Гибкое железо? Ковкий чугун против чугуна

Как инженеры выбирают сплав для литья металлов

При выборе сплава железа для отливки металлург учитывает бюджет, требуемые механические свойства и этапы после отливки, такие как механическая и термическая обработка. Эти требования определяют, какой сплав использовать. В наши дни самый большой выбор между ковким чугуном и чугуном.

Технически «чугун» предполагает сплавы железа, которые отливаются в литейном цехе. Ковкий чугун является одним из таких сплавов. Тем не менее, пластичный металл является относительным новичком на рынке и обладает уникальными механическими свойствами, которые отличают его от других сплавов железа. Это различие означает, что «чугун» обычно означает сплавы серого или белого железа, которые веками использовались в кузнечном деле.

Какие виды чугуна отливают в литейном цехе?

• Ковкий чугун:этот тип чугуна был разработан в 1948 году и стал очень важным сплавом для литейных производств. Он намного менее хрупок, чем другие чугуны.
• Ковкий чугун. До изобретения ковкого чугуна этот сплав был более популярен. Это белый чугун, подвергающийся очень длительной термообработке. Условия в термообработке должны строго контролироваться. Когда ковкое железо готово, оно становится намного менее хрупким. Ковкий по-прежнему используется для небольших тонких отливок, где пластичный менее успешен.
• Белый чугун:этот сплав охлаждается быстрее, чем другие чугуны, в результате чего в его решетке образуется молекула, называемая цементитом. Это хрупкий сплав, но он обладает превосходной твердостью и стойкостью к истиранию. Он часто используется в подшипниках и других устройствах с высоким коэффициентом трения.
• Серый чугун:большинство стандартных «чугунных» изделий изготавливаются из серого чугуна, поэтому, когда люди используют этот термин, скорее всего, имеется в виду сплав. В отличие от белого чугуна, серый чугун имеет графитовую микроструктуру. Обладает отличной способностью гашения вибрации и отличной обрабатываемостью.

Отливки из белого и серого чугуна очень похожи. Их окраска проявляется только тогда, когда они ломаются.

В чем разница между ковким чугуном и чугуном?

Ковкий чугун менее хрупок, чем другие чугуны, даже до термической обработки. Он не так легко ломается при ударе. Пластичность позволяет железу гнуться. Для сравнения, серый чугун тверже. Эта твердость означает, что он хорошо справляется с поверхностным износом. Серый чугун также лучше гасит вибрации. Различия связаны с микроструктурой графита в этих сплавах железа.

Серый чугун содержит 2,5–4% углерода и 1–3% кремния по весу. Кремний в сплаве необходим для стабилизации молекул графита, которые придают серому чугуну его свойства. Однако этот кремний эффективен для поддержки и поддержания графита только в том случае, если металл не подвергается тепловому удару при охлаждении. Очень быстрое охлаждение приведет к образованию цементита и превращению серого чугуна в белый, даже с кремнием в смеси. В сером чугуне чешуйки графита проникают сквозь поверхность и видны в полированном сером чугуне.

Ковкий чугун содержит 3,2–3,6 % углерода, 2,2–2,8 % кремния и небольшой процент «комковатого элемента». Обнаруженный в 1943 году ковкий чугун обладал многими из тех же свойств, что и ковкий чугун, только он обладал этими свойствами прямо из формы. Длительная и техническая термообработка, необходимая для изготовления ковкого чугуна, сделала его более дорогим и подверженным ошибкам. Ductile был очевидным решением. (ковкий все еще используется в тонких отливках, где ковкий остывает слишком быстро и образует карбиды.)

Как и серый чугун, графит является важной частью микроструктуры ковкого чугуна. Тем не менее, образующий узелки элемент, такой как магний, церий или теллур, формирует молекулы графита в виде сфер, а не чешуек. Эти сферы скользят друг относительно друга, а не создают плоскости, по которым железо может расколоться. Узелки делают ковкий чугун более гибким и менее твердым. Там, где требуется твердость поверхности, можно использовать термообработку.

 

ВЫСОКИЙ ЧУГУН (ASTM A536)

СЕРЫЙ ЖЕЛЕЗ (ASTM 40)

БЕЛОЕ ЖЕЛЕЗО

КОВКИЙ ЧУГУН (ЧУГУН БЕЛЫЙ, ОТОЖЖЕННЫЙ)

Кастировка

Стандартная литейная способность:намного проще, чем стальная заливка

Урожайность

50 000 фунтов на квадратный дюйм

—

—

33 000 фунтов на квадратный дюйм

Удлинение, %

18

0,5

0

12

Прочность на растяжение

72 000 фунтов на квадратный дюйм

40–50 тыс. фунтов на кв. дюйм

25 000 фунтов на квадратный дюйм

52 000 фунтов на квадратный дюйм

Твердость [по Бринеллю]

130–217

260

450

130

Коррозионная стойкость

Будет ржаветь, но на открытом воздухе может образовать защитную патину.

Тепловое расширение 20°C

6,46*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

6,46*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

5,0*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

6,6*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

Относительное демпфирование
(логарифмическое отношение последовательной амплитуды)

5-20*10 ⁴

20-500*10 ⁴

2-4*10 ⁴

8-15*10 ⁴

Стоимость

$$

$

$

$$$

Обрабатываемость

Средний

Хорошо

Хорошо

Средний

Свариваемость

Низкий-средний в зависимости от процедуры

Средний

Не сваривается

Сварка возможна, но часть ковкого чугуна превращается в серый чугун

<сильный>

ВЫСОКИЙ ЧУГУН (ASTM A536)

Кастировка

Стандартная литейная способность:намного проще, чем стальная заливка

Урожайность

50 000 фунтов на квадратный дюйм

Удлинение, %

18

Прочность на растяжение

72 000 фунтов на квадратный дюйм

Твердость [по Бринеллю]

130–217

Коррозионная стойкость

Будет ржаветь, но на открытом воздухе может образовать защитную патину.

Тепловое расширение 20°C

6,46*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

Относительное демпфирование (логарифмическое отношение последовательной амплитуды)

5-20*10 ⁴

Стоимость

$$

Обрабатываемость

Средний

Свариваемость

Низкий-средний в зависимости от процедуры

<сильный>

СЕРЫЙ ЖЕЛЕЗ (ASTM 40)

Кастировка

Стандартная литейная способность:намного проще, чем стальная заливка

Урожайность

—

Удлинение, %

0,5

Прочность на растяжение

40–50 тыс. фунтов на кв. дюйм

Твердость [по Бринеллю]

260

Коррозионная стойкость

Будет ржаветь, но на открытом воздухе может образовать защитную патину.

Тепловое расширение 20°C

6,46*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

Относительное демпфирование (логарифмическое отношение последовательной амплитуды)

20-500*10 ⁴

Стоимость

$

Обрабатываемость

Хорошо

Свариваемость

Средний

<сильный>

БЕЛОЕ ЖЕЛЕЗО

Кастировка

Стандартная литейная способность:намного проще, чем стальная заливка

Урожайность

—

Удлинение, %

0

Прочность на растяжение

25 000 фунтов на квадратный дюйм

Твердость [по Бринеллю]

450

Коррозионная стойкость

Будет ржаветь, но на открытом воздухе может образовать защитную патину.

Тепловое расширение 20°C

5,0*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

Относительное демпфирование (логарифмическое отношение последовательной амплитуды)

2-4*10 ⁴

Стоимость

$

Обрабатываемость

Хорошо

Свариваемость

Не сваривается

<сильный>

КОВКИЙ ЧУГУН (ЧУГУН БЕЛЫЙ, ОТОЖЖЕННЫЙ)

Кастировка

Стандартная литейная способность:намного проще, чем стальная заливка

Урожайность

33 000 фунтов на квадратный дюйм

Удлинение, %

12

Прочность на растяжение

52 000 фунтов на квадратный дюйм

Твердость [по Бринеллю]

130

Коррозионная стойкость

Будет ржаветь, но на открытом воздухе может образовать защитную патину.

Тепловое расширение 20°C

6,6*10 ^-6
дюйм/(дюйм* ºF)

Относительное демпфирование (логарифмическое отношение последовательной амплитуды)

8-15*10 ⁴

Стоимость

$$$

Обрабатываемость

Средний

Свариваемость

Сварка возможна, но часть ковкого чугуна превращается в серый чугун

Выбор между ковким чугуном и традиционным чугуном

Ковкий чугун немного дороже серого чугуна, но дешевле и легче отливается, чем сталь. Обычно его выбирают из-за его механических свойств и ценности. Будучи менее хрупким сплавом, чем чугун, он используется в тех случаях, когда необходимы пластичность и ударопрочность. Он лучше стали по гашению вибрации и пределу текучести при сжатии, хотя серый чугун по-прежнему лучше подходит для демпфирования.

Столбики, спроектированные с учетом ударопрочности, часто используют ковкий чугун. Это основной сплав железа, используемый для труб, особенно под давлением. Пластичные детали можно найти в автомобильных компонентах, насосах и кожухах кабелей, где вероятны удары.

Серый чугун по-прежнему является важным и широко используемым сплавом для применений, где хрупкость традиционного чугуна не является проблемой. Детали, которые не будут подвергаться ударам при обычном ношении, часто изготавливают из серого чугуна. Чугунные сковороды обычно изготавливаются из серого чугуна. Жесткий ландшафт, такой как решетки для деревьев, решетки для траншей и крышки люков, также часто изготавливаются из серого железа. Превосходное гашение вибраций делает серый чугун отличной основой для станков. Это также правильный выбор для тормозов или компонентов двигателя, которые не будут подвергаться ударам, но должны выдерживать высокую вибрацию.

В любом проекте важно поговорить с металлургом или инженером, прежде чем выбирать сплав. Они изучат рабочую нагрузку на компонент и помогут выбрать материалы, которые могут безопасно работать с приложением. Выбор ковкого чугуна по сравнению с чугуном иногда может сводиться к стоимости. В других случаях необходимы особые свойства сплава.