Gietijzer versus gegoten staal

Wat is het verschil tussen gietijzer en gietstaal?

Gieten biedt een uitzonderlijke capaciteit voor ontwerpdetails, waardoor er vaak geen extra fabricage en montage nodig is. Er kunnen veel materialen worden gegoten, waaronder verschillende soorten metalen en kunststoffen, maar met name ijzer en staal hebben uitstekende mechanische eigenschappen voor een breed scala aan toepassingen.

Hoewel gietijzer en staal op het oppervlak vergelijkbaar kunnen lijken, hebben ze elk hun eigen voor- en nadelen, van productie tot toepassing. Als u deze voor- en nadelen begrijpt en de juiste keuze maakt, kan dit het verschil betekenen tussen meedogenloze kracht en duurzaamheid en gebroken of vervormde onderdelen die snel hun glans verliezen.

Koolstofgehalte is het belangrijkste verschil

IJzer en staal zijn beide ferrometalen die voornamelijk uit ijzeratomen bestaan. Bij de productie is het echter niet zo eenvoudig:er worden veel verschillende legeringen en kwaliteiten gebruikt bij de productie. Om ze te begrijpen, is het belangrijk om onderscheid te maken tussen het ijzer dat wordt gebruikt in alledaagse producten en het wetenschappelijke element ijzer (Fe). Het elementaire ijzer is het spul dat in de natuur wordt gevonden, meestal in een geoxideerde vorm die een intensieve verwerking vereist, smelten genoemd om te extraheren.

Zuiver elementair ijzer is te zacht om in de meeste toepassingen bruikbaar te zijn. Het wordt harder en daarom nuttiger wanneer het wordt gelegeerd of gemengd met koolstof. In feite is de koolstofsamenstelling het belangrijkste onderscheid tussen gietijzer en staal. Gietijzer bevat doorgaans meer dan 2 procent koolstof, terwijl gietstaal vaak tussen 0,1 en 0,5 procent koolstof bevat.

Kenmerken

De volgende tabel geeft een algemeen overzicht van de kwaliteiten van elk materiaal. Hoewel er veel verschillende soorten ijzer en staal zijn om te overwegen, richt deze tabel zich op grijs ijzer, gietijzer en koolstofstaal.

Grijs ijzer

Nodulair gietijzer

Staal

Bewerkbaarheid

Castabiliteit

Trillingsdemping

Corrosiebestendigheid

Taaiheid

Broosheid

Drukkracht

Treksterkte

Hardheid

Toepassingen

Motorblokken, cilinderkoppen, spruitstukken, gasbranders, losse tandwielen, behuizingen, behuizingen, hardscape-producten voor buiten, braadpannen, elektriciteitskasten, decoratieve gietstukken, kachelonderdelen, gewichten

Bolders, werfinrichting, fusees, krukassen, zware tandwielen, ophangingscomponenten voor auto's en vrachtwagens, hydraulische componenten, scharnieren van autodeuren

Bolders, industriële wielen, giettandwielen, kleplichamen, mijnbouwmachines, hydro-elektrische turbinewielen, smeedpersen, treinstellen voor wagons, pompbehuizingen, uitrusting van zeeschepen, motorbehuizingen, zware vrachtwagens, bouwmachines

Grijs ijzer

Bewerkbaarheid

Castabiliteit

Trillingsdemping

Corrosiebestendigheid

Taaiheid

Broosheid

Drukkracht

Treksterkte

Hardheid

Toepassingen

Motorblokken, cilinderkoppen, spruitstukken, gasbranders, losse tandwielen, behuizingen, behuizingen, hardscape-producten voor buiten, braadpannen, elektriciteitskasten, decoratieve gietstukken, kachelonderdelen, gewichten

Nodulair gietijzer

Bewerkbaarheid

Castabiliteit

Trillingsdemping

Corrosiebestendigheid

Taaiheid

Broosheid

Drukkracht

Treksterkte

Hardheid

Toepassingen

Bolders, werfinrichting, fusees, krukassen, zware tandwielen, ophangingscomponenten voor auto's en vrachtwagens, hydraulische componenten, scharnieren van autodeuren

Staal

Bewerkbaarheid

Castabiliteit

Trillingsdemping

Corrosiebestendigheid

Taaiheid

Broosheid

Drukkracht

Treksterkte

Hardheid

Toepassingen

Bolders, industriële wielen, giettandwielen, kleplichamen, mijnbouwmachines, hydro-elektrische turbinewielen, smeedpersen, treinstellen voor wagons, pompbehuizingen, uitrusting van zeeschepen, motorbehuizingen, zware vrachtwagens, bouwmachines

Castabiliteit

De meeste mensen zijn nog nooit ijzer of staal in gesmolten toestand tegengekomen - wat begrijpelijk is, aangezien ijzer smelt bij ongeveer 2300˚F en staal smelt bij 2600˚F, en beide worden bij nog hogere temperaturen in vormen gegoten. Mensen die wel met vloeibaar ijzer en staal werken, ontdekken al snel dat ze enorm verschillen in gietbaarheid en krimp.

Gietijzer is relatief eenvoudig te gieten, omdat het gemakkelijk giet en minder krimpt dan staal. Dit betekent dat het de complexe holtes in een mal gemakkelijk zal vullen en dat er minder gesmolten materiaal nodig is om dit te doen. Deze vloeibaarheid maakt gietijzer een ideaal metaal voor architecturale of sierlijke ijzerwerkconstructies zoals hekwerken en banken.

Het gieten van staal is veel moeilijker. Het is minder vloeibaar dan gesmolten ijzer en reageert beter op schimmelmaterialen. Het krimpt ook meer als het afkoelt, wat betekent dat er meer gesmolten materiaal moet worden gegoten - meestal in een overtollig reservoir, een stijgbuis genaamd, waar een gietstuk uit trekt als het afkoelt.

Gietstukken koelen echter meestal niet gelijkmatig door hun interne structuren. Buitengebieden en dunnere delen koelen en krimpen in een ander tempo dan binnengebieden en grotere delen, waardoor er vaak interne spanning of spanning ontstaat die alleen kan worden verlicht door warmtebehandeling. Staal is veel gevoeliger dan ijzer voor krimpspanningen en in sommige situaties kunnen deze spanningen leiden tot aanzienlijke interne en/of externe holtes en mogelijke uiteindelijke breuken.

Om deze redenen vereist gietstaal meer aandacht en inspectie tijdens het gietproces, waardoor de productie meer middelen nodig heeft.

Bewerkbaarheid

Afhankelijk van de uiteindelijke toepassing moeten gegoten onderdelen mogelijk worden bewerkt om specifieke toleranties te bereiken of om een ​​gewenste afwerking te creëren. Objecten zoals poorten en lopers moeten minimaal worden weggesneden en afgeslepen.

Bewerkbaarheid is de maatstaf voor hoe gemakkelijk een bepaald materiaal te snijden of te slijpen is; sommige materialen zijn moeilijker te bewerken dan andere. Als vuistregel geldt dat metalen met toevoegingen van hoge legering om de mechanische prestaties te verbeteren, een lagere bewerkbaarheid hebben.

Gietijzer is doorgaans veel gemakkelijker te bewerken dan staal. De grafietstructuur in gietijzer breekt gemakkelijker en op een meer uniforme manier af. Hardere ijzers, zoals wit ijzer, zijn veel moeilijker te bewerken vanwege hun broosheid.

Staal is niet zo gemakkelijk te snijden met dezelfde consistentie en veroorzaakt meer gereedschapsslijtage, wat resulteert in hogere productiekosten. Gehard staal, of staal met een hoger koolstofgehalte, verhoogt ook de slijtage van het gereedschap. Zachter staal is echter niet per se beter:staal met een laag koolstofgehalte kan, ondanks dat het zachter is, gomachtig worden en moeilijk om mee te werken.

Trillingsdemping

Bij het kiezen van een gietmateriaal moet rekening worden gehouden met dempingseigenschappen, aangezien een gebrek aan dempingsvermogen kan leiden tot overmatige trillingen en lawaai, zoals rinkelen of piepen. Afhankelijk van waar een materiaal wordt gebruikt, kan effectieve demping resulteren in stevigere, betrouwbaardere prestaties.

De grafietstructuren in gietijzer, vooral de vlokkenformaties in grijs gietijzer, zijn bijzonder goed voor het absorberen van trillingen. Dit maakt gietijzer ideaal voor motorblokken, cilinderhuizen en machinebedden en andere toepassingen waar stevigheid en precisie belangrijk zijn. Het verminderen van trillingen kan stress minimaliseren en slijtage aan bewegende delen voorkomen.

Druksterkte

Druksterkte is het vermogen van een materiaal om krachten te weerstaan ​​die de omvang van het object zouden verkleinen. Dit is tegengesteld aan krachten die gericht zijn op het uit elkaar trekken van een materiaal. Druksterkte is gunstig in mechanische toepassingen waar druk en insluiting factoren zijn. Gietijzer heeft doorgaans een betere druksterkte dan staal.

Schokbestendigheid

Tot nu toe lijkt het erop dat er meer voordelen zijn aan het gebruik van gietijzer dan staal, maar staal heeft één belangrijk voordeel:slagvastheid. Staal is uitstekend bestand tegen plotselinge schokken zonder te buigen, te vervormen of te breken. Dit komt door zijn taaiheid:zijn vermogen om hoge spanningen en rekkrachten te weerstaan.

Sterkte zonder taaiheid resulteert in een bros materiaal dat zeer vatbaar is voor breuk - en gietijzer is het voorbeeld van sterkte zonder taaiheid. Door zijn brosheid heeft gietijzer een beperkt toepassingsgebied.

Tegelijkertijd heeft een hoge ductiliteit, of het vermogen om zonder falen te vervormen, niet veel zin zonder de kracht om een ​​aanzienlijke impact te weerstaan. Een elastiekje kan bijvoorbeeld behoorlijk vervormen zonder te breken, maar de hoeveelheid kracht die het kan verdragen is zeer beperkt.

Hoewel het in de meeste giettoepassingen gemakkelijker is om met ijzer te werken, heeft staal een optimale mix van zowel sterkte als vervormbaarheid voor veel toepassingen, en gietstaal is extreem taai. De slagvaste eigenschappen en het algemeen dragende karakter van staal maken het wenselijk voor veel mechanische en structurele toepassingen - daarom is staal het meest gebruikte metaal ter wereld.

Corrosiebestendigheid

IJzer heeft een betere corrosieweerstand dan staal. Beide metalen oxideren in aanwezigheid van vocht, maar ijzer ontwikkelt een patina om diepe corrosie van de integriteit van het metaal te voorkomen.

Een andere manier om corrosie te voorkomen is met verf of poedercoating, of IronArmor voor extra bescherming. Elke chip of barst die het onderliggende metaal blootlegt, zal leiden tot corrosie, dus regelmatig onderhoud is belangrijk voor gecoate metalen.

Als corrosiebestendigheid met behoud van een zilverkleurig ruw metaal een belangrijke factor is, is gelegeerd staal waarschijnlijk een betere optie, met name roestvrij staal, waaraan chroom en andere legeringen zijn toegevoegd om oxidatie te voorkomen.

Slijtvastheid

Gietijzer is doorgaans beter bestand tegen mechanische slijtage dan staal, vooral in wrijvingsslijtagesituaties. Een bepaalde hoeveelheid grafiet in de gietijzeren matrix creëert een grafiet droog smeermiddel dat ervoor zorgt dat vaste oppervlakken tegen elkaar kunnen schuiven zonder de kwaliteit van het oppervlak te verslechteren, waardoor het moeilijker te dragen is.

Staal slijt gemakkelijker dan ijzer, maar kan nog steeds bestand zijn tegen bepaalde soorten slijtage. Bepaalde toevoegingen aan legeringen kunnen ook de slijtvastheid van staal verbeteren.

Kosten

Gietijzer is vaak goedkoper dan gietstaal vanwege de lagere materiaalkosten, energie en arbeid die nodig zijn om een ​​eindproduct te produceren. Ruw staal is duurder in aanschaf en vereist meer tijd en aandacht om te gieten. Bij het ontwerpen van gegoten producten is het echter de moeite waard om rekening te houden met langdurig gebruik en vervangingskosten. Onderdelen die duurder zijn om te produceren, kunnen op de lange termijn minder kosten.

Staal is ook verkrijgbaar in veel geprefabriceerde vormen, zoals platen, staven, staven, buizen en balken, en kan vaak worden bewerkt of geassembleerd voor een bepaalde toepassing. Afhankelijk van het product en de benodigde hoeveelheid, kan het vervaardigen van bestaande staalproducten een kosteneffectieve optie zijn.

Verschillende soorten gietijzer en gietstaal

We hebben de kwaliteiten van de meest basale vormen van gietijzer (grijs ijzer) en gietstaal (zacht of koolstofstaal) vergeleken, maar de specifieke samenstelling en fasestructuur van ijzer en staal kunnen de mechanische eigenschappen sterk beïnvloeden. De koolstof in een standaard grijs ijzer heeft bijvoorbeeld de vorm van scherpe grafietvlokken, terwijl nodulair gietijzer meer bolvormige grafietstructuren heeft. Gevlokken grafiet maakt grijs ijzer bros, terwijl de ronde grafietdeeltjes in nodulair gietijzer de taaiheid verbeteren, waardoor het meer geschikt is voor slagvaste toepassingen.

Legeringen kunnen aan zowel ijzer als staal worden toegevoegd om de gewenste eigenschappen te ontwikkelen. Mangaan verhoogt bijvoorbeeld de taaiheid, terwijl chroom de corrosieweerstand verbetert. Variërend koolstofgehalte is ook wat onderscheid maakt tussen staal met een laag, standaard en hoog koolstofgehalte - hogere hoeveelheden zorgen voor veel hardere materialen.

Uiteindelijk zal de keuze tussen gietijzer en gietstaal afhangen van het type en de toepassing van de uiteindelijke installatie.

Neem contact met ons op voor meer informatie over ijzer of staal, of om een ​​offerte aan te vragen voor een project op maat.

Bronnen

• Amerikaanse Foundry Society. "Bewerking van gietijzeren onderdelen". afsinc.org
• Amerikaanse Foundry Society. "Inzicht in materiaalspecificaties voor stalen gietstukken". afsinc.org
• Machineontwerp. "Gietijzer". machinedesign.com
• Nikkel Instituut. "Gietijzers en gegoten legeringen". nikkelinstituut.org
• Hosford, William F. IJzer en staal. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Ijzer en staal". Explainthatstuff.com