Żeliwo a stal odlewnicza: skład chemiczny i kluczowe różnice wyjaśnione

Wybór między żeliwem a stalem odlewniczym to podstawowa decyzja w inżynierii i przemyśle. Choć oba materiały są stopami żelaza wytwarzanymi metodą odlewniczą, ich różne składu chemiczne – głównie zawartość węgla – powodują znaczne różnice we właściwościach i zastosowaniach.

Skład Chemiczny i Mikrostruktura
Główna różnica leży w zawartości węgla. Żelazo odlewane zawiera typowo 2% do 4% węgla, wraz z 1% do 3% krzemu. Wysoka zawartość węgla powoduje wytrącanie nadmiaru węgla w postaci płateków grafitu (w żeliwie szarym) lub węzłów (w żeliwie ciągliwym) w osnowie żelaznej. Wylewana stal ma natomiast znacznie niższą zawartość węgla, zazwyczaj poniżej 0,5%, co powoduje, że węgiel pozostaje w roztworze stałym lub jako węglik żelaza, co prowadzi do mikrostruktury głównie perlitowej lub martenzytycznej.

Właściwości mechaniczne i eksploatacyjne
Ta różnica strukturalna określa ich właściwości:

• Wytrzymałość i Kowalność:  Wylewana stal charakteryzuje się wyższą wytrzymałością na rozciąganie, odpornością na uderzenia oraz kowalnością. Może wytrzymać znaczną deformację przed uszkodzeniem, co czyni ją idealną do obciążeń dynamicznych. Żelazo odlewane szczególnie żeliwo szare, jest wytrzymałe na ściskanie, lecz stosunkowo kruche na rozciąganie, z niską odpornością na uderzenia.

• Twardość i odporność na zużycie: Niektóre żeliwa, takie jak żeliwo białe, charakteryzują się wyjątkową twardością i odpornością na ścieranie. Chociaż staliwy można poddać utwardzeniu powierzchniowemu, to żeliwo często zapewnia lepszą odporność na zużycie w określonych zastosowaniach.

• Tłumienie drgań i obrabialność:  Żelazo odlewane ma doskonałą zdolność tłumienia drgań dzięki płatkowatemu grafitowi i jest zazwyczaj łatwiejsze w obróbce skrawaniem. Wylewana stal gorsze tłumienie drgań, ale oferuje lepszą spawalność i wytrzymłość spoin.

Zastosowanie i rozważania dotyczące kosztów

• Typowe zastosowania:

  • Żeliwo: Stosowane w blokach silników, tarczach hamulcowych, stołach obrabiarek, rurach i naczyniach kuchennych, tam gdzie kluczowe są sztywność, tłumienie lub odporność na zużycie.

  • Stal odlewna: Wykorzystywane w elementach konstrukcyjnych, przekładniach, ciężkich częściach maszyn, zbiornikach pod ciśnieniem oraz zawieszeniach samochodowych, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość, ciągliwość i odporność na zmęczenie.

• Koszty: Ogólnie rzecz biorąc, koszty surowców i produkcji żeliwa są niższe niż w przypadku stali odlewniczej. Proces wytopu stali jest bardziej energochłonny, a odlewanie stali często wymaga zaawansowanej technologii form oraz obróbki cieplnej po odlewaniu, aby osiągnąć pożądane właściwości.

Podsumowując, żelazo odlewane jest wyborem dla komponentów o niskich kosztach, które wymagają sztywności, tłumienia drgań i odporności na zużycie. Wylewana stal jest wybierane do elementów wysokiej wydajności, poddawanych obciążeniom uderzeniowym, naprężeniom i obciążeniom dynamicznym, gdzie kluczowe znaczenie ma odporność. Ostateczna decyzja zależy od dokładnej oceny wymagań mechanicznych, warunków eksploatacji oraz całkowitego kosztu.