Gussstahlherstellung:Eigenschaften und Zusammensetzung

Prüfung und Inspektion in der Gießerei

Stahlguss ist eine Eisenlegierung mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von ca. 0,75 %. Stahlgussteile sind feste Metallgegenstände, die durch Füllen des Hohlraums innerhalb einer Form mit flüssigem Stahl hergestellt werden. Sie sind in vielen der gleichen Kohlenstoff- und legierten Stähle erhältlich, die auch als Schmiedemetalle hergestellt werden können. Die mechanischen Eigenschaften von Gussstahl sind im Allgemeinen geringer als die von Schmiedestählen, jedoch mit der gleichen chemischen Zusammensetzung. Stahlguss gleicht diesen Nachteil durch seine Fähigkeit aus, komplexe Formen in weniger Schritten zu formen.

Eigenschaften von Stahlguss

Stahlguss kann mit einem breiten Eigenschaftsspektrum hergestellt werden. Die physikalischen Eigenschaften von Stahlguss ändern sich je nach chemischer Zusammensetzung und Wärmebehandlung erheblich. Sie werden so ausgewählt, dass sie den Leistungsanforderungen der beabsichtigten Anwendung entsprechen.

• Härte
  Die Fähigkeit eines Materials, Abrieb zu widerstehen. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt die maximal erreichbare Härte des Stahls oder die Härtbarkeit.

• Stärke
  Die Kraft, die erforderlich ist, um ein Material zu verformen. Höherer Kohlenstoffgehalt und Härte führen zu Stahl mit höherer Festigkeit.

• Dehnbarkeit
  Die Fähigkeit eines Metalls, sich unter Zugspannung zu verformen. Niedrigerer Kohlenstoffgehalt und geringere Härte führen zu Stahl mit höherer Duktilität.

• Zähigkeit
  Die Fähigkeit, Stress zu widerstehen. Eine erhöhte Duktilität ist normalerweise mit einer besseren Zähigkeit verbunden. Die Zähigkeit kann durch Zugabe von Legierungsmetallen und Wärmebehandlung eingestellt werden.

• Verschleißfestigkeit
  Die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Reibung und Gebrauch. Gussstahl weist eine ähnliche Verschleißfestigkeit wie Schmiedestähle ähnlicher Zusammensetzung auf. Die Zugabe von Legierungselementen wie Molybdän und Chrom kann die Verschleißfestigkeit erhöhen.

• Korrosionsbeständigkeit
  Die Beständigkeit eines Materials gegen Oxidation und Rost. Stahlguss weist eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Schmiedestahl auf. Hochlegierte Stähle mit erhöhten Gehalten an Chrom und Nickel sind sehr oxidationsbeständig.

• Bearbeitbarkeit
  Die Leichtigkeit, mit der ein Stahlguss seine Form ändern kann, indem Material durch maschinelle Bearbeitung (Schneiden, Schleifen oder Bohren) entfernt wird. Die Bearbeitbarkeit wird durch Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung beeinflusst.

• Schweißbarkeit
  Die Fähigkeit eines Stahlgusses, fehlerfrei geschweißt zu werden. Die Schweißbarkeit hängt in erster Linie von der chemischen Zusammensetzung und der Wärmebehandlung des Stahlgusses ab.

• Hochtemperatureigenschaften
  Stähle, die bei Temperaturen über Umgebungstemperatur betrieben werden, unterliegen verschlechterten mechanischen Eigenschaften und vorzeitigem Ausfall aufgrund von Oxidation, Wasserstoffschäden, Sulfitablagerung und Karbidinstabilität.

• Tieftemperatureigenschaften
  Die Zähigkeit von Stahlguss wird bei tiefen Temperaturen stark herabgesetzt. Legierungs- und spezielle Wärmebehandlungen können die Fähigkeit eines Gussstücks verbessern, Belastungen und Belastungen standzuhalten.

Chemische Zusammensetzung von Stahlguss

Die chemische Zusammensetzung von Stahlguss hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungseigenschaften und wird häufig verwendet, um Stahl zu klassifizieren oder Standardbezeichnungen zuzuweisen. Gussstähle können in zwei große Kategorien eingeteilt werden – Kohlenstoffstahlguss und legierter Stahlguss.

Kohlegussstahl

Kohlenstoffgussstähle können wie Schmiedestähle nach ihrem Kohlenstoffgehalt klassifiziert werden. Gußstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,2 % Kohlenstoff) ist relativ weich und nicht ohne weiteres wärmebehandelbar. Gussstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,2–0,5 % Kohlenstoff) ist etwas härter und kann durch Wärmebehandlung verstärkt werden. Gussstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,5 % Kohlenstoff) wird verwendet, wenn maximale Härte und Verschleißfestigkeit erwünscht sind.

Legierter Stahlguss

Legierter Stahlguss wird entweder in niedrig- oder hochlegiert kategorisiert. Niedrig legierter Stahlguss (≤ 8 % Legierungsanteil) verhält sich ähnlich wie normaler Kohlenstoffstahl, jedoch mit höherer Härtbarkeit. Hochlegierter Stahlguss (> 8 % Legierungsgehalt) soll eine bestimmte Eigenschaft wie Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit oder Verschleißfestigkeit erzielen.

Gängige hochlegierte Stähle sind Edelstahl (> 10,5 % Chrom) und Hadfield-Manganstahl (11–15 % Mangan). Der Zusatz von Chrom, das unter Sauerstoffeinfluss eine Passivierungsschicht aus Chromoxid bildet, verleiht Edelstahl eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Der Mangangehalt in Hadfields Stahl sorgt für hohe Festigkeit und Abriebfestigkeit bei harter Bearbeitung.

ASTM	Chemische Anforderungen					Zugfestigkeit
STAHLSORTE	Kohlenstoff	Mangan	Silizium	Schwefel	Phosphor	Zugfestigkeit	Streckgrenze	Dehnung in 2 Zoll.	Flächenreduzierung
	Max % / Bereich					Min. ksi [Mpa] / Bereich		Min. %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, Klasse N-1	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend
ASTM A27, Klasse N-2	0,35	0,60	0,80	0,06	0,05	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend
ASTM A27, Klasse U60-30	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, Klasse 60-30	0,30	0,60	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, Klasse 65-35	0,30	0,70	0,80	0,06	0,05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, Klasse 70-36	0,35	0,70	0,80	0,06	0,05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, Klasse 70-40	0,25	1.20	0,80	0,06	0,05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, Klasse 80-40	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	0,06	0,05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, Klasse 80-50	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	0,06	0,05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, Klasse 90-60	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	Nicht zutreffend	0,06	0,05	90 [620]	60 [415]	20	40
	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, Klasse WCA	0,25	0,70	0,60	0,045	0,04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, Klasse WCB	0,30	1,00	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, Klasse WCC	0,25	1.20	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

• Laden Sie unsere Stahlgusssortentabelle herunter

Stahlgusssorten

Stahlsorten wurden von Normungsorganisationen wie ASTM International, dem American Iron and Steel Institute und der Society of Automotive Engineers entwickelt, um Stähle mit spezifischen chemischen Zusammensetzungen und daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften zu klassifizieren. Gießereien können ihre eigenen internen Stahlsorten entwickeln, um die Nachfrage der Benutzer nach bestimmten Eigenschaften zu erfüllen oder um bestimmte Produktionssorten zu standardisieren.

Die Spezifikationen für Schmiedestähle wurden oft verwendet, um verschiedene Gusslegierungen nach ihren Hauptlegierungselementen zu klassifizieren. Gußstähle folgen jedoch nicht notwendigerweise Schmiedestahlzusammensetzungen. Die Silizium- und Mangangehalte sind bei Gussstählen häufig höher als bei ihren geschmiedeten Äquivalenten. Legierte Stahlgüsse verwenden neben ihren überwiegend höheren Gehalten an Silizium und Mangan Aluminium, Titan und Zirkonium zur Desoxidation während des Gießprozesses. Aluminium wird aufgrund seiner Wirksamkeit und relativ niedrigen Kosten hauptsächlich als Desoxidationsmittel verwendet.

Stahlgussproduktion

Die Praxis des Gießens von Stahl geht auf die späten 1750er Jahre zurück, viel später als das Gießen anderer Metalle. Der hohe Schmelzpunkt von Stahl und der Mangel an Technologie zum Schmelzen und Verarbeiten von Metallen verzögerten die Entwicklung einer Stahlgussindustrie. Diese Herausforderungen wurden durch Fortschritte in der Ofentechnologie überwunden.

Öfen sind feuerfest ausgekleidete Gefäße, die die „Charge“, also das zu schmelzende Material, enthalten und Energie zum Schmelzen liefern. In einer modernen Stahlgießerei werden zwei Ofentypen verwendet:Lichtbogen und Induktion.

Elektrolichtbogenofen

Der Elektrolichtbogenofen schmilzt Metallchargen, sogenannte Schmelzen, mittels eines elektrischen Lichtbogens zwischen Graphitelektroden. Die Ladung fließt direkt zwischen den Elektroden hindurch und setzt sie der Wärmeenergie der andauernden elektrischen Entladung aus.

Lichtbogenöfen folgen einem Tap-to-Tap-Betriebszyklus:

1. Ofenladung
   Der Ofen wird mit Stahlschrott und Legierungen beladen.

2. Schmelzen
   Stahl wird geschmolzen, indem dem Ofeninnenraum Energie zugeführt wird. Elektrische Energie wird über Graphitelektroden zugeführt und leistet normalerweise den größten Beitrag zum Schmelzen von Stahl. Chemische Energie wird über Oxy-Fuel-Brenner und Sauerstofflanzen zugeführt.

3. Veredelung
   Sauerstoff wird injiziert, um Verunreinigungen und andere gelöste Gase während des Schmelzprozesses zu entfernen.

4. Entschlackung
   Überschüssige Schlacke, die oft unerwünschte Verunreinigungen enthält, wird vor dem Abstich aus dem Bad entfernt. Das Entschlacken kann auch innerhalb der Pfanne vor dem Gießen erfolgen.

5. Tippen (oder tippen)
   Metall wird aus dem Ofen entfernt, indem der Ofen gekippt und das Metall in ein Transportgefäß wie eine Pfanne gegossen wird.

6. Ofenwende
   Abstich und Vorbereitung für den nächsten Ofenbeschickungszyklus abgeschlossen.

In verschiedenen Stufen dieses Prozesses werden oft kontinuierliche zusätzliche Schritte unternommen, um den Stahl weiter zu desoxidieren und Schlacke vor dem Gießen von dem Metall zu entfernen. Die Chemie des Stahls muss möglicherweise angepasst werden, um die Legierungsverarmung während eines längeren Tap-out zu berücksichtigen.

Induktionsofen

Ein Induktionsofen ist ein Elektroofen, bei dem Wärmeenergie durch Induktion übertragen wird. Eine Kupferspule umgibt den nichtleitenden Ladungsbehälter, und ein Wechselstrom wird durch die Spule geleitet, um eine elektromagnetische Induktion innerhalb der Ladung zu erzeugen.

Induktionsöfen können die meisten Metalle schmelzen und sie können mit minimalem Schmelzverlust betrieben werden. Der Nachteil ist, dass eine geringe Veredelung des Metalls möglich ist. Im Gegensatz zu einem Lichtbogenofen kann der Stahl nicht umgewandelt werden.

Moderne Stahlgießereien verwenden häufig recycelten Stahlschrott, um die Kosten und Umweltauswirkungen der Gussproduktion zu reduzieren. Veraltete Autos, mechanische Komponenten und ähnliche Artikel werden getrennt, sortiert und als Schrott an Gießereien geliefert. Dieses wird mit internem Schrott, der im Gießprozess entsteht, kombiniert und mit verschiedenen Legierungselementen kombiniert, um den Schmelzofen zu beschicken.

Wärmebehandlung

Nachdem das Gussteil verfestigt, aus der Form genommen und gereinigt wurde, entwickeln sich die physikalischen Eigenschaften des Stahlgusses durch eine geeignete Wärmebehandlung.

• Glühen
  Erhitzen von Stahlgussteilen auf eine bestimmte Temperatur, Halten für eine bestimmte Zeit und dann langsames Abkühlen.

• Normalisierung
  Ähnlich wie Glühen, aber Stahlguss wird im Freien gekühlt, manchmal mit Ventilatoren. Dies verhilft den Gussteilen zu höheren Festigkeiten.

• Löschen
  Ähnlich wie beim Normalisieren, aber die Abkühlung erfolgt viel schneller mit Umluft. Als Abschreckmedium werden Wasser oder Öle verwendet.

• Tempern (oder Spannungsarmglühen)
  Technik zum Abbau innerer Spannungen innerhalb von Gussteilen. Diese Spannungen können aus dem Gießprozess oder während Wärmebehandlungen zum Verstärken oder Härten wie Normalisieren oder Abschrecken auftreten. Beim Spannungsarmglühen werden die Gussteile auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Glühtemperatur erhitzt, auf dieser Temperatur gehalten und dann langsam abgekühlt.

Gussstahlkontrolle

Stahlgussteile werden häufig Inspektionen unterzogen, um bestimmte physikalische Eigenschaften wie Maßhaltigkeit, Zustand der Gussoberflächenbeschaffenheit und innere Festigkeit zu überprüfen. Außerdem muss auch die chemische Zusammensetzung geprüft werden. Die chemische Zusammensetzung wird durch geringfügige Legierungselemente, die dem Material zugesetzt werden, dramatisch beeinflusst. Stahlgusslegierungen sind anfällig für Schwankungen ihrer chemischen Zusammensetzung, daher sind chemische Analysen erforderlich, um die genaue chemische Zusammensetzung vor dem Gießen zu überprüfen. Eine kleine Probe geschmolzenen Metalls wird in eine Form gegossen und analysiert.

Maßgenauigkeit

Maßprüfungen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die hergestellten Gussteile den Maßanforderungen und Toleranzen des Kunden entsprechen, einschließlich Toleranzen für die Bearbeitung. Es kann manchmal notwendig sein, Probegussteile zu zerstören, um Messungen der Innenabmessungen durchzuführen.

Oberflächenbeschaffenheit

Oberflächenprüfungen von Gussteilen werden eingesetzt, um das ästhetische Erscheinungsbild von Gussteilen zu untersuchen. Sie suchen nach Fehlern in der Oberfläche und unter der Oberfläche der Gussteile, die visuell möglicherweise nicht offensichtlich sind. Die Oberflächenbeschaffenheit eines Stahlgusses kann durch die Art des Modells, des Formsandes und der verwendeten Formbeschichtung sowie durch das Gewicht des Gussteils und die Reinigungsmethoden beeinflusst werden.

Interne Solidität

Alle Gussteile weisen ein gewisses Maß an Fehlern auf, und die Festigkeitsspezifikation bestimmt die akzeptable Fehlerschwelle. Eine Überspezifikation des maximal zulässigen Fehlerniveaus führt zu höheren Ausschussraten und höheren Gießkosten. Eine Unterspezifikation des maximal zulässigen Fehlerniveaus kann zu einem Ausfall führen.

Drei häufige innere Fehler, die bei Stahlgussteilen auftreten, sind:

1. Porosität
   Lunker im Stahlguss, die durch glatte, glänzende Innenwände gekennzeichnet sind. Porosität ist im Allgemeinen das Ergebnis einer Gasentwicklung oder eines Gaseinschlusses während des Gießprozesses.

2. Einschlüsse
   Fremdkörper im Gussteil. Ein Einschluss kann metallisch, intermetallisch oder nichtmetallisch sein. Einschlüsse können aus der Form stammen (Schutt, Sand oder Kernmaterialien) oder während des Gießens des Gussstücks in die Form gelangen.

3. Schwund
   Leerstelle oder Bereich mit geringer Dichte, typischerweise innerhalb des Gussstücks. Es wird durch eine geschmolzene Materialinsel verursacht, die während des Erstarrungsprozesses nicht über genügend Zufuhrmetall verfügt, um es zuzuführen. Lunker sind durch eine raue kristalline Innenoberfläche gekennzeichnet.

Chemische Analyse

Die chemische Analyse von Stahlguss erfolgt in der Regel durch nasschemische Analyseverfahren oder spektrochemische Verfahren. Die nasschemische Analyse wird am häufigsten verwendet, um die Zusammensetzung kleiner Proben zu bestimmen oder um die Produktanalyse nach der Produktion zu verifizieren. Im Gegensatz dazu eignet sich die Analyse mit einem Spektrometer gut für die routinemäßige und schnelle Bestimmung der chemischen Zusammensetzung größerer Proben in einer geschäftigen Produktionsumgebung in Gießereien. Gießereien können chemische Analysen sowohl auf Schmelz- als auch auf Produktebene durchführen.

Bruchanalyse

Bei der Wärmeanalyse wird eine kleine Probe flüssigen Gussstahls aus dem Ofen geschöpft, erstarren gelassen und dann mittels spektrochemischer Analyse auf ihre chemische Zusammensetzung analysiert. Wenn die Zusammensetzung der Legierungselemente nicht korrekt ist, können im Ofen oder in der Pfanne vor dem Gießen schnelle Anpassungen vorgenommen werden. Einmal richtig, wird eine Schmelzanalyse im Allgemeinen als eine genaue Darstellung der Zusammensetzung der gesamten Schmelze des Metalls betrachtet. Es werden jedoch Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung aufgrund der Segregation von Legierungselementen und der Zeit, die benötigt wird, um die Hitze des Stahls abzuleiten, erwartet. Während des Gießvorgangs kann es zu einer Oxidation bestimmter Elemente kommen.

Produktanalyse

Die Produktanalyse wird zur Überprüfung der spezifischen chemischen Analyse durchgeführt, da die Zusammensetzung der einzelnen gegossenen Gussteile möglicherweise nicht vollständig der geltenden Spezifikation entspricht. Dies kann selbst dann passieren, wenn das Produkt aus einer Stahlschmelze gegossen wurde, bei der die Schmelzanalyse korrekt war. Industriepraktiken und -standards lassen gewisse Abweichungen zwischen Wärmeanalyse und Produktanalyse zu.

Stahlgussprüfung

Durch Änderung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung von Gussstählen kann eine Vielzahl mechanischer Eigenschaften für Gussteile aus unlegiertem und legiertem Stahl erreicht werden. Gießereien verwenden spezielle Testmethoden, um die mechanischen Eigenschaften vor der Fertigstellung des Produkts zu überprüfen.

Bei der Prüfung von Stahlguss gibt es zwei Arten von Prüfungen, die in der Industrie verwendet werden:zerstörende und zerstörungsfreie Prüfung. Destruktive Tests erfordert die Zerstörung eines Testgussstücks, um die innere Unversehrtheit eines Teils visuell zu bestimmen. Diese Methode liefert nur Informationen über den Zustand des getesteten Stücks und garantiert nicht, dass andere Stücke intakt sind. Zerstörungsfreie Prüfung wird verwendet, um die innere und äußere Unversehrtheit eines Gussstücks zu überprüfen, ohne das Gussstück selbst zu beschädigen. Sobald das Gussteil die Tests bestanden hat, kann es für die vorgesehene Anwendung verwendet werden.

Zugeigenschaften

Zugfestigkeitseigenschaften für Stahlgussteile sind ein Hinweis auf die Fähigkeit eines Gussteils, Belastungen unter langsamen Belastungsbedingungen standzuhalten. Die Zugfestigkeitseigenschaften werden mit einer repräsentativen Gussprobe gemessen, die einer kontrollierten Zugbelastung – Zugkräften, die auf beide Enden des Zugstabs ausgeübt werden – bis zum Versagen ausgesetzt wird. Beim Versagen werden die Zugeigenschaften untersucht.

ZUGEIGENSCHAFTEN

Immobilien

BESCHREIBUNG

Zugfestigkeit

Spannung, die erforderlich ist, um einen Guss unter Spannung oder unter Dehnungsbelastung zu brechen.

Streckgrenze

Punkt, an dem ein Gussstück beginnt, nachzugeben oder sich zu dehnen und unter Spannung eine plastische Verformung zu zeigen.

Dehnung (%)

Maß für die Duktilität oder die Fähigkeit eines Gussteils, sich plastisch zu verformen.

Flächenreduzierung (%)

Sekundäres Maß für die Duktilität eines Gussstücks.

Zeigt den Unterschied zwischen der ursprünglichen Querschnittsfläche des Zugstabs und der Fläche des kleinsten Querschnitts nach Spannungsbruch.

Biegeeigenschaften

Biegeeigenschaften identifizieren die Duktilität eines Gussteils, indem eine rechteckige repräsentative Probe verwendet wird, die um einen Stift in einem bestimmten Winkel gebogen wird. Der resultierende gebogene Stab wird beobachtet, um auf unerwünschte Risse zu prüfen.

Schlageigenschaften

Schlageigenschaften sind ein Maß für die Zähigkeit, die sich aus dem Testen der Energie ergibt, die erforderlich ist, um eine standardmäßig gekerbte Probe zu brechen. Je mehr Energie erforderlich ist, um die Probe zu brechen, desto zäher ist das Gussmaterial.

Härte

Die Härte ist ein Maß für den Eindringwiderstand eines Gussstücks unter Verwendung von Eindringversuchen. Es ist eine Eigenschaft, die die Verschleiß- und Abriebfestigkeit von Gussstählen angibt. Die Härteprüfung kann auch eine einfache Routinemethode darstellen, um in einer Produktionsumgebung auf Anzeichen der Zugfestigkeit zu prüfen. Ein Testergebnis auf der Härteskala korreliert normalerweise eng mit den Zugfestigkeitseigenschaften.

Kundenspezifische Casting-Dienste

Reliance Foundry arbeitet eng mit Kunden zusammen, um die besten physikalischen und chemischen Eigenschaften, Wärmebehandlungen und Testmethoden für jedes kundenspezifische Gussteil zu ermitteln. Fordern Sie ein Angebot an, um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie unser Casting-Service Ihren Projektanforderungen entsprechen kann.