1. Zavedení
Šedé železo vs. tažné železo jsou dva nejpoužívanější typy litiny, každý nabízí jedinečné vlastnosti a výhody, díky kterým jsou nepostradatelné v celé řadě průmyslových odvětví.
Jako členové rodiny litiny – slitiny železa, uhlíku a křemíku vytvořené odléváním roztaveného kovu do forem – jsou oba materiály ceněny pro svou pevnost., Machinability, castiability, a nákladová efektivita.
2. Co Je Litina?
Litina je skupina slitin železa a uhlíku s obsahem uhlíku typicky větším než 2%.
Vyrábí se tavením surového železa - obvykle získaného ze železné rudy - v peci a litím roztaveného kovu do forem, aby se vytvořily požadované tvary..
Výsledek je těžký, křehký, a pevný materiál, který nabízí vynikající slévatelnost a širokou škálu mechanických vlastností v závislosti na jeho specifickém složení a úpravě.
Obecné složení
Základní složení litiny zahrnuje:
- Železo (Fe) – primární prvek
- Uhlík (C) – 2,0–4,0 %, podporuje slévatelnost a ovlivňuje tvrdost a křehkost
- Křemík (A) – 1,0–3,0 %, který podporuje tvorbu grafitu při tuhnutí
- Stopové množství mangan (Mn), síra (S), a fosfor (Str) může být také přítomen
Klíčové vlastnosti litiny:
- Vynikající castiability: Dobře teče do složitých forem, takže je ideální pro složité tvary
- Dobrá obrobitelnost: Zejména v určitých stupních, jako je šedá litina
- Vysoká pevnost v tlaku: Díky tomu je vhodný pro zatížení ložisek ve stavebních aplikacích
- Vynikající tlumení vibrací: Snižuje hluk a pohyb ve strojích a zařízeních
- Nákladově efektivní: Levná výroba ve velkém množství
Běžné typy litiny:
| Typ litiny | Grafitová forma | Klíčové vlastnosti | Typické aplikace |
| Šedé železo | Grafitové vločky | Vynikající tlumení vibrací, Dobrá machinabilita, vysoká pevnost v tlaku, křehký | Bloky motoru, brzdové rotory, strojové základny, Čerpadlo |
| Tažné železo | Sféroidní (nodulární) grafit | Vysoká pevnost v tahu, dobrá tažnost, odolnost proti únavě | Trubky, klikové hřídele, závěsná ramena, Huby větrné turbíny |
| Bílé železo | Cementit (žádný volný grafit) | Extrémně tvrdý a odolný proti opotřebení, velmi křehké | Mlýnské vložky, opotřebení plechů, díly kalového čerpadla |
| Kujné železo | Temperované karbonové noduly | Střední pevnost a tažnost, nárazuvzdorný, obrobitelný | Potrubí, závorky, malé odlitky se složitou geometrií |
3. Co je šedá železo?
Šedé železo, také známý jako šedá litina, je nejpoužívanějším typem litiny. Je pojmenován podle šedé barvy povrchu lomu, což je způsobeno přítomností grafitové vločky ve své mikrostruktuře.
Tyto grafitové vločky vytvářejí diskontinuitu v železné matrici, dodává šedé lize její charakteristický vzhled a mechanické vlastnosti.
Mikrostruktura
Charakteristickým znakem šedé litiny je její struktura vločkového grafitu vložené do matice ferit, perlit, nebo kombinace obou.
Tyto vločky se tvoří během tuhnutí a jsou zodpovědné za materiál:
- Vynikající Tlumení vibrací
- Dobrý tepelná vodivost
- Vysoký pevnost v tlaku
Však, ostré hrany vloček působí jako koncentrátory stresu, které výrazně snižují pevnost v tahu a učinit materiál křehkým pod napětím nebo nárazem.
Stupně a standardy
Šedá litina je klasifikována podle pevnost v tahu, často označeny pomocí standardů jako ASTM A48. Příklady zahrnují:
- Třída 20 (CL20): Nízká pevnost, vynikající obrobitelnost
- Třída 30 (CL30): Univerzální použití
- Třída 40 (CL40): Vyšší pevnost, vhodné pro nosné díly
Vyšší čísla tříd znamenají vyšší pevnost v tahu, typicky dosažené úpravou rychlosti chlazení nebo obsahu slitiny.
Klíčové vlastnosti:
- Vysoká pevnost v tlaku
- Vynikající tlumicí schopnost
- Špatná tažnost a odolnost proti nárazu
Typické aplikace šedé litiny
Cenová efektivnost a výkon šedé litiny v aplikacích, kde dominuje komprese, z ní činí oblíbený materiál:
- Bloky motoru a hlavy válců
- Brzdové kotouče a bubny
- Lože a základny obráběcích strojů
- Převodovky a skříně
- Čerpadla a ventily
4. Co je tvárná litina?
Tvárná litina, také známý jako tvárná litina nebo železo s kuličkovým grafitem (SGI), je druh litiny, která nabízí výrazně vylepšené mechanické vlastnosti než šedá litina – zejména pokud jde o tažnost, pevnost v tahu, a Odolnost vůči dopadu.
Klíčový rozdíl spočívá v tvar grafitu v mikrostruktuře kovu. V tvárné litině, grafit tvoří jako kulovité uzliny, spíše než vločky jako ze šedé litiny.
Tato kulatá morfologie minimalizuje koncentraci napětí, umožňující tvárné litině natahovat se nebo deformovat bez lámání – odtud název „tvárná“.
Mikrostruktura
- Nodulární grafit: Sférické částice (5– průměr 20 μm) které minimalizují koncentraci stresu, umožňující plastickou deformaci.
- Matice: Přizpůsobeno pomocí tepelného zpracování – feritické (Dukes), perlitické (silný), nebo bainitické (vysoká pevnost a houževnatost).
Stupně a standardy
ASTM A536 – Standardní specifikace pro odlitky z tvárné litiny
- 60-40-18 → 60 ksi tažný, 40 ksi výnos, 18% prodloužení
- 80-55-06 → Vyšší pevnost, střední tažnost
- 100-70-03 → Velmi vysoká pevnost, nízká tažnost
ISO 1083 – Mezinárodní označení pro železo s kuličkovým grafitem
- EN-GJS-400-15 (podobně jako ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (podobně jako ASTM 100-70-03)
Klíčové vlastnosti:
- Mnohem vyšší pevnost a tažnost
- Větší odolnost proti nárazu
- Lepší odolnost proti únavě, ideální pro cyklické zatížení
- Zachovává si určitou tlumicí kapacitu, i když méně než šedé železo
Běžné aplikace tvárné litiny
Díky svým výkonnostním vlastnostem, tvárná litina je široce používána v:
- Automobilové komponenty: klikové hřídele, ovládací ramena, skříně náprav
- Komunální vodovody a systémy odpadních vod: trubky a tvarovky z tvárné litiny
- Těžká technika: rychlostní stupně, spojky, závorky, Strukturální části
- Energetický sektor: Huby větrné turbíny, Hydraulické systémy
- Železniční a důlní zařízení: traťové díly, ložiska
5. Srovnání chemického složení
Obě slitiny jsou primárně složeny ze železa (Fe), stejně jako uhlík (C) a křemík (A), ale rozlišují je jemné rozdíly a přísady:
| Živel | Šedé železo (%) | Tažné železo (%) | Poznámky |
| Uhlík (C) | 2.5 - 4.0 | 3.0 - 4.0 | Vyšší uhlík podporuje tvorbu grafitu |
| Křemík (A) | 1.8 - 3.5 | 1.8 - 3.0 | Křemík zlepšuje tekutost a grafitizaci |
| Mangan (Mn) | 0.2 - 1.0 | 0.1 - 0.5 | Kontroluje sílu a působí proti síře |
| Síra (S) | 0.02 - 0.12 | 0.005 - 0.03 | Nízký obsah síry potřebný v tvárné litině pro tvorbu uzlů |
| Fosfor (Str) | 0.1 - 0.2 | 0.02 - 0.05 | Obvykle se udržuje nízká kvůli tažnosti |
| Hořčík (Mg) | - | 0.03 - 0.06 | Přidáno do tvárné litiny pro vytvoření nodulárního grafitu |
| Nikl (V), Měď (Cu), Chromium (Cr) | Stopové množství, se může lišit | Může být přidán pro odolnost proti korozi nebo pevnost |
6. Porovnání fyzikálních vlastností šedé litiny a tvárné litiny
| Vlastnictví | Šedé železo | Tažné železo | Poznámky |
| Hustota | ~6,9 – 7.3 g/cm³ | ~7,0 – 7.3 g/cm³ | Velmi podobné hustoty, mírně vyšší u tvárné litiny v důsledku legování |
| Bod tání | 1140 - 1300 ° C. | 1140 - 1300 ° C. | Oba mají srovnatelné rozsahy tání |
| Tepelná vodivost | 35 - 55 W/m · k | 30 - 45 W/m · k | Šedá litina obecně lépe vede teplo |
| Koeficient tepelné roztažnosti | 10 - 12 x10⁻⁶ /°C | 11 - 13 x10⁻⁶ /°C | Tvárná litina má mírně vyšší roztažnost |
| Modul elasticity (Youngův modul) | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Tvárná litina je výrazně tužší |
| Poissonův poměr | 0.25 - 0.28 | 0.27 - 0.30 | Zavřít hodnoty, u tvárné litiny o něco vyšší |
| Specifická tepelná kapacita | ~460 J/kg·K | ~460 J/kg·K | Téměř totožné |
| Tvrdost (Brinell) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Tvárná litina bývá tvrdší |
| Magnetická propustnost | Feromagnetické | Feromagnetické | Oba jsou feromagnetické materiály |
7. Srovnání mechanických vlastností šedé litiny a tvárné litiny
| Mechanická vlastnost | Šedé železo | Tažné železo | Poznámky |
| Pevnost v tahu | 170 - 370 MPA | 350 - 700 MPA | Tvárná litina má výrazně vyšší pevnost v tahu |
| Výnosová síla | 90 - 250 MPA | 250 - 450 MPA | Tvárná litina vykazuje vyšší mez kluzu |
| Prodloužení (Tažnost) | 0.5 - 3% | 10 - 18% | Tvárná litina je daleko tažnější, umožňující lepší deformaci před zlomením |
| Síla dopadu | Nízký (špatná odolnost proti nárazu) | Vysoký (dobrá rázová houževnatost) | Tvárná litina mnohem lépe odolává rázovému zatížení |
| Modul elasticity | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Tvárná litina je při elastické deformaci tužší a pevnější |
| Tvrdost (Brinell) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Mírně vyšší tvrdost u tvárné litiny |
| Únava | Nižší odolnost proti únavě | Vyšší odolnost proti únavě | Struktura nodulárního grafitu z tvárné litiny zlepšuje únavovou životnost |
| Síla tlaku | Vysoký (~700 MPa) | Vysoký (~600 – 900 MPA) | Oba mají dobrou pevnost v tlaku; šedá litina má tendenci vynikat |
8. Výroba a lití
Šedá i tvárná litina se vyrábí za použití zavedených metod odlévání, ale jejich zpracování se liší v důsledku jejich odlišné mikrostruktury a mechanických požadavků.
Výroba šedé litiny:
- Tavení a legování: Šedá litina se typicky taví v kuplových pecích nebo elektrických indukčních pecích. Základní složení obsahuje železo, uhlík (většinou jako grafit), a křemík.
Legující prvky jako mangan, síra, a fosfor jsou řízeny pro optimalizaci slévatelnosti a tvorby grafitu. - Metody lití: Nejběžnějším procesem je lití písku, oblíbené pro svou flexibilitu a hospodárnost, zejména pro složité nebo velké součásti, jako jsou bloky motorů, strojové základny, a brzdové bubny.
- Tuhnutí: Grafit se během chlazení tvoří v železné matrici jako vločky, poskytuje vynikající tlumení vibrací, ale vede ke křehkosti.
- Machinability: Vločková grafitová struktura šedé litiny působí během obrábění jako mazivo, což usnadňuje obrábění než tvárná litina.
Výroba tvárné litiny:
- Tavení a zpracování: Tvárná litina začíná z podobných surovin, taví se v indukčních nebo elektrických obloukových pecích.
Klíčový rozdíl spočívá v nodulizační léčba— přidání hořčíku nebo ceru do roztaveného železa pro přeměnu grafitových vloček na kulovité noduly. - Metody lití: Tvárná litina se často odlévá pomocí lití písku nebo Investiční obsazení pro přesné díly.
Řízené rychlosti chlazení a úpravy složení zajišťují tvorbu nodulárního grafitu a mechanické vlastnosti. - Kontrola mikrostruktury: Sférický grafit snižuje koncentraci napětí a zvyšuje tažnost a houževnatost.
- Tepelné zpracování: Tvárnou litinu lze tepelně zpracovat (žíhané, normalizovaný, nebo austpered) Zvýšení mechanických vlastností, včetně pevnosti v tahu a odolnosti proti únavě.
- Machinability: O něco náročnější na obrábění díky vyšší pevnosti a houževnatosti ve srovnání s šedou litinou, ale stále dobrá obrobitelnost při použití vhodných nástrojů.
9. Odolnost proti korozi a trvanlivost
Odolnost proti korozi a dlouhodobá životnost jsou kritickými faktory při výběru mezi šedou a tvárnou litinou, zejména pro aplikace vystavené drsnému prostředí.
Šedé železo:
- Korozní chování: Šedá litina je středně odolná vůči korozi v suchém prostředí, ale při vystavení vlhkosti je náchylná k rezivění, zejména v přítomnosti solí nebo kyselých podmínek.
Grafitové vločky mohou vytvářet mikrogalvanické články s železnou matricí, urychlující lokalizovanou korozi. - Ochrana povrchu: Pro zvýšení trvanlivosti, součásti ze šedé litiny často dostávají ochranné povlaky, jako je nátěr, práškový povlak, nebo pozinkování.
V některých případech, pro agresivní prostředí se používají speciální korozivzdorné slitiny nebo obložení. - Trvanlivost: Zatímco šedá litina má vynikající odolnost proti opotřebení, koroze může snížit životnost součástí ve venkovních nebo mokrých aplikacích bez odpovídající ochrany.
Tažné železo:
- Vylepšená odolnost proti korozi: Struktura kulovitého grafitu v tvárné litině snižuje koncentrace napětí a vytváří jednotnější matrici, která má tendenci zlepšit odolnost proti korozi ve srovnání s šedou litinou.
- Vylepšená ošetření povrchu: Součásti z tvárné litiny běžně využívají ochranné povlaky, jako je epoxidová výstelka, zinkové povlaky, nebo polyuretanové barvy, zejména pro použití ve vodovodních a odpadních potrubních systémech.
- Katodická ochrana: V podzemních nebo ponořených aplikacích, Trubky z tvárné litiny často obsahují systémy katodové ochrany pro zmírnění koroze.
- Odolnost v drsných podmínkách: Díky své vyšší houževnatosti a tažnosti, tvárná litina odolává mechanickému namáhání při korozních procesech lépe než šedá litina, přispívá k delší životnosti při cyklickém zatížení a korozivním prostředí.
10. Srovnání nákladů
- Suroviny: Šedá litina stojí 1–3 USD/kg; tvárná litina stojí 1,5–4,5 USD/kg (30-50% vyšší) díky Mg/Ce nodulizátorům.
- Zpracování: Šedá litina nevyžaduje žádnou dodatečnou úpravu; tvárná litina může vyžadovat žíhání ($0.2– 0,5 USD/kg navíc).
- Náklady na životní cyklus: Tvárná litina často nabízí nižší dlouhodobé náklady ve vysoce namáhaných aplikacích (NAPŘ., potrubí: 50-roční životnost vs. 30 let pro šedou litinu).
11. Klíčové rozdíly mezi šedou litinou a tvárnou litinou
Pochopení základních rozdílů mezi šedou a tvárnou litinou je zásadní pro výběr vhodného materiálu na základě požadavků aplikace.
| Funkce | Šedé železo | Tažné železo |
| Morfologie grafitu | Šupinaté grafitové vločky | Sféroidní (nodulární) grafit |
| Pevnost v tahu | ~150–400 MPa | ~400–700 MPa |
| Prodloužení | 1–3% | Až do 18% |
| Síla tlaku | Vysoký | Mírné až vysoké |
| Odolnost vůči dopadu | Nízký (křehký) | Vysoký (Dukes) |
| Tlumení vibrací | Vynikající | Dobré, ale méně než šedá litina |
| Machinability | Snadný (grafit působí jako mazivo) | Obtížnější (tuhá matrice) |
| Castiability | Vynikající, méně závad | Dobrý, vyžaduje ovládání nodulizátoru |
| Tendence ke smršťování | Nízký | Mírně vyšší |
| Náklady | Spodní | Vyšší díky legování a kontrole |
| Typické aplikace | Bloky motoru, strojové základny | Trubky, automobilové díly, Strukturální komponenty |
12. Výběr mezi šedou a tvárnou litinou
- Upřednostněte tlumení/ovládání vibrací: Šedé železo (NAPŘ., bloky motoru, soustruh lůžek).
- Potřeba pevnosti/tažnosti: Tvárná litina (NAPŘ., klikové hřídele, potrubí).
- Cenově citlivý, Nízkostresové aplikace: Šedé železo (NAPŘ., poklopy šachet).
- Dynamické zatížení/riziko nárazu: Tvárná litina (NAPŘ., komponenty zavěšení).
13. Závěr
Šedá litina vs. tvárná litina, oba druhy litiny, plnit odlišné role: šedá litina vyniká nízkou cenou, tlumené vibracemi, a aplikace s tlakovým zatížením, zatímco tvárná litina dominuje vysokému namáhání, dynamický, a scénáře náchylné k dopadům.
Jejich rozdíly, má kořeny v morfologii grafitu, učinit je nenahraditelnými v moderním strojírenství, zajištění jejich trvalého významu v automobilovém průmyslu, infrastruktura, a strojní zařízení.
Časté časté
Je tvárná litina pevnější než ocel?
Ano – tvárná litina může konkurovat nízko až středně uhlíkovým ocelím (~400–600 MPa), i když je méně tažný.
Lze šedou litinu tepelně zpracovat?
Ne – zachovává si křehkost v důsledku grafitových vloček a nezlepšuje se tepelným zpracováním.
Proč používat šedou litinu na bloky motorů?
Jeho vynikající tlumení vibrací, Tepelná stabilita, a nízká cena je ideální pro součásti motoru.
Jak dlouho vydrží trubky z tvárné litiny?
Se správným nátěrem a instalací, často dosahují 50–100+ let služby.
Oba typy jsou recyklovatelné?
Ano, oba jsou 95% recyklovatelné, s recyklovanou šedou/tvárnou litinou 90% původních vlastností.
