1. Introduction
Fer gris contre fer à fonte ductile sont deux des types de fonte les plus utilisés, chacun offrant des propriétés et des avantages uniques qui les rendent indispensables dans un large éventail d'industries.
En tant que membres de la famille en fonte - iron-carbone-alliage-alliages formé par la coulée du métal fondu en moules - les matériaux sont évalués pour leur résistance, usinabilité, coulée, et la rentabilité.
2. Qu'est-ce que la fonte?
Fonte est un groupe d'alliages de carbone en fer avec une teneur en carbone généralement supérieure à 2%.
Il est produit en faisant fondre le fer à porc - généralement dérivé du minerai de fer - dans un four et versant le métal fondu dans des moules pour former les formes souhaitées.
Le résultat est un dur, fragile, et un matériau fort qui offre une excellente coulée et un large éventail de propriétés mécaniques en fonction de sa formulation et de son traitement spécifiques.
Composition générale
La composition de base de la fonte comprend:
- Fer (Fe) - l'élément principal
- Carbone (C) - 2,0–4,0%, Promouvoir la coulée et influencer la dureté et la fragilité
- Silicium (Et) - 1,0 à 3,0%, qui favorise la formation de graphite pendant la solidification
- Tracer des quantités de manganèse (Mn), soufre (S), et phosphore (P.) peut également être présent
Caractéristiques clés de la fonte:
- Excellente coulabilité: Coule bien dans les moules complexes, Le rendre idéal pour les formes complexes
- Bonne machinabilité: Surtout dans certaines grades comme le fer gris
- Résistance à la compression élevée: Le rend adapté aux charges de palier dans des applications structurelles
- Amortissement des vibrations supérieures: Réduit le bruit et le mouvement dans les machines et l'équipement
- Rentable: Peu coûteux à produire en grande quantité
Types communs de fonte:
| Type de fonte | Forme de graphite | Propriétés clés | Applications typiques |
| Fer gris | Flocons de graphite | Excellent amortissement des vibrations, bonne usinabilité, résistance à la compression élevée, fragile | Blocs de moteur, rotors de freinage, bases de machines, boîtiers de pompage |
| Fonte Ductile | Sphéroïdal (nodulaire) graphite | Haute résistance à la traction, bonne ductilité, résistance à la fatigue | Tuyaux, vilebrequins, armes de suspension, centres d'éoliennes |
| Fonte des blancs | Cémentite (Pas de graphite gratuit) | Extrêmement dur et résistant à l'usure, très fragile | Revêtements d'usine, Plaques de portage, Pièces de pompe à suspension |
| Fer malléable | Temper des nodules de carbone | Résistance et ductilité modérées, résistant aux chocs, machinable | Raccords de tuyauterie, parenthèses, petites pièces moulées avec une géométrie complexe |
3. Qu'est-ce que le fer gris?
Fer gris, également connu sous le nom fonte grise, est le type de fonte le plus couramment utilisé. Il porte le nom de la couleur grise de sa surface de fracture, qui est dû à la présence de flocons de graphite dans sa microstructure.
Ces flocons de graphite créent une discontinuité dans la matrice de fer, Donner au fer gris son apparence caractéristique et ses propriétés mécaniques.
Microstructure
La caractéristique déterminante du fer gris est son Structure de graphite en flocons intégré dans une matrice de ferrite, perlite, ou une combinaison des deux.
Ces flocons se forment pendant la solidification et sont responsables des matériaux:
- Excellent amortissement des vibrations
- Bien conductivité thermique
- Haut résistance à la compression
Cependant, Les arêtes vives des flocons agissent comme concentrateurs de stress, qui réduisent considérablement la résistance à la traction et rendre le matériel fragile sous tension ou impact.
Grades et normes
Le fer gris est classé par résistance à la traction, souvent désigné en utilisant des normes comme ASTM A48. Les exemples incluent:
- Classe 20 (CL20): Faible résistance, excellente usinabilité
- Classe 30 (CL30): Utilisation générale
- Classe 40 (CL40): Résistance plus élevée, Convient aux pièces porteuses
Des nombres de classe plus élevés indiquent une résistance à la traction plus élevée, généralement obtenu en ajustant les taux de refroidissement ou le contenu en alliage.
Propriétés clés:
- Résistance à la compression élevée
- Excellente capacité d'amortissement
- Mauvaise ductilité et résistance à l'impact
Applications typiques du fer gris
La rentabilité et les performances de Grey Iron dans les applications dominées par la compression en font un matériau incontournable pour:
- Blocs de moteur et culasses
- Disques de freinage et tambours
- Lits et bases de machines-outils
- Boîtes de vitesses et boîtiers
- Pompes et vannes
4. Qu'est-ce que le fer ductile?
Fer à fonte ductile, également connu sous le nom fonte nodulaire ou fer à graphite sphéroïdal (SGI), est un type de fonte qui offre des propriétés mécaniques considérablement améliorées sur le fer gris, en particulier en termes de ductilité, résistance à la traction, et résistance aux chocs.
La distinction clé réside dans le forme du graphite dans la microstructure du métal. En fer ductile, Formulaires de graphite comme nodules sphériques, plutôt que des flocons comme dans le fer gris.
Cette morphologie ronde minimise la concentration de stress, Permettre au fer ductile de s'étirer ou de se déformer sans fracturation - d'où le nom «ductile».
Microstructure
- Graphite nodulaire: Particules sphériques (5–20 μm de diamètre) qui minimisent la concentration de stress, Permettre la déformation plastique.
- Matrice: Sur mesure par traitement thermique - ferritique (ductile), perlitique (fort), ou bainitique (Haute résistance et ténacité).
Grades et normes
ASTM A536 - Spécification standard pour les pièces moulées en fer ductile
- 60-40-18 → 60 Traction, 40 rendement ksi, 18% élongation
- 80-55-06 → Force plus élevée, ductilité modérée
- 100-70-03 → Très haute résistance, faible ductilité
OIN 1083 - Désignation internationale pour le graphite sphéroïdal Iron
- EN-GJS-400-15 (Similaire à ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (Similaire à ASTM 100-70-03)
Propriétés clés:
- Résistance et ductilité beaucoup plus élevées
- Résistance à l'impact supérieure
- Meilleure résistance à la fatigue, Idéal pour le chargement cyclique
- Conserve une certaine capacité d'amortissement, bien que moins que le fer gris
Applications communes du fer ductile
Merci à ses caractéristiques de performance, Le fer ductile est largement utilisé dans:
- Composants automobiles: vilebrequins, armes de contrôle, boîtiers d'essieu
- Systèmes municipaux d'eau et d'eaux usées: tuyaux et raccords ductile
- Matériel lourd: engrenages, accouplements, parenthèses, pièces structurelles
- Secteur de l'énergie: centres d'éoliennes, systèmes hydrauliques
- Équipement de chemin de fer et d'exploitation: suivre les pièces, roulements
5. Comparaison de la composition chimique
Les deux alliages sont principalement composés de fer (Fe), ainsi que le carbone (C) et du silicium (Et), Mais des différences et des additifs subtiles les distinguent:
| Élément | Fer gris (%) | Fonte Ductile (%) | Remarques |
| Carbone (C) | 2.5 – 4.0 | 3.0 – 4.0 | Le carbone plus élevé favorise la formation de graphite |
| Silicium (Et) | 1.8 – 3.5 | 1.8 – 3.0 | Le silicium améliore la fluidité et le graphitisation |
| Manganèse (Mn) | 0.2 – 1.0 | 0.1 – 0.5 | Contrôle la force et contrecarre le soufre |
| Soufre (S) | 0.02 – 0.12 | 0.005 – 0.03 | Faible soufre nécessaire dans le fer ductile pour la formation des nodules |
| Phosphore (P.) | 0.1 – 0.2 | 0.02 – 0.05 | Généralement maintenu bas pour la ductilité |
| Magnésium (Mg) | - | 0.03 – 0.06 | Ajouté en fer ductile pour créer du graphite nodulaire |
| Nickel (Dans), Cuivre (Cu), Chrome (Cr) | Traces, peut varier | Peut être ajouté pour la résistance ou la résistance à la corrosion |
6. Comparaison des propriétés physiques du fer gris vs fer ductile
| Propriété | Fer gris | Fonte Ductile | Remarques |
| Densité | ~ 6.9 - 7.3 g/cm³ | ~ 7.0 - 7.3 g/cm³ | Densités très similaires, légèrement plus élevé pour le fer ductile en raison de l'alliage |
| Point de fusion | 1140 – 1300 °C | 1140 – 1300 °C | Les deux ont des gammes de fusion comparables |
| Conductivité thermique | 35 – 55 W/m·K | 30 – 45 W/m·K | Le fer gris conduit généralement la chaleur |
| Coefficient de dilatation thermique | 10 – 12 X10⁻⁶ / ° C. | 11 – 13 X10⁻⁶ / ° C. | Le fer ductile a une expansion légèrement plus élevée |
| Module d'élasticité (Module de Young) | 100 – 170 GPa | 160 – 210 GPa | Le fer ductile est significativement plus rigide |
| Le rapport de Poisson | 0.25 – 0.28 | 0.27 – 0.30 | Valeurs fermées, avec du fer ductile légèrement plus élevé |
| Capacité thermique spécifique | ~ 460 J / kg · k | ~ 460 J / kg · k | Presque identique |
| Dureté (Brinell) | 140 – 300 HB | 170 – 340 HB | Le fer ductile a tendance à être plus difficile |
| Perméabilité magnétique | Ferromagnétique | Ferromagnétique | Les deux sont des matériaux ferromagnétiques |
7. Comparaison des propriétés mécaniques du fer gris vs fer ductile
| Propriété mécanique | Fer gris | Fonte Ductile | Remarques |
| Résistance à la traction | 170 – 370 MPa | 350 – 700 MPa | Le fer ductile a une résistance à la traction nettement plus élevée |
| Limite d'élasticité | 90 – 250 MPa | 250 – 450 MPa | Le fer ductile présente une plus grande limite d'élasticité |
| Élongation (Ductilité) | 0.5 – 3% | 10 – 18% | Le fer ductile est beaucoup plus ductile, permettant une meilleure déformation avant la fracture |
| Résistance aux chocs | Faible (Mauvaise résistance à l'impact) | Haut (Bonne ténacité à impact) | Le fer ductile résiste beaucoup mieux aux charges de choc |
| Module d'élasticité | 100 – 170 GPa | 160 – 210 GPa | Le fer ductile est plus rigide et plus fort sous déformation élastique |
| Dureté (Brinell) | 140 – 300 HB | 170 – 340 HB | Dureté légèrement plus élevée dans le fer ductile |
| Résistance à la fatigue | Résistance à la fatigue plus faible | Résistance à la fatigue plus élevée | La structure du graphite nodulaire du fer ductile améliore la vie de la fatigue |
| Résistance à la compression | Haut (~ 700 MPa) | Haut (~ 600 - 900 MPa) | Les deux ont une bonne résistance à la compression; Le fer gris a tendance à exceller |
8. Fabrication et moulage
Le fer gris et le fer ductile sont produits en utilisant des méthodes de coulée établies, Mais leur traitement diffère en raison de leurs microstructures et exigences mécaniques distinctes.
Fabrication de fer gris:
- Merdeuse et alliage: Le fer gris est généralement fondu dans des fours de coupole ou des fours à induction électrique. La composition de base comprend le fer, carbone (principalement en tant que graphite), et du silicium.
Éléments d'alliage tels que le manganèse, soufre, et le phosphore sont contrôlés pour optimiser la Castabilité et la formation de graphite. - Méthodes de coulée: Le processus le plus courant est moulage au sable, favorisé pour sa flexibilité et sa rentabilité, Surtout pour les composants complexes ou grands comme les blocs moteurs, bases de machines, et les fines de frein.
- Solidification: Le graphite se forme comme des flocons dans la matrice de fer pendant le refroidissement, offrant un excellent amortissement des vibrations mais conduisant à la fragilité.
- Usinabilité: La structure du graphite de flocons de fer gris agit comme un lubrifiant pendant l'usinage, ce qui facilite la machine que le fer ductile.
Fabrication du fer ductile:
- Mélange et traitement: Le fer ductile commence à partir de matières premières similaires, Fournis en induction ou à l'arc électrique.
La principale différence réside dans Traitement nodulisant—Adding de magnésium ou de cérium au fer fondu pour transformer les flocons de graphite en nodules sphériques. - Méthodes de coulée: Le fer ductile est souvent jeté en utilisant moulage au sable ou moulage de précision pour les pièces de précision.
Les taux de refroidissement contrôlés et les ajustements de composition assurent la formation nodulaire de graphite et les propriétés mécaniques. - Contrôle des microstructures: Le graphite sphérique réduit les concentrations de contraintes et augmente la ductilité et la ténacité.
- Traitement thermique: Le fer ductile peut être traité à la chaleur (recuit, normalisé, ou Austerred) pour améliorer les propriétés mécaniques, y compris la résistance à la traction et la résistance à la fatigue.
- Usinabilité: Un peu plus difficile pour la machine en raison de sa résistance et de sa ténacité plus élevées par rapport au fer gris, mais toujours une bonne machinabilité lors de l'utilisation d'outils appropriés.
9. Résistance à la corrosion et durabilité
La résistance à la corrosion et la durabilité à long terme sont des facteurs critiques lors de la sélection entre le fer gris et le fer ductile, Surtout pour les applications exposées à des environnements difficiles.
Fer gris:
- Comportement de corrosion: Le fer gris est modérément résistant à la corrosion dans les environnements secs mais est susceptible de rouiller lorsqu'il est exposé à l'humidité, surtout en présence de sels ou de conditions acides.
Les flocons de graphite peuvent créer des cellules micro-galvaniques avec la matrice de fer, accélérer la corrosion localisée. - Protection de la surface: Pour améliorer la durabilité, Les composants en fer gris reçoivent souvent des revêtements de protection tels que la peinture, revêtement en poudre, ou galvaniser.
Dans certains cas, Des alliages ou des doublures spécialisés résistants à la corrosion sont appliqués à des environnements agressifs. - Durabilité: Alors que le fer gris a une excellente résistance à l'usure, La corrosion peut réduire la durée de vie des composants dans les applications extérieures ou humides sans protection adéquate.
Fonte Ductile:
- Amélioration de la résistance à la corrosion: La structure du graphite sphéroïdal dans le fer ductile réduit les concentrations de contraintes et crée une matrice plus uniforme, qui a tendance à améliorer la résistance à la corrosion par rapport au fer gris.
- Traitements de surface améliorés: Les composants du fer ductile utilisent généralement des revêtements de protection tels que la doublure époxy, revêtements de zinc, ou peintures en polyuréthane, Surtout pour une utilisation dans les systèmes de tuyauterie d'eau et d'eaux usées.
- Protection cathodique: Dans des applications souterraines ou submergées, Les tuyaux en fer ductile incorporent souvent des systèmes de protection cathodique pour atténuer la corrosion.
- Durabilité dans des conditions difficiles: Grâce à sa ténacité et sa ductilité plus élevées, Le fer ductile résiste mieux aux contraintes mécaniques pendant les processus de corrosion que le fer gris, contribuant à une durée de vie plus longue dans le chargement cyclique et les environnements corrosifs.
10. Comparaison des coûts
- Matières premières: Le fer gris coûte 1 à 3 $ / kg; Le fer ductile coûte 1,5 $ à 4,5 $ / kg (30–50% plus élevé) En raison de nodulisers MG / CE.
- Traitement: Le fer gris ne nécessite aucun post-traitement; Le fer ductile peut avoir besoin de recuit ($0.2- 0,5 $ / kg supplémentaire).
- Coût du cycle de vie: Le fer ductile offre souvent des coûts à long terme inférieurs dans les applications à stress élevé (par ex., tuyaux: 50-durée de vie de l'année vs. 30 ans pour le fer gris).
11. Différences clés entre le fer gris vs fer ductile
Comprendre les distinctions fondamentales entre le fer gris et le fer ductile est crucial pour sélectionner le matériau approprié en fonction des exigences d'application.
| Fonctionnalité | Fer gris | Fonte Ductile |
| Morphologie du graphite | Flocons de graphite feuilleté | Sphéroïdal (nodulaire) graphite |
| Résistance à la traction | ~ 150–400 MPa | ~ 400–700 MPa |
| Élongation | 1–3% | Jusqu'à 18% |
| Résistance à la compression | Haut | Modéré à élevé |
| Résistance aux chocs | Faible (fragile) | Haut (ductile) |
| Amortissement des vibrations | Excellent | Bon mais moins que le fer gris |
| Usinabilité | Facile (Le graphite agit comme un lubrifiant) | Plus difficile (matrice difficile) |
| Castabilité | Excellent, Moins de défauts | Bien, Nécessite le contrôle de nodulizer |
| Tendance | Faible | Légèrement plus élevé |
| Coût | Inférieur | Plus élevé en raison de l'alliage et du contrôle |
| Applications typiques | Blocs de moteur, bases de machines | Tuyaux, pièces automobiles, composants structurels |
12. Choisir entre le fer gris et lectile
- Prioriser l'amortissement / contrôle des vibrations: Fer gris (par ex., blocs moteurs, lits de tour).
- Besoin de force / ductilité: Fer à fonte ductile (par ex., vilebrequins, tuyaux).
- Sensible au coût, Applications à faible stress: Fer gris (par ex., couvercles de regards).
- Charges dynamiques / risque d'impact: Fer à fonte ductile (par ex., composants de suspension).
13. Conclusion
Fer gris vs fer ductile, Les deux types de fonte, jouer des rôles distincts: Le fer gris excelle à faible coût, vibration, et applications à charge de compression, tandis que le fer ductile domine le stress élevé, dynamique, et scénarios sujets à l'impact.
Leurs différences, Enraciné dans la morphologie du graphite, les rendre irremplaçables dans l'ingénierie moderne, assurer leur pertinence continue dans l'automobile, infrastructure, et machines.
FAQ
Le fer ductile est-il plus fort que l'acier?
OUI - Le fer ductile peut rivaliser avec les aciers à carbone faible à moyen (~ 400–600 MPa), Bien que ce soit moins ductile.
Le fer gris peut-il être traité à la chaleur?
Non - il conserve la fragilité due aux flocons de graphite et ne s'améliore pas via un traitement thermique.
Pourquoi utiliser du fer gris pour les blocs moteurs?
Son excellent amortissement de vibration, stabilité thermique, et le faible coût le rend idéal pour les composants du moteur.
Combien de temps durent des tuyaux en fer ductile?
Avec un revêtement et une installation appropriés, Ils atteignent souvent 50 à 100 ans et années de service.
Sont les deux types recyclables?
Oui, les deux sont 95% recyclable, avec retenue de fer gris / ductile recyclé 90% des propriétés d'origine.
