1. Įvadas
Pilka geležis vs Kariuomenė geležis yra dvi plačiausiai naudojamos ketaus rūšys, Kiekvienas iš jų siūlo unikalias savybes ir pranašumus, dėl kurių jie yra būtini įvairiose pramonės šakose.
Kadangi ketaus šeimos nariai – geležies, anglies ir silicio lydiniai, suformuoti liejant išlydytą metalą į formas, abi medžiagos vertinamos dėl jų stiprumo., Aparatas, išliejamumas, ir ekonominis efektyvumas.
2. Kas yra ketaus?
Ketaus yra geležies ir anglies lydinių, kurių anglies kiekis paprastai didesnis nei, grupė 2%.
Jis gaminamas lydant ketų, dažniausiai gaunamą iš geležies rūdos, krosnyje ir išlydytą metalą pilant į formas, kad susidarytų norimos formos..
Rezultatas yra sunkus, trapus, ir stipri medžiaga, kuri pasižymi puikiu liejamumu ir įvairiomis mechaninėmis savybėmis, priklausomai nuo specifinės sudėties ir apdorojimo.
Bendra sudėtis
Į pagrindinę ketaus sudėtį įeina:
- Lygintuvas (Fe) – pagrindinis elementas
- Anglies (C) – 2,0–4,0 %, skatinantis liejamumą ir įtakojantis kietumą bei trapumą
- Silicis (Ir) – 1,0–3,0 %, kuri skatina grafito susidarymą kietėjimo metu
- Pėdsakai Manganas (Mn), sieros (S), ir fosforas (P) taip pat gali būti
Pagrindinės ketaus savybės:
- Puikus Castability: Puikiai išsilieja į sudėtingas formas, todėl puikiai tinka sudėtingoms formoms
- Geras apdirbamumas: Ypač kai kuriose klasėse, pavyzdžiui, pilkosios geležies
- Didelė gniuždymo jėga: Dėl to jis tinkamas atlaikyti konstrukcines apkrovas
- Puikus vibracijos slopinimas: Sumažina triukšmą ir judėjimą mašinose ir įrenginiuose
- Ekonomiškai efektyvus: Nebrangus gaminti dideliais kiekiais
Įprasti ketaus tipai:
| Ketaus tipas | Grafito forma | Pagrindinės savybės | Tipiškos programos |
| Pilka geležis | Grafito dribsniai | Puikus vibracijos slopinimas, geras apdirbamumas, didelis gniuždymo stiprumas, trapus | Variklio blokai, Stabdžių rotoriai, mašinų bazės, siurblių korpusai |
| Kariuomenė geležis | Sferoidinis (mazginis) grafitas | Didelis tempimo stiprumas, geras lankstumas, Nuovargio atsparumas | Vamzdžiai, alkūniniai velenai, Suspensijos rankos, vėjo turbinų stebulės |
| Balta geležis | Cementitas (nėra laisvo grafito) | Itin kietas ir atsparus dilimui, labai trapus | Malūno įdėklai, Dėvėkite plokšteles, srutų siurblio dalys |
| Kaliojama geležis | Temper anglies mazgeliai | Vidutinis stiprumas ir lankstumas, atsparus smūgiams, apdirbamas | Vamzdžių jungiamosios detalės, skliaustai, maži liejiniai su sudėtinga geometrija |
3. Kas yra pilkoji geležis?
Pilka geležis, Taip pat žinomas kaip Pilka ketaus, yra dažniausiai naudojamas ketaus tipas. Jis pavadintas dėl pilkos lūžio paviršiaus spalvos, kuris yra dėl buvimo grafito dribsniai savo mikrostruktūroje.
Šie grafito dribsniai sukuria geležies matricos pertrauką, suteikia pilkajam ketui būdingą išvaizdą ir mechanines savybes.
Mikrostruktūra
Esminis pilkosios geležies bruožas yra jo dribsnių grafito struktūra įterptas į matricą feritas, Perlitas, arba abiejų derinys.
Šie dribsniai susidaro kietėjimo metu ir yra atsakingi už medžiagą:
- Puiku Vibracijos slopinimas
- Gerai Šilumos laidumas
- Aukštas gniuždymo stiprumas
Tačiau, aštrūs dribsnių kraštai veikia kaip streso koncentratoriai, kurios žymiai sumažina tempimo stiprumą ir kad medžiaga būtų trapi esant įtampai ar smūgiui.
Klasės ir standartai
Pilka geležis klasifikuojama pagal tempimo stiprumas, dažnai nurodomi naudojant tokius standartus kaip ASTM A48. Pavyzdžiai apima:
- Klasė 20 (CL20): Mažas stiprumas, puikus apdirbamumas
- Klasė 30 (CL30): Bendrosios paskirties naudojimas
- Klasė 40 (CL40): Didesnė jėga, tinka laikančiosioms dalims
Aukštesnės klasės skaičiai rodo didesnį tempimo stiprumą, paprastai pasiekiama reguliuojant aušinimo greitį arba lydinio kiekį.
Pagrindinės savybės:
- Didelis gniuždymo stiprumas
- Puiki amortizacinė galia
- Prastas lankstumas ir atsparumas smūgiams
Tipiški pilkosios geležies panaudojimo būdai
Dėl pilkosios ketaus ekonomiškumo ir našumo naudojant suspaudimą dominuojančias priemones ji yra puiki medžiaga:
- Variklio blokai ir cilindrų galvutės
- Stabdžių diskai ir būgnai
- Staklių lovos ir pagrindai
- Pavarų dėžės ir korpusai
- Siurbliai ir vožtuvai
4. Kas yra kaliojo ketaus?
Kariuomenė geležis, Taip pat žinomas kaip mazginis ketaus arba Sferoidinis grafito geležis (SGI), yra ketaus tipas, pasižymintis žymiai geresnėmis mechaninėmis savybėmis nei pilkasis ketus, ypač kalbant apie ausmingumas, tempimo stiprumas, ir Poveikio atsparumas.
Pagrindinis skirtumas slypi tame grafito forma metalo mikrostruktūroje. Iš kaliojo ketaus, grafitas formuojasi kaip sferiniai mazgeliai, o ne dribsniai kaip pilkajame geležyje.
Ši apvali morfologija sumažina streso koncentraciją, leidžianti kaliajam ketui ištempti arba deformuotis be lūžimo – iš čia ir kilo pavadinimas „kalusis“.
Mikrostruktūra
- Mazginis grafitas: Sferinės dalelės (5-20 μm skersmuo) kurios sumažina streso koncentraciją, leidžianti plastinei deformacijai.
- Matrica: Pritaikytas terminio apdorojimo būdu – feritinis (plastiškas), Perlitas (stiprus), arba baininis (didelis stiprumas ir tvirtumas).
Klasės ir standartai
ASTM A536 – Standartinė kaliojo ketaus liejinių specifikacija
- 60-40-18 → 60 ksi tempimas, 40 ksi derlius, 18% pailgėjimas
- 80-55-06 → Didesnė jėga, vidutinio plastiškumo
- 100-70-03 → Labai didelis stiprumas, mažas plastiškumas
ISO 1083 – Sferoidinio grafito geležies tarptautinis pavadinimas
- EN-GJS-400-15 (panašus į ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (panašus į ASTM 100-70-03)
Pagrindinės savybės:
- Daug didesnis stiprumas ir lankstumas
- Didesnis atsparumas smūgiams
- Geresnis atsparumas nuovargiui, idealiai tinka cikliniam pakrovimui
- Išlaiko tam tikrą slopinimo galią, nors mažiau nei pilka geležis
Dažni kaliojo ketaus pritaikymai
Dėl savo eksploatacinių savybių, kaliojo ketaus yra plačiai naudojamas:
- Automobilių komponentai: alkūniniai velenai, Valdymo ginklai, ašių korpusai
- Komunalinės vandens ir nuotekų sistemos: kaliojo ketaus vamzdžiai ir jungiamosios detalės
- Sunkioji įranga: pavaros, movos, skliaustai, konstrukcines dalis
- Energetikos sektorius: vėjo turbinų stebulės, hidraulinės sistemos
- Geležinkelio ir kasybos įranga: bėgių kelio dalys, guoliai
5. Cheminės sudėties palyginimas
Abu lydiniai daugiausia sudaryti iš geležies (Fe), taip pat anglies (C) ir silicio (Ir), bet juos išskiria subtilūs skirtumai ir priedai:
| Elementas | Pilka geležis (%) | Kariuomenė geležis (%) | Pastabos |
| Anglies (C) | 2.5 - 4.0 | 3.0 - 4.0 | Didesnė anglies koncentracija skatina grafito susidarymą |
| Silicis (Ir) | 1.8 - 3.5 | 1.8 - 3.0 | Silicis pagerina sklandumą ir grafitizaciją |
| Manganas (Mn) | 0.2 - 1.0 | 0.1 - 0.5 | Kontroliuoja stiprumą ir neutralizuoja sierą |
| Sieros (S) | 0.02 - 0.12 | 0.005 - 0.03 | Mažas sieros kiekis kaliajame ketuje reikalingas mazgeliams susidaryti |
| Fosforas (P) | 0.1 - 0.2 | 0.02 - 0.05 | Paprastai išlaikomas žemas dėl lankstumo |
| Magnis (Mg) | - | 0.03 - 0.06 | Pridėta kaliojo ketaus, kad susidarytų mazginis grafitas |
| Nikelis (Į), Vario (Cu), Chromas (Kr) | Pėdsakai, gali skirtis | Galima pridėti dėl atsparumo korozijai ar stiprumo |
6. Pilkojo ketaus ir kaliojo ketaus fizinių savybių palyginimas
| Nuosavybė | Pilka geležis | Kariuomenė geležis | Pastabos |
| Tankis | ~6,9 – 7.3 g/cm³ | ~7,0 – 7.3 g/cm³ | Labai panašus tankis, šiek tiek didesnis kaliajam ketui dėl legiravimo |
| Lydymosi taškas | 1140 - 1300 ° C. | 1140 - 1300 ° C. | Abu turi panašius lydymosi diapazonus |
| Šilumos laidumas | 35 - 55 W/m · k | 30 - 45 W/m · k | Pilka geležis paprastai geriau praleidžia šilumą |
| Šilumos išsiplėtimo koeficientas | 10 - 12 x10⁻⁶ /°C | 11 - 13 x10⁻⁶ /°C | Kaliojo ketaus plėtimasis yra šiek tiek didesnis |
| Elastiškumo modulis (Youngo modulis) | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Kalusis ketus yra žymiai standesnis |
| Puasono koeficientas | 0.25 - 0.28 | 0.27 - 0.30 | Uždaryti vertybes, su kaliuoju ketumi šiek tiek aukščiau |
| Savitoji šilumos talpa | ~460 J/kg·K | ~460 J/kg·K | Beveik identiški |
| Kietumas (Brinell) | 140 - 300 Hb | 170 - 340 Hb | Kalusis ketus paprastai būna kietesnis |
| Magnetinis pralaidumas | Feromagnetinis | Feromagnetinis | Abi yra feromagnetinės medžiagos |
7. Pilkojo ketaus ir kaliojo ketaus mechaninių savybių palyginimas
| Mechaninė savybė | Pilka geležis | Kariuomenė geležis | Pastabos |
| Tempimo stiprumas | 170 - 370 MPA | 350 - 700 MPA | Kaliojo ketaus tempiamasis stipris yra žymiai didesnis |
| Derliaus stiprumas | 90 - 250 MPA | 250 - 450 MPA | Kalusis ketus pasižymi didesne takumo riba |
| Pailgėjimas (Ausmingumas) | 0.5 - 3% | 10 - 18% | Kalusis ketus yra daug kalusesnis, leidžianti geriau deformuotis prieš lūžimą |
| Poveikio stiprumas | Žemas (prastas atsparumas smūgiams) | Aukštas (geras atsparumas smūgiams) | Kalusis ketus daug geriau atlaiko smūgines apkrovas |
| Elastiškumo modulis | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Kalusis ketus yra standesnis ir stipresnis dėl elastinės deformacijos |
| Kietumas (Brinell) | 140 - 300 Hb | 170 - 340 Hb | Šiek tiek didesnis kaliojo ketaus kietumas |
| Nuovargio stiprumas | Mažesnis atsparumas nuovargiui | Didesnis atsparumas nuovargiui | Kaliojo ketaus mazginio grafito struktūra pagerina nuovargio tarnavimo laiką |
| Suspaudimo stiprumas | Aukštas (~700 MPa) | Aukštas (~600 – 900 MPA) | Abu turi gerą gniuždymo stiprumą; pilka geležis linkusi tobulėti |
8. Gamyba ir liejimas
Tiek pilkasis, tiek kaliasis ketus gaminami taikant nusistovėjusius liejimo metodus, tačiau jų apdorojimas skiriasi dėl skirtingų mikrostruktūrų ir mechaninių reikalavimų.
Pilkos geležies gamyba:
- Lydymas ir legiravimas: Pilka geležis paprastai lydoma kupolo krosnyse arba elektrinėse indukcinėse krosnyse. Į bazinę sudėtį įeina geležis, Anglies (daugiausia kaip grafitas), ir silicio.
Legiravimo elementai, tokie kaip manganas, sieros, ir fosforas yra kontroliuojami, siekiant optimizuoti liejamumą ir grafito susidarymą. - Liejimo būdai: Dažniausias procesas yra Smėlio liejimas, palankiai vertinamas dėl savo lankstumo ir ekonomiškumo, ypač sudėtingiems ar dideliems komponentams, tokiems kaip variklio blokai, mašinų bazės, ir stabdžių būgnais.
- Kietėjimas: Grafitas geležies matricoje aušinimo metu susidaro dribsnių pavidalu, užtikrina puikų vibracijos slopinimą, bet sukelia trapumą.
- Aparatas: Pilko ketaus dribsnių grafito struktūra apdirbant veikia kaip tepalas, todėl jį lengviau apdirbti nei kaliojo ketaus.
Kaliojo ketaus gamyba:
- Lydymas ir gydymas: Kalusis ketus pradedamas gaminti iš panašių žaliavų, lydomas indukcinėse arba elektros lankinėse krosnyse.
Esminis skirtumas slypi tame mazginis gydymas- magnio arba cerio įpylimas į išlydytą geležį, kad grafito dribsniai virstų sferiniais mazgeliais. - Liejimo būdai: Kalusis ketus dažnai liejamas naudojant Smėlio liejimas arba Investicijų liejimas tikslioms dalims.
Kontroliuojamas aušinimo greitis ir sudėties reguliavimas užtikrina mazginio grafito susidarymą ir mechanines savybes. - Mikrostruktūros valdymas: Sferinis grafitas sumažina įtempių koncentraciją ir padidina lankstumą bei kietumą.
- Terminis apdorojimas: Kalusis ketus gali būti termiškai apdorotas (atkaitintas, normalizuotas, arba griežtas) pagerinti mechanines savybes, įskaitant atsparumą tempimui ir atsparumą nuovargiui.
- Aparatas: Šiek tiek sudėtingesnis apdirbimas dėl didesnio stiprumo ir kietumo, palyginti su pilkąja geležimi, tačiau vis tiek geras apdirbamumas naudojant tinkamus įrankius.
9. Atsparumas korozijai ir ilgaamžiškumas
Atsparumas korozijai ir ilgalaikis patvarumas yra svarbūs veiksniai renkantis tarp pilkojo ir kaliojo ketaus, ypač atšiaurioje aplinkoje.
Pilka geležis:
- Korozijos elgesys: Pilka geležis yra vidutiniškai atspari korozijai sausoje aplinkoje, tačiau yra jautri rūdijimui, kai yra veikiama drėgmės, ypač esant druskoms arba rūgščioms sąlygoms.
Grafito dribsniai gali sudaryti mikrogalvaninius elementus su geležies matrica, pagreitina vietinę koroziją. - Paviršiaus apsauga: Patvarumui padidinti, pilkojo ketaus komponentai dažnai padengiami apsaugine danga, pavyzdžiui, dažymas, miltelių danga, arba cinkavimas.
Kai kuriais atvejais, Specialūs korozijai atsparūs lydiniai arba pamušalai naudojami agresyviai aplinkai. - Patvarumas: Nors pilka geležis turi puikų atsparumą dilimui, korozija gali sutrumpinti komponentų eksploatavimo trukmę lauke arba drėgnoje aplinkoje be tinkamos apsaugos.
Kariuomenė geležis:
- Pagerintas atsparumas korozijai: Sferoidinė kaliojo ketaus grafito struktūra sumažina įtempių koncentraciją ir sukuria vienodesnę matricą, kuris turi tendenciją pagerinti atsparumą korozijai, palyginti su pilkąja geležimi.
- Patobulintas paviršiaus apdorojimas: Kaliojo ketaus komponentuose dažniausiai naudojamos apsauginės dangos, tokios kaip epoksidinis pamušalas, Cinko dangos, arba poliuretaniniais dažais, ypač skirtas naudoti vandens ir nuotekų vamzdynų sistemose.
- Katodinė apsauga: Požeminiuose arba povandeniniuose įrenginiuose, kaliojo ketaus vamzdžiuose dažnai yra katodinės apsaugos sistemos, mažinančios koroziją.
- Patvarumas atšiauriomis sąlygomis: Dėl didesnio tvirtumo ir lankstumo, kalusis ketus geriau atlaiko mechaninius įtempius korozijos procesų metu nei pilkasis ketus, prisideda prie ilgesnio tarnavimo laiko esant ciklinei apkrovai ir korozinei aplinkai.
10. Išlaidų palyginimas
- Žaliavos: Pilka geležis kainuoja 1–3 USD/kg; kaliojo ketaus kaina 1,5–4,5 USD/kg (30-50% didesnis) dėl Mg/Ce mazgelių.
- Apdorojimas: Pilkai geležies nereikia papildomo apdorojimo; kaliojo ketaus gali reikėti atkaitinti ($0.2– 0,5 USD/kg papildomai).
- Gyvenimo ciklo kaina: Kalusis ketus dažnai siūlo mažesnes ilgalaikes sąnaudas esant dideliam įtempimui (Pvz., vamzdžiai: 50-metų gyvenimo trukmė vs. 30 metų pilkai geležies).
11. Pagrindiniai pilkojo ir kaliojo ketaus skirtumai
Norint pasirinkti tinkamą medžiagą pagal taikymo reikalavimus, labai svarbu suprasti pagrindinius skirtumus tarp pilkojo ir kaliojo ketaus..
| Savybė | Pilka geležis | Kariuomenė geležis |
| Grafito morfologija | Dribsniai grafito dribsniai | Sferoidinis (mazginis) grafitas |
| Tempimo stiprumas | ~150–400 MPa | ~400–700 MPa |
| Pailgėjimas | 1-3% | Iki 18% |
| Suspaudimo stiprumas | Aukštas | Vidutinio sunkumo iki aukšto |
| Atsparumas smūgiams | Žemas (trapus) | Aukštas (plastiškas) |
| Vibracijos slopinimas | Puiku | Geras, bet mažiau nei pilkasis geležis |
| Aparatas | Lengva (grafitas veikia kaip tepalas) | Sunkiau (kieta matrica) |
| Liejamumas | Puiku, mažiau defektų | Gerai, reikalauja mazgelių kontrolės |
| Susitraukimo tendencija | Žemas | Šiek tiek aukščiau |
| Kaina | Žemiau | Didesnis dėl legiravimo ir valdymo |
| Tipiškos programos | Variklio blokai, mašinų bazės | Vamzdžiai, Automobilių dalys, struktūriniai komponentai |
12. Pasirinkimas tarp pilkojo ir kaliojo ketaus
- Pirmenybę teikite slopinimui / vibracijos kontrolei: Pilka geležis (Pvz., Variklio blokai, tekinimo staklių lovos).
- Reikia stiprumo / lankstumo: Kariuomenė geležis (Pvz., alkūniniai velenai, vamzdžiai).
- Išlaidoms jautrus, Mažo streso programos: Pilka geležis (Pvz., Šulinio dangteliai).
- Dinaminės apkrovos / smūgio rizika: Kariuomenė geležis (Pvz., pakabos komponentai).
13. Išvada
Pilkasis ir kaliojo ketaus, abiejų rūšių ketaus, atlieka skirtingus vaidmenis: pilka geležis išsiskiria mažomis sąnaudomis, slopinamos vibracijos, ir gniuždomosios apkrovos programos, o kaliojo ketaus dominuoja esant dideliam įtempimui, dinamiškas, ir poveikio scenarijus.
Jų skirtumai, įsišaknijęs grafito morfologijoje, padaryti juos nepakeičiamais šiuolaikinėje inžinerijoje, užtikrinant nuolatinį jų aktualumą automobilių pramonėje, infrastruktūra, ir mašinos.
DUK
Ar kalusis ketus stipresnis už plieną?
Taip – kalusis ketus gali konkuruoti su mažo ar vidutinio anglies plienu (~400–600 MPa), nors jis mažiau lankstus.
Ar pilka geležis gali būti termiškai apdorota?
Ne – jis išlaiko trapumą dėl grafito dribsnių ir nepagerėja termiškai apdorojant.
Kodėl variklio blokams naudoti pilką geležį?
Puikus vibracijos slopinimas, Šiluminis stabilumas, Dėl mažos kainos jis idealiai tinka variklio komponentams.
Kiek laiko tarnauja kaliojo ketaus vamzdžiai?
Su tinkama danga ir montavimu, jie dažnai tarnauja 50–100+ metų.
Abi rūšys yra perdirbamos?
Taip, abu yra 95% perdirbamas, su perdirbto pilkojo / kaliojo ketaus laikikliu 90% originalių savybių.
