Gusseisen gegen Gussstahl

Was ist der Unterschied zwischen Gusseisen und Stahlguss?

Das Gießen bietet eine außergewöhnliche Kapazität für Designdetails, wodurch häufig die Notwendigkeit einer zusätzlichen Fertigung und Montage entfällt. Viele Materialien können gegossen werden, darunter mehrere Arten von Metallen und Kunststoffen, aber insbesondere Eisen und Stahl weisen hervorragende mechanische Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen auf.

Obwohl Gusseisen und Stahl oberflächlich ähnlich erscheinen mögen, haben sie von der Produktion bis zur Anwendung jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile. Das Verständnis dieser Vor- und Nachteile und die richtige Auswahl können den Unterschied zwischen unnachgiebiger Festigkeit und Haltbarkeit und gebrochenen oder verformten Teilen ausmachen, die schnell ihren Glanz verlieren.

Der Kohlenstoffgehalt ist der Hauptunterschied

Eisen und Stahl sind beides Eisenmetalle, die hauptsächlich aus Eisenatomen bestehen. Bei der Herstellung ist es jedoch nicht so einfach – es werden viele verschiedene Legierungen und Qualitäten in der Produktion verwendet. Um sie zu verstehen, ist es wichtig, zwischen dem in Alltagsprodukten verwendeten Eisen und dem wissenschaftlichen Element Eisen (Fe) zu unterscheiden. Das elementare Eisen ist das Material, das in der Natur vorkommt, typischerweise in einer oxidierten Form, die eine intensive Verarbeitung erfordert, die als Schmelzen bezeichnet wird, um es zu extrahieren.

Reines elementares Eisen ist zu weich, um in den meisten Anwendungen nützlich zu sein. Es wird härter und daher nützlicher, wenn es mit Kohlenstoff legiert oder gemischt wird. Tatsächlich ist die Kohlenstoffzusammensetzung der Hauptunterschied zwischen Gusseisen und Stahl. Gusseisen enthält typischerweise mehr als 2 % Kohlenstoff, während Gussstahl häufig zwischen 0,1 und 0,5 % Kohlenstoff enthält.

Eigenschaften

Die folgende Tabelle gibt einen allgemeinen Überblick über die Qualitäten der einzelnen Materialien. Obwohl viele verschiedene Arten von Eisen und Stahl zu berücksichtigen sind, konzentriert sich diese Tabelle auf Grauguss, Gusseisen und Kohlenstoffstahl.

Grauguss

Sphäroguss

Stahl

Bearbeitbarkeit

★

Stabilität

★

Vibrationsdämpfung

★

Korrosionsbeständigkeit

★

★

Zähigkeit

★

Sprödigkeit

★

Druckfestigkeit

★

Zugfestigkeit

★

Härte

★

Bewerbungen

Motorblöcke, Zylinderköpfe, Krümmer, Gasbrenner, Getrieberohlinge, Einfassungen, Gehäuse, Hardscape-Produkte für den Außenbereich, Bratpfannen, Elektrokästen, dekorative Gussteile, Herdteile, Gewichte

Poller, Baustelleneinrichtungen, Achsschenkel, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Aufhängungskomponenten für Autos und Lastwagen, Hydraulikkomponenten, Scharniere für Autotüren

Poller, Industrieräder, Gussgetriebe, Ventilkörper, Bergbaumaschinen, Turbinenräder für Wasserkraftwerke, Schmiedepressen, Eisenbahnwagenrahmen, Pumpengehäuse, Schiffsausrüstung, Motorgehäuse, schwere Lastkraftwagen, Baumaschinen

Grauguss

Bearbeitbarkeit

★

Stabilität

Vibrationsdämpfung

★

Korrosionsbeständigkeit

★

Zähigkeit

Sprödigkeit

★

Druckfestigkeit

Zugfestigkeit

Härte

★

Bewerbungen

Motorblöcke, Zylinderköpfe, Krümmer, Gasbrenner, Getrieberohlinge, Einfassungen, Gehäuse, Hardscape-Produkte für den Außenbereich, Bratpfannen, Elektrokästen, dekorative Gussteile, Herdteile, Gewichte

Sphäroguss

Bearbeitbarkeit

Stabilität

★

Vibrationsdämpfung

Korrosionsbeständigkeit

★

Zähigkeit

Sprödigkeit

Druckfestigkeit

★

Zugfestigkeit

Härte

Bewerbungen

Poller, Baustelleneinrichtungen, Achsschenkel, Kurbelwellen, Schwerlastgetriebe, Aufhängungskomponenten für Autos und Lastwagen, Hydraulikkomponenten, Scharniere für Autotüren

Stahl

Bearbeitbarkeit

Stabilität

Vibrationsdämpfung

Korrosionsbeständigkeit

Zähigkeit

★

Sprödigkeit

Druckfestigkeit

Zugfestigkeit

★

Härte

Bewerbungen

Poller, Industrieräder, Gussgetriebe, Ventilkörper, Bergbaumaschinen, Turbinenräder für Wasserkraftwerke, Schmiedepressen, Eisenbahnwagenrahmen, Pumpengehäuse, Schiffsausrüstung, Motorgehäuse, schwere Lastkraftwagen, Baumaschinen

Gießbarkeit

Die meisten Menschen haben weder Eisen noch Stahl in geschmolzenem Zustand erlebt – was verständlich ist, da Eisen bei etwa 2300 °F und Stahl bei 2600 °F schmilzt und beide bei noch höheren Temperaturen in Formen gegossen werden. Menschen, die mit flüssigem Eisen und Stahl arbeiten, stellen schnell fest, dass sie sich in Fließfähigkeit und Schwindungsraten dramatisch unterscheiden.

Gusseisen ist relativ einfach zu gießen, da es leicht gießt und nicht so stark schrumpft wie Stahl. Dies bedeutet, dass es die komplexen Hohlräume in einer Form leicht füllt und dafür weniger geschmolzenes Material benötigt. Diese Fließfähigkeit macht Gusseisen zu einem idealen Metall für architektonische oder kunstvolle Eisenkonstruktionen wie Zäune und Bänke.

Das Gießen von Stahl ist viel schwieriger. Es ist weniger flüssig als geschmolzenes Eisen und reaktiver gegenüber Formmaterialien. Es schrumpft auch stärker, wenn es abkühlt, was bedeutet, dass mehr geschmolzenes Material gegossen werden muss – normalerweise in ein überschüssiges Reservoir, das als Riser bezeichnet wird, aus dem ein Gussstück beim Abkühlen schöpft.

Gussteile kühlen jedoch in der Regel nicht gleichmäßig in ihren inneren Strukturen ab. Äußere Bereiche und dünnere Teile kühlen und schrumpfen mit anderen Geschwindigkeiten als innere Bereiche und voluminösere Teile – was oft innere Spannungen oder Spannungen erzeugt, die nur durch Wärmebehandlung gemildert werden können. Stahl ist viel anfälliger als Eisen für Schrumpfspannungen, und in manchen Situationen können diese Spannungen zu erheblichen inneren und/oder äußeren Hohlräumen und möglichen Brüchen führen.

Aus diesen Gründen erfordert Gussstahl während des gesamten Gießprozesses mehr Aufmerksamkeit und Inspektion, wodurch die Produktion ressourcenintensiver wird.

Bearbeitbarkeit

Abhängig von der endgültigen Anwendung müssen Gussteile möglicherweise bearbeitet werden, um bestimmte Toleranzen zu erreichen oder eine gewünschte Oberfläche zu erzielen. Zumindest müssen Objekte wie Tore und Läufer weggeschnitten und abgeschliffen werden.

Bearbeitbarkeit ist das Maß dafür, wie einfach ein bestimmtes Material zu schneiden oder zu schleifen ist; Einige Materialien sind schwieriger zu bearbeiten als andere. Als Faustregel gilt, dass Metalle mit hohen Legierungszusätzen zur Verbesserung der mechanischen Leistung eine geringere Zerspanbarkeit aufweisen.

Gusseisen ist in der Regel viel einfacher zu bearbeiten als Stahl. Die Graphitstruktur im Gusseisen bricht leichter und gleichmäßiger ab. Härtere Eisen, wie z. B. weißes Eisen, sind aufgrund ihrer Sprödigkeit viel schwieriger zu bearbeiten.

Stahl ist bei gleicher Konsistenz nicht so einfach zu schneiden und verursacht mehr Werkzeugverschleiß, was zu höheren Produktionskosten führt. Auch gehärtete Stähle oder Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt erhöhen den Werkzeugverschleiß. Weicher Stahl ist jedoch nicht unbedingt besser – Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können, obwohl sie weicher sind, klebrig werden und schwierig zu bearbeiten sein.

Vibrationsdämpfung

Dämpfungseigenschaften sollten bei der Auswahl eines Gussmaterials berücksichtigt werden, da ein Mangel an Dämpfungsfähigkeit zu übermäßigen Vibrationen und Geräuschen wie Klingeln oder Quietschen führen kann. Je nachdem, wo ein Material verwendet wird, kann eine effektive Dämpfung zu einer robusteren und zuverlässigeren Leistung führen.

Die Graphitstrukturen im Gusseisen, insbesondere die Lamellenbildungen im Grauguss, eignen sich besonders gut zur Schwingungsdämpfung. Dadurch eignet sich Gusseisen ideal für Motorblöcke, Zylindergehäuse und Maschinenbetten sowie für andere Anwendungen, bei denen es auf Robustheit und Präzision ankommt. Die Reduzierung von Vibrationen kann Belastungen minimieren und Verschleiß an beweglichen Teilen verhindern.

Druckfestigkeit

Die Druckfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Kräften standzuhalten, die die Größe des Objekts verringern würden. Dies steht im Gegensatz zu Kräften, die darauf gerichtet sind, ein Material auseinander zu ziehen. Die Druckfestigkeit ist bei mechanischen Anwendungen von Vorteil, bei denen Druck und Eindämmung Faktoren sind. Typischerweise hat Gusseisen eine bessere Druckfestigkeit als Stahl.

Schlagfestigkeit

Bisher scheint es, dass die Verwendung von Gusseisen mehr Vorteile als Stahl hat, aber Stahl hat einen wesentlichen Vorteil:Schlagfestigkeit. Stahl hält plötzlichen Stößen hervorragend stand, ohne sich zu verbiegen, zu verformen oder zu brechen. Dies liegt an seiner Zähigkeit:seiner Fähigkeit, hohen Belastungs- und Dehnungskräften standzuhalten.

Festigkeit ohne Duktilität führt zu einem spröden Material, das sehr bruchanfällig ist – und Gusseisen ist das Aushängeschild für Festigkeit ohne Duktilität. Aufgrund seiner Sprödigkeit hat Gusseisen einen begrenzten Anwendungsbereich.

Gleichzeitig ist eine hohe Duktilität oder die Fähigkeit, sich ohne Versagen zu verformen, ohne die Festigkeit, um erheblichen Stößen standzuhalten, nicht von großem Nutzen. Ein Gummiband zum Beispiel kann eine erhebliche Verformung überstehen, ohne zu brechen, aber die Kraft, die es aufnehmen kann, ist sehr begrenzt.

Während Eisen in den meisten Gussanwendungen einfacher zu bearbeiten ist, hat Stahl für viele Anwendungen eine optimale Mischung aus Festigkeit und Duktilität, und Stahlguss ist extrem zäh. Die schlagfesten Eigenschaften und die allseitig tragende Eigenschaft von Stahl machen ihn für viele mechanische und strukturelle Anwendungen wünschenswert – deshalb ist Stahl das am häufigsten verwendete Metall der Welt.

Korrosionsbeständigkeit

Eisen hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Stahl. Beide Metalle oxidieren in Gegenwart von Feuchtigkeit, aber Eisen entwickelt eine Patina, um eine tiefe Korrosion der Integrität des Metalls zu verhindern.

Eine weitere Möglichkeit, Korrosion zu verhindern, ist die Lackierung oder Pulverbeschichtung oder IronArmor für zusätzlichen Schutz. Jeder Splitter oder Riss, der das darunter liegende Metall freilegt, führt zu Korrosion, daher ist eine regelmäßige Wartung für beschichtete Metalle wichtig.

Wenn Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung eines silberfarbenen Rohmetall-Looks ein wichtiger Faktor ist, sind legierte Stähle wahrscheinlich eine bessere Option – insbesondere rostfreie Stähle, denen Chrom und andere Legierungen hinzugefügt wurden, um Oxidation zu verhindern.

Verschleißfestigkeit

Gusseisen hat typischerweise eine bessere Beständigkeit gegen mechanischen Verschleiß als Stahl, insbesondere in Situationen mit Reibungsverschleiß. Ein gewisser Graphitgehalt in der Gusseisenmatrix erzeugt einen graphitischen Trockenschmierstoff, der feste Oberflächen gegeneinander gleiten lässt, ohne die Oberflächenqualität zu verschlechtern und den Verschleiß zu erschweren.

Stahl verschleißt leichter als Eisen, kann aber dennoch widerstandsfähig gegen bestimmte Arten von Abrieb sein. Bestimmte Legierungszusätze können auch die Abriebeigenschaften von Stahl verbessern.

Kosten

Gusseisen ist aufgrund der geringeren Materialkosten, Energie und Arbeit, die zur Herstellung eines Endprodukts erforderlich sind, oft billiger als Gussstahl. Rohstahl ist teurer in der Anschaffung und erfordert mehr Zeit und Aufmerksamkeit beim Gießen. Bei der Konstruktion von Gussprodukten lohnt es sich jedoch, die langfristige Nutzung und die Wiederbeschaffungskosten zu berücksichtigen. Teile, deren Herstellung teurer ist, können auf lange Sicht weniger kosten.

Stahl ist auch in vielen vorgefertigten Formen erhältlich – wie Bleche, Stäbe, Stangen, Rohre und Balken – und kann oft bearbeitet oder montiert werden, um einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden. Je nach Produkt und benötigter Menge kann die Herstellung vorhandener Stahlprodukte eine kostengünstige Option sein.

Verschiedene Arten von Gusseisen und Stahlguss

Wir haben die Qualitäten der einfachsten Formen von Gusseisen (Grauguss) und Gussstahl (Weich- oder Kohlenstoffstahl) verglichen, aber die spezifische Zusammensetzung und Phasenstruktur von Eisen und Stahl kann die mechanischen Eigenschaften stark beeinflussen. Beispielsweise hat der Kohlenstoff in einem Standard-Grauguss die Form von scharfen Graphitflocken, während Sphäroguss eher kugelförmige Graphitstrukturen aufweist. Flockengraphit macht Grauguss spröde, während die runden Graphitpartikel in Sphäroguss die Zähigkeit verbessern – wodurch es besser für Schlagfestigkeitsanwendungen geeignet ist.

Legierungen können sowohl Eisen als auch Stahl zugesetzt werden, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Mangan erhöht beispielsweise die Zähigkeit, während Chrom die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Der unterschiedliche Kohlenstoffgehalt unterscheidet auch Stähle mit niedrigem, normalem und hohem Kohlenstoffgehalt – höhere Mengen führen zu viel härteren Materialien.

Letztendlich hängt die Wahl zwischen Gusseisen und Stahlguss von der Art und Anwendung der endgültigen Installation ab.

Für weitere Informationen zu Eisen oder Stahl oder um ein Angebot für ein kundenspezifisches Projekt anzufordern, kontaktieren Sie uns bitte.

Quellen

• Amerikanische Gießereigesellschaft. "Bearbeitung von Gusseisenkomponenten". www.afsinc.org
• Amerikanische Gießereigesellschaft. "Materialspezifikationen für Stahlguss verstehen". www.afsinc.org
• Maschinendesign. "Gusseisen". maschinendesign.com
• Nickel-Institut. "Gusseisen und Gusslegierungen". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Eisen und Stahl. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Eisen und Stahl". Erklären Sie das Zeug. com