1. Wstęp
Szare żelazo vs żelazo plastyczne są dwa z najczęściej używanych rodzajów żeliwa, każdy oferuje unikalne nieruchomości i zalety, które czynią je niezbędnymi w szerokiej gamie branż.
Jako członkowie żeliwnej rodziny-żelazo-węglowe stopy utworzone przez odlewanie stopionego metalu na formy-zarówno materiały są cenione dla ich siły, skrawalność, Wydajność, i opłacalność.
2. Co to jest żelazo?
Lane żelazo to grupa stopów żelaza węglowego o zawartości węgla zwykle większa niż 2%.
Jest wytwarzany przez topniejące żelazo świni - zwykle pochodzące z rudy żelaza - w piecu i wlewając stopiony metal do form, tworząc pożądane kształty.
Rezultat jest trudny, kruchy, oraz silny materiał, który oferuje doskonałą możliwość wyboru i szeroki zakres właściwości mechanicznych w zależności od jego specyficznego sformułowania i obróbki.
Kompozycja ogólna
Podstawowy skład żeliwa obejmuje:
- Żelazo (Fe) - Podstawowy element
- Węgiel (C) - 2,0–4,0%, Promowanie możliwości i wpływające na twardość i kruchość
- Krzem (I) - 1,0–3,0%, który promuje tworzenie grafitu podczas zestalania
- Ślad ilości mangan (Mn), siarka (S), I fosfor (P) może być również obecne
Kluczowe cechy żeliwa:
- Doskonała lejność: Dobrze płynie w złożone formy, dzięki czemu jest idealny do skomplikowanych kształtów
- Dobra maszyna: Szczególnie w niektórych klasach, takich jak szare żelazo
- Wysoka wytrzymałość na ściskanie: Sprawia, że nadaje się do obciążeń łożyska w zastosowaniach strukturalnych
- Tłumienie wibracji doskonałej: Zmniejsza hałas i ruch w maszynach i sprzęcie
- Opłacalne: Niedrogi w produkcji w dużych ilościach
Wspólne rodzaje żeliwa:
| Rodzaj żelaza | Formularz grafitu | Kluczowe właściwości | Typowe zastosowania |
| Szare żelazo | Płatki grafitowe | Doskonałe tłumienie wibracji, dobra obrabialność, Wysoka wytrzymałość na ściskanie, kruchy | Bloki silnika, Rotory hamulcowe, bazy maszynowe, pompowanie obudowa |
| Żeliwo sferoidalne | Sferoidalny (guzkowaty) grafit | Wysoka wytrzymałość na rozciąganie, dobra ciągliwość, odporność na zmęczenie | Kobza, wały korbowe, Ramiona zawieszenia, Pięcia turbiny wiatrowej |
| Białe żelazo | Cementit (Brak darmowego grafitu) | Niezwykle twardy i odporny na zużycie, bardzo kruche | Wkładki młyna, nosić płyty, Części pompy zawiesiny |
| Milleble Iron | Temper Carbon Guzule | Umiarkowana siła i plastyczność, odporny na uderzenia, Machinowalne | Armatura rurowa, nawiasy, małe odlewy z złożoną geometrią |
3. Co to jest szare żelazo?
Szare żelazo, znany również jako szare żeliwo, jest najczęściej stosowanym rodzajem żeliwa. Nazwa nazwa od szarego koloru jego powierzchni pęknięcia, co jest spowodowane obecnością płatki grafitowe w mikrostrukturze.
Te płatki grafitowe powodują nieciągłość w żelaznej matrycy, dając szare żelazo jego charakterystyczne wygląd i właściwości mechaniczne.
Mikrostruktura
Cechą definiującą szarego żelaza jest jego Struktura grafitu płatka osadzone w matrycy ferryt, Perlite, lub kombinacja obu.
Te płatki tworzą się podczas zestalania i są odpowiedzialne za materiał:
- Doskonały tłumienie drgań
- Dobry przewodność cieplna
- Wysoki siła ściskająca
Jednakże, ostre krawędzie płatków działają jak koncentratory stresu, które znacznie zmniejszają wytrzymałość na rozciąganie i Spraw, aby materiał był kruchy pod napięciem lub uderzeniem.
Oceny i standardy
Szare żelazo jest klasyfikowane przez wytrzymałość na rozciąganie, często oznaczone przy użyciu standardów takich jak ASTM A48. Przykłady obejmują:
- Klasa 20 (CL20): Niska siła, doskonała obrabialność
- Klasa 30 (CL30): Używanie ogólnego przeznaczenia
- Klasa 40 (CL40): Wyższa siła, Nadaje się do części obciążenia
Wyższe liczby klas wskazują na wyższą wytrzymałość na rozciąganie, zwykle osiągane poprzez dostosowanie szybkości chłodzenia lub zawartości stopu.
Kluczowe właściwości:
- Wysoka wytrzymałość na ściskanie
- Doskonała zdolność tłumienia
- Słaba plastyczność i odporność na uderzenie
Typowe zastosowania szarego żelaza
Opłacalność i wydajność szarego żelaza w aplikacjach zdominowanych przez kompresję sprawiają, że jest to materiał dla materiałów:
- Bloki silnika i głowice cylindrów
- Dyski hamulcowe i bębny
- Łóżka i podstawy narzędzi maszynowych
- Skrzynie biegów i obudowy
- Pompy i zawory
4. Co to jest żelazo plastyczne?
Żelazo plastyczne, znany również jako żelazo guzkowe Lub sferoidalne żelazo grafitowe (SGI), jest rodzajem żeliwa, które oferuje znacznie ulepszone właściwości mechaniczne na szare żelazo - szczególnie pod względem plastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, I odporność na uderzenia.
Kluczowe rozróżnienie leży w kształt grafitu w mikrostrukturze metalu. W żelazku plastycznym, Formy grafitowe jako guzki sferyczne, zamiast płatków jak w szarym żelazku.
Ta okrągła morfologia minimalizuje stężenie stresu, Umożliwianie rozciągania lub deformacji żelaza plastycznego bez szczelinowania - stąd nazwa „plastyczna”.
Mikrostruktura
- Grafit guzkowy: Cząsteczki sferyczne (5–20 μm średnica) które minimalizują stężenie naprężeń, umożliwiając deformację tworzywa sztucznego.
- Matryca: Dostosowane poprzez obróbkę cieplną - ferrytyczne (plastyczny), perlityka (mocny), lub Bainitic (Wysoka siła i wytrzymałość).
Oceny i standardy
ASTM A536 - Standardowa specyfikacja odlewów żelaza plastycznego
- 60-40-18 → 60 Rozciągający, 40 Wydajność KSI, 18% wydłużenie
- 80-55-06 → Wyższa siła, Umiarkowana plastyczność
- 100-70-03 → Bardzo wysoka siła, niska ciągliwość
ISO 1083 - Międzynarodowe oznaczenie sferoidalnego grafitu żelaza
- EN-GJS-400-15 (Podobne do ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (Podobne do ASTM 100-70-03)
Kluczowe właściwości:
- Znacznie wyższa siła i plastyczność
- Większy odporność na uderzenie
- Lepsza odporność na zmęczenie, Idealny do ładowania cyklicznego
- Zachowuje pewną zdolność tłumienia, Chociaż mniej niż szare żelazo
Wspólne zastosowania żelaza plastycznego
Dzięki charakterystyce wydajności, żelazo plastyczne jest szeroko stosowane w:
- Komponenty samochodowe: wały korbowe, Ramiona kontrolne, Obudowy osi
- Miejskie systemy wody i ścieków: rurki i wyposażenie żelaza
- Ciężki sprzęt: koła zębate, sprzęgła, nawiasy, części konstrukcyjne
- Sektor energetyczny: Pięcia turbiny wiatrowej, Systemy hydrauliczne
- Sprzęt kolejowy i górniczy: Części do śledzenia, namiar
5. Porównanie składu chemicznego
Oba stopy składają się głównie z żelaza (Fe), a także węgiel (C) i krzem (I), ale subtelne różnice i dodatki je wyróżniają:
| Element | Szare żelazo (%) | Żeliwo sferoidalne (%) | Notatki |
| Węgiel (C) | 2.5 – 4.0 | 3.0 – 4.0 | Wyższy węgiel promuje tworzenie grafitu |
| Krzem (I) | 1.8 – 3.5 | 1.8 – 3.0 | Krzem poprawia płynność i grafityzację |
| Mangan (Mn) | 0.2 – 1.0 | 0.1 – 0.5 | Kontroluje siłę i przeciwdziała siarce |
| Siarka (S) | 0.02 – 0.12 | 0.005 – 0.03 | Niska siarka potrzebna w żelazku plastycznym do tworzenia guzków |
| Fosfor (P) | 0.1 – 0.2 | 0.02 – 0.05 | Zwykle utrzymywane na niskim poziomie |
| Magnez (Mg) | - - | 0.03 – 0.06 | Dodane w żelazku plastycznym, aby utworzyć grafit guzkowy |
| Nikiel (W), Miedź (Cu), Chrom (Kr) | Śladowe ilości, może się różnić | Można dodać do odporności na korozję lub siłę |
6. Porównanie właściwości fizycznych szarego żelaza z żelazem plastycznym
| Nieruchomość | Szare żelazo | Żeliwo sferoidalne | Notatki |
| Gęstość | ~ 6.9 - 7.3 g/cm3 | ~ 7.0 - 7.3 g/cm3 | Bardzo podobne gęstości, nieco wyższe w przypadku żelaza plastycznego z powodu stopu |
| Temperatura topnienia | 1140 – 1300 °C | 1140 – 1300 °C | Oba mają porównywalne zakresy topnienia |
| Przewodność cieplna | 35 – 55 W/m·K | 30 – 45 W/m·K | Szare żelazo ogólnie prowadzi ciepło lepiej |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | 10 – 12 X10⁻⁶ /° C. | 11 – 13 X10⁻⁶ /° C. | Żelaza plastyczna ma nieco wyższą ekspansję |
| Moduł sprężystości (Moduł Younga) | 100 – 170 GPa | 160 – 210 GPa | Żelazo plastyczne jest znacznie sztywniejsze |
| Współczynnik Poissona | 0.25 – 0.28 | 0.27 – 0.30 | Zamknij wartości, z żelazem plastycznym nieco wyższym |
| Specyficzna pojemność cieplna | ~ 460 J/kg · k | ~ 460 J/kg · k | Prawie identyczne |
| Twardość (Brinell) | 140 – 300 HB | 170 – 340 HB | Żelazo plastyczne jest trudniejsze |
| Przepuszczalność magnetyczna | Ferromagnetyczny | Ferromagnetyczny | Oba są materiałami ferromagnetycznymi |
7. Porównanie właściwości mechanicznych szarego żelaza z żelazem plastycznym
| Właściwość mechaniczna | Szare żelazo | Żeliwo sferoidalne | Notatki |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 170 – 370 MPa | 350 – 700 MPa | Żelazo plastyczne ma znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie |
| Siła plonu | 90 – 250 MPa | 250 – 450 MPa | Żelazo plastyczne wykazuje wyższą granicę plastyczności |
| Wydłużenie (Plastyczność) | 0.5 – 3% | 10 – 18% | Żelazo plastyczne jest znacznie bardziej plastyczne, umożliwiając lepsze odkształcenie przed złamaniem |
| Siła uderzenia | Niski (Słaby odporność na uderzenie) | Wysoki (Dobra wytrzymałość wpływu) | Żelaza plastyczna opiera się znacznie lepiej |
| Moduł sprężystości | 100 – 170 GPa | 160 – 210 GPa | Żelazo plastyczne jest sztywniejsze i silniejsze przy odkształceniu sprężystym |
| Twardość (Brinell) | 140 – 300 HB | 170 – 340 HB | Nieco wyższa twardość w żelazku plastycznym |
| Siła zmęczenia | Niższa odporność na zmęczenie | Wyższa odporność na zmęczenie | Nodularna struktura grafitowa żelaza plastycznego poprawia żywotność zmęczeniową |
| Wytrzymałość na ściskanie | Wysoki (~ 700 MPa) | Wysoki (~ 600 - 900 MPa) | Oba mają dobrą wytrzymałość na ściskanie; szare żelazo ma tendencję do przodu |
8. Produkcja i casting
Zarówno szare żelazo, jak i żelazo plastyczne są wytwarzane przy użyciu ustalonych metod odlewania, ale ich przetwarzanie różni się ze względu na ich wyraźne mikrostruktury i wymagania mechaniczne.
Produkcja szarego żelaza:
- Topnienie i stop: Szare żelazo jest zwykle stopione w piecach kopuły lub elektrycznych piecach indukcyjnych. Kompozycja podstawowa obejmuje żelazo, węgiel (głównie jako grafit), i krzem.
Elementy stopowe, takie jak mangan, siarka, a fosfor są kontrolowane w celu zoptymalizowania możliwości wysyłania i tworzenia grafitu. - Metody odlewania: Najczęstszym procesem jest odlewanie piasku, faworyzowany ze względu na elastyczność i opłacalność, szczególnie w przypadku złożonych lub dużych komponentów, takich jak bloki silników, bazy maszynowe, i bębny hamulcowe.
- Zestalenie: Grafit tworzy się jak płatki w matrycy żelaza podczas chłodzenia, Zapewnienie doskonałego tłumienia wibracji, ale prowadzących do kruchości.
- Skrawalność: Struktura grafitu płatkowego szarego żelaza działa jak smar podczas obróbki, ułatwiając maszynę niż żelazo plastyczne.
Produkcja żelaza plastycznego:
- Topnienie i leczenie: Żelazo plastyczne zaczyna się od podobnych surowców, stopione w piecach indukcyjnych lub elektrycznych.
Kluczowa różnica leży w leczenie nodulowanie—Dadowanie magnezu lub ceru na stopionego żelaza, aby przekształcić płatki grafitowe w sferyczne guzki. - Metody odlewania: Żelazie plastyczne jest często odrzucane za pomocą odlewanie piasku Lub casting inwestycyjny dla części precyzyjnych.
Kontrolowane szybkości chłodzenia i korekty składu zapewniają tworzenie grafitu guzkowego i właściwości mechaniczne. - Kontrola mikrostruktury: Sferyczny grafit zmniejsza stężenie stresu i zwiększa ciągliwość i wytrzymałość.
- Obróbka cieplna: Żelazie plastyczne można obróbkę cieplną (wyżarzane, znormalizowane, lub Austemped) w celu zwiększenia właściwości mechanicznych, w tym wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie.
- Skrawalność: Nieco trudniejsze do maszyny ze względu na jego wyższą wytrzymałość i wytrzymałość w porównaniu z szarym żelazem, ale nadal dobra maszyna przy użyciu odpowiedniego oprzyrządowania.
9. Odporność na korozję i trwałość
Odporność na korozję i długoterminowa trwałość są czynnikami krytycznymi przy wyborze szarego żelaza i żelaza plastycznego, szczególnie w przypadku aplikacji narażonych na trudne środowiska.
Szare żelazo:
- Zachowanie korozji: Szary żelazo jest umiarkowanie odporne na korozję w suchych środowiskach, ale jest podatne na rdzewieństwo, gdy jest wystawione na wilgoć, szczególnie w obecności soli lub warunków kwaśnych.
Płatki grafitowe mogą tworzyć komórki mikro-galaniczne za pomocą matrycy żelaza, przyspieszanie zlokalizowanej korozji. - Ochrona powierzchni: Aby zwiększyć trwałość, Szare elementy żelaza często otrzymują powłoki ochronne, takie jak malowanie, malowanie proszkowe, lub galwanizacja.
W niektórych przypadkach, Do agresywnych środowisk stosuje się wyspecjalizowane stopy lub podszewki oporne na korozję. - Trwałość: Podczas gdy szare żelazo ma doskonałą odporność na zużycie, Korozja może zmniejszyć żywotność komponentów w zastosowaniach na zewnątrz lub mokrej bez odpowiedniej ochrony.
Żeliwo sferoidalne:
- Poprawa odporności na korozję: Sferoidalna struktura grafitu w żelazie plastycznym zmniejsza stężenie naprężeń i tworzy bardziej jednolitą matrycę, co ma tendencję do poprawy odporności na korozję w porównaniu z szarego żelaza.
- Ulepszone zabiegi powierzchniowe: Składniki żelaza plastyczne często wykorzystują powłoki ochronne, takie jak podszewka epoksydowa, Powłoki cynkowe, lub farby poliuretanowe, szczególnie do użytku w systemach rur w wodzie i ściekach.
- Ochrona katodowa: We wnioskach podziemnych lub zanurzonych, Rury żelaza plastyczne często zawierają systemy ochrony katodowej w celu złagodzenia korozji.
- Trwałość w trudnych warunkach: Dzięki jego wyższej wytrzymałości i plastyczności, żelazo plastyczne wytrzymuje naprężenia mechaniczne podczas procesów korozji lepiej niż szary żelazo, Przyczynianie się do dłuższej żywotności usług w obciążeniu cyklicznym i środowisku korozyjnym.
10. Porównanie kosztów
- Surowce: Szare żelazo kosztuje 1–3 USD/kg; żelazo plastyczne kosztuje 1,5–,5 USD/kg (30–50% wyższe) Z powodu guzków MG/CE.
- Przetwarzanie: Szare żelazo nie wymaga po leczeniu; żelazo plastyczne może wymagać wyżarzania ($0.2- Dodatkowe 0,5 USD/kg).
- Koszt cyklu życia: Żelaza plastyczna często oferuje niższe koszty długoterminowe w zastosowaniach o wysokiej stresce (np., kobza: 50-Rok życia vs.. 30 lata na szare żelazo).
11. Kluczowe różnice między szare żelazo a żelazo plastyczne
Zrozumienie podstawowych rozróżnień między szarym żelazem a żelazem plastycznym ma kluczowe znaczenie dla wyboru odpowiedniego materiału na podstawie wymagań dotyczących aplikacji.
| Funkcja | Szare żelazo | Żeliwo sferoidalne |
| Morfologia grafitowa | Łuszczące się płatki grafitowe | Sferoidalny (guzkowaty) grafit |
| Wytrzymałość na rozciąganie | ~ 150–400 MPa | ~ 400–700 MPa |
| Wydłużenie | 1–3% | Aż do 18% |
| Wytrzymałość na ściskanie | Wysoki | Umiarkowane do wysokiego |
| Odporność na uderzenia | Niski (kruchy) | Wysoki (plastyczny) |
| Tłumienie wibracji | Doskonały | Dobre, ale mniej niż szare żelazo |
| Skrawalność | Łatwy (grafit działa jak smar) | Trudniejsze (Twarda Matrix) |
| Odlewalność | Doskonały, mniej wad | Dobry, wymaga kontroli guzka |
| Tendencja skurczowa | Niski | Nieco wyżej |
| Koszt | Niżej | Wyższe z powodu stopu i kontroli |
| Typowe zastosowania | Bloki silnika, bazy maszynowe | Kobza, części samochodowe, elementy konstrukcyjne |
12. Wybór między szarym a żelazem plastycznym
- Priorytetyzuj kontrolę tłumienia/wibracji: Szare żelazo (np., bloki silnika, Łóżka tokarskie).
- Potrzebujesz siły/plastyczności: Żelazo plastyczne (np., wały korbowe, kobza).
- Wrażliwe na koszty, Aplikacje o niskiej stresu: Szare żelazo (np., pokrywy studzienek).
- Obciążenia dynamiczne/ryzyko uderzenia: Żelazo plastyczne (np., Składniki zawieszenia).
13. Wniosek
Szare żelazo vs żelazo plastyczne, Oba rodzaje żeliwa, pełnić odrębne role: szare żelazo wyróżnia się tanimi kosztami, strzępione wibracją, i aplikacje obciążenia ściskającego, podczas gdy żelazo plastyczne dominuje, dynamiczny, oraz scenariusze podatne na uderzenie.
Ich różnice, zakorzenione w morfologii grafitowej, Spraw, aby były niezastąpione w nowoczesnej inżynierii, Zapewnienie ich dalszego znaczenia w motoryzacyjnej, infrastruktura, i maszyny.
Często zadawane pytania
Czy żelazo plastyczne jest silniejsze niż stal?
Tak - żelazo budowlane może rywalizować z niską i średnimi stalami węglowymi (~ 400–600 MPa), Chociaż jest mniej plastyczne.
Czy szare żelazo może być obróbki cieplne?
Nie - zachowuje kruchość z powodu płatków grafitowych i nie poprawia się poprzez obróbkę cieplną.
Po co używać szarego żelaza do bloków silników?
Jego doskonałe tłumienie wibracji, stabilność termiczna, i tani koszt sprawiają, że jest idealny dla komponentów silnika.
Jak długo trwają rurki z żelaza?
Z odpowiednią powłoką i instalacją, Często osiągają 50–100 lat służby.
Oba typy są recyklingowe?
Tak, oba są 95% nadające się do recyklingu, z recyklingiem szarym/plastycznym zachowaniem żelaza 90% oryginalnych właściwości.
