Серый или ковкий чугун? Сравнение типов чугуна для промышленного использования

Чугун - это многофункциональный материал, используемый во многих отраслях промышленности. Термин "чугун" - это общее название железоуглеродистых сплавов, содержащих более 2% углерода. Подклассы чугуна многочисленны, некоторые из них - серый чугун и ковкий чугун. В этой статье мы рассмотрим различия между ковким, серым и литым чугуном, чтобы помочь инженерам выбрать подходящий материал для своих проектов.

Обзор чугуна

Чугун - это сплав железа и углерода, обычно содержащий более 2,11% углерода. Он также содержит такие микроэлементы, как кремний, марганец, сера и фосфор, которые повышают его литейные свойства, обрабатываемость, износостойкость и амортизационные свойства. Относительно низкая температура плавления чугуна, а также его высокая текучесть позволяют легко заливать его в формы и изготавливать изделия сложной геометрии. Благодаря этому чугун стал повсеместно применяемым материалом во многих областях.

Виды чугуна

Чугуны делятся на несколько типов, в основном по структуре и морфологии содержания углерода. Основными категориями являются серый (литой) чугун и ковкий чугун, каждый из которых имеет различные свойства и сферы применения.

Другие виды чугуна включают в себя:

• Легированный чугун: Тип чугуна, который производится путем подвергания белого чугуна термической обработке отжигом.
• Белый чугун: Отличается высоким содержанием углерода и имеет привлекательный белый, блестящий вид.
•  Вермикулярный графит железа: графит присутствует в червеобразной, колючей форме с закругленными краями.

Что такое серый чугун

Серый чугун отличается наличием чешуйчатого графита. Этот графит образует особую микроструктуру, в которой углерод существует в виде крупных чешуйчатых листов, вкрапленных в металлическую матрицу. Основными элементами серого чугуна являются железо, углерод, кремний, марганец, сера и фосфор.

Таблица 1. Состав серого чугуна

Железо	C	Si	Mn	P	S
Остаток	2.0%～4.0%	1.0%～2.0%	0.5%～1.4%	0.05%～0.50%	0.02%～0.20%

Микроструктура

Матрица серого чугуна обычно состоит из ферритперлит или их комбинация. Присутствие графитовых хлопьев нарушает целостность металлической матрицы, что делает материал менее прочным при растяжении. Это приводит к снижению прочности на растяжение, однако при сжимающих нагрузках материал работает очень хорошо. На кончиках графитовых чешуек возникает концентрация напряжений, которая может перерасти в трещины и снизить вязкость.

Термообработка не может изменить морфологию и распределение графита в сером чугуне, поэтому использование термообработки для улучшения характеристик серого чугуна незначительно. Термическая обработка серого чугуна в основном используется для устранения внутренних напряжений в отливках, получения стабильных размеров, улучшения режущих свойств, повышения поверхностной твердости и износостойкости.

Механические свойства

Вот некоторые из основных механических свойств:

Прочность на разрыв. Серый чугун имеет предел прочности на растяжение в диапазоне 100-700 МПа, что является относительно умеренным показателем и отражает довольно среднюю устойчивость к разрыву. Прочность зависит от состава матрицы, причем перлитные матрицы обладают более высокой прочностью на разрыв по сравнению с ферритными.

Предел текучести. Предел текучести серого чугуна варьируется в диапазоне от 65,5 до 420 МПа, что свидетельствует о том, что он может выдерживать умеренные нагрузки до начала пластической деформации.

Удлинение при разрыве. Серый чугун обычно имеет удлинение в пределах 1,0-15,0%. Графитовые чешуйки вызывают хрупкость, поэтому до разрушения можно ожидать очень небольшой деформации.

Твердость. Твердость серого чугуна находится в диапазоне 150-300 HB, что обеспечивает достаточную поверхностную твердость для износостойкости в неударных областях применения. Твердость зависит от количества перлита в матрице; чем выше содержание перлита, тем выше твердость.

Таблица 2. Механические свойства серого чугуна

Материалы	Прочность на разрыв	Предел текучести	Удлинение	Твердость
Серый чугун	100-700 МПа	65,5-420 МПа	1.0-15.0 %	150-300HB

Свойства обработки

Кастинг: Превосходные литейные свойства, идеально подходит для сложных форм с хорошей текучестью и малой усадкой.

Обрабатываемость: Хорошо, так как наличие графита действует как естественная смазка, уменьшая износ инструмента и силу резания.

Внешний вид

Серый чугун обычно имеет темно-серую поверхность излома с шероховатой текстурой. В процессе литья могут появляться такие дефекты, как песчаные отверстия и пористость, хотя в контролируемых производственных условиях они обычно сводятся к минимуму.

Что такое ковкий чугун?

Чугун с шаровидным графитом, также известный как узловой чугун и чугун с шаровидным графитом (S.G. iron), производится путем добавления небольшого количества распылителя к расплавленному железу, обычно магниевому. В результате обработки графит приобретает сферическую форму и значительно улучшает механические свойства материала, поскольку снижается концентрация напряжений, возникающих на границе раздела графит - матрица.

Микроструктура

Микроструктура ковкого чугуна содержит сферические частицы графита, равномерно рассеянные в матрице, которая может быть ферритом, перлитом или их смесью. Присутствие сферического графита снижает негативное воздействие на матрицу, что приводит к улучшению механических свойств и баланса характеристик.

Механические свойства

Ниже перечислены основные механические свойства ковкого чугуна:

Прочность на разрыв. Прочность ковкого чугуна на разрыв находится в диапазоне 400-800 МПа, это показатель его способности выдерживать большие растягивающие усилия, верхний предел диапазона ставит его на один уровень с некоторыми сталями по прочности.

Предел текучести. Ковкий чугун имеет предел текучести в пределах 250-500 МПа, что обеспечивает хорошую устойчивость к необратимым деформациям при любых нагрузках. В сочетании с пластичностью это делает его более прочным при нагрузках по сравнению с серым чугуном.

Удлинение. Ковкий чугун демонстрирует диапазон удлинения 2-18%, что свидетельствует о хорошей и высокой пластичности по сравнению с другими чугунами. Наличие в его структуре шаровидных графитовых конкреций снижает эффект концентрации напряжений, что позволяет материалу деформироваться до разрушения.

Твердость. Его твердость находится в диапазоне 130-350 HB, в зависимости от термообработки и состава матрицы. Более высокие значения твердости соответствуют более высокой износостойкости, в то время как более низкие значения свидетельствуют о лучшей обрабатываемости.

Таблица 3. Механические свойства ковкого чугуна

Классы	Прочность на разрыв	Предел текучести	Удлинение	Твердость	Матрица
QT400-18	400 МПа	250 МПа	18%	130-180 HB	феррит
QT400-15	400 МПа	250 МПа	15%	130-180 HB	феррит
QT450-10	450 МПа	310 МПа	10%	160-210 HB	феррит
QT500-7	500 МПа	320 МПа	7%	170-230 HB	феррит+перлит
QT600-3	600 МПа	370 МПа	3%	190-270 HB	феррит+перлит
QT700-2	700 МПа	420 МПа	2%	225-305 HB	перлит
QT800-2	800 МПа	480 МПа	2%	245-350 HB	перлит

Свойства обработки

Кастинг: Ковкий чугун обладает хорошими литейными характеристиками, однако обрабатывать его гораздо сложнее, чем серый чугун. Требуется как локальная, так и затравочная обработка, и этот материал имеет более высокую скорость усадки в процессе затвердевания.

Обрабатываемость: Как и серый чугун, ковкий чугун выигрывает от смазывающего эффекта графита, но более высокая прочность увеличивает усилие резания и износ инструмента по сравнению с серым чугуном.

Внешний вид

Ковкий чугун обычно разрушается с серебристо-серой поверхностью, имеющей более гладкую отделку по сравнению с серым чугуном. Благодаря высокой прочности и низкому уровню дефектов внешний вид становится более изысканным, что обеспечивает лучшую эстетическую привлекательность в высокопроизводительных приложениях.

Серый чугун против чугуна

Являясь важной ветвью чугуна, серый чугун обладает свойствами чешуйчатого графита и подходит для сценариев с износостойкостью и амортизацией. Чугун, как классификация железаВ состав этого материала входит множество видов, а его характеристики и область применения значительно отличаются из-за различных форм графита.

Таблица 4. Сравнение серого и чугуна

Характеристики	Серый чугун	Чугун
Определение	Графит распределен в виде хлопьев, поверхность излома серая.	Железоуглеродистые сплавы обычно содержат от 2% до 4% углерода и включают в себя множество типов.
Графитовая форма	Хлопья	В зависимости от вида, он может быть в виде хлопьев, шариков или червячков.
Механические свойства	Высокая прочность на сжатие и хорошая износостойкость, но низкая прочность на разрыв и вязкость.	Свойства различных видов чугуна сильно различаются.
Технологичность	Хорошие режущие свойства	Производительность обработки зависит от морфологии графита и структуры матрицы.
Особенности перелома	Излом серый, шероховатый и содержит графит.	Цвет излома зависит от формы графита или углерода.
Цена	Низкая стоимость	Расходы зависят от типа

Ковкий чугун против чугуна

Ковкий чугун относится к семейству чугунов. Он отличается высокой прочностью, вязкостью и ударопрочностью. Чугун - это широкая классификация железа, и его свойства и области применения существенно различаются в зависимости от типа.

Таблица 5. Сравнение ковкого и литого чугуна

Характеристики	Ковкий чугун	Чугун
Определение	Графит распределен в сферической форме, что снижает концентрацию напряжений и повышает прочность и вязкость.	Железоуглеродистые сплавы обычно содержат от 2% до 4% углерода и включают в себя множество типов.
Графитовая форма	Сферическая	В зависимости от вида, он может быть в виде хлопьев, шариков или червячков.
Механические свойства	Он обладает высокой прочностью на разрыв и хорошей вязкостью, близкой или даже превышающей прочность обычной стали.	Свойства различных видов чугуна сильно различаются.
Технологичность	Хорошая режущая способность, но немного более высокая твердость может легко привести к износу инструмента	Производительность обработки зависит от морфологии графита и структуры матрицы.
Особенности перелома	Излом яркий, поверхность гладкая, графит равномерно распределен.	Цвет излома зависит от формы графита или углерода.
Цена	Стоимость его выше, но он обладает отличными эксплуатационными характеристиками и долгим сроком службы.	Расходы зависят от типа

Ковкий чугун против серого чугуна

Морфология графита: Серый чугун имеет чешуйчатый графит, который создает сеть, прорезающую металлическую матрицу. Ковкий чугун содержит шаровидный графит, который повышает общую прочность материала за счет минимального разрушения матрицы.

Матричная структура: Матрица серого чугуна сильно страдает от присутствия графитовых хлопьев, что снижает ее однородность и механические свойства. На матрицу ковкого чугуна графит влияет меньше, поэтому она лучше сохраняет свои механические свойства.

Прочность на разрыв: Серый чугун имеет прочность на разрыв от 100 до 300 МПа, в то время как ковкий чугун обладает гораздо более высокой прочностью на разрыв - от 400 до 800 МПа.

Прочность на сжатие: Оба материала обладают хорошей прочностью на сжатие, однако ковкий чугун имеет более сбалансированное соотношение прочности на сжатие и растяжение - от 1,5 до 2,0, в то время как серый чугун - от 3 до 4.

Пластичность и прочность: Серый чугун обладает низкой пластичностью и вязкостью. В ковком чугуне, однако, наблюдается значительно большее удлинение - от 2% до 18% - и ударная вязкость.

Кастинг: Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами, что делает его пригодным для изготовления сложных форм с низкой усадкой. Ковкий чугун еще более сложен в обработке, но он по-прежнему обладает хорошей литейной способностью, хотя и имеет тенденцию к большей усадке при затвердевании.

Обработка: Оба материала хорошо поддаются обработке, однако ковкий чугун обычно требует большего усилия в процессе обработки из-за своей более высокой прочности.

Поверхность излома: Серый чугун имеет темно-серую, шероховатую поверхность излома, в то время как ковкий чугун имеет серебристо-серый цвет с более гладкой поверхностью.

Качество поверхности: С другой стороны, чугун имеет больше поверхностных дефектов, таких как песчаные отверстия; ковкий чугун имеет гораздо более компактную и изысканную поверхность.

Заключение

Различия между ковким и серым чугуном заключаются в микроструктуре, механических свойствах и технологических особенностях. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун имеет преимущества в прочности и вязкости благодаря шаровидному графиту, но у него слабые свойства при литье и механической обработке; с другой стороны, серый чугун имеет лучшие свойства при литье и механической обработке. Серый чугун предпочтительнее в тех случаях, когда требуются сложные формы и хорошая амортизация, в то время как ковкий чугун лучше подходит для высоконагруженных применений, где должны преобладать прочность и вязкость. Понимание этих различий очень важно для выбора подходящего материала для конкретного применения, что гарантирует максимальную производительность, долгий срок службы и минимальные затраты.

Компания SogaWorks специализируется на быстром создании прототипов и производстве по требованию. Опираясь на мощную сеть проверенных производственных предприятий, мы поставляем Услуги по обработке на заказ с ЧПУ с широким спектром материалов, включая железо, нержавеющую сталь, алюминий и другие.