Bevor wir uns mit den Unterschieden zwischen Gießen und Schmieden beschäftigen, wollen wir kurz auf die beiden gängigsten Werkstoffen im Zusammenhang mit diesen Verfahren eingehen: Eisen und Stahl. Eisen ist in unserem täglichen Leben ein weit verbreitetes Material und wird für die Herstellung von Werkzeugen und allerlei anderen Produkten verwendet. Eisen ist aber auch der Hauptbestandteil von Stahllegierungen. Was unterscheidet also diese beiden Werkstoffe?

Zunächst sei einmal gesagt, dass mit dem Begriff Eisen in unserem täglichen Sprachgebrauch nicht immer reines, also elementares Eisen gemeint ist. Oft handelt es sich um Eisenlegierungen. Reines Eisen hat einen sehr hohen Schmelzpunkt. Es wird zur Herstellung verschiedener Eisen- und Stahllegierungen verwendet, die nach ihrem Herstellungsverfahren und Gehalt an Eisen, Kohlenstoff und anderen Elementen klassifiziert werden.

Jeder kennt wohl ein paar grundlegende Unterschiede zwischen Eisen und Stahl und kann den jeweiligen Werkstoff bei ein paar verbreiteten Gegenständen erkennen. So bestehen z.B. die klassischen japanischen Teekannen oder Kanalisationsdeckel auf unseren Straßen aus Gusseisen, während Küchenmesser und Rohrleitungen aus Stahl hergestellt werden. Es gibt eine große Bandbreite an Eisenwerkstoffen und Stählen, die entsprechend der gewünschten Eigenschaften eingesetzt werden. Außerdem können regionale Normen und Standards die Auswahl dieser Werkstoffe für industrielle Anwendungen beeinflussen.

Der Hauptunterschied im Aufbau von Eisen und Stahl liegt im Kohlenstoffanteil der Legierung. Gusseisen enthält typischerweise mehr als 2% Massenanteil Kohlenstoff. Bei der Stahlproduktion wird der Kohlenstoffanteil auf Werte zwischen 0,008% und 2,0% gesenkt. Gusseisen hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (niederiger als elementares Eisen), während Stahl bei weitaus höheren Temperaturen schmilzt. Diese Unterschiede haben einen großen Einfluss auf die Formbarkeit und Verwendung der Werkstoffe. Der niedrige Schmelzpunkt und die gute Fließfähigkeit von Gusseisen sind die Hauptgründe dafür, warum es zum Gießen von vielerlei Produkten verwendet wird.

Wie der Name vermuten lässt, wird Gusseisen ausschließlich durch Gießen verarbeitet und kann nicht geschmiedet werden. Durch seine gute Fließfähigkeit können bei Gießen komplexe Formen verwirklicht werden. Das Schweißen von Gusseisen gelingt jedoch wegen seines hohen Kohlenstoffgehalts nicht zuverlässig und es enstehen spröde Schweißungen. Daher bietet dieser Werkstoff nicht die erforderliche Festigkeit, um ihn für Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen im Rohrleitungsbau zu verwenden. In solchen Fällen ist Stahl die richtige Alternative.

Stahl kann entweder gegossen oder geschmiedet werden. Er ist auch gut schweißbar und wesentlich fester als Gusseisen, so dass Rohrleitungselemente aus Stahl bei hohen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden können. Die am meisten verbreitete Stahllegierung ist Carbonstahl. Je nach Anforderungen des Endprodukts kann aber auch höherwertiger Stahl wie Edelstahl oder Molybdänstahl verwendet werden. Solche Stähle werden typischerweise wegen ihrer höheren Korrosionsfestigkeit und mechanischen Beständigkeit auch bei hohen Temperaturen gewählt.

Gießen

Für Gusserzeugnisse wird das Gussmaterial vollständig geschmolzen und in eine Form gegossen. Dabei nimmt es die Gestalt der Gussform an und wird nach der Abkühlung und Aushärtung aus der Form entnommen. Eine Bratpfanne ist ein alltägliches Beispiel für ein Gussprodukt.

Diese Animation stellt ein allgemeines Beispiel eines Gießprozesses als Sandguss dar.

Schmieden

Schmieden bezeichnet das Umformen von Metall (meistens als Block oder Platte) unter Anwendung von Druck, wobei es entweder gehämmert oder gepresst wird. Das Material wird vorher meistens erhitzt, um eine bessere Verformbarkeit zu erreichen. Es bleibt aber während des Prozesses immer fest. Küchenmesser und andere Messerklingen sind typische Beispiele für Schmiedeprodukte. Da Stahl sowohl gegossen als auch geschmiedet werden kann wird bei den Stahlsorten zwischen Stahlguss und Schmiedestahl unterschieden.

Diese Animation stellt ein allgemeines Beispiel für das Schmieden als Gesenkschmieden dar.

Warum werden Ventilkörper gegossen?

Produkte mit komplizierten Konturen werden am besten gegossen, weil damit das Material am einfachsten geformt werden kann. Durch vollständiges Schmelzen des Gussmaterials und Gießen in eine Form können Erzeugnisse mit komplexem Innenaufbau, z.B. Kammern und anderen Hohlräumen hergestellt werden. So werden auch die Gehäuse für TLV-Freischwimmer-Kondensatableiter gegossen. Auf diese Weise werden die verschiedenen Strömungswege und Hohlräume erzielt, die für die Funktionsweise des Kondensatableiters notwedig sind.

Warum werden Ventilkörper geschmiedet?

Da beim Schmieden das feste Material durch Einwirkung hoher Kräfte umgeformt wird, ist dieser Prozess nicht die ideale Methode, um Produkte mit Hohlräumen und komplexem Aufbau herzustellen. Um solche Produkte mittels Schmieden herzustellen, müssen Hohlräume später durch zerspanende Arbeitsschritte eingeführt werden. Das Schmieden von Stahl ist jedoch ein relativ schneller Bearbeitungsprozess und es resultiert im Vergleich zum Gießen eine höhere Festigkeit und Homogenität des Materials. TLV stellt Thermodynamische Kondensatableiter für hohe Drücke nach diesem Verfahren her, da ihr Aufbau relativ einfach ist. Sie haben wenig Hohlräume und müssen nicht viel nachbearbeitet werden.

Wie vorher erwähnt kann Stahl sowohl geschmiedet als auch gegossen werden. Warum wird also nicht grundsätzlich gegossen, wenn damit mehr Flexibilität bei der Gestaltung komplexerer Formen möglich ist? Tatsächlich ist keines der beiden Verfahren grundsätzlich besser als das andere. Beide haben ihre Vor- und Nachteile, abhängig von den Anforderungen der spezifischen Anwendung.

Der hohe Schmelzpunkt von Stahl erschwert das Gießen. Wenn das geschmolzene Material nicht ungehindert in alle Hohlräume der Gussform fließen kann besteht die Gefahr von Lufteinschlüssen. Das Schmieden ermöglicht dahingegen eine kostengünstigere Fertigung bei großen Stückzahlen. Aber auch dieses Verfahren birgt Risiken für Produktionsausschuss, z.B. durch Fehlausrichtung. Dabei kann es zu falschem Ausformen, Brüchen oder anderen Schäden am Produkt kommen.

Um die Herstellungskosten und die Qualität in Waage zu halten ist es daher wichtig, alle Aspekte für die Fertigung zu berücksichtigen. Dazu zählen die Größe des Produkts, die Komplexität seines Aufbaus, die Losgröße und die Anzahl der notwendigen weiteren Bearbeitungsschritte nach der ursprünglichen Formgebung. Nach diesen Kriterien wird letztendlich die Entscheidung für das Gießen oder das Schmieden als optimales Herstellungsvefahren fallen.