Gusseisen vs. Gussstahl

Gießbarkeit

Die meisten Menschen haben noch nie mit Eisen oder Stahl in geschmolzenem Zustand zu tun gehabt – was verständlich ist, da Eisen bei ca. 2300˚F und Stahl bei 2600˚F schmilzt, und beide bei noch heißeren Temperaturen in Formen gegossen werden. Wer mit flüssigem Eisen und Stahl arbeitet, stellt schnell fest, dass sie sich in ihrer Gießbarkeit und Schrumpfungsrate dramatisch unterscheiden.

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

Stahl zu gießen ist viel schwieriger. Er ist weniger fließfähig als geschmolzenes Eisen und reagiert stärker auf Formmaterialien. Außerdem schrumpft er beim Abkühlen stärker, was bedeutet, dass mehr geschmolzenes Material gegossen werden muss – typischerweise in ein überschüssiges Reservoir, das als Speiser bezeichnet wird und aus dem das Gussteil beim Abkühlen schöpft.

Gussteile kühlen jedoch typischerweise nicht gleichmäßig über ihre innere Struktur ab. Äußere Bereiche und dünnere Teile kühlen ab und schrumpfen anders als innere Bereiche und voluminösere Teile – dadurch entstehen oft innere Spannungen, die nur durch Wärmebehandlung abgebaut werden können. Stahl ist viel anfälliger für Schrumpfspannungen als Eisen, und in manchen Situationen können diese Spannungen zu erheblichen inneren und/oder äußeren Lücken und möglicherweise zu Brüchen führen.

Aus diesen Gründen erfordert Stahlguss mehr Aufmerksamkeit und Kontrolle während des gesamten Gießprozesses, was die Produktion ressourcenintensiver macht.

Bearbeitbarkeit

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

Die Bearbeitbarkeit ist das Maß dafür, wie leicht sich ein bestimmtes Material schneiden oder schleifen lässt; 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 typischerweise viel leichter zu bearbeiten als Stahl. Die Graphitstruktur in Gusseisen bricht leichter und gleichmäßiger weg. Härtere Eisen, wie z.B. Weißeisen, sind aufgrund ihrer Sprödigkeit viel schwieriger zu bearbeiten.

Stahl lässt sich nicht so leicht mit der gleichen Konsistenz schneiden und verursacht mehr Werkzeugverschleiß, was zu höheren Produktionskosten führt. Gehärtete Stähle, oder solche mit höherem Kohlenstoffgehalt, erhöhen ebenfalls den Werkzeugverschleiß. Weicherer Stahl ist jedoch nicht unbedingt besser – Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können, obwohl sie weicher sind, gummiartig werden und schwer zu bearbeiten sein.

Schwingungsdämpfung

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

Die Graphitstrukturen in Gusseisen, insbesondere die schuppenförmigen Gebilde in Grauguss, sind besonders gut in der Lage, Schwingungen zu absorbieren. Das macht Gusseisen ideal für Motorblöcke, Zylindergehäuse, Maschinenbetten und andere Anwendungen, bei denen Robustheit und Präzision wichtig sind. Die Reduzierung von Vibrationen kann Spannungen minimieren und Verschleiß an beweglichen Teilen verhindern.

Druckfestigkeit

Die Druckfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Kräften zu widerstehen, 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 eine Rolle spielen. Typischerweise hat Gusseisen eine bessere Druckfestigkeit als Stahl.

Schlagzähigkeit

So weit mag es scheinen, dass es mehr Vorteile gibt, Gusseisen als Stahl zu verwenden, aber Stahl hat einen bedeutenden Vorteil: Schlagzähigkeit. Stahl ist hervorragend in der Lage, plötzlichen Stößen zu widerstehen, ohne sich zu verbiegen, zu verformen oder zu brechen. Das liegt an seiner Zähigkeit: seiner Fähigkeit, hohen Spannungen und Dehnungen standzuhalten.

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

Gleichzeitig ist eine hohe Duktilität, also die Fähigkeit, sich zu verformen, ohne zu versagen, nicht viel wert, wenn man nicht auch die Festigkeit hat, um erheblichen Stößen zu widerstehen. Ein Gummiband zum Beispiel kann sich stark verformen, ohne zu brechen, aber die Kraft, die es aushalten kann, ist sehr begrenzt.

Während Eisen bei den meisten Gussanwendungen leichter zu verarbeiten ist, hat Stahl eine optimale Mischung aus Festigkeit und Duktilität, was ihn extrem zäh macht. Die schlagzähen Eigenschaften und die Rundum-Belastbarkeit 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, die eine tiefe Korrosion der Integrität des Metalls verhindert.

Eine weitere Möglichkeit, Korrosion zu verhindern, ist eine Lackierung oder Pulverbeschichtung. Jeder Abplatzer oder Riss, der das darunterliegende Metall freilegt, kann zu Korrosion führen, 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 zugesetzt werden, um Oxidation zu verhindern.

Verschleißfestigkeit

Gusseisen hat in der Regel eine bessere Beständigkeit gegen mechanischen Verschleiß als Stahl, insbesondere in Situationen, in denen Reibung auftritt. Der höhere Graphitanteil in Gusseisen erzeugt einen graphitischen Trockenschmierstoff, der es festen Oberflächen erlaubt, gegeneinander zu gleiten, ohne die Oberflächenqualität zu verschlechtern.

Stahl verschleißt leichter als Eisen, kann aber dennoch gegen bestimmte Arten von Abrieb beständig 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 Stahlguss. Rohstahl ist teurer in der Anschaffung, und das Gießen erfordert mehr Zeit und Aufmerksamkeit. Bei der Konstruktion von Gussprodukten lohnt es sich jedoch, die langfristige Nutzung und die Ersatzkosten zu berücksichtigen. Teile, die in der Herstellung teurer sind, können auf lange Sicht weniger kosten.

Stahl ist auch in vielen vorgefertigten Formen erhältlich – wie Bleche, Stäbe, Stangen, Rohre und Träger – und kann oft bearbeitet oder zusammengesetzt werden, um einer bestimmten Anwendung zu entsprechen. Je nach Produkt und benötigter Menge kann die Herstellung von bestehenden Stahlprodukten eine kostengünstige Option sein.

Unterschiedliche Arten von Gusseisen und Stahlguss

Wir haben die Eigenschaften der grundlegendsten Formen von Gusseisen (Grauguss) und Stahlguss (Weich- oder Kohlenstoffstahl) verglichen, aber die spezifische Zusammensetzung und Phasenstruktur von Eisen und Stahl kann die mechanischen Eigenschaften stark beeinflussen. Zum Beispiel nimmt der Kohlenstoff in einem Standard-Grauguss die Form von scharfen Graphitflocken an, während Sphäroguss mehr kugelförmige Graphitstrukturen aufweist. Flockenförmiger Graphit macht Grauguss spröde, während die runden Graphitpartikel in Sphäroguss die Zähigkeit verbessern und damit besser für schlagfeste Anwendungen geeignet sind.

Legierungen können sowohl Eisen als auch Stahl hinzugefügt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Mangan zum Beispiel erhöht die Zähigkeit, während Chrom die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Der unterschiedliche Kohlenstoffgehalt ist auch der Grund für die Unterscheidung zwischen Stählen mit niedrigem, normalem und hohem Kohlenstoffgehalt – ein höherer Kohlenstoffgehalt macht das Material wesentlich härter.

Die Wahl zwischen Gusseisen und Stahlguss hängt letztendlich von der Art und Anwendung der endgültigen Installation ab.

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