1. Введение
Серый железо против пластичный железо два из наиболее широко используемых типов чугуна, Каждый предлагает уникальные свойства и преимущества, которые делают их незаменимыми в широком спектре отраслей промышленности.
В качестве членов чугуна семейства-сплавов с железоуглероды, обрабатываемость, листовиденность, и экономическая эффективность.
2. Что такое чугун?
Чугун это группа железных углеродных сплавов с содержанием углерода, обычно больше, чем 2%.
Он производится путем таяния железа свиньи - обычно, полученного из железной руды - в печи и заливая расплавленный металл в формы, образуя желаемые формы.
Результат трудный, хрупкий, и сильный материал, который предлагает превосходную литье и широкий спектр механических свойств в зависимости от его специфического состава и обработки.
Общая композиция
Основная композиция чугуна включает:
- Железо (Фе) - Основной элемент
- Углерод (С) - 2,0–4,0%, способствуя листовированости и влиянию на твердость и хрупкость
- Кремний (И) - 1,0–3,0%, который способствует формированию графита во время затвердевания
- Следы марганец (Мин.), сера (С), и фосфор (П) также может присутствовать
Ключевые характеристики чугуна:
- Отличная литейность: Хорошо течет в сложные формы, сделать его идеальным для сложных форм
- Хорошая механизм: Особенно в определенных оценках, таких как серое железо
- Высокая прочность на сжатие: Делает его подходящим для подшипников в структурных приложениях
- Верхняя вибрация демпфирование: Уменьшает шум и движение в машинах и оборудовании
- Экономичный: Недорогой в производстве в больших количествах
Общие виды чугуна:
| Тип чугуна | Графитовая форма | Ключевые свойства | Типичные применения |
| Серый железо | Графитовые хлопья | Отличное вибрационное демпфирование, хорошая обрабатываемость, Высокая прочность на сжатие, хрупкий | Блоки двигателя, Тормозные роторы, машинные базы, насосные корпусы |
| Ковкий чугун | Сфероидальный (узловой) графит | Высокая прочность на растяжение, хорошая пластичность, сопротивление усталости | Трубы, коленчатые валы, подвесные руки, Ветряные турбины |
| Белое железо | Цемент (Нет свободного графита) | Чрезвычайно твердый и износостойкий, очень хрупкий | Мельница, носить тарелки, Запчасти для насоса |
| Податливое железо | Верно углеродные узелки | Умеренная сила и пластичность, ударопрочный, обрабатывается | Трубопроводная арматура, скобки, Небольшие отливки со сложной геометрией |
3. Что такое серое железо?
Серый железо, также известный как Серый чугун, является наиболее часто используемым типом чугуна. Он назван в честь серых цветов поверхности перелома, что связано с наличием графитовые хлопья в своей микроструктуре.
Эти графитовые хлопья создают разрыв в железной матрице, придавая серому железу характерно внешний вид и механические свойства.
Микроструктура
Определяющей особенностью серого железа является его Структура хлопья встроенный в матрицу феррит, жемчужный, или комбинация того и другого.
Эти хлопья образуются во время затвердевания и несут ответственность за материал:
- Отличный гашение вибрации
- Хороший теплопроводность
- Высокий прочность на сжатие
Однако, резкие края хлопьев действуют как концентраторы стресса, что значительно снижает прочность на растяжение и сделать материал хрупким под напряжением или воздействием.
Оценки и стандарты
Серое железо классифицируется предел прочности, часто обозначается с использованием стандартов, таких как ASTM A48. Примеры включают в себя:
- Сорт 20 (CL20): Низкая сила, отличная обрабатываемость
- Сорт 30 (CL30): Использование общего назначения
- Сорт 40 (CL40): Более высокая сила, Подходит для погрузочных деталей
Более высокие числа классов указывают на более высокую прочность на растяжение, Обычно достигается путем корректировки скоростей охлаждения или содержания сплава.
Ключевые свойства:
- Высокая прочность на сжатие
- Отличная демпфирующая способность
- Плохая пластичность и воздействие сопротивления
Типичные применения серого железа
Экономическая эффективность и производительность серого железа в приложениях с доминированием сжатия делают его материалом для:
- Блоки двигателя и головки цилиндров
- Тормозные диски и барабаны
- Кровати и основания с помощью машинного инструмента
- Коробки передач и корпусы
- Насосы и клапаны
4. Что такое пластичный железо?
Пластичный железо, также известный как Узловой чугун или Сфероидальное графитовое железо (SGI), это тип чугуна, который предлагает значительно улучшенные механические свойства по сравнению с серого железа, особенно с точки зрения пластичность, предел прочности, и ударопрочность.
Ключевое различие заключается в форма графита В микроструктуре металла. В пластичном железе, графитовые формы как сферические узелки, а не хлопья, как в сером железе.
Эта круглая морфология сводит к минимуму концентрацию стресса, позволяя пластичному железу растягиваться или деформироваться без разрыва разрыва - отсюда и название «пластичный».
Микроструктура
- Узловой графит: Сферические частицы (5Диаметр –20 мкм) это минимизирует концентрацию стресса, позволяя пластической деформации.
- Матрица: Адаптировано с помощью термической обработки - (пластичный), жемчужный (сильный), или Bainitic (Высокая сила и прочность).
Оценки и стандарты
ASTM A536 - Стандартная спецификация для прокурорных отливок
- 60-40-18 → 60 Растяжение, 40 Доходность KSI, 18% удлинение
- 80-55-06 → Более высокая сила, умеренная пластичность
- 100-70-03 → Очень высокая сила, низкая пластичность
ИСО 1083 - Международное обозначение для сфероидального графита железа
- EN-GJS-400-15 (Похоже на ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (Похоже на ASTM 100-70-03)
Ключевые свойства:
- Гораздо более высокая сила и пластичность
- Большее воздействие сопротивления
- Лучшая устойчивость к усталости, Идеально подходит для циклической нагрузки
- Сохраняет некоторую демпфирующую способность, хотя меньше, чем серое железо
Общее применение пластичного железа
Благодаря его характеристикам производительности, пластичный железо широко используется в:
- Автомобильные компоненты: коленчатые валы, управление руками, корпусы оси
- Муниципальные системы воды и сточных вод: пластичные железные трубы и фитинги
- Тяжелое оборудование: шестерни, муфты, скобки, структурные части
- Энергетический сектор: Ветряные турбины, Гидравлические системы
- Железнодорожное и горнодобывающее оборудование: отслеживать детали, подшипники
5. Сравнение химического состава
Оба сплава в основном состоят из железа (Фе), а также углерод (С) и кремний (И), Но тонкие различия и добавки различают их:
| Элемент | Серый железо (%) | Ковкий чугун (%) | Примечания |
| Углерод (С) | 2.5 – 4.0 | 3.0 – 4.0 | Более высокий углерод способствует образованию графита |
| Кремний (И) | 1.8 – 3.5 | 1.8 – 3.0 | Кремний улучшает текучесть и графитизацию |
| Марганец (Мин.) | 0.2 – 1.0 | 0.1 – 0.5 | Контролирует силу и противодействует серной |
| сера (С) | 0.02 – 0.12 | 0.005 – 0.03 | Низкая сера, необходимая в пластичном железе для образования узелков |
| Фосфор (П) | 0.1 – 0.2 | 0.02 – 0.05 | Обычно сохраняется низко для пластичности |
| Магний (мг) | - | 0.03 – 0.06 | Добавлен в пластичный железо для создания узлового графита |
| Никель (В), Медь (Cu), Хром (Кр) | Следы, может варьироваться | Может быть добавлен для коррозионной устойчивости или прочности |
6. Сравнение физического свойства серого железа с пластичным железом
| Свойство | Серый железо | Ковкий чугун | Примечания |
| Плотность | ~ 6.9 - 7.3 г/см³ | ~ 7,0 - 7.3 г/см³ | Очень похожая плотность, немного выше для пластичного железа из -за легирования |
| Точка плавления | 1140 – 1300 °С | 1140 – 1300 °С | Оба имеют сопоставимые диапазоны плавления |
| Теплопроводность | 35 – 55 Вт/м·К | 30 – 45 Вт/м·К | Серое железо обычно лучше тепло |
| Коэффициент теплового расширения | 10 – 12 X10⁻⁶ /° C. | 11 – 13 X10⁻⁶ /° C. | Пластичный железо имеет немного более высокое расширение |
| Модуль упругости (Модуль Юнга) | 100 – 170 ГПа | 160 – 210 ГПа | Пластичный железо значительно жестче |
| Коэффициент Пуассона | 0.25 – 0.28 | 0.27 – 0.30 | Закрытые значения, с пластильным железом немного выше |
| Удельная теплоемкость | ~ 460 J/кг · к | ~ 460 J/кг · к | Почти идентично |
| Твердость (Бринелл) | 140 – 300 полупансион | 170 – 340 полупансион | Пластичный железо, как правило, сложнее |
| Магнитная проницаемость | Ферромагнитный | Ферромагнитный | Оба являются ферромагнитными материалами |
7. Сравнение механического свойства серого железа с пластичным железом
| Механическое свойство | Серый железо | Ковкий чугун | Примечания |
| Предел прочности | 170 – 370 МПа | 350 – 700 МПа | Пластичный железо значительно более высокая прочность на растяжение |
| Предел текучести | 90 – 250 МПа | 250 – 450 МПа | Пластичный железо демонстрирует более высокую силу урожая |
| Удлинение (Пластичность) | 0.5 – 3% | 10 – 18% | Пластичный железо гораздо более пластичный, позволяя лучшей деформации перед переломом |
| Ударная вязкость | Низкий (плохое воздействие) | Высокий (Хорошая ударная выносливость) | Пластичный железо сопротивляется шоковым нагрузкам намного лучше |
| Модуль упругости | 100 – 170 ГПа | 160 – 210 ГПа | Пластичный железо более жестко и сильнее при упругой деформации |
| Твердость (Бринелл) | 140 – 300 полупансион | 170 – 340 полупансион | Немного более высокая твердость в пластичном железе |
| Усталостная прочность | Более низкая устойчивость к усталости | Более высокая устойчивость к усталости | Структура узелкового графита пластичного железа улучшает усталостную жизнь |
| Прочность на сжатие | Высокий (~ 700 МПа) | Высокий (~ 600 - 900 МПа) | Оба имеют хорошую прочность на сжатие; серое железо имеет тенденцию преуспевать |
8. Производство и кастинг
Как серое железо, так и пластичное железо образуются с использованием установленных методов литья, Но их обработка отличается из -за их различных микроструктур и механических требований.
Производство серого железа:
- Плавление и легирование: Серое железо обычно расплавлена в печи Cupola или в электрических индукционных печи. Базовая композиция включает железо, углерод (в основном как графит), и кремний.
Легирующие элементы, такие как марганец, сера, и фосфор контролируется для оптимизации отливки и графита. - Методы кастинга: Наиболее распространенным процессом является литье в песок, предпочитается за его гибкость и экономическую эффективность, Особенно для сложных или больших компонентов, таких как блоки двигателя, машинные базы, и тормозные барабаны.
- затвердевание: Графитовые формы в виде хлопьев внутри железной матрицы во время охлаждения, обеспечение превосходного демпфирования вибрации, но приводит к хрупкости.
- Обрабатываемость: Структура хлопья серого железа действует как смазка во время обработки, Упростить машину, чем пластичный железо.
Производство пластичного железа:
- Плавление и лечение: Пластичный железо начинается с аналогичного сырья, расплавлены в индукции или электрических дуговых печи.
Ключевое отличие заключается в Уздолизирующее лечение–Dhing магний или церий к расплавленному железу для превращения графитовых хлопьев в сферические узелки. - Методы кастинга: Пластичное железо часто бросается с помощью литье в песок или литье по выплавляемым моделям Для точных частей.
Контролируемые скорости охлаждения и корректировки композиции обеспечивают образование узловых графитов и механические свойства. - Контроль микроструктуры: Сферический графит снижает концентрации напряжений и увеличивает пластичность и прочность.
- Термическая обработка: Пластичный железо может быть обработан на тепло (отожженный, нормализован, или Austempered) Для улучшения механических свойств, включая прочность на растяжение и устойчивость к усталости.
- Обрабатываемость: Немного более сложно для машины из -за более высокой прочности и жесткости по сравнению с серого железа, но все же хорошая механизм при использовании подходящего инструмента.
9. Коррозионная стойкость и долговечность
Коррозионная стойкость и долгосрочная долговечность являются критическими факторами при выборе между серого железа и пластичного железа, Особенно для приложений, подвергшихся воздействию суровых средств.
Серый железо:
- Коррозионное поведение: Серое железо умеренно устойчиво к коррозии в сухих средах, но подвержена ржавчине при воздействии влаги, особенно в присутствии солей или кислых условий.
Графитовые хлопья могут создавать микрогалванические клетки с матрицей железа, Ускорение локализованной коррозии. - Поверхностная защита: Для повышения долговечности, Серые железные компоненты часто получают защитные покрытия, такие как живопись, порошковое покрытие, или гальванизировать.
В некоторых случаях, Специализированные коррозионные сплавы или накладки применяются для агрессивной среды. - Долговечность: В то время как серого железа обладает отличной износостойкостью, Коррозия может снизить срок службы компонентов в наружных или влажных применениях без адекватной защиты.
Ковкий чугун:
- Улучшенная коррозионная стойкость: Сфероидальная графитная структура в пластичном железе уменьшает концентрации напряжений и создает более однородную матрицу, который имеет тенденцию повысить коррозионную стойкость по сравнению с серого железа.
- Улучшенная поверхностная обработка: Компоненты пластичного железа обычно используют защитные покрытия, такие как эпоксидная подкладка, цинковые покрытия, или полиуретановые краски, Специально для использования в системах трубопроводов с водой и сточными водами.
- Катодная защита: В подземных или погруженных приложениях, Проночные железные трубы часто включают в себя системы катодной защиты для смягчения коррозии.
- Долговечность в суровых условиях: Благодаря его более высокой прочности и пластичности, пластичный железо выдерживает механические напряжения во время процессов коррозии лучше, чем серое железо, Вклад в более длительный срок службы в рамках циклической нагрузки и коррозийной среды.
10. Сравнение затрат
- Сырье: Серое железо стоит 1–3 доллара/кг; пластичный железо стоит 1,5–4,5 долл. США/кг (30–50% выше) из -за узловиков Mg/CE.
- Обработка: Серое железо не требует после лечения; пластичное железо может потребоваться отжиг ($0.2- $ 0,5/кг).
- Стоимость жизненного цикла: Пронистый железо часто предлагает более низкие долгосрочные затраты в приложениях с высоким уровнем стресса (например, трубы: 50-Год жизни против. 30 годы для серого железа).
11. Ключевые различия между серым железом против пластичного железа
Понимание фундаментальных различий между серым железом и пластичным железом имеет решающее значение для выбора соответствующего материала на основе требований применения.
| Особенность | Серый железо | Ковкий чугун |
| Графит морфология | Слаженные графитовые хлопья | Сфероидальный (узловой) графит |
| Предел прочности | ~ 150–400 МПа | ~ 400–700 МПа |
| Удлинение | 1–3% | До 18% |
| Прочность на сжатие | Высокий | От умеренного до высокого |
| Ударопрочность | Низкий (хрупкий) | Высокий (пластичный) |
| Вибрационное демпфирование | Отличный | Хорошо, но меньше, чем серое железо |
| Обрабатываемость | Легкий (графит действует как смазка) | Сложнее (жесткая матрица) |
| Литейность | Отличный, меньше дефектов | Хороший, Требуется контроль узелзатора |
| Тенденция усадки | Низкий | Чуть выше |
| Расходы | Ниже | Выше из -за легирования и контроля |
| Типичные применения | Блоки двигателя, машинные базы | Трубы, автомобильные детали, структурные компоненты |
12. Выбор между серым и пластичным железом
- Расстановите приоритеты демпфирования/управления вибрацией: Серый железо (например, блоки двигателя, токарные кровати).
- Нужна сила/пластичность: Пластичный железо (например, коленчатые валы, трубы).
- Чувствительный к стоимости, Приложения с низким стрессом: Серый железо (например, крышки люков).
- Динамические нагрузки/воздействие риска: Пластичный железо (например, Компоненты подвески).
13. Заключение
Серое железо против пластичного железа, оба типа чугуна, служить отдельным ролям: серое железо отличается по низкой стоимости, вибрационная, и приложения для сжатия, в то время как пластильный железо доминирует в высоком стрессе, динамичный, и склонные к воздействию сценарии.
Их различия, коренятся в графитовой морфологии, сделать их незаменимыми в современной инженерии, обеспечение их дальнейшей актуальности в автомобильной, инфраструктура, и техника.
Часто задаваемые вопросы
Яростный железо сильнее стали?
Да, утюг из газет (~ 400–600 МПа), Хотя это менее пластично.
Может ли серый железо быть тепло?
Нет - это сохраняет хрупкость из -за графитовых хлопьев и не улучшается с помощью термообработки.
Зачем использовать серое железо для блоков двигателя?
Его превосходное вибрационное демпфирование, термическая стабильность, и низкая стоимость делает его идеальным для компонентов двигателя.
Как долго продерживаются проводные железные трубы?
С надлежащим покрытием и установкой, Они часто достигают 50–100+ лет обслуживания.
Оба типа пригодны для переработки?
Да, Оба 95% пригодный для вторичной переработки, с переработанным серым/пластичным железом 90% оригинальных свойств.
