1. Ievads
Pelēks dzelzs vs elastīgais dzelzs ir divi no visplašāk izmantotajiem čuguna veidiem, katrs piedāvā unikālas īpašības un priekšrocības, kas padara tos neaizstājamus dažādās nozarēs.
Kā čuguna saimes pārstāvji — dzelzs, oglekļa un silīcija sakausējumi, kas izveidoti, izkausētu metālu veidnēs — abi materiāli tiek novērtēti to stiprības dēļ., mašīnīgums, liešana, un rentabilitāte.
2. Kas ir čuguna?
Čuguns ir dzelzs-oglekļa sakausējumu grupa ar oglekļa saturu, kas parasti ir lielāks par 2%.
To iegūst, kausējot čugunu, ko parasti iegūst no dzelzsrūdas, krāsnī un izkausēto metālu ielejot veidnēs, veidojot vēlamās formas..
Rezultāts ir grūts, trausls, un stiprs materiāls, kas nodrošina izcilu liejamību un plašu mehānisko īpašību klāstu atkarībā no tā īpašā sastāva un apstrādes.
Vispārējais sastāvs
Čuguna pamatsastāvs ietver:
- Dzelzs (Fe) - primārais elements
- Ogleklis (C) – 2,0–4,0%, veicinot liejamību un ietekmējot cietību un trauslumu
- Silīcijs (Un) – 1,0–3,0%, kas veicina grafīta veidošanos cietēšanas laikā
- Izsekot daudzums mangāns (Nojaukšanās), sērs (S), un fosfors (Pūtīt) var būt arī klāt
Čuguna galvenās īpašības:
- Lieliska liešanas spējas: Labi plūst sarežģītās veidnēs, padarot to ideāli piemērotu sarežģītām formām
- Laba apstrādājamība: Īpaši noteiktās kategorijās, piemēram, pelēkā dzelzs
- Augsta spiedes izturība: Padara to piemērotu slodzes izturēšanai konstrukcijās
- Izcila vibrāciju slāpēšana: Samazina troksni un kustību mašīnās un iekārtās
- Rentabls: Lēti ražot lielos daudzumos
Izplatītākie čuguna veidi:
| Čuguna veids | Grafīta forma | Galvenās īpašības | Tipiskas lietojumprogrammas |
| Pelēks dzelzs | Grafīta pārslas | Lieliska vibrācijas slāpēšana, laba apstrādājamība, augsta spiedes izturība, trausls | Motora bloki, bremžu rotori, mašīnu bāzes, sūkņu apvalki |
| Elastīgais dzelzs | Sferoidāls (mezglains) grafīts | Augsta stiepes izturība, laba elastība, Noguruma pretestība | Pīpes, kloķvārpstas, piekares sviras, vēja turbīnu rumbas |
| Baltais dzelzs | Cementīts (nav bezmaksas grafīta) | Īpaši ciets un nodilumizturīgs, ļoti trausls | Dzirnavu ieliktņi, nodiluma plāksnes, vircas sūkņa daļas |
| Kaļams dzelzs | Temper oglekļa mezgliņi | Mērena izturība un elastība, triecienizturīgs, mehāniski apstrādājams | Cauruļu veidgabali, iekavas, mazi lējumi ar sarežģītu ģeometriju |
3. Kas ir pelēkā dzelzs?
Pelēks dzelzs, pazīstams arī kā pelēks čuguna, ir visbiežāk izmantotais čuguna veids. Tas ir nosaukts tā lūzuma virsmas pelēkās krāsas dēļ, kas ir saistīts ar klātbūtni grafīta pārslas savā mikrostruktūrā.
Šīs grafīta pārslas rada pārtraukumu dzelzs matricā, piešķirot pelēkajam dzelzs tai raksturīgo izskatu un mehāniskās īpašības.
Mikrostruktūra
Pelēkā dzelzs noteicošā iezīme ir tā pārslu grafīta struktūra iegulti matricā ferīts, pērļs, vai abu kombinācija.
Šīs pārslas veidojas sacietēšanas laikā un ir atbildīgas par materiālu:
- Lielisks vibrācijas slāpēšana
- Labs siltumvadītspēja
- Augsts spiedes stiprība
Lai arī, pārslu asās malas darbojas kā stresa koncentratori, kas būtiski samazina stiepes izturību un padarīt materiālu trauslu zem spriedzes vai trieciena.
Atzīmes un standarti
Pelēko dzelzi klasificē pēc stiepes izturība, bieži tiek apzīmēti, izmantojot tādus standartus kā ASTM A48. Piemēri ietver:
- Klase 20 (CL20): Zema izturība, lieliska apstrādājamība
- Klase 30 (CL30): Vispārējai lietošanai
- Klase 40 (CL40): Augstāks spēks, piemērots nesošajām daļām
Augstāki klases skaitļi norāda uz lielāku stiepes izturību, parasti panāk, pielāgojot dzesēšanas ātrumu vai sakausējuma saturu.
Galvenās īpašības:
- Augsta kompresijas izturība
- Lieliska amortizācijas spēja
- Slikta elastība un triecienizturība
Tipiski pelēkā dzelzs pielietojumi
Pelēkā čuguna rentabilitāte un veiktspēja lietojumos, kuros dominē kompresija, padara to par vispiemērotāko materiālu:
- Dzinēja bloki un cilindru galvas
- Bremžu diski un trumuļi
- Darbgaldu gultas un pamatnes
- Ātrumkārbas un korpusi
- Sūkņi un vārsti
4. Kas ir kaļamais dzelzs?
Elastīgais dzelzs, pazīstams arī kā mezglains čuguns vai sferoidāls grafīta dzelzs (SGI), ir čuguna veids, kas piedāvā ievērojami uzlabotas mehāniskās īpašības salīdzinājumā ar pelēko čugunu, jo īpaši attiecībā uz elastība, stiepes izturība, un trieciena pretestība.
Galvenā atšķirība slēpjas tajā grafīta forma metāla mikrostruktūrā. Kaļamā čugunā, grafīts veido kā sfēriski mezgliņi, nevis pārslas kā pelēkajā dzelzī.
Šī apaļā morfoloģija samazina stresa koncentrāciju, ļaujot kaļajam čugunam izstiepties vai deformēties, nesalaužot, tāpēc nosaukums "kaļamais čuguns".
Mikrostruktūra
- Mezglainais grafīts: Sfēriskas daļiņas (5-20 μm diametrs) kas samazina stresa koncentrāciju, pieļauj plastisko deformāciju.
- Matrica: Pielāgots ar termisko apstrādi — ferīta (elastīgs), perlitisks (stiprs), vai beinīts (augsta izturība un stingrība).
Atzīmes un standarti
ASTM A536 – Standarta specifikācija kaļamā čuguna lējumiem
- 60-40-18 → 60 ksi stiepes, 40 ksi raža, 18% pagarināšana
- 80-55-06 → Lielāka izturība, mērena elastība
- 100-70-03 → Ļoti augsta izturība, zema elastība
Iso 1083 – Sferoidālā grafīta dzelzs starptautiskais apzīmējums
- LV-GJS-400-15 (līdzīgi kā ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (līdzīgi kā ASTM 100-70-03)
Galvenās īpašības:
- Daudz lielāka izturība un elastība
- Lielāka triecienizturība
- Labāka noguruma izturība, ideāli piemērots cikliskai iekraušanai
- Saglabā zināmu amortizācijas spēju, lai gan mazāk par pelēko dzelzi
Kaļamā čuguna izplatītākie pielietojumi
Pateicoties tā veiktspējas īpašībām, kaļamais čuguns tiek plaši izmantots:
- Automobiļu komponenti: kloķvārpstas, vadības rokas, asu korpusi
- Komunālās ūdens un notekūdeņu sistēmas: kaļamā čuguna caurules un veidgabali
- Smagais aprīkojums: pārnesumi, sakabes, iekavas, strukturālās daļas
- Enerģētikas sektors: vēja turbīnu rumbas, hidrauliskās sistēmas
- Dzelzceļa un kalnrūpniecības aprīkojums: sliežu ceļa daļas, gultņi
5. Ķīmiskā sastāva salīdzinājums
Abi sakausējumi galvenokārt sastāv no dzelzs (Fe), kā arī ogleklis (C) un silīciju (Un), taču tās atšķir smalkas atšķirības un piedevas:
| Elements | Pelēks dzelzs (%) | Elastīgais dzelzs (%) | Piezīmes |
| Ogleklis (C) | 2.5 - 4.0 | 3.0 - 4.0 | Lielāks oglekļa daudzums veicina grafīta veidošanos |
| Silīcijs (Un) | 1.8 - 3.5 | 1.8 - 3.0 | Silīcijs uzlabo plūstamību un grafitizāciju |
| Mangāns (Nojaukšanās) | 0.2 - 1.0 | 0.1 - 0.5 | Kontrolē spēku un neitralizē sēru |
| Sērs (S) | 0.02 - 0.12 | 0.005 - 0.03 | Zems sēra saturs, kas nepieciešams kaļamā čugunā mezgliņu veidošanai |
| Fosfors (Pūtīt) | 0.1 - 0.2 | 0.02 - 0.05 | Parasti tiek turēts zems elastības dēļ |
| Magnijs (Mg) | - | 0.03 - 0.06 | Pievienots kaļajam čugunam, lai izveidotu mezglainu grafītu |
| Niķelis (Iekšā), Vara (Cu), Hroms (Krekls) | Izsekojamās summas, var atšķirties | Var pievienot, lai nodrošinātu izturību pret koroziju vai izturību |
6. Pelēkā čuguna un kaļamā čuguna fizisko īpašību salīdzinājums
| Īpašums | Pelēks dzelzs | Elastīgais dzelzs | Piezīmes |
| Blīvums | ~6,9 – 7.3 G/cm³ | ~7,0 – 7.3 G/cm³ | Ļoti līdzīgi blīvumi, nedaudz augstāks kaļajam čugunam leģēšanas dēļ |
| Kušanas punkts | 1140 - 1300 ° C | 1140 - 1300 ° C | Abiem ir salīdzināmi kušanas diapazoni |
| Siltumvadītspēja | 35 - 55 Ar m/m · k | 30 - 45 Ar m/m · k | Pelēkā dzelzs parasti labāk vada siltumu |
| Termiskās izplešanās koeficients | 10 - 12 x10⁻⁶ /°C | 11 - 13 x10⁻⁶ /°C | Kaļajam čugunam ir nedaudz lielāka izplešanās |
| Elastības modulis (Young’s Modulus) | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Kaļamais čuguns ir ievērojami stingrāks |
| Puasona koeficients | 0.25 - 0.28 | 0.27 - 0.30 | Aizvērt vērtības, ar kaļamo čugunu nedaudz augstāk |
| Īpaša siltuma jauda | ~ 460 J/kg · k | ~ 460 J/kg · k | Gandrīz identisks |
| Cietība (Brinels) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Kaļamais čuguns mēdz būt cietāks |
| Magnētiskā caurlaidība | Feromagnētisks | Feromagnētisks | Abi ir feromagnētiski materiāli |
7. Pelēkā čuguna un kaļamā čuguna mehānisko īpašību salīdzinājums
| Mehāniskais īpašums | Pelēks dzelzs | Elastīgais dzelzs | Piezīmes |
| Stiepes izturība | 170 - 370 MPA | 350 - 700 MPA | Kaļajam čugunam ir ievērojami lielāka stiepes izturība |
| Peļņas izturība | 90 - 250 MPA | 250 - 450 MPA | Kaļajam čugunam ir augstāka tecēšanas robeža |
| Pagarināšana (Elastība) | 0.5 - 3% | 10 - 18% | Kaļamais čuguns ir daudz kaļamāks, ļauj labāk deformēties pirms lūzuma |
| Trieciena izturība | Zems (slikta triecienizturība) | Augsts (laba triecienizturība) | Kaļamais čuguns daudz labāk iztur triecienslodzes |
| Elastības modulis | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Kaļamais čuguns ir stingrāks un stiprāks elastīgās deformācijas apstākļos |
| Cietība (Brinels) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Nedaudz augstāka kaļamā čuguna cietība |
| Noguruma spēks | Zemāka noguruma pretestība | Augstāka noguruma izturība | Kaļamā čuguna mezglainā grafīta struktūra uzlabo noguruma kalpošanas laiku |
| Spiedes stiprums | Augsts (~700 MPa) | Augsts (~600 - 900 MPA) | Abiem ir laba spiedes izturība; pelēkais dzelzs mēdz izcelties |
8. Ražošana un liešana
Gan pelēkais čuguns, gan kaļamais čuguns tiek ražoti, izmantojot noteiktas liešanas metodes, taču to apstrāde atšķiras to atšķirīgo mikrostruktūru un mehānisko prasību dēļ.
Pelēkā dzelzs ražošana:
- Kausēšana un sakausēšana: Pelēko dzelzi parasti kausē kupola krāsnīs vai elektriskās indukcijas krāsnīs. Bāzes sastāvā ietilpst dzelzs, ogleklis (pārsvarā kā grafīts), un silīciju.
Leģējošie elementi, piemēram, mangāns, sērs, un fosfors tiek kontrolēts, lai optimizētu liejamību un grafīta veidošanos. - Liešanas metodes: Visizplatītākais process ir smilšu liešana, tā elastības un rentabilitātes dēļ, īpaši sarežģītiem vai lieliem komponentiem, piemēram, dzinēja blokiem, mašīnu bāzes, un bremžu trumuļi.
- Sacietēšana: Grafīts dzesēšanas laikā veidojas kā pārslas dzelzs matricā, nodrošina lielisku vibrāciju slāpēšanu, bet rada trauslumu.
- Mašīnīgums: Pelēkā dzelzs pārslu grafīta struktūra apstrādes laikā darbojas kā smērviela, padarot to vieglāk apstrādājamu nekā kaļamais čuguns.
Kaļamā čuguna ražošana:
- Kušana un apstrāde: Kaļamais čuguns sākas no līdzīgām izejvielām, kausēta indukcijas vai elektriskā loka krāsnīs.
Galvenā atšķirība slēpjas tajā mezgliņu ārstēšana— magnija vai cērija pievienošana izkausētajam dzelzs, lai grafīta pārslas pārvērstu sfēriskos mezgliņos. - Liešanas metodes: Kaļamais čuguns bieži tiek liets, izmantojot smilšu liešana vai investīciju liešana precīzām detaļām.
Kontrolēti dzesēšanas ātrumi un sastāva regulēšana nodrošina mezglainu grafīta veidošanos un mehāniskās īpašības. - Mikrostruktūras kontrole: Sfēriskais grafīts samazina sprieguma koncentrāciju un palielina elastību un stingrību.
- Termiskā apstrāde: Kaļamais čuguns var tikt termiski apstrādāts (rūdīts, normalizēts, vai askētisks) lai uzlabotu mehāniskās īpašības, ieskaitot stiepes izturību un noguruma izturību.
- Mašīnīgums: Nedaudz grūtāk apstrādājams, jo tā ir lielāka izturība un stingrība salīdzinājumā ar pelēko dzelzi, taču joprojām ir laba apstrādājamība, izmantojot atbilstošus instrumentus.
9. Izturība pret koroziju un izturība
Izturība pret koroziju un ilgstoša izturība ir būtiski faktori, izvēloties starp pelēko un kaļamo čugunu, īpaši lietojumiem, kas pakļauti skarbai videi.
Pelēks dzelzs:
- Korozijas uzvedība: Pelēks dzelzs ir vidēji izturīgs pret koroziju sausā vidē, bet ir jutīgs pret rūsēšanu, ja tiek pakļauts mitrumam, īpaši sāļu klātbūtnē vai skābos apstākļos.
Grafīta pārslas var izveidot mikrogalvaniskās šūnas ar dzelzs matricu, Lokalizētas korozijas paātrināšana. - Virsmas aizsardzība: Lai palielinātu izturību, pelēkās dzelzs detaļas bieži saņem aizsargpārklājumus, piemēram, krāsošanu, pulvera pārklājums, vai cinkošana.
Dažos gadījumos, Agresīvā vidē tiek izmantoti specializēti korozijizturīgi sakausējumi vai oderes. - Izturība: Savukārt pelēkajam dzelzs ir lieliska nodilumizturība, korozija var samazināt komponentu kalpošanas laiku āra vai mitros apstākļos bez atbilstošas aizsardzības.
Elastīgais dzelzs:
- Uzlabota izturība pret koroziju: Sferoidālā grafīta struktūra kaļamā čugunā samazina sprieguma koncentrāciju un rada vienmērīgāku matricu, kam ir tendence uzlabot izturību pret koroziju salīdzinājumā ar pelēko dzelzi.
- Uzlabota virsmas apstrāde: Kaļamā čuguna komponentos parasti tiek izmantoti aizsargpārklājumi, piemēram, epoksīda oderējums, cinka pārklājumi, vai poliuretāna krāsas, īpaši lietošanai ūdens un notekūdeņu cauruļvadu sistēmās.
- Katoda aizsardzība: Pazemes vai zemūdens lietojumos, kaļamā čuguna caurulēs bieži ir iekļautas katodaizsardzības sistēmas, lai mazinātu koroziju.
- Izturība skarbos apstākļos: Pateicoties tā augstākajai stingrībai un elastībai, kaļamais čuguns iztur mehāniskās spriedzes korozijas procesu laikā labāk nekā pelēkais čuguns, veicina ilgāku kalpošanas laiku cikliskās slodzes un korozīvās vidēs.
10. Izmaksu salīdzinājums
- Izejvielas: Pelēks dzelzs maksā 1–3 USD/kg; kaļamais čuguns maksā 1,5–4,5 USD/kg (30-50% augstāks) Mg/Ce mezgliņu dēļ.
- Apstrāde: Pelēkajam dzelzs nav nepieciešama pēcapstrāde; var būt nepieciešama kaļamā čuguna atkausēšana ($0.2– 0,5 USD/kg papildus).
- Dzīves cikla izmaksas: Kaļamais čuguns bieži piedāvā zemākas ilgtermiņa izmaksas augsta sprieguma lietojumos (Piem., pīpes: 50-gadu dzīves ilgums vs. 30 gadi pelēkajam dzelzs).
11. Galvenās atšķirības starp pelēko čugunu un kaļamo čugunu
Pelēkā čuguna un kaļamā čuguna pamatatšķirību izpratne ir ļoti svarīga, lai izvēlētos piemērotu materiālu, pamatojoties uz pielietojuma prasībām..
| Iezīmēt | Pelēks dzelzs | Elastīgais dzelzs |
| Grafīta morfoloģija | Pārslainas grafīta pārslas | Sferoidāls (mezglains) grafīts |
| Stiepes izturība | ~150–400 MPa | ~400–700 MPa |
| Pagarināšana | 1–3% | Līdz 18% |
| Spiedes stiprums | Augsts | Mēreni vai augstu |
| Trieciena pretestība | Zems (trausls) | Augsts (elastīgs) |
| Vibrāciju slāpēšana | Lielisks | Labi, bet mazāk nekā pelēkā dzelzs |
| Mašīnīgums | Viegli (grafīts darbojas kā smērviela) | Grūtāk (stingra matrica) |
| Liešana | Lielisks, mazāk defektu | Labs, nepieciešama mezgliņa kontrole |
| Saraušanās tendence | Zems | Nedaudz augstāks |
| Maksāt | Apakšējais | Augstāks sakausējuma un kontroles dēļ |
| Tipiskas lietojumprogrammas | Motora bloki, mašīnu bāzes | Pīpes, automobiļu detaļas, strukturālās sastāvdaļas |
12. Pelēkā un kaļamā čuguna izvēle
- Dodiet priekšroku slāpēšanas/vibrācijas kontrolei: Pelēks dzelzs (Piem., motora bloki, virpas gultas).
- Nepieciešama izturība/elastība: Elastīgais dzelzs (Piem., kloķvārpstas, pīpes).
- Izmaksu ziņā jutīgs, Zema stresa lietotnes: Pelēks dzelzs (Piem., lūku vāki).
- Dinamiskās slodzes/triecienu risks: Elastīgais dzelzs (Piem., Suspensijas komponenti).
13. Secinājums
Pelēkais čuguns vs kaļamais čuguns, abu veidu čuguns, pildīt atšķirīgas lomas: pelēkais dzelzs izceļas ar zemām izmaksām, vibrāciju slāpēts, un spiedes slodzes lietojumi, kamēr kaļamais čuguns dominē augsta stresa apstākļos, dinamisks, un ietekmes scenāriji.
Viņu atšķirības, sakņojas grafīta morfoloģijā, padarīt tos neaizstājamus mūsdienu inženierzinātnēs, nodrošinot to pastāvīgu nozīmi automobiļu nozarē, infrastruktūra, un mašīnas.
FAQ
Vai kaļamais čuguns ir stiprāks par tēraudu?
Jā – kaļamais čuguns var konkurēt ar zema vai vidēja oglekļa tēraudu (~400–600 MPa), lai gan tas ir mazāk elastīgs.
Vai pelēko dzelzi var termiski apstrādāt?
Nē — tas saglabā trauslumu grafīta pārslu dēļ un neuzlabojas termiskās apstrādes rezultātā.
Kāpēc izmantot pelēko dzelzi motora blokiem?
Tā lieliska vibrāciju slāpēšana, termiskā stabilitāte, un zemās izmaksas padara to ideāli piemērotu dzinēja komponentiem.
Cik ilgi kalpo kaļamā čuguna caurules?
Ar pareizu pārklājumu un uzstādīšanu, tie bieži sasniedz 50–100+ darbības gadus.
Vai abi veidi ir pārstrādājami?
Jā, abi ir 95% pārstrādājams, ar pārstrādāta pelēkā/kaļamā čuguna aizturi 90% oriģinālajām īpašībām.
