1. Вступ
Сіре залізо проти пластичне залізо є двома найпоширенішими видами чавуну, кожна з них пропонує унікальні властивості та переваги, що робить їх незамінними в багатьох галузях промисловості.
Як члени сімейства чавуну — залізо-вуглець-кремнієві сплави, утворені виливанням розплавленого металу у форми — обидва матеріали цінуються за свою міцність, обробка, каста, і економічна ефективність.
2. Що таке чавун?
Чавун це група залізовуглецевих сплавів із вмістом вуглецю, як правило, більшим ніж 2%.
Його виробляють шляхом плавлення чавуну, зазвичай одержуваного із залізної руди, у печі та розливання розплавленого металу у форми для формування бажаних форм..
Результат важкий, крихкий, і міцний матеріал, який забезпечує чудову ливарну здатність і широкий діапазон механічних властивостей залежно від його конкретного складу та обробки.
Загальний склад
Основний склад чавуну включає:
- Прасувати (Феод) – первинний елемент
- Вуглець (C) – 2,0–4,0%, сприяючи литтю і впливаючи на твердість і крихкість
- Кремнію (І) – 1,0–3,0%, що сприяє утворенню графіту під час затвердіння
- Слідові кількості марганець (Мн), сірка (S), і фосфор (С) також може бути присутнім
Ключові характеристики чавуну:
- Відмінна кастабність: Добре розливається в складні форми, що робить його ідеальним для складних форм
- Хороша оброблюваність: Особливо в деяких сортах, як-от сірий чавун
- Висока міцність на стиск: Робить його придатним для витримування навантажень у конструкціях
- Чудове гасіння вібрації: Зменшує шум і рух машин і обладнання
- Економічний: Недорогий для виробництва у великих кількостях
Поширені типи чавуну:
| Тип чавуну | Графітова форма | Ключові властивості | Типові програми |
| Сіре залізо | Graphite flakes | Відмінне вібраційне демпфірування, Хороша обробка, висока міцність на стиск, крихкий | Блоки двигуна, гальмівні ротори, машинні бази, насосні корпуси |
| Пластичне залізо | Сфероїдальний (вузлуватий) графіт | Висока міцність на розрив, хороша пластичність, втома | Труби, колінчасті вали, важелі підвіски, концентратори вітрових турбін |
| Біле залізо | Cementite (немає вільного графіту) | Надзвичайно твердий і зносостійкий, дуже крихкий | Вкладиші млинів, носити пластини, частини шламового насоса |
| Ковкий чавун | Загартуйте вуглецеві конкреції | Помірна міцність і пластичність, ударостійкий, піддається обробці | Трубопровідна арматура, дужки, невеликі виливки зі складною геометрією |
3. Що таке сірий чавун?
Сіре залізо, також відомий як сірий чавун, є найпоширенішим типом чавуну. Свою назву отримав за сірий колір поверхні зламу, що зумовлено наявністю графітові лусочки в його мікроструктурі.
Ці графітові пластівці створюють розрив у залізній матриці, надання сірому чавуну характерного зовнішнього вигляду та механічних властивостей.
Мікроструктура
Визначальною ознакою сірого чавуну є його структура лускового графіту вбудовані в матрицю ферит, перліт, або поєднання обох.
Ці пластівці утворюються під час затвердіння і відповідають за матеріал:
- Відмінний Вібраційне демпфірування
- Добрий Теплопровідність
- Високий міцність на стиск
Однак, гострі краї пластівців діють як концентратори напруги, які значно знижують міцність на розрив і роблять матеріал крихким під напругою або ударом.
Оцінки та стандарти
Сірий чавун класифікується за Сила на розрив, часто позначається за допомогою таких стандартів, як ASTM A48. Приклади включають:
- Клас 20 (CL20): Низька міцність, відмінна оброблюваність
- Клас 30 (CL30): Загального призначення
- Клас 40 (CL40): Вища міцність, підходить для несучих частин
Вищі номери класу вказують на вищу міцність на розрив, зазвичай досягається шляхом регулювання швидкості охолодження або вмісту сплаву.
Ключові властивості:
- Висока міцність на стиск
- Відмінна амортизаційна здатність
- Погана пластичність і ударостійкість
Типове застосування сірого чавуну
Економічна ефективність і ефективність сірого чавуну в програмах, де переважає стиснення, роблять його основним матеріалом для:
- Блоки двигунів і головки циліндрів
- Гальмівні диски та барабани
- Станини та основи верстатів
- Коробки передач і корпуси
- Насоси та клапани
4. Що таке ковкий чавун?
Ковкий чавун, також відомий як чавун з шаровидним шаром або чавун із кулястим графітом (SGI), це тип чавуну, який пропонує значно покращені механічні властивості порівняно із сірим чавуном, особливо з точки зору пластичність, Сила на розрив, і ударний опір.
Ключова відмінність полягає в форма графіту в мікроструктурі металу. В ковкий чавун, графіт утворює як кулясті вузлики, а не лусочки, як у сірого чавуну.
Ця округла морфологія мінімізує концентрацію стресу, дозволяючи ковкому чавуну розтягуватися або деформуватися без руйнування — звідси й назва «ковкий».
Мікроструктура
- Нодулярний графіт: Сферичні частинки (5–20 мкм діаметр) що мінімізує концентрацію стресу, можливість пластичної деформації.
- Матриця: Пошитий термічною обробкою—феритний (Герцоги), перлітний (сильний), або бейнітний (висока міцність і в'язкість).
Оцінки та стандарти
ASTM A536 – Стандартні специфікації для виливків із ковкого чавуну
- 60-40-18 → 60 ksi на розтяг, 40 ksi вихід, 18% подовження
- 80-55-06 → Вища міцність, помірна пластичність
- 100-70-03 → Дуже висока міцність, низька пластичність
ISO 1083 – Міжнародне позначення чавуну з кулястим графітом
- EN-GJS-400-15 (аналогічно ASTM 60-40-18)
- EN-GJS-700-2 (аналогічно ASTM 100-70-03)
Ключові властивості:
- Значно вище міцність і пластичність
- Більша ударостійкість
- Краща стійкість до втоми, ідеально підходить для циклічного завантаження
- Зберігає деяку амортизаційну здатність, хоча менше, ніж сірий чавун
Загальні області застосування ковкого чавуну
Завдяки своїм експлуатаційним характеристикам, ковкий чавун широко використовується в:
- Автомобільні компоненти: колінчасті вали, контрольні зброї, корпуси осей
- Муніципальні системи водопостачання та водовідведення: труби та фітинги з ковкого чавуну
- Важка техніка: шестерні, муфти, дужки, структурні частини
- Енергетичний сектор: концентратори вітрових турбін, гідравлічні системи
- Залізничне та гірничошахтне обладнання: частини колії, підшипники
5. Порівняння хімічного складу
Обидва сплави в основному складаються із заліза (Феод), а також вуглець (C) і кремнію (І), але тонкі відмінності та добавки відрізняють їх:
| Елемент | Сіре залізо (%) | Пластичне залізо (%) | Нотатки |
| Вуглець (C) | 2.5 - 4.0 | 3.0 - 4.0 | Вищий вуглець сприяє утворенню графіту |
| Кремнію (І) | 1.8 - 3.5 | 1.8 - 3.0 | Кремній покращує текучість і графітизацію |
| Марганець (Мн) | 0.2 - 1.0 | 0.1 - 0.5 | Контролює силу і протидіє сірці |
| Сірка (S) | 0.02 - 0.12 | 0.005 - 0.03 | Низький вміст сірки, необхідний у ковкому чавуні для утворення конкрецій |
| Фосфор (С) | 0.1 - 0.2 | 0.02 - 0.05 | Зазвичай зберігається на низькому рівні для пластичності |
| Магній (Мг) | - | 0.03 - 0.06 | Додається в ковкий чавун для створення шаровидного графіту |
| Нікель (У), Мідь (Куточок), Хром (Cr) | Слідові кількості, може змінюватися | Може бути доданий для стійкості до корозії або міцності |
6. Порівняння фізичних властивостей сірого та ковкого чавуну
| Майно | Сіре залізо | Пластичне залізо | Нотатки |
| Щільність | ~6,9 – 7.3 g/cm³ | ~7,0 – 7.3 g/cm³ | Дуже схожі щільності, трохи вище для ковкого чавуну через легування |
| Точка плавлення | 1140 - 1300 ° C | 1140 - 1300 ° C | Обидва мають порівняні діапазони плавлення |
| Теплопровідність | 35 - 55 З/м · k | 30 - 45 З/м · k | Сірий чавун зазвичай краще проводить тепло |
| Коефіцієнт теплового розширення | 10 - 12 x10⁻⁶ /°C | 11 - 13 x10⁻⁶ /°C | Ковкий чавун має трохи більше розширення |
| Модуль еластичності (Модуль Янга) | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Ковкий чавун значно жорсткіший |
| Співвідношення Пуассона | 0.25 - 0.28 | 0.27 - 0.30 | Близькі значення, з ковким чавуном трохи вище |
| Конкретна теплоємність | ~460 Дж/кг·К | ~460 Дж/кг·К | Майже однакові |
| Твердість (Брінелл) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Ковкий чавун, як правило, твердіший |
| Магнітна проникність | Феромагнітний | Феромагнітний | Обидва є феромагнітними матеріалами |
7. Порівняння механічних властивостей сірого та ковкого чавуну
| Механічна властивість | Сіре залізо | Пластичне залізо | Нотатки |
| Сила на розрив | 170 - 370 MPA | 350 - 700 MPA | Ковкий чавун має значно вищу міцність на розрив |
| Похідна сила | 90 - 250 MPA | 250 - 450 MPA | Ковкий чавун демонструє вищу межу текучості |
| Подовження (Пластичність) | 0.5 - 3% | 10 - 18% | Ковкий чавун набагато більш пластичний, забезпечуючи кращу деформацію перед розломом |
| Вплив сили | Низький (погана ударостійкість) | Високий (хороша ударна в'язкість) | Ковкий чавун набагато краще протистоїть ударним навантаженням |
| Модуль еластичності | 100 - 170 GPA | 160 - 210 GPA | Ковкий чавун більш жорсткий і міцний при пружній деформації |
| Твердість (Брінелл) | 140 - 300 HB | 170 - 340 HB | Трохи вища твердість у ковкого чавуну |
| Сила втоми | Нижча стійкість до втоми | Вища стійкість до втоми | Структура шаровидного графіту ковкого чавуну покращує довговічність |
| Міцність на стиск | Високий (~700 МПа) | Високий (~600 – 900 MPA) | Обидва мають хорошу міцність на стиск; сірий чавун, як правило, перевершує |
8. Виготовлення та лиття
Як сірий чавун, так і ковкий чавун виробляють за допомогою встановлених методів лиття, але їх обробка відрізняється через відмінну мікроструктуру та механічні вимоги.
Виробництво сірого чавуну:
- Плавлення та легування: Сірий чавун зазвичай плавлять у вагранках або електроіндукційних печах. До базового складу входить залізо, вуглець (переважно як графіт), і кремнію.
Легуючі елементи, такі як марганець, сірка, і фосфор контролюються для оптимізації ливарності та утворення графіту. - Методи лиття: Найпоширенішим процесом є пісочний кастинг, віддають перевагу за свою гнучкість і економічну ефективність, особливо для складних або великих компонентів, таких як блоки двигунів, машинні бази, і гальмівні барабани.
- Затвердіння: Графіт утворюється у вигляді пластівців у залізній матриці під час охолодження, забезпечує чудове гасіння вібрації, але призводить до крихкості.
- Обробка: Лускатий графіт сірого чавуну діє як мастило під час обробки, що полегшує обробку, ніж ковкий чавун.
Виробництво ковкого чавуну:
- Плавлення та лікування: Ковкий чавун починається з аналогічної сировини, плавлять в індукційних або електродугових печах.
Ключова відмінність полягає в вузлове лікування— додавання магнію або церію до розплавленого заліза для перетворення графітових пластівців у сферичні конкреції. - Методи лиття: Ковкий чавун часто використовують для лиття пісочний кастинг або інвестиційне кастинг для точних деталей.
Контрольована швидкість охолодження та коригування складу забезпечують утворення вузликового графіту та механічні властивості. - Контроль мікроструктури: Сферичний графіт знижує концентрацію напруги і підвищує пластичність і міцність.
- Термічна обробка: Ковкий чавун піддається термічній обробці (відпалений, нормалізовано, або аустемперований) Для посилення механічних властивостей, включаючи міцність на розрив і стійкість до втоми.
- Обробка: Трохи складніше в обробці через його вищу міцність і в'язкість порівняно з сірим чавуном, але все ще добре піддається механічній обробці при використанні відповідних інструментів.
9. Стійкість до корозії та довговічність
Стійкість до корозії та довгострокова довговічність є критичними факторами при виборі між сірим та ковким чавуном, особливо для застосування в суворих умовах.
Сіре залізо:
- Корозійна поведінка: Сірий чавун помірно стійкий до корозії в сухому середовищі, але піддається іржавінню під впливом вологи, особливо в присутності солей або кислих умов.
Пластівці графіту можуть створювати мікрогальванічні елементи із залізною матрицею, прискорення локалізованої корозії. - Захист поверхні: Для підвищення довговічності, компоненти сірого чавуну часто отримують захисні покриття, наприклад фарбу, порошкове покриття, або оцинкування.
У деяких випадках, для агресивних середовищ застосовують спеціальні корозійностійкі сплави або футеровки. - Міцність: Тоді як сірий чавун має відмінну зносостійкість, корозія може скоротити термін служби компонентів у зовнішньому або вологому застосуванні без належного захисту.
Пластичне залізо:
- Покращена стійкість до корозії: Сфероїдна структура графіту в ковкому чавуні зменшує концентрацію напруги та створює більш однорідну матрицю, який, як правило, покращує стійкість до корозії порівняно з сірим чавуном.
- Покращена обробка поверхні: Компоненти з ковкого чавуну зазвичай мають захисні покриття, такі як епоксидне покриття, цинкові покриття, або поліуретанові фарби, особливо для використання в системах водопостачання та каналізації.
- Катодний захист: У підземних або занурених застосуваннях, труби з ковкого чавуну часто включають системи катодного захисту для пом'якшення корозії.
- Довговічність у важких умовах: Завдяки підвищеній міцності та пластичності, ковкий чавун краще, ніж сірий чавун, витримує механічні навантаження в процесі корозії, сприяючи більш тривалому терміну служби при циклічних навантаженнях і корозійних середовищах.
10. Порівняння витрат
- Сировина: Сірий чавун коштує $1–$3/кг; ковкий чавун коштує 1,5–4,5 дол./кг (30– на 50% вище) завдяки Mg/Ce нодулайзерам.
- Обробка: Сірий чавун не потребує додаткової обробки; ковкий чавун може потребувати відпалу ($0.2–0,5$/кг додатково).
- Вартість життєвого циклу: Ковкий чавун часто пропонує нижчі довгострокові витрати у застосуваннях із високим навантаженням (Напр., труби: 50-рік життя проти. 30 років для сірого чавуну).
11. Основні відмінності між сірим чавуном і ковким чавуном
Розуміння фундаментальних відмінностей між сірим чавуном і ковким чавуном має вирішальне значення для вибору відповідного матеріалу на основі вимог застосування.
| Означати | Сіре залізо | Пластичне залізо |
| Морфологія графіту | Лускатий графіт | Сфероїдальний (вузлуватий) графіт |
| Сила на розрив | ~150–400 МПа | ~400–700 МПа |
| Подовження | 1–3% | До 18% |
| Міцність на стиск | Високий | Помірний до високого |
| Ударний опір | Низький (крихкий) | Високий (Герцоги) |
| Гасіння вібрації | Відмінний | Добре, але менше, ніж сірий чавун |
| Обробка | легко (Графіт виконує роль мастила) | Складніше (жорстка матриця) |
| Каста | Відмінний, менше дефектів | Добрий, вимагає контролю нодулайзера |
| Тенденція до усадки | Низький | Трохи вище |
| Вартість | Опускатися | Вищий завдяки легуванню та контролю |
| Типові програми | Блоки двигуна, машинні бази | Труби, Автомобільні деталі, Структурні компоненти |
12. Вибір між сірим та ковким чавуном
- Надайте пріоритет контролю амортизації/вібрації: Сіре залізо (Напр., блоки двигуна, станини токарні).
- Потрібна міцність/пластичність: Ковкий чавун (Напр., колінчасті вали, труби).
- Чутливий до вартості, Програми з низьким рівнем стресу: Сіре залізо (Напр., кришки люків).
- Динамічні навантаження/ризик ударів: Ковкий чавун (Напр., компоненти підвіски).
13. Висновок
Сірий чавун проти ковкого чавуну, обидва види чавуну, виконувати різні ролі: сірий чавун відрізняється низькою вартістю, вібраційні, і застосування стиснення, тоді як ковкий чавун домінує над високонапруженим, динамічний, і сценарії, схильні до впливу.
Їх відмінності, ґрунтується на морфології графіту, роблять їх незамінними в сучасному машинобудуванні, забезпечення їх подальшої актуальності в автомобільній промисловості, інфраструктура, і техніка.
Поширені запитання
Ковкий чавун міцніший за сталь?
Так, ковкий чавун може конкурувати з низько- та середньовуглецевою сталлю (~400–600 МПа), хоча він менш пластичний.
Чи можна термічно обробити сірий чавун?
Ні — він зберігає крихкість через лусочки графіту і не покращується після термічної обробки.
Навіщо використовувати сірий чавун для блоків двигунів?
Його відмінне гасіння вібрації, термічна стабільність, і низька вартість роблять його ідеальним для компонентів двигуна.
Скільки служать труби з ковкого чавуну?
З належним покриттям та установкою, вони часто досягають 50–100+ років служби.
Обидва види підлягають переробці?
Так, обидва є 95% переробка, з переробленим сірим/ковким чавуном 90% оригінальних властивостей.
