeit bei 40 % Gewicht | Niedrig – Bearbeitung und Gießen sind schwierig | ~4.5 (leicht) |
