Eisen- und Nichteisenmetalle

Metalleigenschaften und -zusammensetzung für die Gusskonstruktion

Jedes feste Metall, das geschmolzen werden kann, kann gegossen werden. Gießereien sind die Fabriken, die diese Gussarbeiten ausführen, Fachwissen mit einer Handvoll Metallen und Methoden entwickeln und Standardprodukte entwickeln, um den Wert und die Effizienz in der Produktion zu maximieren.

Metalle und Gießverfahren beeinflussen sich gegenseitig:Die beste Wahl für das Gießen eines Produkts wird davon beeinflusst, wie sich sein Metall in geschmolzenem, abkühlendem und festem Zustand verhält. Für diese Abhängigkeiten sind die Spezialitäten einer Gießerei Teil der Bestimmung, welche Art von Produkten sie herstellen. Die Gießerei, die Kinderspielzeug aus Druckguss herstellt, ist im Allgemeinen nicht die gleiche Gießerei, die hochwertige Motorteile herstellt.

Einer der Hauptunterschiede in der Spezialisierung ist, ob Gießereien mit Eisenmetallen, Nichteisenmetallen oder beidem arbeiten. Die Definition eines Eisenmetalls ist jedes Metall, das Eisen enthält; Buntmetalle nicht. Die Eisenmetallurgie macht etwa 90 % der weltweiten Metallproduktion aus. Grauguss ist das am häufigsten in Gießereien gegossene Metall. Außerhalb der Gießerei ist Stahl die am häufigsten verwendete Eisenlegierung in der Industrie, im Baugewerbe und im Transportwesen.

Gießereien, die sich auf gängige Gießverfahren wie Sandguss spezialisiert haben, arbeiten normalerweise mit Metallen, die aufgrund bestimmter Eigenschaften ausgewählt wurden, wie z. B. leichtes Schmelzen und Gießen, Detailerfassung in der Form, vorhersagbares Verhalten beim Abkühlen und Bereitschaft zur Bearbeitung oder Endbearbeitung.

Eisenmetalle und ihre Eigenschaften

Die charakteristischen Eigenschaften von Eisen sind, dass es dicht, stark, wenn es mit Kohlenstoff gemischt wird, reichlich vorhanden und leicht zu raffinieren, sehr korrosionsanfällig und magnetisch ist. Das Legieren von Eisen mit anderen Elementen in unterschiedlichen Verhältnissen kann einen oder mehrere dieser Faktoren mildern oder eliminieren.

Hunderte von Eisenlegierungen sind bekannt. Sie werden durch die Anteile der einzelnen Elemente in ihrer Zusammensetzung sowie durch Anweisungen zum Schmelzen und Veredeln angegeben. Eisenlegierungen mit Kohlenstoff werden normalerweise als Eisen oder Stahl bezeichnet und können je nach Spezifikation eine beliebige Anzahl anderer Elemente enthalten, von Aluminium bis Vanadium. Diese Metalle werden üblicherweise aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Ingenieure und Konstrukteure könnten an ihrer Streckgrenze, Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit, Elastizität, Scherung und Wärmeausdehnung interessiert sein, die alle beschreiben, wie sich ein Material unter bestimmten 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 Edelstahllegierungen sowohl nicht magnetisch als auch nicht korrosiv sind. Eine übliche Art festzustellen, ob ein Metall Stahl ist, besteht darin, einen Magneten dagegen zu halten, da das Eisen in der Legierung dazu führt, dass der Magnet haftet. Menschen, die versucht haben, Magnete an ihren Edelstahlkühlschrank zu kleben, wissen jedoch, dass dies kein narrensicherer Test ist. Obwohl das Eisen in dieser Eisenlegierung immer noch vorhanden ist, verändert ein hoher Nickelanteil die Mikrostruktur des Stahls ausreichend, um eine magnetische Reaktion zu verhindern. Edelstahl kann rosten, obwohl er viel korrosionsbeständiger ist als andere Arten von Eisenlegierungen. Dies ist auf die Zugabe von Chrom zurückzuführen. Chrom schützt vor Rost durch einen als Passivierung bezeichneten Prozess, bei dem die oberen Moleküle des Metalls oxidieren, aber fest mit dem darunter liegenden Metall verbunden bleiben und eine undurchdringliche Hülle bilden.

Bei Eisenmetallen sind Eisen und Stahl die gängigsten Gusswerkstoffe.

Eisen

Gusseisen sind eine Kategorie von Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Sie sind relativ preiswerte, dichte Eisen. Wenn sie erhitzt und gegossen werden, haben sie eine viel höhere Fließfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen als Stahl, was bedeutet, dass sie mit größerer Effizienz in Teile einer komplexen Form fließen und diese füllen können. Gusseisen schrumpft beim Abkühlen auch halb so schnell wie Stahl.

Einfache Gusseisen haben gute Kompressionseigenschaften, sind aber spröde:Sie brechen, bevor sie sich verbiegen oder verformen. Diese Anfälligkeit kann bedeuten, dass spröde Gusseisensorten nicht für Konstruktionen mit extrudierten oder aufwändigen Details oder mit sehr scharfen Kanten verwendet werden, da diese Merkmale absplittern können.

Grauguss ist die derzeit am häufigsten hergestellte Gusseisenart, die in allem von Kanaldeckeln bis hin zu Scheibenbremsen an Autos verwendet wird. Es hat seinen Namen von der Farbe, die es beim Bruch annimmt, die aufgrund des Vorhandenseins von Graphit als Kohlenstoffadditiv grau ist. Grauguss besteht zu 2,5–4 Gew.-% aus Kohlenstoff und enthält zusätzlich 1–3 % Silizium, das den Graphit stabilisiert. Es hat viele der Eigenschaften von einfachem Gusseisen, da es kostengünstig ist und im geschmolzenen Zustand im Vergleich zu Stahl eine hohe Fließfähigkeit aufweist, aber das Vorhandensein von Graphit macht das Eisen etwas weniger spröde, was eine einfachere Bearbeitung ermöglicht. Grauguss ist immer noch unflexibel:Es biegt sich sehr wenig, bevor es bricht.

Sphäroguss ist eine Form von Gusseisen, bei der der hinzugefügte Kohlenstoff ein kugelförmiger (kugelförmiger) Graphit ist. Sphäroguss enthält normalerweise 3,2–3,6 Gew.-% Kohlenstoff und enthält Silizium und andere Elemente. Höhere Ferritgehalte bedeuten, dass es sich während der Bearbeitung auf Schneidwerkzeugen ansammelt, daher wird es häufig hauptsächlich in der Gussherstellung verwendet, wo eine sehr hohe Fließfähigkeit es zu einer großartigen Wahl für fein detaillierte Arbeiten macht. Die sphäroide Form des Graphits verleiht duktilem Gusseisen eine höhere Schlagfestigkeit und Zugfestigkeit als Guss- oder Grauguss, wodurch detaillierte oder kantige Designs realisierbar sind. Sphäroguss ist ein relativer Neuling in der Spezifikation von Eisen, da es erstmals 1943 entdeckt wurde.

Stahl

Stähle aller Art werden manchmal auch gegossen. Im Allgemeinen hat Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,14 Gew.-% und ist oft mit anderen Elementen legiert. Stahl hat stärkere mechanische Eigenschaften als Gusseisen, aber was an Zähigkeit gewonnen wird, geht an Fließfähigkeit verloren. Geschmolzener Stahl muss viel heißer sein als geschmolzenes Eisen, um in detaillierte Formen zu fließen, und die hohen Temperaturen, die für die Arbeit mit Stahl erforderlich sind, sind schwierig zu handhaben und können das Design und die Verarbeitung des Objekts beeinträchtigen, das aus der Form kommt. Wie bei allen Gussteilen können verschiedene Teile eines Stücks mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen, und dieser Unterschied verursacht Spannungen innerhalb des Produkts:Da Stahl stärker und schneller schrumpft als Gusseisen, müssen diese Spannungen bei Stahlguss stärker gehandhabt werden.

Diese Herausforderungen bedeuten, dass es viel arbeitsintensiver sein kann, Stahl gut zu gießen. Es erfordert fachkundige Aufmerksamkeit in allen Phasen seiner Herstellung. Dennoch kann die hohe mechanische Festigkeit des Endprodukts eine Stahllegierung zur klaren Wahl für einige Anwendungen machen, wobei die maschinelle Bearbeitung Endstufen-Finishes liefert.

Andere Eisenlegierungen

Andere Eisenlegierungen existieren außerhalb dieser üblichen Typen und werden in spezifischen Anwendungen verwendet, wo ihr mechanisches Verhalten nützlich ist. Beispielsweise ist Elinvar eine Nickel-Eisen-Legierung, die sich bei Hitze weder ausdehnt noch zusammenzieht und in sehr kleinen Teilen in Uhren und anderen Präzisionsgeräten verwendet wird.

Nichteisenmetalle und ihre Verwendung

Zu diesen Metallen gehören alle Metalle und Legierungen, die kein Eisen enthalten. Eine kurze Liste gängiger Nichteisenmetalle enthält:

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

Bei einer so großen Auswahl an Materialien in dieser Gruppe können viele der mechanischen Eigenschaften, die Eisen empfehlen, in Nichteisenmetallen entdeckt werden. Zum Beispiel könnte Stahl in vielen Fällen durch Legierungen aus Aluminium oder Titan ersetzt werden, wenn dies nicht kostenintensiv wäre. Die magnetischen Fähigkeiten von Eisen könnten mit Nickel, Kobalt oder Seltenerdelementen, die mit anderen Metallen legiert sind, nachgeahmt werden.

Da NE-Metalle jedoch oft mehr kosten, werden sie eher aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften ausgewählt als aufgrund ihres Verhaltens wie Stahl. Leichteres Gewicht, Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetische Eigenschaften, Tradition oder dekorativer Wert sind einige der Gründe, sich für ein Nichteisenmetall zu entscheiden. Einige Metalle werden gerade deshalb so geschätzt, weil sie selten sind:Bevor eine weit verbreitete Aluminiumherstellung möglich war, war Aluminium ein Luxusmetall, das in hochwertigem Geschirr verwendet wurde.

Alle Arten von Spezialmaterialien werden gegossen. In traditionellen Sandguss-Gießereien gibt es jedoch drei bemerkenswerte Nichteisen-Gussmetalle.

Bronze und Messing

Bronze und Messing waren die ersten Metalle, die in der Bronzezeit von Menschen gegossen wurden, und diese Kupferlegierungen werden noch heute im Sandgussverfahren hergestellt. Sie werden bei viel niedrigeren Temperaturen geschmolzen als eisenhaltige Materialien und gießen Details gut, sodass sie häufig in dekorativen Anwendungen wie Statuen verwendet werden. Bronze und Messing sind weicher als Stahl, aber selbst in Gegenwart von Salz korrosionsbeständig, sodass diese Metalle in Standardanwendungen für die Schifffahrt wie Armaturen auf Booten verwendet werden. Messing ist auch beständig gegen „Fressen“, d. h. den Verschleiß von Metall an sich selbst, und so wird Messing manchmal für mechanische Teile wie Schiffsschrauben gegossen oder für Lager und Reißverschlüsse bearbeitet. Beide Legierungen sind ziemlich teuer, da sie auf Kupfer angewiesen sind, einem Metall, das auch wegen seiner elektrischen Eigenschaften gefragt ist.

Aluminium

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

Aluminium hat auch einen niedrigeren Schmelzpunkt als viele der Stähle oder Eisen, die es ersetzen könnte, wodurch es einfacher zu gießen ist als Stahl und weniger Aufsicht für komplexe Formen benötigt. Der größte Nachteil von Aluminium sind die Kosten.

Betrachtung von Gussmaterialien

Beim Entwerfen eines Gussteils ist es eine Kunst und Wissenschaft, das perfekte Metall zu finden, um Wert und Form in Einklang zu bringen. Das richtige Metall für einen Auftrag erfüllt sowohl die ästhetischen als auch die mechanischen Anforderungen der Anwendung, und dies beeinflusst die Produktionsmethoden, die erforderlich sind, um einen Prototyp zum Endprodukt zu machen.

Eisenmetalle sind die häufigste Wahl für Gussteile, die oft aufgrund ihrer Kosteneffizienz und ihrer mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden. Manchmal ist es nicht die Festigkeit eines Metalls, die die Wahl bestimmt, sondern Eigenschaften wie Gewicht, Korrosionsbeständigkeit oder Nichtmagnetismus. Nichteisenlegierungen wie Bronze und Messing können auch wegen ihrer Tradition oder ihrer Schönheit gewählt werden.

Die Beratung mit einem Ingenieur kann einem Designer helfen, Harmonie zwischen den verschiedenen Aspekten seines Projekts zu finden und das perfekte Metall auszuwählen, um sowohl der Anwendung als auch dem Budget gerecht zu werden.

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