Żelazo vs Stal odlewnicza

Odlewniczość

Większość ludzi nie spotkała się z żelazem lub stalą w stanie stopionym – co jest zrozumiałe, ponieważ żelazo topi się w temperaturze około 2300˚F, a stal w 2600˚F, i oba te materiały są wlewane do form w jeszcze gorętszej temperaturze. Osoby, które pracują z ciekłym żelazem i stalą szybko odkrywają, że różnią się one drastycznie pod względem lejności i szybkości kurczenia się.

Żelazo jest stosunkowo łatwe do odlania, ponieważ łatwo się wylewa i nie kurczy się tak bardzo jak stal. Oznacza to, że łatwo wypełni złożone puste przestrzenie w formie i wymaga do tego mniejszej ilości roztopionego materiału. Ta płynność sprawia, że żeliwo jest idealnym metalem do produkcji architektonicznych lub ozdobnych konstrukcji żelaznych, takich jak ogrodzenia i ławki.

Wlewanie stali jest znacznie trudniejsze. Jest ona mniej płynna niż stopione żelazo i bardziej reaktywna w stosunku do materiałów formierskich. Kurczy się również bardziej podczas chłodzenia, co oznacza, że więcej stopionego materiału musi być wylane – zazwyczaj do nadmiarowego zbiornika, zwanego pionem, z którego odlew czerpie podczas chłodzenia.

Odlewy, jednakże, zazwyczaj nie chłodzą się równomiernie w całej swojej wewnętrznej strukturze. Obszary zewnętrzne i cieńsze części będą stygły i kurczyły się w innym tempie niż obszary wewnętrzne i większe części – często tworząc wewnętrzne naprężenia, które mogą być złagodzone jedynie poprzez obróbkę cieplną. Stal jest znacznie bardziej podatna niż żelazo na naprężenia skurczowe, a w niektórych sytuacjach, te napięcia mogą prowadzić do znacznych wewnętrznych i/lub zewnętrznych pustek i możliwych pęknięć.

Z tych powodów, staliwo wymaga więcej uwagi i kontroli podczas procesu odlewania, co sprawia, że produkcja jest bardziej zasobochłonna.

Możliwość obróbki

Zależnie od ostatecznego zastosowania, części odlewane mogą wymagać obróbki mechanicznej, aby osiągnąć określone tolerancje lub stworzyć pożądane wykończenie. Minimum, obiekty takie jak bramy i prowadnice muszą być odcięte i zeszlifowane.

Skrawalność jest miarą łatwości cięcia lub szlifowania danego materiału; niektóre materiały są trudniejsze do obróbki niż inne. Zasadą jest, że metale z wysokimi dodatkami stopowymi w celu poprawy parametrów mechanicznych mają niższą obrabialność.

Żeliwo jest zazwyczaj znacznie łatwiejsze do obróbki niż stal. Struktura grafitu w żeliwie łatwiej się odrywa i to w bardziej jednolity sposób. Twardsze gatunki żelaza, takie jak żeliwo białe, są znacznie trudniejsze w obróbce ze względu na ich kruchość.

Stal nie jest tak łatwa do cięcia z taką samą konsystencją i powoduje większe zużycie narzędzi, co skutkuje wyższymi kosztami produkcji. Stale hartowane lub te o wyższej zawartości węgla również zwiększają zużycie narzędzi. Miększa stal niekoniecznie jest lepsza, jednakże – stale niskowęglowe, mimo że są bardziej miękkie, mogą stać się gumowate i trudne do obróbki.

Tłumienie drgań

Właściwości tłumiące powinny być brane pod uwagę przy wyborze materiału odlewniczego, ponieważ brak zdolności tłumienia może prowadzić do nadmiernych drgań i hałasu, takich jak dzwonienie lub piszczenie. W zależności od tego, gdzie materiał jest używany, skuteczne tłumienie może skutkować mocniejszą, bardziej niezawodną wydajnością.

Struktury grafitowe w żeliwie, szczególnie formacje płatkowe w żeliwie szarym, są szczególnie dobre do pochłaniania drgań. To sprawia, że żeliwo jest idealne do bloków silników, obudów cylindrów, łoża maszyn i innych zastosowań, w których ważna jest wytrzymałość i precyzja. Zmniejszenie wibracji może zminimalizować stres i zapobiec zużyciu ruchomych części.

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie to zdolność materiału do wytrzymania sił, które zmniejszyłyby rozmiar obiektu. Jest to przeciwieństwo sił skierowanych na rozerwanie materiału. Wytrzymałość na ściskanie jest korzystna w zastosowaniach mechanicznych, w których ciśnienie i powstrzymywanie są czynnikami. Zazwyczaj, żeliwo ma lepszą wytrzymałość na ściskanie niż stal.

Odporność na uderzenia

Do tej pory może się wydawać, że jest więcej zalet używania żeliwa niż stali, ale stal ma jedną znaczącą zaletę: odporność na uderzenia. Stal doskonale znosi nagłe uderzenia, nie zginając się, nie deformując i nie pękając. Wynika to z jej wytrzymałości: jej zdolności do wytrzymywania dużych naprężeń i sił odkształcających.

Wytrzymałość bez plastyczności skutkuje kruchym materiałem, który jest bardzo podatny na złamania – a żeliwo jest dzieckiem plakatu dla wytrzymałości bez plastyczności. Z powodu swojej kruchości, żeliwo ma ograniczony zakres zastosowań.

W tym samym czasie, wysoka plastyczność, czyli zdolność do odkształcania się bez awarii, nie jest zbyt użyteczna bez wytrzymałości, która pozwala wytrzymać znaczne uderzenia. Na przykład gumowa taśma może ulec znacznej deformacji bez pęknięcia, ale siła, jaką może wytrzymać, jest bardzo ograniczona.

Podczas gdy żelazo może być łatwiejsze do obróbki w większości zastosowań odlewniczych, stal posiada optymalne połączenie zarówno wytrzymałości, jak i ciągliwości, co czyni ją niezwykle wytrzymałą. Odporne na uderzenia właściwości i wszechstronna natura nośna stali sprawiają, że jest ona pożądana w wielu zastosowaniach mechanicznych i strukturalnych – dlatego właśnie stal jest najczęściej używanym metalem na świecie.

Odporność na korozję

Żelazo ma lepszą odporność na korozję niż stal. Oba metale utleniają się w obecności wilgoci, ale żelazo wytwarza patynę, która zapobiega głębokiej korozji integralności metalu.

Innym sposobem na zapobieganie korozji jest farba lub powłoka proszkowa. Każdy odprysk lub pęknięcie, które odsłania metal, na którym się znajduje, może spowodować korozję, więc regularna konserwacja jest ważna dla metali powlekanych.

Jeśli odporność na korozję przy jednoczesnym zachowaniu srebrnego wyglądu surowego metalu jest ważnym czynnikiem, stal stopowa jest prawdopodobnie lepszą opcją – szczególnie stal nierdzewna, która ma chrom i inne stopy dodane, aby zapobiec utlenianiu.

Odporność na zużycie

Żeliwo ma zazwyczaj lepszą odporność na zużycie mechaniczne niż stal, szczególnie w sytuacjach tarcia. Wyższa zawartość grafitu w żeliwie tworzy suchy smar grafitowy, który pozwala na ślizganie się powierzchni stałych względem siebie bez pogarszania jakości powierzchni.

Staliwo zużywa się łatwiej niż żeliwo, ale może być nadal odporne na pewne rodzaje ścierania. Niektóre dodatki stopowe mogą również poprawić właściwości ścierne stali.

Koszt

Odlewane żelazo jest często tańsze niż odlewana stal z powodu niższych kosztów materiałowych, energii i pracy wymaganych do wytworzenia produktu końcowego. Surowa stal jest droższa w zakupie, a jej odlanie wymaga więcej czasu i uwagi. Przy projektowaniu produktów odlewanych warto jednak wziąć pod uwagę długoterminowe użytkowanie i koszty wymiany. Części, które są droższe w produkcji, mogą okazać się mniej kosztowne w dłuższym okresie czasu.

Stal jest również dostępna w wielu prefabrykowanych formach – takich jak arkusze, pręty, sztaby, rury i belki – i często może być obrabiana lub montowana w celu dostosowania do konkretnego zastosowania. W zależności od produktu i wymaganej ilości, wytwarzanie istniejących produktów stalowych może być opłacalną opcją.

Różne rodzaje żeliwa i stali

Porównaliśmy właściwości najbardziej podstawowych form żeliwa (żeliwo szare) i staliwa (stal miękka lub węglowa), lecz specyficzny skład i struktura fazowa żeliwa i stali może w znacznym stopniu wpływać na właściwości mechaniczne. Na przykład, węgiel w standardowym żeliwie szarym przybiera formę ostrych płatków grafitu, podczas gdy żeliwo sferoidalne charakteryzuje się bardziej sferoidalną strukturą grafitu. Grafit w płatkach czyni żelazo szare kruchym, podczas gdy okrągłe cząstki grafitu w żelazie sferoidalnym poprawiają jego ciągliwość, dzięki czemu jest ono bardziej odpowiednie do zastosowań związanych z odpornością na uderzenia.

Stopy mogą być dodawane zarówno do żelaza, jak i do stali w celu uzyskania pożądanych właściwości. Mangan, na przykład, zwiększa ciągliwość, podczas gdy chrom poprawia odporność na korozję. Różna zawartość węgla jest tym, co odróżnia stal niskowęglową, standardową i wysokowęglową – większe ilości sprawiają, że materiały są znacznie twardsze.

W ostatecznym rozrachunku wybór pomiędzy żeliwem a stalą zależy od rodzaju i zastosowania końcowej instalacji.

Aby uzyskać więcej informacji na temat żeliwa lub stali, lub poprosić o wycenę niestandardowego projektu, prosimy o kontakt.