Ferro- & Nichteisenmetalle: Gussdesign für Performance & Effizienz optimieren

Metalleigenschaften und -zusammensetzung für Gussdesign

Jedes feste Metall, das geschmolzen werden kann, kann gegossen werden. Gießereien sind die Fabriken, die diese Gussarbeit leisten, entwickeln Expertise mit einer Handvoll Metalle und Methoden und entwerfen Standardprodukte, um Wert und Effizienz in der Produktion zu maximieren.

Metalle und Gussverfahren beeinflussen sich gegenseitig: die beste Gusswahl für ein Produkt wird davon beeinflusst, wie sich sein Metall im flüssigen, abkühlenden und festen Zustand verhält. Aufgrund dieser Abhängigkeiten sind die Spezialisierungen einer Gießerei Teil der Bestimmung, welche Art von Produkten sie herstellt. Die Gießerei, die Kinderspielzeug im Druckguss herstellt, ist im Allgemeinen nicht dieselbe Gießerei, die hochwertige Motorteile produziert.

Eine der wichtigsten Unterscheidungen in der Spezialisierung ist, ob Gießereien mit ferrous Metallen, nichteisen Metallen oder beiden arbeiten. Die Definition eines ferrous Metalls ist jedes Metall, das Eisen enthält; nichteisen Metalle enthalten kein Eisen. Die ferrous Metallurgie stellt etwa 90 % der weltweiten Metallproduktion dar. Grauguss ist das am häufigsten in Gießereien gegossene Metall. Außerhalb der Gießerei ist Stahl die ferrous Legierung, die am häufigsten in Industrie, Bau und Transport verwendet wird.

Gießereien, die sich auf gängige Gussverfahren wie Sandguss spezialisieren, arbeiten meist in Metallen, die für spezifische Qualitäten ausgewählt wurden, wie Leichtigkeit des Schmelzens und Gießens, Detailerfassung in der Form, vorhersehbares Verhalten beim Abkühlen und Bereitschaft für Bearbeitung oder Nachbearbeitung.

Ferrous Metalle und ihre Eigenschaften

Eisens charakteristische Attribute sind, dass es dicht, stark bei Mischung mit Kohlenstoff, reichlich vorhanden und leicht zu raffinieren, hoch korrosionsanfällig und magnetisch ist. Das Legieren von Eisen mit anderen Elementen in verschiedenen Verhältnissen kann einen oder mehrere dieser Faktoren mildern oder eliminieren.

Hunderte von ferrous Legierungen sind bekannt. Sie werden durch die Anteile jedes Elements in ihrer Zusammensetzung sowie Anweisungen zu ihrem Schmelzen und Finish spezifiziert. Ferrous Legierungen mit Kohlenstoff werden meist Eisen oder Stahl genannt und können eine beliebige Anzahl anderer Elemente enthalten, von Aluminium bis Vanadium, basierend auf ihrer Spezifikation. Diese Metalle werden meist für ihre mechanischen Eigenschaften gewählt. Ingenieure und Designer könnten an ihrer Streckfestigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit, Elastizität, Scherfestigkeit und thermischer Ausdehnung interessiert sein, die alle beschreiben, wie sich ein Material unter spezifischen Belastungen verhält.

Diese charakteristischen Aspekte von Eisen können in Legierungen verändert werden, die Eisen mit anderen Elementen mischen. Edelstahl ist ein gutes Beispiel, wobei einige Legierungen sowohl nicht-magnetisch als auch nicht-korrosiv sind. Ein gängiger Weg, um zu prüfen, ob ein Metall Stahl ist, ist, einen Magneten dagegen zu halten, da das Eisen in der Legierung den Magneten haften lässt; jedoch wissen Menschen, die versucht haben, Magnete an ihrem Edelstahlkühlschrank haften zu lassen, dass dies kein narrensicherer Test ist. Obwohl das Eisen noch in dieser ferrous Legierung vorhanden ist, ändert ein hoher Nickelanteil die Mikrostruktur des Stahls genug, um eine magnetische Reaktion zu verhindern. Edelstahl kann rosten, ist aber viel korrosionsbeständiger als andere Eisenlegierungen. Dies ist auf die Zugabe von Chrom zurückzuführen. Chrom schützt durch einen Prozess namens Passivierung vor Rost, bei dem die obersten Moleküle des Metalls oxidieren, aber fest mit dem darunter liegenden Metall verbunden bleiben, und eine undurchdringliche Schale bilden.

In ferrous Metallen sind Eisen und Stahl die gängigsten Gussmaterialien.

Eisen

Gusseisen sind eine Kategorie von Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Sie sind relativ kostengünstige, dichte Eisen. Wenn sie erhitzt und gegossen werden, haben sie eine viel höhere Fließfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen als Stahl, was bedeutet, dass sie effizienter in Teile einer komplexen Form einfließen und diese füllen können. Gusseisen schwinden auch bei der Hälfte der Rate von Stahl beim Abkühlen.

Grundlegende Gusseisen haben gute Druckeigenschaften, aber sie sind spröde: sie brechen, bevor sie sich biegen oder verformen. Diese Verwundbarkeit kann bedeuten, dass spröde Gusseisengüten nicht für Designs mit hervorstehenden oder aufwendigen Details oder mit sehr scharfen Kanten verwendet werden, da diese Merkmale abplatzen können.

Grauguss ist der derzeit am häufigsten produzierte Gusseisentyp, der in allem von Kanaldeckeln bis zu Scheibenbremsen an Autos zu finden ist. Er erhält seinen Namen von der Farbe, die er beim Bruch annimmt, die grau ist aufgrund der Anwesenheit von Graphit als Kohlenstoffzusatz. Grauguss enthält 2,5–4 % Kohlenstoff nach Gewicht und zusätzlich 1–3 % Silicium, das den Graphit stabilisiert. Er hat viele der Attribute von grundlegendem Gusseisen, da er kostengünstig ist und eine hohe Fließfähigkeit im Vergleich zu Stahl im flüssigen Zustand hat, aber die Anwesenheit des Graphits erlaubt dem Eisen, etwas weniger spröde zu sein, was eine einfachere Bearbeitung ermöglicht. Grauguss ist immer noch unflexibel: er biegt sich sehr wenig, bevor er bricht.

Duktiles Eisen ist eine Form von Gusseisen, in der der zugesetzte Kohlenstoff kugelförmiger (nodularer) Graphit ist. Duktiles Eisen hat meist 3,2–3,6 % Kohlenstoff nach Gewicht und enthält Silicium und andere Elemente. Höhere Ferritwerte bedeuten, dass es sich an Schneidwerkzeugen während der Bearbeitung aufbaut, daher wird es oft in primär gegossener Fertigung verwendet, wo sehr hohe Fließfähigkeit es zu einer großartigen Wahl für fein detaillierte Arbeiten macht. Die kugelförmige Form des Graphits, die duktilem Eisen höhere Schlagfestigkeit und Zugfestigkeit als sowohl Guss- als auch Grauguss verleiht, macht detaillierte oder gekantete Designs machbar. Duktiles Eisen ist ein relativ neuer Kommerzialisierungsbereich in der Spezifikation von Eisen, da es 1943 erstmals entdeckt wurde.

Stahl

Stähle aller Art werden manchmal auch gegossen. Im Allgemeinen hat Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,14 % nach Gewicht und ist oft mit anderen Elementen legiert. Stahl hat stärkere mechanische Eigenschaften als Gusseisen, aber was an Zähigkeit gewonnen wird, geht an Fließfähigkeit verloren. Flüssiger Stahl muss viel heißer sein als flüssiges Eisen, um in detaillierte Formen zu fließen, und die hohen Temperaturen, die für die Arbeit mit Stahl erforderlich sind, sind schwer zu handhaben und können das Design und Finish des Objekts, das aus der Form kommt, beeinträchtigen. Wie bei allen Gussstücken können verschiedene Teile eines Stücks mit unterschiedlichen Raten abkühlen, und dieser Unterschied verursacht Spannungen im Produkt: da Stahl umfangreicher und schneller schwindet als Gusseisen, müssen diese Spannungen im Gussstahl stärker gemanagt werden.

Diese Herausforderungen bedeuten, dass Stahl viel arbeitsintensiver zu gießen sein kann. Er erfordert Expertenaufmerksamkeit in allen Phasen seiner Produktion. Dennoch kann die hohe mechanische Festigkeit des Endprodukts eine Stahllegierung für einige Anwendungen zur klaren Wahl machen, wobei die Bearbeitung Endfinishs liefert.

Andere Eisenlegierungen

Andere Eisenlegierungen existieren außerhalb dieser gängigen Typen und werden in spezifischen Anwendungen verwendet, wo ihre mechanischen Verhaltensweisen nützlich sind. Zum Beispiel ist Elinvar eine Nickel-Eisen-Legierung, die sich bei Hitze nicht ausdehnt und zusammenzieht, und wird in sehr kleinen Teilen in Uhren und anderen Präzisionsgeräten verwendet.

Nichteisenmetalle und ihre Anwendungen

Diese Metalle umfassen jedes Metall und jede Legierung, die kein Eisen enthält. Eine kurze Liste gängiger nichteisen Metalle umfasst:

• Edelmetalle wie Silber, Platin und Gold
• Kupfer und seine Legierungen wie Bronze und Messing
• Nickel, Palladium, Platin
• Titan
• Aluminium
• Zinn, Blei
• Zink

Mit einer so breiten Palette von Materialien in dieser Gruppe können viele der mechanischen Eigenschaften, die Eisen empfehlen, in nichteisen Metallen entdeckt werden. Zum Beispiel könnten Legierungen von Aluminium oder Titan in vielen Fällen für Stahl substituiert werden, wenn es nicht kostenprohibitiv wäre. Eisens magnetische Fähigkeiten könnten mit Nickel, Kobalt oder Seltenen Erden, legiert mit anderen Metallen, emuliert werden.

Da nichteisen Metalle jedoch oft teurer sind, werden sie tendenziell für ihre einzigartigen Attribute gewählt, anstatt für die Weise, wie sie sich wie Stahl verhalten können. Geringeres Gewicht, Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Nicht-Magnetismus, Tradition oder dekorativer Wert sind einige der Gründe für die Wahl eines nichteisen Metalls. Einige Metalle werden genau deshalb geschätzt, weil sie selten sind: bevor die weitverbreitete Aluminiumherstellung möglich war, war Aluminium ein Luxusmetall, das in hochwertigem Tafelgeschirr verwendet wurde.

Alle Arten von spezialisierten Materialien werden gegossen. In traditionellen Sandgussgießereien gibt es jedoch drei bemerkenswerte nichteisen Gussmetalle.

Bronze und Messing

Bronze und Messing waren die ersten Metalle, die von der Menschheit im Bronzezeitalter gegossen wurden, und diese Kupferlegierungen werden heute noch im Sandguss gegossen. Sie schmelzen bei viel niedrigeren Temperaturen als ferrous Materialien und gießen Details gut, weshalb sie oft in dekorativen Anwendungen wie Statuen verwendet werden. Bronze und Messing sind weicher als Stahl, aber sie sind korrosionsbeständig sogar in Gegenwart von Salz, daher werden diese Metalle in Standard-Marinanwendungen wie Bootsbeschlägen verwendet. Messing ist auch beständig gegen „Kaltverschweißen“ (Galling), was der Verschleiß von Metall an sich selbst ist, und so wird Messing manchmal für mechanische Teile gegossen, wie Schiffspropeller – oder für Lager und Reißverschlüsse bearbeitet. Beide Legierungen sind recht teuer, da sie auf Kupfer angewiesen sind, ein Metall, das auch für seine elektrischen Eigenschaften gefragt ist.

Aluminium

Aluminium ist ein Metall mit einer viel geringeren Dichte als Eisen, was es zu einem vitalen Material in Anwendungen macht, die Festigkeit ohne Gewicht benötigen, wie die Luft- und Raumfahrtindustrie. Es ist korrosionsbeständig, da Aluminium, wie Edelstahl, auf Oxidation reagiert, indem es eine Metalloxidschale bildet, die es schützt.

Aluminium hat auch einen niedrigeren Schmelzpunkt als viele der Stähle oder Eisen, die es ersetzen könnte, was es einfacher zu gießen macht als Stahl, mit weniger Aufsicht für komplexe Formen. Der größte Nachteil von Aluminium ist der Preis.

Gussmaterialien in Betracht ziehen

Beim Design eines Gusses das perfekte Metall zu finden, um Wert und Form in Einklang zu bringen, ist Kunst und Wissenschaft. Das richtige Metall für einen Job wird sowohl die ästhetischen als auch die mechanischen Anforderungen der Anwendung erfüllen, und dies wird die Produktionsmethoden beeinflussen, die erforderlich sind, um einen Prototyp zum Endprodukt zu bringen.

Ferrous Metalle sind die häufigste Wahl für Gussstücke, oft gewählt für ihre Kosteneffizienz und ihre mechanischen Eigenschaften. Manchmal ist es nicht die Festigkeit eines Metalls, die die Wahl diktiert, sondern Eigenschaften wie Gewicht, Korrosionsbeständigkeit oder Nicht-Magnetismus. Nichteisen-Legierungen wie Bronze und Messing können auch für Tradition oder ihre Schönheit gewählt werden.

Beratung mit einem Ingenieur kann einem Designer helfen, Harmonie zwischen den verschiedenen Aspekten ihres Projekts zu finden, das perfekte Metall zu wählen, um sowohl Anwendung als auch Budget zu ehren.

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