Чугун против литой стали

В чем разница между чугуном и стальным литьем?

Литье предлагает исключительную возможность для деталей дизайна, часто устраняя необходимость в дополнительном изготовлении и сборке. Многие материалы могут быть отлиты, в том числе несколько типов металлов и синтетических материалов, но железо и сталь, в частности, обладают превосходными механическими свойствами для широкого спектра применений.

Хотя на первый взгляд чугун и сталь могут выглядеть одинаково, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от способа производства и применения. Понимание этих преимуществ и недостатков и правильный выбор могут означать разницу между неумолимой прочностью и долговечностью и поломанными или деформированными деталями, которые быстро потеряют свой блеск.

Основное отличие — содержание углерода

Железо и сталь — это черные металлы, состоящие в основном из атомов железа. Однако в производстве все не так просто — в производстве используется множество различных сплавов и марок. Чтобы понять их, важно различать железо, используемое в повседневных продуктах, и научное элементарное железо (Fe). Элементарное железо встречается в природе, обычно в окисленной форме, для извлечения которой требуется интенсивная обработка, называемая плавкой.

Чистое элементарное железо слишком мягкое, чтобы его можно было использовать в большинстве приложений. Он становится более твердым и, следовательно, более полезным, когда его сплавляют или смешивают с углеродом. На самом деле углеродный состав является основным отличием чугуна от стали. Чугун обычно содержит более 2% углерода, а литая сталь часто содержит от 0,1 до 0,5% углерода.

Характеристики

В следующей таблице представлен общий обзор качеств каждого материала. Хотя существует множество различных типов железа и стали, в этой таблице основное внимание уделяется серому чугуну, чугуну и углеродистой стали.

<сильный>

Серое железо

ковкий чугун

Сталь

Обрабатываемость

★

Кастировка

★

Подавление вибрации

★

Коррозионная стойкость

★

★

Прочность

★

Хрупкость

★

Прочность на сжатие

★

Прочность на растяжение

★

Твердость

★

Приложения

Блоки двигателей, головки цилиндров, коллекторы, газовые горелки, заготовки для шестерен, кожухи, кожухи, изделия для наружного ландшафта, сковороды, электрические коробки, декоративные отливки, детали печей, грузы

Болларды, оборудование для строительных площадок, поворотные кулаки, коленчатые валы, шестерни для тяжелых условий эксплуатации, компоненты подвески автомобилей и грузовиков, гидравлические компоненты, автомобильные дверные петли

Болларды, промышленные колеса, литейные механизмы, корпуса клапанов, горнодобывающее оборудование, колеса гидроэлектростанций, кузнечные прессы, рамы железнодорожных вагонов, корпуса насосов, морское оборудование, кожухи двигателей, тяжелые грузовики, строительная техника

<сильный>

Серое железо

Обрабатываемость

★

Кастировка

Подавление вибрации

★

Коррозионная стойкость

★

Прочность

Хрупкость

★

Прочность на сжатие

Прочность на растяжение

Твердость

★

Приложения

Блоки двигателей, головки цилиндров, коллекторы, газовые горелки, заготовки для шестерен, кожухи, кожухи, изделия для наружного ландшафта, сковороды, электрические коробки, декоративные отливки, детали печей, грузы

<сильный>

ковкий чугун

Обрабатываемость

Кастировка

★

Подавление вибрации

Коррозионная стойкость

★

Прочность

Хрупкость

Прочность на сжатие

★

Прочность на растяжение

Твердость

Приложения

Болларды, оборудование для строительных площадок, поворотные кулаки, коленчатые валы, шестерни для тяжелых условий эксплуатации, компоненты подвески автомобилей и грузовиков, гидравлические компоненты, автомобильные дверные петли

<сильный>

Сталь

Обрабатываемость

Кастировка

Подавление вибрации

Коррозионная стойкость

Прочность

★

Хрупкость

Прочность на сжатие

Прочность на растяжение

★

Твердость

Приложения

Болларды, промышленные колеса, литейные механизмы, корпуса клапанов, горнодобывающее оборудование, колеса гидроэлектростанций, кузнечные прессы, рамы железнодорожных вагонов, корпуса насосов, морское оборудование, кожухи двигателей, тяжелые грузовики, строительная техника

Кастировка

Большинство людей не сталкивались с железом или сталью в расплавленном состоянии, что понятно, поскольку железо плавится при температуре около 2300°F, а сталь плавится при 2600°F, и оба они заливаются в формы при еще более высоких температурах. Люди, которые работают с жидким чугуном и сталью, быстро обнаруживают, что они сильно различаются по текучести и скорости усадки.

Чугун относительно легко лить, так как он легко льется и не дает такой усадки, как сталь. Это означает, что он легко заполнит сложные пустоты в форме и для этого потребуется меньше расплавленного материала. Эта текучесть делает чугун идеальным металлом для архитектурных или декоративных металлоконструкций, таких как ограждения и скамейки.

Заливать сталь гораздо сложнее. Он менее жидкий, чем расплавленное железо, и более реактивен по отношению к материалам форм. Он также дает большую усадку при охлаждении, а это означает, что необходимо залить больше расплавленного материала — обычно в избыточный резервуар, называемый стояком, из которого отливка вытягивается по мере охлаждения.

Однако отливки обычно не охлаждаются равномерно по всей своей внутренней структуре. Внешние области и более тонкие части будут охлаждаться и сжиматься с разной скоростью, чем внутренние области и более объемные части, часто создавая внутреннее напряжение или напряжение, которое можно уменьшить только с помощью термической обработки. Сталь гораздо более восприимчива, чем железо, к усадочным напряжениям, и в некоторых ситуациях эти напряжения могут привести к значительным внутренним и/или внешним пустотам и возможным возможным трещинам.

По этим причинам литая сталь требует большего внимания и контроля на протяжении всего процесса литья, что делает производство более ресурсоемким.

Обрабатываемость

В зависимости от конечного применения может потребоваться механическая обработка литых деталей для достижения определенных допусков или для создания желаемой отделки. Как минимум, такие объекты, как ворота и направляющие, должны быть срезаны и отшлифованы.

Обрабатываемость - это мера того, насколько легко данный материал резать или шлифовать; некоторые материалы труднее обрабатывать, чем другие. Как правило, металлы с высоким содержанием легирующих добавок для улучшения механических характеристик имеют более низкую обрабатываемость.

Чугун обычно намного легче обрабатывать, чем сталь. Графитовая структура в чугуне разрушается легче и более равномерно. Более твердое железо, такое как белое железо, гораздо труднее обрабатывать из-за его хрупкости.

Сталь не так легко резать с той же консистенцией, и это приводит к большему износу инструмента, что приводит к увеличению производственных затрат. Закаленные стали или стали с более высоким содержанием углерода также увеличивают износ инструмента. Однако более мягкая сталь не обязательно лучше:низкоуглеродистая сталь, несмотря на то, что она мягче, может стать липкой и с ней будет трудно работать.

Поглощение вибрации

При выборе материала для литья следует учитывать демпфирующие свойства, так как отсутствие демпфирующей способности может привести к чрезмерной вибрации и шуму, например звону или визгу. В зависимости от того, где используется материал, эффективное демпфирование может обеспечить более прочную и надежную работу.

Графитовые структуры в чугуне, особенно чешуйчатые образования в сером чугуне, особенно хорошо поглощают вибрацию. Это делает чугун идеальным для блоков двигателей, корпусов цилиндров и станин машин, а также для других применений, где важны прочность и точность. Уменьшение вибрации может свести к минимуму нагрузку и предотвратить износ движущихся частей.

Прочность на сжатие

Прочность на сжатие — это способность материала выдерживать силы, которые могут уменьшить размер объекта. Это противоположно силам, направленным на разрыв материала. Прочность на сжатие полезна в механических применениях, где важными факторами являются давление и локализация. Как правило, чугун имеет лучшую прочность на сжатие, чем сталь.

Ударопрочность

Пока может показаться, что преимуществ в использовании чугуна больше, чем в стали, но у стали есть одно существенное преимущество:ударопрочность. Сталь отлично выдерживает внезапные удары, не изгибаясь, не деформируясь и не ломаясь. Это связано с его ударной вязкостью:его способностью выдерживать высокие напряжения и нагрузки.

Прочность без пластичности приводит к хрупкому материалу, который очень подвержен разрушению, а чугун является образцом прочности без пластичности. Из-за своей хрупкости чугун имеет ограниченный диапазон применения.

В то же время высокая пластичность или способность без разрушения деформироваться бесполезна без прочности, способной выдерживать значительные удары. Резиновая лента, например, может подвергнуться значительной деформации, не сломавшись, но сила, которую она может приложить, очень ограничена.

В то время как с железом может быть легче работать в большинстве случаев литья, сталь имеет оптимальное сочетание прочности и пластичности для многих применений, а литая сталь чрезвычайно прочная. Ударопрочные свойства и всесторонняя несущая способность стали делают ее желанной для многих механических и конструкционных применений, поэтому сталь является наиболее широко используемым металлом в мире.

Коррозионная стойкость

Железо обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем сталь. Оба металла окисляются в присутствии влаги, но железо образует патину, чтобы предотвратить глубокую коррозию целостности металла.

Еще один способ предотвратить коррозию — это покраска или порошковое покрытие, или IronArmor для дополнительной защиты. Любой скол или трещина, которые обнажают основной металл, могут привести к коррозии, поэтому для металлов с покрытием важно регулярное техническое обслуживание.

Если коррозионная стойкость при сохранении серебристого оттенка необработанного металла является важным фактором, вероятно, лучшим вариантом будут легированные стали, особенно нержавеющие стали, в которые добавлены хром и другие сплавы для предотвращения окисления.

Износостойкость

Чугун обычно имеет лучшую стойкость к механическому износу, чем сталь, особенно в условиях трения. Определенное количество графита в чугунной матрице создает графитовую сухую смазку, которая позволяет твердым поверхностям скользить друг относительно друга без ухудшения качества поверхности, что затрудняет ее износ.

Сталь изнашивается быстрее, чем железо, но все же может быть устойчива к определенным видам истирания. Некоторые добавки в сплавы также могут улучшить абразивные свойства стали.

Стоимость

Чугун часто дешевле стального литья из-за меньших материальных затрат, энергии и труда, необходимых для производства конечного продукта. Покупка необработанной стали обходится дороже, а ее отливка требует больше времени и внимания. Однако при проектировании литых изделий стоит учитывать долгосрочное использование и затраты на замену. Детали, которые дороже в производстве, в конечном итоге могут стоить дешевле.

Сталь также доступна во многих сборных формах, таких как листы, стержни, стержни, трубы и балки, и часто может быть обработана или собрана в соответствии с конкретным применением. В зависимости от продукта и требуемого количества изготовление существующих стальных изделий может быть экономически выгодным вариантом.

Разные типы чугуна и стального литья

Мы сравнили качество самых основных форм чугуна (серого чугуна) и литой стали (мягкой или углеродистой стали), но специфический состав и фазовая структура железа и стали могут сильно влиять на механические свойства. Например, углерод в стандартном сером чугуне имеет форму острых чешуек графита, в то время как ковкий чугун имеет более сфероидальную структуру графита. Чешуйчатый графит делает серый чугун хрупким, а круглые частицы графита в ковком чугуне повышают ударную вязкость, что делает его более подходящим для ударопрочных приложений.

Сплавы могут быть добавлены как к железу, так и к стали для получения желаемых свойств. Марганец, например, повышает ударную вязкость, а хром улучшает коррозионную стойкость. Разное содержание углерода также является отличительной чертой низкоуглеродистой, стандартной и высокоуглеродистой стали. Более высокое содержание углерода делает материалы более твердыми.

В конечном итоге выбор между чугуном и стальным литьем будет зависеть от типа и области применения конечной установки.

Чтобы получить дополнительную информацию о чугуне или стали или запросить расценки на индивидуальный проект, свяжитесь с нами.

Источники

• Американское литейное общество. «Обработка чугунных деталей». afsinc.org
• Американское литейное общество. «Понимание спецификаций материалов для стальных отливок». afsinc.org
• Проектирование машин. "Чугун". www.machinedesign.com
• Институт никеля. «Чугуны и литые сплавы». Nickelinstitute.org
• Хосфорд, Уильям Ф. Железо и сталь. Издательство Кембриджского университета. 2012 г.
• Вудфорд, Крис. "Железо и сталь". ru.explainthatstuff.com