1. Uvod
Sivo željezo vs duktilno željezo dvije su najčešće korištene vrste lijevanog željeza, svaki nudi jedinstvena svojstva i prednosti koje ih čine nezamjenjivima u širokom rasponu industrija.
Kao članovi obitelji lijevanog željeza - legure željezo-ugljik-silicij nastale lijevanjem rastaljenog metala u kalupe - oba materijala cijenjena su zbog svoje čvrstoće, obradivost, odljenost, i isplativost.
2. Što je lijevano željezo?
Lijevano željezo je skupina legura željeza i ugljika s udjelom ugljika obično većim od 2%.
Proizvodi se topljenjem sirovog željeza—obično dobivenog iz željezne rude—u peći i izlijevanjem rastaljenog metala u kalupe kako bi se oblikovali željeni oblici.
Rezultat je težak, krhki, i jak materijal koji nudi izvrsnu sposobnost lijevanja i širok raspon mehaničkih svojstava ovisno o specifičnoj formulaciji i obradi.
Opći sastav
Osnovni sastav lijevanog željeza uključuje:
- Željezo (FE) – primarni element
- Ugljik (C) – 2,0–4,0%, promicanje livljivosti i utjecaj na tvrdoću i lomljivost
- Silicij (I) – 1,0–3,0%, koji pospješuje stvaranje grafita tijekom skrućivanja
- Iznosi traga od mangan (MN), sumpor (S), i fosfor (P) također može biti prisutan
Ključne karakteristike lijevanog željeza:
- Izvrsna odljevanost: Dobro se ulijeva u složene kalupe, što ga čini idealnim za zamršene oblike
- Dobra obradivost: Osobito u određenim vrstama poput sivog željeza
- Visoka tlačna čvrstoća: Čini ga prikladnim za nošenje opterećenja u konstrukcijskim primjenama
- Vrhunsko prigušivanje vibracija: Smanjuje buku i kretanje u strojevima i opremi
- Isplativ: Jeftin za proizvodnju u velikim količinama
Uobičajene vrste lijevanog željeza:
| Vrsta lijevanog željeza | Grafitni oblik | Ključna svojstva | Tipične primjene |
| Sivo željezo | Grafitne ljuskice | Izvrsno prigušivanje vibracija, Dobra obradivost, visoka tlačna čvrstoća, krhki | Blokovi motora, kočni rotori, baze stroja, Kućiva pumpe |
| Duktilno željezo | Sferoidna (nodularni) grafit | Visoka vlačna čvrstoća, dobra duktilnost, otpornost na umor | Cijevi, radilice, oružje za ovjes, čvorišta vjetroturbina |
| Bijelo željezo | Cementit (nema slobodnog grafita) | Izuzetno tvrda i otporna na habanje, vrlo krhak | Obloge mlina, nositi tanjure, dijelovi pumpe za gnojnicu |
| Kovno željezo | Temper carbon nodules | Umjerena čvrstoća i duktilnost, otporan na utjecaj, obradivi | Priključci za cijevi, zagrada, mali odljevci složene geometrije |
3. Što je sivo željezo?
Sivo željezo, Poznat i kao sivo lijevano željezo, je najčešće korištena vrsta lijevanog željeza. Ime je dobio po sivoj boji površine prijeloma, što je zbog prisutnosti grafitne ljuskice u svojoj mikrostrukturi.
Ove grafitne ljuskice stvaraju diskontinuitet u matrici željeza, dajući sivom livu karakterističan izgled i mehanička svojstva.
Mikrostruktura
Definirajuća značajka sivog željeza je njegova pahuljičasta grafitna struktura ugrađen u matricu od ferit, biserni, ili kombinacija oba.
Ove pahuljice nastaju tijekom skrućivanja i odgovorne su za materijal:
- Izvrstan prigušivanje vibracija
- Dobro toplinska vodljivost
- Visok čvrstoća na pritisak
Međutim, oštri rubovi pahuljica djeluju kao koncentratori stresa, koji značajno smanjuju vlačnu čvrstoću i učiniti materijal lomljivim pod napetošću ili udarom.
Ocjene i standardi
Sivo željezo je klasificirano prema zatečna čvrstoća, često se označava korištenjem standarda poput ASTM A48. Primjeri uključuju:
- Klasa 20 (CL20): Mala čvrstoća, izvrsna obradivost
- Klasa 30 (CL30): Općenamjenska uporaba
- Klasa 40 (CL40): Veća čvrstoća, pogodan za nosive dijelove
Veći brojevi klase označavaju veću vlačnu čvrstoću, obično se postiže podešavanjem brzina hlađenja ili sadržaja legure.
Ključna svojstva:
- Visoka čvrstoća na pritisak
- Izvrsna sposobnost prigušivanja
- Slaba duktilnost i otpornost na udarce
Tipične primjene sivog lijeva
Isplativost i izvedba sivog željeza u primjenama u kojima dominira kompresija čine ga glavnim materijalom za:
- Blokovi motora i glave cilindra
- Kočioni diskovi i bubnjevi
- Kreveti i baze alatnih strojeva
- Mjenjači i kućišta
- Pumpe i ventili
4. Što je duktilno željezo?
Duktilno željezo, Poznat i kao nodularno lijevano željezo ili sferoidno grafitno željezo (SGI), je vrsta lijevanog željeza koja nudi značajno poboljšana mehanička svojstva u odnosu na sivo željezo—posebno u pogledu duktilnost, zatečna čvrstoća, i otpor udara.
Ključna razlika leži u oblik grafita unutar mikrostrukture metala. U nodularnom livu, grafit tvori kao sferne kvržice, a ne ljuskice kao kod sivog željeza.
Ova okrugla morfologija minimizira koncentraciju stresa, dopuštajući nodularnom željezu da se isteže ili deformira bez loma - otuda naziv "duktilan".
Mikrostruktura
- Nodularni grafit: Kuglaste čestice (5–20 μm promjera) koji smanjuju koncentraciju stresa, dopuštajući plastičnu deformaciju.
- Matrica: Prilagođeno toplinskom obradom—feritno (Vojvode), biserni (snažna), ili bainitic (visoka čvrstoća i žilavost).
Ocjene i standardi
ASTM A536 – Standardna specifikacija za odljevke od nodularnog željeza
- 60-40-18 → 60 ksi vlačna, 40 ksi prinos, 18% produženje
- 80-55-06 → Veća čvrstoća, umjerena duktilnost
- 100-70-03 → Vrlo visoka čvrstoća, niska duktilnost
ISO 1083 – Međunarodna oznaka za željezo s kuglastim grafitom
- EN-GJS-400-15 (slično ASTM-u 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (slično ASTM-u 100-70-03)
Ključna svojstva:
- Mnogo veća čvrstoća i duktilnost
- Veća otpornost na udarce
- Bolja otpornost na umor, idealno za cikličko opterećenje
- Zadržava određenu sposobnost prigušenja, iako manje od sivog željeza
Uobičajene primjene nodularnog lijeva
Zahvaljujući svojim radnim karakteristikama, nodularno željezo ima široku primjenu u:
- Automobilske komponente: radilice, kontrolne ruke, kućišta osovina
- Sustavi komunalne vode i otpadnih voda: cijevi i spojni dijelovi od nodularnog željeza
- Teška oprema: zupčanici, spojnice, zagrada, strukturni dijelovi
- Energetski sektor: čvorišta vjetroturbina, hidraulički sustavi
- Željeznička i rudarska oprema: dijelovi staze, ležajevi
5. Usporedba kemijskog sastava
Obje se legure prvenstveno sastoje od željeza (FE), kao i ugljik (C) i silicij (I), ali razlikuju ih suptilne razlike i dodaci:
| Element | Sivo željezo (%) | Duktilno željezo (%) | Bilješke |
| Ugljik (C) | 2.5 - 4.0 | 3.0 - 4.0 | Viši ugljik potiče stvaranje grafita |
| Silicij (I) | 1.8 - 3.5 | 1.8 - 3.0 | Silicij poboljšava fluidnost i grafitizaciju |
| Mangan (MN) | 0.2 - 1.0 | 0.1 - 0.5 | Kontrolira snagu i djeluje protiv sumpora |
| Sumpor (S) | 0.02 - 0.12 | 0.005 - 0.03 | Nizak sadržaj sumpora potreban je u nodularnom željezu za stvaranje kvržica |
| Fosfor (P) | 0.1 - 0.2 | 0.02 - 0.05 | Obično se drži na niskoj razini zbog duktilnosti |
| Magnezij (Mg) | - | 0.03 - 0.06 | Dodan u nodularni lijev za stvaranje nodularnog grafita |
| Nikla (U), Bakar (Pokrajina), Krom (CR) | Količine u tragovima, može varirati | Može se dodati radi otpornosti na koroziju ili čvrstoće |
6. Usporedba fizičkih svojstava sivog i nodularnog lijeva
| Imovina | Sivo željezo | Duktilno željezo | Bilješke |
| Gustoća | ~6,9 – 7.3 g/cm³ | ~7,0 – 7.3 g/cm³ | Vrlo slične gustoće, nešto veći za nodularni ljev zbog legiranja |
| Talište | 1140 - 1300 ° C | 1140 - 1300 ° C | Oba imaju usporedive raspone taljenja |
| Toplinska vodljivost | 35 - 55 W/m · k | 30 - 45 W/m · k | Sivo željezo općenito bolje provodi toplinu |
| Koeficijent toplinske ekspanzije | 10 - 12 x10⁻⁶ /°C | 11 - 13 x10⁻⁶ /°C | Nodularni lijev ima nešto veću ekspanziju |
| Modul elastičnosti (Youngov modul) | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Nodularni lijev je znatno tvrđi |
| Poissonov omjer | 0.25 - 0.28 | 0.27 - 0.30 | Bliske vrijednosti, kod nodularnog lijeva nešto viši |
| Specifični toplinski kapacitet | ~ 460 j/kg · k | ~ 460 j/kg · k | Gotovo identičan |
| Tvrdoća (Brinell) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Nodularno željezo ima tendenciju da bude tvrđe |
| Magnetska propusnost | Feromagnetski | Feromagnetski | Oba su feromagnetski materijali |
7. Usporedba mehaničkih svojstava sivog i nodularnog lijeva
| Mehanička svojstva | Sivo željezo | Duktilno željezo | Bilješke |
| Zatečna čvrstoća | 170 - 370 MPA | 350 - 700 MPA | Nodularni lijev ima znatno veću vlačnu čvrstoću |
| Snaga popuštanja | 90 - 250 MPA | 250 - 450 MPA | Nodularni lijev pokazuje veću granicu razvlačenja |
| Produženje (Duktilnost) | 0.5 - 3% | 10 - 18% | Nodularni ljevak daleko je duktilniji, omogućujući bolju deformaciju prije loma |
| Udarna čvrstoća | Nizak (slaba otpornost na udarce) | Visok (dobra udarna žilavost) | Nodularni lijev puno bolje podnosi udarna opterećenja |
| Modul elastičnosti | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Nodularni lijev je krući i čvršći pod elastičnim deformiranjem |
| Tvrdoća (Brinell) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Nešto veća tvrdoća kod nodularnog lijeva |
| Snaga umora | Niža otpornost na umor | Veća otpornost na zamor | Nodularna grafitna struktura nodularnog lijeva poboljšava izdržljivost |
| Tlačna čvrstoća | Visok (~700 MPa) | Visok (~600 – 900 MPA) | Oba imaju dobru tlačnu čvrstoću; sivo željezo teži izvrsnosti |
8. Proizvodnja i lijevanje
I sivi i nodularni lijev proizvode se korištenjem utvrđenih metoda lijevanja, ali njihova se obrada razlikuje zbog njihove različite mikrostrukture i mehaničkih zahtjeva.
Proizvodnja sivog lijeva:
- Taljenje i legiranje: Sivo željezo se obično tali u kupolnim ili električnim indukcijskim pećima. Osnovni sastav uključuje željezo, ugljik (uglavnom kao grafit), i silicij.
Legirajući elementi kao što je mangan, sumpor, i fosfor se kontroliraju kako bi se optimizirala livljivost i stvaranje grafita. - Metode lijevanja: Najčešći proces je lijevanje pijeska, omiljen zbog svoje fleksibilnosti i isplativosti, posebno za složene ili velike komponente poput blokova motora, baze stroja, i kočioni bubnjevi.
- Stvrdnjavanje: Grafit se formira kao pahuljice unutar željezne matrice tijekom hlađenja, pruža izvrsno prigušivanje vibracija, ali dovodi do lomljivosti.
- Obradivost: Grafitna struktura sivog lijeva djeluje kao mazivo tijekom strojne obrade, što ga čini lakšim za obradu od nodularnog lijeva.
Proizvodnja nodularnog lijeva:
- Taljenje i obrada: Nodularno željezo polazi od sličnih sirovina, taljeni u indukcijskim ili elektrolučnim pećima.
Ključna razlika leži u nodulizirajuće liječenje— dodavanje magnezija ili cerija u rastaljeno željezo kako bi se grafitne pahuljice pretvorile u kuglaste kvržice. - Metode lijevanja: Nodularno željezo se često lijeva pomoću lijevanje pijeska ili casting za precizne dijelove.
Kontrolirane brzine hlađenja i prilagodbe sastava osiguravaju stvaranje nodularnog grafita i mehanička svojstva. - Kontrola mikrostrukture: Kuglasti grafit smanjuje koncentracije naprezanja i povećava duktilnost i žilavost.
- Toplotna obrada: Nodularni lijev može se toplinski obraditi (žarkin, normalizirao, ili austempered) za poboljšanje mehaničkih svojstava, uključujući vlačnu čvrstoću i otpornost na zamor.
- Obradivost: Nešto zahtjevniji za obradu zbog svoje veće čvrstoće i žilavosti u usporedbi sa sivim željezom, ali još uvijek dobra obradivost kada se koristi odgovarajući alat.
9. Otpornost na koroziju i trajnost
Otpornost na koroziju i dugotrajna izdržljivost ključni su čimbenici pri odabiru između sivog i nodularnog željeza, posebno za primjene izložene teškim uvjetima.
Sivo željezo:
- Korozivno ponašanje: Sivo željezo je umjereno otporno na koroziju u suhim okruženjima, ali je osjetljivo na hrđanje kada je izloženo vlazi, posebno u prisutnosti soli ili kiselih uvjeta.
Grafitne ljuskice mogu stvoriti mikrogalvanske ćelije sa željeznom matricom, Ubrzavanje lokalizirane korozije. - Površinska zaštita: Za povećanje trajnosti, komponente od sivog željeza često dobivaju zaštitne premaze kao što je lakiranje, praškasti premaz, ili pocinčavanje.
U nekim slučajevima, specijalizirane legure ili obloge otporne na koroziju primjenjuju se za agresivna okruženja. - Izdržljivost: Dok sivo željezo ima izvrsnu otpornost na trošenje, korozija može smanjiti životni vijek komponenti u vanjskoj ili mokroj primjeni bez odgovarajuće zaštite.
Duktilno željezo:
- Poboljšana otpornost na koroziju: Sferoidna struktura grafita u nodularnom željezu smanjuje koncentracije naprezanja i stvara ujednačeniju matricu, koji teži poboljšanju otpornosti na koroziju u usporedbi sa sivim željezom.
- Poboljšani površinski tretmani: Komponente od nodularnog lijeva obično koriste zaštitne premaze kao što je epoksidna obloga, prevlake od cinka, ili poliuretanske boje, posebno za uporabu u sustavima cjevovoda za vodu i otpadnu vodu.
- Katodna zaštita: U podzemnim ili uronjenim primjenama, cijevi od nodularnog željeza često uključuju sustave katodne zaštite za ublažavanje korozije.
- Izdržljivost u teškim uvjetima: Zahvaljujući većoj žilavosti i rastegljivosti, nodularni lijev bolje podnosi mehanička naprezanja tijekom procesa korozije od sivog željeza, pridonoseći duljem vijeku trajanja pod cikličkim opterećenjem i korozivnim okruženjima.
10. Usporedba troškova
- Sirovine: Sivo željezo košta 1–3 USD/kg; nodularno željezo košta 1,5–4,5 USD/kg (30–50% više) zbog Mg/Ce nodulizera.
- Obrada: Sivo željezo ne zahtijeva naknadnu obradu; nodularno željezo možda će trebati žarenje ($0.2– 0,5 USD/kg ekstra).
- Trošak životnog ciklusa: Nodularni lijev često nudi niže dugoročne troškove u primjenama s velikim naprezanjem (Npr., cijevi: 50-godina životnog vijeka vs. 30 godine za sivi ljev).
11. Ključne razlike između sivog i nodularnog lijeva
Razumijevanje temeljnih razlika između sivog i nodularnog željeza presudno je za odabir odgovarajućeg materijala na temelju zahtjeva primjene.
| Značajka | Sivo željezo | Duktilno željezo |
| Morfologija grafita | Pahuljice ljuspičastog grafita | Sferoidna (nodularni) grafit |
| Zatečna čvrstoća | ~150–400 MPa | ~400–700 MPa |
| Produženje | 1–3% | Do 18% |
| Tlačna čvrstoća | Visok | Umjeren do visok |
| Otpor udara | Nizak (krhki) | Visok (Vojvode) |
| Prigušivanje vibracija | Izvrstan | Dobro, ali manje od sivog željeza |
| Obradivost | Lako (grafit djeluje kao lubrikant) | Teže (čvrsta matrica) |
| Odljenost | Izvrstan, manje kvarova | Dobro, zahtijeva kontrolu nodulizera |
| Tendencija skupljanja | Nizak | Malo viši |
| Koštati | Donji | Veći zbog legiranja i kontrole |
| Tipične primjene | Blokovi motora, baze stroja | Cijevi, Automobilski dijelovi, strukturne komponente |
12. Odabir između sivog i nodularnog lijeva
- Dajte prioritet prigušivanju/kontroli vibracija: Sivo željezo (Npr., Blokovi motora, tokarski kreveti).
- Potrebna snaga/duktilnost: Duktilno željezo (Npr., radilice, cijevi).
- Troškovno osjetljiv, Aplikacije s niskim stresom: Sivo željezo (Npr., Prekrivači šahtova).
- Dinamičko opterećenje/rizik od udara: Duktilno željezo (Npr., komponente ovjesa).
13. Zaključak
Sivi ljev vs nodularni ljev, obje vrste lijevanog željeza, služe različite uloge: sivo željezo odlikuje se niskom cijenom, prigušena vibracijama, i primjene tlačnog opterećenja, dok kod visokonapregnutih dominira nodularni ljev, dinamičan, i scenariji skloni udaru.
Njihove razlike, ukorijenjen u morfologiji grafita, čine ih nezamjenjivima u modernom inženjerstvu, osiguravajući njihovu kontinuiranu važnost u automobilskoj industriji, infrastruktura, i strojeva.
Česta pitanja
Nodularni lijev je jači od čelika?
Da, nodularni lijev može se mjeriti s nisko do srednje ugljičnim čelicima (~400–600 MPa), iako je manje duktilan.
Može li se sivi lijev toplinski obrađivati?
Ne—zadržava lomljivost zbog grafitnih ljuskica i ne poboljšava se toplinskom obradom.
Zašto koristiti sivo željezo za blokove motora?
Njegovo izvrsno prigušivanje vibracija, toplinska stabilnost, i niska cijena čine ga idealnim za komponente motora.
Koliko dugo traju cijevi od nodularnog željeza?
Uz pravilan premaz i ugradnju, često postižu 50–100+ godina službe.
Mogu li se obje vrste reciklirati?
Da, oboje su 95% reciklirati, s zadržavanjem od recikliranog sivog/nodularnog lijeva 90% izvornih svojstava.
