延性鉄とステンレス鋼: 重要な違い

1. 導入

延性鉄とステンレス鋼は、多数の産業部門で最も広く使用されているエンジニアリング材料の2つです.

市の水システムから化学処理装置まで, これらの材料は、重要なインフラストラクチャと産業生産性をサポートしています.

適切な材料を選択すると、システムのパフォーマンスに劇的に影響を与える可能性があります, 料金, ライフサイクルの信頼性.

この記事では、延性鉄とステンレス鋼の詳細かつ権威ある比較を提供します, 機械的な分析, 化学薬品, サーマル, 経済, 情報に基づいた材料の選択を導く環境特性.

2. 延性鉄とは何ですか?

延性鉄, とも呼ばれます 結節鋳鉄 または スフェロイドグラファイト鉄 (SG鉄), 鋳鉄の一種です. それは、微細構造と機械的性能における従来の灰色の鉄と基本的に異なります.

灰色の鉄にはフレーク型のグラファイトが含まれている一方で、それを脆くします, 延性鉄が含まれています 球状 (結節) 黒鉛, これにより、その靭性と延性が大幅に向上します。そのため、名前が大幅に向上します 公爵 鉄.

グラファイトの形状のフレークからスフェロイドへの変換は、少量のマグネシウムを追加することで達成されます (通常0.03–0.05％) または鋳造プロセス中のセリウム.

この重要な修正により、延性鉄は、鋳造性と機械性の利点と機械的強度と耐衝撃性の改善を組み合わせることができます.

微細構造と組成

延性鉄の典型的な化学組成には含まれます:

• 炭素: 3.2–3.6％
• シリコン: 2.2–2.8％
• マンガン: ≤0.5％
• マグネシウム: 0.03–0.05％
• 硫黄 & リン: 低レベルに保たれます (≤0.02％)

ベースマトリックスは異なる場合があります:

• フェライトの延性鉄: より延性, 強度が低い.
• 真珠の延性鉄: より高い強度と耐摩耗性.
• オーステンペンした延性鉄 (アディ): 優れた性能のためにさらに熱処理されます (抗張力 > 1,200 MPA).

延性鉄の利点

• 優れたキャスティブ性と機械性.
• 高強度と重量の比率.
• 大量生産に費用対効果が高い.
• ショックや振動を吸収できます.
• 周期的な荷重下での良好なパフォーマンス.

延性鉄の典型的な用途

延性鉄は広く使用されています:

• 上下水道配管システム.
• 自動車コンポーネント (クランクシャフト, ステアリングナックル).
• 農業および重機.
• ギアハウジング, ポンプボディ, およびコンプレッサーシリンダー.
• 地方インフラストラクチャ (マンホールカバー, バルブ, 消火栓).

3. ステンレス鋼とは何ですか?

ステンレス鋼 主に構成される耐食性合金です 鉄 (fe), クロム (cr), さまざまな量 ニッケル (で), 炭素 (c), およびその他の合金要素 モリブデン (MO), マンガン (Mn), そして 窒素 (n).

その明確な特徴は、の存在です 少なくとも 10.5% クロム, 表面にパッシブクロム酸化物膜を形成する, 錆や化学攻撃から保護します.

20世紀初頭に開発されました, ステンレス鋼は、高強度を必要とする業界で不可欠になっています, 衛生, 腐食に対する抵抗, 酸化, と熱.

材料の汎用性, 長いサービスライフ, そしてリサイクル性は、今日最も広く使用されているエンジニアリング材料の1つになります.

ステンレス鋼のグレードと分類

ステンレス鋼は一般に分類されます 5つの主要な家族, それぞれが異なる構成と特性を備えています:

ステンレス鋼の利点

• 優れた腐食と酸化抵抗.
• 低温と高温の両方で優れた機械的特性.
• 衛生表面 - 医療のためのideal, 食べ物, および医薬品アプリケーション.
• さまざまな表面仕上げの高い審美的な魅力 (磨きました, ブラシ, 等).
• 長いサービスライフと 100% リサイクルバリティ.

ステンレス鋼の典型的な用途

ステンレス鋼は、ような業界で不可欠です:

• 食べ物と飲み物: プロセスタンク, カトラリー, キッチン機器.
• 医学: 手術器具, インプラント, 病院機器.
• 化学および石油化学: 圧力容器, 熱交換器.
• 工事: 手すり, クラッディング, 構造サポート.
• 海兵隊: ボートフィッティング, オフショア構造, パンプス.
• エネルギー: 原子炉成分, 風力タービン部品.

4. 機械的特性の比較: 延性鉄とステンレス鋼

適切なエンジニアリング材料を選択するには、サービス条件下での機械的性能を確実に理解する必要があります.

両方 延性鉄 そして ステンレス鋼 強力な機械的特性を提供します, しかし、それらは異なるストレス環境に適しています, 疲労レベル, パフォーマンスの期待.

比較表: 機械的特性

5. 延性鉄とステンレス鋼の耐食性

• ステンレス鋼: 酸化と腐食に抵抗するパッシブクロム酸化物層を形成する. 316 ステンレスは、特に塩化物や酸性環境に耐性があります.
• 延性鉄: 酸化およびガルバニック腐食の影響を受けやすい; 多くの場合、エポキシコーティングを使用して保護されています, 亜鉛ライニング, またはカソード保護.

6. 熱耐性および耐薬品性

過酷な環境の材料の選択は、熱の安定性と化学耐久性に大きく依存します.

延性鉄とステンレス鋼は、それらの組成と微細構造により、これらの側面で大きく異なります.

熱抵抗

耐薬品性

7. 延性鉄とステンレス鋼の機密性と鋳造性

形作る能力, 機械, そして、結合材料は製造において重要です, 生産効率に直接影響します, 一部の複雑さ, および全体的なコスト.

キャスト性: 複雑さと効率の形成

キャスティブは、材料を均一に満たす材料の能力を指します, 欠陥なしで固化します (例えば。, 気孔率, 収縮), 冷却中に寸法精度を保持します.

このプロパティは、複雑な生産に特に重要です, ネットシェイプ部品に近いパーツ, キャスティングが減少すると、広範な後処理が必要になります.

延性鉄: キャスティングの主力

延性鉄は本質的に鋳造素材です, キャストプロセス用に最適化されています. そのキャスティブは特別なものです:

• 低融点: 延性鉄は1,150〜1,200°Cで溶けます, ステンレス鋼よりも大幅に低い (1,400–1,530°C).
  これにより、融解中のエネルギー消費が削減され、カビの設計が簡素化されます, 低温がカビの熱応力を最小限に抑えるにつれて (例えば。, 砂または投資型).
• 高い流動性: 延性鉄の溶融型は、複雑なカビの虫歯に簡単に流れます, ギアハウジングなど、複雑な幾何学に最適です, バルブボディ, または、薄い壁または内部チャネルを備えたポンプインペルラー.
• 制御された固化: 延性鉄のグラファイト結節 (マグネシウムまたはセリウム治療を介して形成されます) 灰色の鉄と比較して、冷却中の収縮を減らします, 亀裂や多孔性のリスクを低下させます.
  これにより、大規模な一貫した生産が可能になります, 厚壁コンポーネント (例えば。, パイプフランジまで 2 直径メートル) 最小限の欠陥があります.

一般 延性鉄の鋳造方法 砂鋳造を含めます (80% 生産の), 投資キャスティング, および遠心鋳造 (パイプ用).
ASTM A536, 延性鉄の主要な基準, グレードを指定します (例えば。, 60-40-18, 80-55-06) アプリケーション全体のキャスティブ向けに最適化されています.

ステンレス鋼: キャスティングの課題と特別な成績

ステンレス鋼は、延性鉄よりも本質的に鋳造可能ではありません, しかし、鋳造技術の進歩は複雑な部分での使用を拡大しました. その課題は生じます:

• 高い融点: ステンレス鋼を溶かすのに必要な高温 (1,400–1,530°C) エネルギーコストを増加させ、耐熱性型を需要します (例えば。, セラミックまたは耐衝撃性の金型), ツーリング費用の引き上げ.
• 酸化リスク: 溶融ステンレス鋼は酸化しやすいです, インクルージョンを導入できます (酸化物粒子) 最後の部分で, その構造を弱める.
  これには、不活性ガスシールドが必要です (例えば。, アルゴン) キャスト中, プロセスの複雑さを追加します.
• 収縮と気孔率: ステンレス鋼の固化範囲は、延性鉄よりも広いです, 収縮と多孔性のリスクの増加.
  これには、正確な金型設計が必要です (例えば。, 冷却中に溶融金属を供給するライザー) より緊密なプロセス制御.

これらの課題にもかかわらず, ステンレス鋼のグレードを鋳造します (例えば。, ASTM A351 CF8, CF3, CF8M) キャスティブが向上するために設計されています. 例えば:

• CF8 (錬金術に相当します 304) およびCF3 (304l) 低炭素含有量のオーステナイト鋳造グレードです, 炭化物の降水量を減らし、流動性を改善します.
• CF8M (316 同等) 耐食性の強化のためのモリブデンが含まれています, 化学処理コンポーネント向けに最適化されたキャスト可能性 (例えば。, バルブボディ).

ステンレス鋼の鋳造方法が含まれます 投資キャスティング (医療機器のような高精度部品用) そして 砂鋳造 (ポンプケーシングなどのより大きなコンポーネント用).

しかし, 鋳造ステンレス鋼は通常、緊密な耐性を達成するために延性鉄よりも多くのキャスト後の機械加工を必要とします.

加工性: 切断とツールの摩耗の容易さ

加工性とは、材料を簡単にカットできることを指します, ドリル, または工作機械で形作られています, ツール寿命などの要因によって測定されます, 切断速度, および表面仕上げ. 生産時間とツーリングコストに直接影響します.

延性鉄: 優れた加工性

延性鉄は、優れた機械加工性で有名です, ほとんどのステンレス鋼を上回る. 主な理由が含まれます:

• グラファイト潤滑: 延性鉄のグラファイト結節は、切断中に内部潤滑剤として機能します, ツールとワークピースの間の摩擦を減らす.
  これにより、ツールの摩耗が低下し、切断速度が高くなります (まで 200 中炭素グレードのm/min).
• 低い作業硬化: ステンレス鋼とは異なります, 延性鉄は、機械的応力の下で硬化しません。, 「ガーリング」を防ぐ (ツールへの材料転送) 一貫した切断力を維持します.
• 好ましいチップ形成: 延性鉄は短く生成されます, 簡単に壊れる脆いチップ, チップ除去システムの必要性を減らし、ワークピースの表面損傷を最小限に抑える.

加工性インデックス (に関連して 1018 炭素鋼= 100) 70〜90の延性鉄の場合, グレードに応じて. 例えば:

• ASTM A536グレード 60-40-18 (抗張力 414 MPA) 〜85の加工性インデックスがあります.
• 高強度グレード (例えば。, 120-90-02) インデックスがわずかに低い (〜70) 硬度が向上しましたが、まだほとんどのステンレス鋼よりも優れています.

ステンレス鋼: 加工性の課題

ステンレス鋼の加工性はグレードごとに異なりますが、一般的に延性鉄よりも劣っています, によって駆動されます:

• ハイワーク硬化: オーステナイトステンレス鋼 (例えば。, 304, 316) カットすると急速に硬化します, タフを形成します, ツールワークピースインターフェイスの耐摩耗性層.
  これにより、切断力とツール摩耗が増加します, 切断速度を制限します (通常、50〜100 m/minの場合 304).
• 低熱伝導率: ステンレス鋼は熱を貧弱に行います, ツールチップに熱を閉じ込め、早期ツール障害を引き起こす (例えば。, 炭化物のツールは過熱し、劣化します).
• タフなチップ: オーステナイトグレードは長く生成されます, ツールを包む糸状のチップ, ジャミングを防ぐために特殊なチップブレーカーとクーラントシステムが必要です.

加工性インデックスはこれらの課題を反映しています:

• アイシ 304 〜40の加工性インデックスがあります (vs. 1018 鋼鉄), その間 316 (モリブデンと) さらに低いです (〜30).
• フェライトステンレス鋼 (例えば。, 430) パフォーマンスを向上させます (〜60) ニッケル含有量が低いため, しかし、延性鉄の後ろにまだ遅れています.

ステンレス鋼のツーリングコストは、延性鉄の場合よりも2〜3倍高くなっています, 炭化物またはセラミックツールとして (高速スチールではなく) 熱と摩耗に耐えるには必要です.

溶接性: マテリアルに安全に参加します

溶接性は、編集せずに溶接を介して材料を簡単に結合できるかどうかを決定します, 気孔率, または機械的特性の喪失.

延性鉄: 溶接の課題

延性鉄は、その高い炭素含有量のために溶接するのが難しいことで有名です (2.5–4.0％) およびグラファイト構造:

• 炭素移動: 溶接中, 炭素は、熱に影響を受けるゾーンに拡散する可能性があります (ハズ), 脆性マルテンサイトの形成, これはひび割れを引き起こします.
• グラファイト酸化: 高温はグラファイトをCO/CO₂に酸化することができます, 溶接に多孔性を作成します.

延性鉄の溶接を成功させるには、予熱が必要です (200–400°C) 冷却を遅くする, 溶接後の熱治療 (500–600°C) マルテンサイトを和らげる, 特殊なフィラー金属 (例えば。, Enife-C1のようなニッケルベースの合金).

これらの手順でも, 溶接はしばしば基本材料よりも疲労強度が低い, 高ストレスアプリケーションでの使用を制限します (例えば。, 構造コンポーネント).

ステンレス鋼: 優れた溶接性

ステンレス鋼, 特にオーステナイトグレード, 非常に溶接可能です:

• オーステナイトグレード (304, 316): それらの低炭素含有量 (≤0.08％ 304; 304Lで≤0.03％) ニッケルの安定化は、HAZのマルテンサイトの形成を防ぎます.
  ティグ (タングステン不活性ガス) またはmig (金属不活性ガス) 溶接は強力になります, 亀裂が最小限の延性溶接.
• 制御された雰囲気: 不活性ガスシールド (アルゴン) クロムの酸化を防ぎます, 受動層の保存 (腐食抵抗に重要です).

溶接ステンレス鋼 基本材料の引張強度の約80〜90％を保持します, 構造用途に適したものにします (例えば。, 食品加工装置, 海洋船体).

マルテンサイトステンレス鋼 (例えば。, 410) 硬化により溶接性が低くなります, しかし、予熱と抑制はリスクを軽減します.

処理コスト: 鋳造, 機械加工, と溶接

処理コストは、ほとんどのシナリオで延性鉄を支持します:

• キャスティングコスト: 延性鉄の鋳造は、ステンレス鋼の鋳造よりも30〜50％安いです, エネルギー使用量が少ないため, よりシンプルな金型, そして、欠陥関連のリワークが少なくなります.
  例えば, 10kgのバルブボディは、延性鉄と延性鉄の場合は〜20〜30ドルかかります. $40 - 鋳造ステンレス鋼の60ドル (CF8).
• 機械加工コスト: 延性鉄の加工はステンレス鋼よりも20〜40％安価です, より長いツール寿命として (炭化物ツールは2〜3倍長く続きます) また、削減速度が速いと、労働力とツーリング費用が削減されます.
• 溶接コスト: 延性鉄の溶接は、ステンレス鋼の溶接よりも2〜3倍コストがかかります, 加熱前/加熱後の治療と専門労働により.
  しかし, これは、ほとんどのアプリケーションでダクタイルアイロンの低い鋳造コストと機械加工コストによって相殺されます.

8. 延性鉄とステンレス鋼のコストと可用性

原材料と生産コスト

• 延性鉄 豊富な鉄鉱石とよりシンプルな合金要素による原材料コストの削減による利点 (主に炭素とマグネシウム).
  その低い融点 (1,150–1,200°C) 融解と鋳造中のエネルギー消費を削減します, 費用対効果の高い生産につながります.
• ステンレス鋼, 主に鉄で構成されています, クロム, ニッケル, とモリブデン, 高価な合金要素によって駆動される原材料コストが高い.
  その高い融点 (1,400–1,530°C) エネルギー要件が増加します, より複雑な処理 (例えば。, 制御された雰囲気, 耐火型) 生産コストをさらに引き上げます.

ライフサイクルとメンテナンスコスト

• 延性鉄 多くの場合、初期コストが低くなりますが、錆や劣化を防ぐために必要なコーティングまたはライニングのために、腐食性環境でより高いメンテナンス費用が発生する可能性があります.
• ステンレス鋼 より高い前払い価格をコマンドしますが、優れた腐食抵抗とより長いサービス寿命を提供します, メンテナンス頻度と関連するコストの削減, 多くのアプリケーションへの初期投資を正当化できます.

可用性とサプライチェーン要因

• 延性鉄 世界中で広く利用できるようになります, 幅広いグレードとコンポーネントのサイズを生産できる成熟ファウンドリ産業で.
  リードタイムは一般的に短いです, そして、サプライチェーンは十分に確立されています.
• ステンレス鋼 また、広く利用可能です, しかし、サプライチェーンは、グローバルなニッケル市場とクロム市場の変動の影響を受ける可能性があります, 価格とリードタイムに影響を与えます.
  特殊なグレードは、生産量が少ないため、より長い調達時間が必要になる場合があります.

9. 標準と仕様

延性鉄の標準

• ASTM A536: 機械的特性を指定する主要な標準, 化学組成, 延性鉄鋳物のテスト方法.
  一般的なグレードには含まれます 60-40-18, 80-55-06, そして 100-70-03, 引張強度の定義, 降伏強度, および伸長要件.
• ISO 1083: スフェロイドグラファイト鋳鉄の国際標準 (延性鉄), グレードと機械的特性の詳細.
• で 1563: 指定された品質とテストプロトコルを備えた延性鉄鋳物をカバーする欧州標準.

ステンレス鋼の標準

• ASTM A240: クロムとクロムニッケルステンレス鋼プレートをカバーします, シート, 圧力容器と一般的なアプリケーションをストリップします; 成績が含まれています 304, 316, その他.
• ASTM A276: 製造に使用されるステンレス鋼のバーと形状を指定します.
• ASTM A351: 鋳造ステンレス鋼のグレードの標準, CF8を含む (304 同等) およびCF8M (316 同等), バルブで使用されます, パンプス, と継手.
• ISO 15510: ステンレス鋼の化学組成を国際的に指定します.
• で 10088: ステンレス鋼の化学組成と機械的特性の欧州標準.

10. 概要比較テーブル

11. 結論

両方の延性鉄とステンレス鋼は、現代のエンジニアリングの基礎材料です. 延性鉄 費用対効果が高いです, 強い, 大規模な鋳造やインフラストラクチャに最適です.

ステンレス鋼 優れた腐食抵抗を提供します, 美的仕上げ, と衛生, 耐久性と清潔さが最も重要な重要な環境に適しています.

材料の選択は、運用条件に基づいている必要があります, コスト目標, 規制要件, そしてライフサイクルの期待.

各素材は異なるドメインで優れています, エンジニアはパフォーマンスと実用性のバランスをとる必要があります.

FAQ

延性鉄は海水中のステンレス鋼を置き換えることができます?

いいえ. 海水の年間0.3〜0.5 mm/年で、延性のない延性鉄が腐食します, 続く <5 年. 316 ステンレス鋼は続きます 30+ シーティングされていない年.

ステンレス鋼は延性鉄よりも強いです?

ステンレス鋼の引張強度が高くなっています (515 MPA対. 414 MPA), しかし、延性鉄はより高い降伏強度を提供します (276 MPA対. 205 MPA), 静的荷重の方が改善されます.

これは、水道管にとってより費用対効果が高いです?

延性鉄 (生のコスト$ 1.5〜2.5/kg) は 50% より安い 304 淡水パイプ用のステンレス鋼, けれど 316 塩水曝露のある沿岸地域の方が良いです.

延性鉄を溶接することができます?

はい, しかし、予熱が必要です (200–300°C) 割れを避けるための特殊な電極. 溶接接合部には、ベースメタルの強度の50〜70％があります.