Was sind die Unterschiede zwischen Gusseisen und Stahl?

Gusseisen und Stahl sind beide Eisenmetalle, die hauptsächlich aus Eisenatomen bestehen (im Periodensystem als Fe gekennzeichnet). Elementares Eisen ist auf der Erde reichlich vorhanden, liegt jedoch typischerweise in oxidierter Form vor und erfordert zur Gewinnung eine intensive Verarbeitung, das sogenannte Schmelzen.

Reines Eisen mit seinen hohen magnetischen Eigenschaften wird häufig zur Herstellung der Kerne elektromagnetischer Geräte verwendet. Allerdings schränken die weiche Beschaffenheit und die Tendenz zur Verformung den direkten Einsatz in der industriellen Fertigung ein. Daher wird es typischerweise mit anderen Elementen, insbesondere Kohlenstoff, legiert, um seine Eigenschaften zu verbessern. Beispielsweise sind Gusseisen und Stahl weit verbreitete Metallmaterialien, die aus dieser verbesserten Eisenlegierung gewonnen werden.

Während Gusseisen und Stahl ein ähnliches Aussehen haben, besitzen beide unterschiedliche Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen entscheidend sind. Dieser Artikel bietet einen ausführlichen Vergleich dieser beiden Metalle, um Ihnen bei der Auswahl des richtigen Metalls für Ihr Projekt zu helfen.

Was ist Gusseisen?

Gusseisen ist eine Art Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt zwischen 2 % und 4 %. Es wird hergestellt, indem zunächst Eisenerz in einem Hochofen geschmolzen wird, um Roheisen herzustellen. Anschließend wird das Roheisen zusammen mit Mengen an Eisenschrott geschmolzen und das geschmolzene Metall zum Erstarren in Formen gegossen. Der Name „Gusseisen“ leitet sich von diesem Gussverfahren ab, mit dem es geformt wird.

Zusätzlich zu seinem Kohlenstoffgehalt enthält es typischerweise 1 bis 3 % Silizium sowie Spuren von Mangan, Phosphor und Schwefel. Kohlenstoff und Silizium sind Schlüsselelemente, die die Struktur und Eigenschaften von Gusseisen beeinflussen. Die Form und Verteilung des Graphits, die sich aus dem Kohlenstoffgehalt ergeben, sind entscheidend für die Art und Eigenschaften von Gusseisen. Basierend auf der Form des Kohlenstoffs und der Mikrostruktur kann Gusseisen weiter unterteilt werden in:

• Grauguss: Graphit liegt in Flockenform vor und bietet gute Gießbarkeit und Vibrationsdämpfungseigenschaften, ist jedoch recht spröde.
• Weißes Gusseisen: Kohlenstoff liegt als Eisenkarbid (Fe3C) vor und macht es hart und spröde mit hoher Verschleißfestigkeit.
• Duktiles (kugelförmiges) Gusseisen: Graphit liegt in Form kugelförmiger Knötchen vor, was ihm eine hohe Festigkeit und Zähigkeit verleiht.
• Temperguss: Durch das Glühen liegt Kohlenstoff als klumpiger Graphit vor, der für gute Zähigkeit und Bearbeitbarkeit sorgt.

Was ist Stahl?

Stahl ist eine Eisenlegierung mit einem Kohlenstoffgehalt, der variiert, aber typischerweise weniger als 2 % beträgt. Stahl wird hergestellt, indem das geschmolzene Roheisen in einem Sauerstoffbasisofen (BOF) oder einem Elektrolichtbogenofen (EAF) raffiniert wird, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren und Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird es in Formen gegossen und abgekühlt, um festen Stahl zu bilden.

Während des Prozesses werden zusätzliche Elemente hinzugefügt und der Kohlenstoffgehalt angepasst, um verschiedene Stahlsorten mit spezifischen Eigenschaften herzustellen. Beispielsweise ist Stahl im Allgemeinen anfällig für Korrosion und Rost, eine Ausnahme bildet jedoch Edelstahl, der aufgrund seines niedrigen Kohlenstoffgehalts und eines Chromgehalts von mindestens 10,5 % eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen Korrosion und Rost aufweist.

Je nach unterschiedlicher Zusammensetzung und Verwendung kann Stahl in viele Arten eingeteilt werden. Im Folgenden sind einige gängige Stahlsorten aufgeführt:

• Kohlenstoffstahl:A type of steel containing carbon as the main alloying element, which can be further divided into low carbon steel, medium carbon steel and high carbon steel.
• Legierter Stahl:Besides iron and carbon, it also contains other alloying elements, such as chromium, nickel, molybdenum, vanadium. Common alloy steels are stainless steel, tool steel, etc.

Die Unterschiede zwischen Gusseisen und Stahl

Um die beiden Metalle zu unterscheiden, schauen wir uns zunächst die folgende Tabelle an, um einen vorläufigen Vergleich anzustellen.

Die obige Tabelle bietet einen allgemeinen Vergleich zwischen Gusseisen und Stahl. Achten Sie möglicherweise auf die wichtigsten Punkte, die in der ersten Spalte aufgeführt sind. Jetzt bringen wir Sie dazu, sie Schritt für Schritt eingehend zu verstehen.

Kohlenstoffgehalt und chemische Zusammensetzung

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Metallen ist ihr Kohlenstoffgehalt. Gusseisen enthält typischerweise mehr als 2 % Kohlenstoff, während Stahl weniger als 2 % Kohlenstoff enthält. Typischerweise führt ein höherer Kohlenstoffgehalt zu größerer Härte und Sprödigkeit.

Darüber hinaus beeinflusst der Siliziumgehalt im Gusseisen dessen Eigenschaften erheblich und sorgt für eine bessere Fließfähigkeit und eine geringere Schrumpfung beim Gießen. Im Gegensatz dazu enthält Stahl häufig andere Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän, die seine Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit erhöhen.

Schmelzpunkt

Der Schmelzpunkt von Gusseisen liegt typischerweise zwischen 1150 °C und 1300 °C (2100 °F bis 2370 °F), während der Schmelzpunkt von Stahl normalerweise zwischen 1370 °C und 1510 °C (2500 °F bis 2800 °F) liegt ).

Der niedrigere Schmelzpunkt von Gusseisen ermöglicht eine bessere Fließfähigkeit im geschmolzenen Zustand, was das Füllen komplexer Formen und die Herstellung dichter Gussteile erleichtert. Darüber hinaus führt sein niedrigerer Schmelzpunkt zu einer relativ langsameren Abkühlgeschwindigkeit, wodurch das flüssige Metall im Gussstück mehr Zeit hat, etwaige durch Schrumpfung entstandene Hohlräume zu füllen. Dadurch wird die Bildung von Poren und Rissen während des Gussprozesses minimiert, was zu einem Gussstück mit erhöhter Dichte führt. Umgekehrt ermöglicht der höhere Schmelzpunkt von Stahl, dass er bei mechanischer Bearbeitung und Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen Festigkeit und Zähigkeit beibehält.

Gießbarkeit

Wie oben erwähnt, hat Gusseisen einen niedrigeren Schmelzpunkt und enthält einen gewissen Siliziumanteil; Es weist eine hervorragende Fließfähigkeit und eine geringere Schrumpfung beim Abkühlen auf, da sich beim Erstarren Graphit ausscheidet und so die Volumenkontraktion teilweise ausgleicht. Daher weist Gusseisen im Vergleich zu Stahl eine bessere Gießbarkeit auf.

Im Gegensatz dazu ist Stahl weniger flüssig, reagiert stärker auf Formmaterialien, schrumpft beim Abkühlen stärker und erfordert während des gesamten Gießprozesses mehr Aufmerksamkeit und Inspektion.

Stärke

Sowohl Gusseisen als auch Stahl genießen hohes Ansehen für ihre Haltbarkeit, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihren verschiedenen Festigkeitsaspekten. Lassen Sie uns die Unterschiede ihrer Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit untersuchen.

Zugfestigkeit: Gusseisen besitzt eine relativ geringe Zugfestigkeit. Dies ist auf die in seiner Struktur vorhandenen Graphitflocken oder Kugelgraphit zurückzuführen, die dazu neigen, Spannungskonzentrationspunkte zu bilden, wodurch es unter Zugkräften anfällig für Brüche ist. Umgekehrt ist die Mikrostruktur von Stahl gleichmäßiger und seine Zugfestigkeit kann durch Legieren und Wärmebehandlung erheblich verbessert werden.

Druckfestigkeit: Im Allgemeinen besitzt Gusseisen im Vergleich zu Stahl eine höhere Druckfestigkeit. Unter Druckspannung trägt die Graphitstruktur im Gusseisen nicht zur Spannungskonzentration bei, sondern trägt stattdessen zur Spannungsverteilung bei und sorgt so für eine hohe Druckfestigkeit. Im Gegensatz dazu weist Stahl eine vergleichbare Leistung sowohl bei der Druck- als auch bei der Zugfestigkeit auf, wobei der Bereich der Druckfestigkeiten breiter ist.

Schlagfestigkeit:Beide weisen eine gute Schlagfestigkeit auf, aber Stahl übertrifft in der Regel Gusseisen, insbesondere in seiner Fähigkeit, plötzlichen Stößen und dynamischen Belastungen standzuhalten. Dies ist auf die Duktilität und die gleichmäßige Mikrostruktur des Stahls zurückzuführen, die es ihm ermöglichen, eine erhebliche Menge an Energie zu absorbieren, ohne unter Stoßbelastungen zu brechen. Darüber hinaus erfährt Stahl bei Stoßbelastung eine Kaltverfestigung, was seine Festigkeit weiter erhöht. Andererseits ist Gusseisen aufgrund seiner Sprödigkeit anfällig für Brüche bei Stößen. Sphäroguss, eine Variante von Gusseisen, weist jedoch eine höhere Schlagzähigkeit auf, die Grauguss deutlich übertrifft. Dennoch kann Sphäroguss nicht mit der Schlagfestigkeit von Stahl mithalten.

Verschleißfestigkeit

Gusseisen weist im Allgemeinen eine bessere Beständigkeit gegen mechanischen Verschleiß auf als Stahl (Kohlenstoffstahl). Dies wird auf seine Härte und die einzigartige Graphitstruktur zurückgeführt, die als natürliches Schmiermittel wirkt. Allerdings schränkt die Sprödigkeit von Gusseisen seinen Einsatz in dynamischen Verschleißumgebungen ein. Dadurch eignet es sich bestens für die Herstellung statischer und stoßarmer, verschleißfester Bauteile wie mechanische Bettrahmen, Gleitlager und Reibbeläge.

Stahl behält aufgrund seiner hohen Zähigkeit eine gute Verschleißfestigkeit in dynamischen Verschleißumgebungen bei und ist bruchsicher. Es eignet sich für die Herstellung dynamischer und hochschlagfester verschleißfester Komponenten wie Zahnräder, Schneidwerkzeuge und Teile mit hohem Verschleiß.

Korrosionsbeständigkeit

Beide Metalle bleiben anfällig für Korrosion oder Rostbildung, wenn sie Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Eisen entwickelt jedoch eine Patina, die tiefe Korrosion verhindert und die Unversehrtheit des Metalls bewahrt.

Um Korrosion vorzubeugen, besteht eine Möglichkeit darin, für zusätzlichen Schutz Farbe oder Pulverbeschichtung aufzutragen. Alternativ können Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän in Stahl eingearbeitet werden, um die Korrosionsbeständigkeit des Stahls zu verbessern und ihn an verschiedene korrosive Umgebungen anzupassen.

Bearbeitbarkeit

Gusseisen ist gut bearbeitbar. Das Vorhandensein von Graphit dient als natürliches Schmiermittel, reduziert den Werkzeugverschleiß und verlängert die Werkzeuglebensdauer. Darüber hinaus führt die Sprödigkeit von Gusseisen (insbesondere Grauguss) dazu, dass die Späne bei der Bearbeitung leicht in kleine Stücke zerbrechen. Dadurch wird verhindert, dass sie am Schneidwerkzeug haften bleiben, was zu einem reibungsloseren Bearbeitungsprozess führt.

Im Gegensatz dazu variiert die Bearbeitbarkeit von Stahl je nach Zusammensetzung stark. Gehärteter Stahl oder Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt stellen eine Herausforderung dar, da sie widerstandsfähiger gegenüber der Bearbeitung sind und den Werkzeugverschleiß beschleunigen können. Andererseits ist kohlenstoffarmer Stahl zwar weicher, kann aber bei der Bearbeitung klebrig werden, was die Handhabung erschwert. Daher ist eine sorgfältige Abwägung der Bearbeitungstechniken und der Werkzeugauswahl für eine erfolgreiche Stahlbearbeitung unerlässlich.

Schweißbarkeit

Stahl weist im Vergleich zu Gusseisen eine deutlich bessere Schweißbarkeit auf. Aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts und seiner Sprödigkeit neigt Gusseisen beim Schweißen zur Rissbildung. Darüber hinaus nimmt geschmolzenes Gusseisen leicht Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft auf, was zur Porenbildung führt.

Der niedrige Kohlenstoffgehalt von Stahl erleichtert die Kontrolle während des Schweißprozesses und eignet sich für eine Vielzahl von Schweißmethoden, einschließlich Lichtbogenschweißen (SMAW), Schutzgasschweißen (GMAW, WIG), Laserschweißen usw.

Kosten

Gusseisen ist tendenziell billiger als Stahl, vor allem weil seine Rohstoffe wie Eisenerz im Vergleich zu höherwertigem Eisen und Legierungen, die bei der Stahlproduktion verwendet werden, leichter verfügbar und billiger sind. Zudem ist der Produktionsprozess von Gusseisen einfacher und weniger energieintensiv als der von Stahl.

Gusseisen vs. Stahl: Welches sollte man wählen?

Basierend auf der detaillierten Einführung und dem Vergleich oben sollten Sie nun ein umfassendes Verständnis für die Unterschiede zwischen diesen beiden Metallen haben. Um Ihnen bei der Auswahl des besten Metalls für Ihre Anforderungen zu helfen, können Sie schnell auf die folgende Tabelle zurückgreifen, um deren einzigartige Vorteile, Einschränkungen und Hauptanwendungen zu sehen.

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