1. 介绍
铸铁与不锈钢是一种比较，是无数工程的核心, 制造业, 和设计决策.
这两种材料, 每个都有深厚的历史根源和持久的工业相关性, 继续塑造我们的建造方式, 生产, 和创新.
从炊具和施工到汽车系统和精密机械, 辩论不仅仅是技术性的 - 它的战略.
了解他们的根本差异是必不可少的.
而铸铁具有出色的抗压强度, 出色的振动阻尼, 和铸造成本效益, 不锈钢在耐腐蚀性方面表现出色, 延性, 和长期耐用性.
本文研究了技术, 经济的, 和两种材料的实际方面, 提供数据驱动的见解，以告知材料选择.
2. 什么是铸铁?
铸铁 是一组具有A的铁碳合金 碳含量大于 2.0%, 通常从 2.0% 到 4.0%, 以及 1.0%–3.0％硅 和微量的锰, 硫, 和磷.
与锻铁或钢不同, 由于其高碳含量，铸铁无法延展, 促进脆性微观结构的形成.
然而, 它出色 可铸性, 戴阻力, 和 抗压强度 使其成为结构和机械应用中的基石.
微结构和合金
铸铁的定义特征是 微观结构, 凝固过程中哪些形式.
碳的形态 - 是否看起来像 石墨片, 结节, 或碳化物 - 确定材料的机械和热行为.
冷却率, 合金元素, 铸造过程中的接种技术都会影响最终结构.
铸铁类型
| 类型 | 微观结构 | 关键属性 | 常用用途 |
| 灰铁 | 铁矿/珠光体中的石墨 | 出色的可加工性, 振动阻尼 | 发动机块, 炊具 |
| 延性铁 | 铁矿/珠光体中的结节石墨 | 高延展性, 良好的拉伸力量 | 管道, 汽车组件 |
| 白铁 | 水泥岩 (fe₃c) 和珠光体 | 难的, 脆, 极好的耐磨性 | 磨机, 浆液泵 |
| 压实石墨铁 (CGI) | 紧凑的蠕虫形状石墨 | 力量平衡, 导热率 | 柴油发动机块, 排气 |
3. 什么是不锈钢?
不锈钢 是一个家庭 铁基合金 主要以他们的 耐腐蚀性, 通过最低实现 铬的含量 10.5%.
该铬在环境中与氧气反应形成自我修复, 惰性层 氧化铬 (cr₂o₃) 保护金属免受氧化和化学攻击.
与碳钢不同, 在潮湿的环境中很容易生锈, 不锈钢抵抗 点缀, 缝隙腐蚀, 和染色, 非常适合需要卫生的应用, 耐用性, 和审美寿命.
主要合金元素
| 元素 | 典型范围 (%) | 目的 |
| 铬 (Cr) | 10.5–30 | 形式被动层; 耐腐蚀性 |
| 镍 (在) | 0–35 | 稳定奥氏体; 改善延展性和韧性 |
| 钼 (莫) | 0–6 | 增强对凹痕/缝隙腐蚀的耐药性 |
| 碳 (c) | ≤ 1.2 | 控制硬度和力量 |
| 锰 (Mn) | 0.5–2 | 改善热工作和力量 |
| 氮 (n) | 0–0.3 | 加强固体解决方案; 提高抗性能力 |
不锈钢的主要类别
| 类型 | 例子 | 微观结构 | 关键属性 | 常用用途 |
| 奥氏体 | 304, 316, 321 | 以面部为中心的立方体 (FCC) | 优异的耐腐蚀性, 非磁性, 高延展性, 良好的可焊性 | 食品加工设备, 管道, 坦克, 厨具 |
| 铁素体 | 409, 430, 446 | 以身体为中心的立方体 (BCC) | 磁的, 中等腐蚀性, 良好的氧化抗性, 低成本 | 汽车排气系统, 电器, 装饰性装饰 |
| 马氏体 | 410, 420, 440c | 以身体为中心的四方 (BCT) | 热处理时高硬度和力量, 中等腐蚀性, 磁的 | 刀具, 涡轮刀片, 手术工具, 泵 |
| 双工 | 2205, 2507 | 混合FCC + BCC | 强度很高, 极好的抗应力腐蚀破裂和点蚀性 | 海洋结构, 化学罐, 压力容器 |
| 降水硬化 (ph) | 17-4 ph, 15-5 ph | 马氏体/半austerenitic | 老化治疗后的强度很高, 良好的耐腐蚀性, 热处理 | 航空航天组件, 核反应堆, 精密工具 |
4. 铸铁与不锈钢的机械性能
选择之间的选择 铸铁 和 不锈钢, 机械性能是评估的最关键因素之一.
比较表:
| 性能特性 | 灰色铸铁 | 延性铸铁 | 奥氏体不锈钢 (例如. 304) | 马氏体不锈钢 (例如. 440c) | 双工不锈钢 (例如. 2205) |
| 抗拉强度 | 150–300 MPA | 450–700 MPA | 500–750 MPA | 760–1950 MPA | 620–900 MPA |
| 屈服强度 | 定义不明确 | 310–450 MPA | 200–300 MPA | 450–1600 MPA | 450–650 MPA |
| 硬度 (布里尔) | 180–230 hb | 150–300 hb | 150–200 hb | 200–600 hb | 250–300 hb |
| 延性 (伸长) | < 1% (脆) | 10–18％ | 40–60％ | 2–20％ | 25–35％ |
| 疲劳性抗性 | 贫穷的 | 一般 | 出色的 | 良好 | 出色的 |
| 冲击耐受性 | 贫穷的 | 良好 | 出色的 | 一般 | 良好 |
| 磨损耐磨性 | 一般 | 中等事物 | 一般 | 出色的 | 良好 |
| 粘性耐磨性 | 良好 (石墨润滑) | 一般 | 一般 | 一般 | 良好 |
| 电力/抗击阻力 | 贫穷的 | 一般 | 良好 (随着钝化而改善) | 良好 (硬化后) | 良好 |
5. 热的 & 铸铁与不锈钢的物理特征
在选择热系统的工程材料时, 炊具, 结构成分, 或机械,
热和身体行为，例如 密度, 导热率, 比热, 和 热膨胀 是关键.
比较表:
| 性能特性 | 灰色铸铁 | 延性铸铁 | 奥氏体不锈钢 (304) | 马氏体不锈钢 (440c) | 双工不锈钢 (2205) |
| 密度 (kg/m³) | 7,100–7,300 | 7,000–7,300 | 7,900–8,000 | 7,700–7,800 | 7,800–8,000 |
| 具体强度 (MPA/(kg/m³)) | 低的 (≈0.03–0.05) | 一般 (≈0.07–0.09) | 一般 (≈ 0.09) | 高的 (到 0.25) | 高的 (≈0.12–0.15) |
| 导热率 (w/m·k) | 45–55 (出色的) | 35–50 | 14–16 (低的) | 24–30 (缓和) | 20–30 (缓和) |
| 热膨胀 (µm/m·k) | 〜10–11 | 〜11–12 | 16–18 (高的) | 10–12 | 13–15 |
| 比热容量 (j/kg·k) | 450–550 | 450–500 | 500–520 | 460–500 | 470–500 |
| 热休克阻力 | 良好 (灰铁) | 一般 | 贫穷 | 贫穷的 | 良好 |
| 缩放阻力 (>600°C) | 贫穷的 | 公平的 | 出色的 | 一般 | 出色的 |
6. 腐蚀 & 表面行为
耐腐蚀性和表面特征深远影响了这两者的寿命和性能 铸铁 和 不锈钢 在各种环境中.
氧化和生锈的趋势
- 铸铁:
铸铁, 特别是灰色和延性类型, 含有重要的铁含量，很容易与氧气和水分反应形成铁氧化物 (锈).
形成的表面氧化物层是多孔和非保护的, 允许在潮湿或潮湿的环境中连续腐蚀. - 不锈钢:
不锈钢将其耐腐蚀性归功于薄, 粘附 氧化铬 (cr₂o₃) 被动层 自然在其表面形成.
这部电影充当障碍, 防止进一步氧化. 被动层在存在氧气的情况下是自我修复, 即使在轻微的表面损坏之后，保持保护.
腐蚀性能摘要:
| 特征 | 铸铁 | 不锈钢 |
| 一般腐蚀 | 容易生锈 | 出色的阻力 |
| 点抗性 | 低的 | 高的 (316 和双工成绩) |
| 缝隙腐蚀 | 高风险 | 通过钝化缓解 |
| 电力兼容性 | 贫穷的 | 正确配对时更好 |
表面处理 & 保护
| 材料 | 常见的表面处理 | 影响 & 目的 |
| 铸铁 | - 调料 (油固化) | 形成疏水碳化层; 使用炊具 |
| - 油漆和涂料 (环氧树脂, 搪瓷) | 防止直接水分接触; 结构使用 | |
| - 镀锌 (锌涂层) | 牺牲阳极保护 | |
| 不锈钢 | - 钝化 (酸治疗) | 增强CR氧化物层厚度和均匀性 |
| - 电力 | 降低表面粗糙度; 改善耐腐蚀性 | |
| - 涂料 (PVD, 硝化) | 改善特殊用途的磨损和耐腐蚀性 |
7. 制造业 & 制造铸铁与不锈钢
物质选择强烈影响制造方法, 制造成本, 和下游大会挑战.
铸铁和不锈钢每个都表现出影响他们的独特特征 铸件, 锻造, 可加工性, 焊接, 并加入功能.
铸造与锻造/锻造过程
| 过程方面 | 铸铁 | 不锈钢 |
| 典型的过程 | 主要是 铸件; 可以包括沙子, 壳, 和 投资铸造 | 大多 锻造和锻造过程; 铸造使用但不常见 |
| 可铸性 | 优秀的 - 铸铁中的石段可提高流动性并减少收缩缺陷 | 良好, 但是不锈钢在较高的温度下融化 (大约1400–1450°C) 需要更严格的控件 |
| 复杂的几何形状 | 理想的形状和空心部分 (发动机块, 泵外壳) | 锻造和滚动产生高强度, 精确的形状; 可以使用复杂的铸件，但具有较低的尺寸耐受性 |
| 后处理 | 需要最小的锻造; 经常直接从铸件中加工 | 通常在加工之前锻造或滚动以增强机械性能 |
关键洞察力:
铸铁的卓越铸造性使其具有成本效益 复杂的, 重的, 和大型组件,
不锈钢通常依赖于锻造过程 卓越的机械性能和更紧密的尺寸公差.
可加工性
| 材料 | 可加工性 | 评论 |
| 灰色铸铁 | 高的 (出色的芯片破裂和自润滑) | 石墨片充当润滑剂, 减少工具磨损 |
| 延性铸铁 | 温和的 - 比灰铁 | 需要更坚固的工具; 工具寿命比灰铁短 |
| 奥氏体不锈钢 | 贫穷至中度 | 工作迅速; 需要锋利的工具和较低的速度 |
| 马氏体不锈钢 | 中度到良好 (热处理后) | 在退火状态下更难但更可加工 |
| 双工不锈钢 | 一般 | 平衡的韧性和可加工性 |
焊接, 悬挂, 和集会挑战
| 方面 | 铸铁 | 不锈钢 |
| 焊接 | 由于高碳含量引起的难度引起脆弱和破裂; 类似的特殊技术 基于镍的填充金属, 预热, 和焊后热处理 | 奥氏体和双工等级的出色焊接性; 马氏体等级需要热处理以避免破裂 |
| 铜/焊接 | 修复和组装常见; 石墨含量有助于热分布 | 广泛用于薄部分; 受控气氛优先于耐腐蚀性 |
| 集会 | 经常用螺栓或法兰组装; 紧身需要加工 | 可以焊接或机械固定; 焊缝可提供强大的功能, 耐腐蚀的关节 |
| 失真 | 由于低热膨胀而导致的最小失真; 如果不当加热，破裂的风险 | 较高的热膨胀可能导致翘曲; 需要控制冷却 |
关键挑战:
- 铸铁 焊接风险 冷裂和孔隙率 由于石墨片和残留应力. 预热 (>200°C) 对于避免热冲击至关重要.
- 不锈钢 焊缝容易 敏化和晶间腐蚀 如果冷却不正确，但通常更容易焊接, 特别是在神经和双工成绩中.
- 悬挂式铁维修更常见, 不锈钢通常依靠融合焊接或机械固定来实现结构完整性.
8. 铸铁与不锈钢的应用
| 应用程序字段 | 铸铁典型组件 | 不锈钢典型组件 |
| 汽车 | 发动机块, 气缸盖, 制动转子 | 排气系统, 催化转化器, 修剪零件 |
| 建造 & 基础设施 | 人孔盖, 管道, 排水配件 | 建筑面板, 扶手, 结构紧固件 |
| 餐饮服务 & 炊具 | 煎锅, 荷兰烤箱, 网格 | 厨房水槽, 刀具, 烤制, 食品加工设备 |
| 机械 & 工业设备 | 泵外壳, 齿轮外壳, 阀 | 传送带, 化学加工箱, 热交换器 |
| 活力 & 发电 | 涡轮机, 发动机组件 | 热交换器, 管道, 反应堆 |
| 海军陆战队 & 离岸 | 螺旋桨轮毂, 发动机零件 | 甲板配件, 耐腐蚀的紧固件 |
9. 优点 & 铸铁与不锈钢的缺点
铸铁
优点:
- 出色的抗压强度和耐磨性
- 上振动阻尼, 减少机械噪音
- 高热导电率和极好的热量保留率
- 出色的铸造性, 启用复杂形状和大零件
- 良好的可加工性, 特别是在灰色铸铁中
- 通常降低原材料和生产成本
缺点:
- 脆弱的脆弱强度, 容易在撞击下开裂
- 除延性铸铁变体外，电击耐受性不佳
- 如果未正确涂层或调味，容易生锈和腐蚀
- 由于碳含量高和破裂的风险，难以焊接
- 重量相对较低的强度重量比
- 需要定期维护以防止腐蚀
不锈钢
优点:
- 高拉伸和屈服强度具有出色的延展性和韧性
- 保护性氧化铬层引起的上耐腐蚀性
- 良好的氧化能力, 缩放, 和高温环境
- 出色的可焊性, 特别是在神经和双工成绩中
- 多功能制造选项，包括锻造, 滚动, 和加工
- 与铸铁相比，更好的强度比比
缺点:
- 更昂贵的原材料和加工成本
- 制定趋势使加工和工具寿命复杂化
- 较低的导热率限制了传热应用
- 较高的热膨胀会在焊接或加热过程中引起失真
- 在氯化物环境中容易受到局部腐蚀等局部腐蚀
- 需要受控的制造过程以避免敏化和焊接缺陷
10. 比较表: 铸铁与不锈钢
| 性能特性 / 方面 | 铸铁 | 不锈钢 |
| 作品 | 主要是2–4％碳的铁; 石墨微结构 | 用10–30％铬加镍的铁, 钼, 其他的 |
| 微观结构类型 | 灰色的, 公爵, 白色的, 压实石墨铁 | 奥氏体, 铁素体, 马氏体, 双工, 降水硬化 |
| 机械强度 | 抗压强度: 150–300 MPA; 紧张脆弱 | 抗拉强度: 500–1000+ MPA; 延性而坚硬 |
| 硬度 | 150–400 hb (取决于类型) | 150–600 hb (取决于等级和热处理) |
| 延性 | 低的 (1–3％的伸长率) | 高的 (40奥氏体等级的伸长率–60％) |
| 疲劳性抗性 | 一般; 受脆性的限制 | 高的; 出色的疲劳强度 |
| 导热率 | 40–55 w/m·k | 15–25 w/m·k |
| 热膨胀 | 〜10–12×10⁻⁶ /°C | 〜16–17×10⁻⁶ /°C |
| 耐腐蚀性 | 除非涂层或调味，否则很差 | 出色的; 钝化层提供自我保护 |
| 可铸性 | 出色的 | 中度到良好; 较高的熔化温度 |
| 可加工性 | 良好 (特别是灰铁) | 中度至贫穷 (工作硬化) |
| 可焊性 | 难的; 需要预热和特殊填充剂 | 良好; 取决于等级和过程 |
| 典型的应用 | 发动机块, 管道, 炊具, 泵外壳 | 食品设备, 建筑配件, 化学罐 |
| 成本 | 降低原材料和生产成本 | 较高的原材料和处理成本 |
| 密度 | 〜7.0 g/cm³ | 〜7.7–8.0 g/cm³ |
11. 结论
铸铁和不锈钢之间的对比是鲜明但互补的.
铸铁 在静态方面表现出色, 高热, 或振动阻尼和成本效益至关重要的磨料环境.
相比之下, 不锈钢 主导需要长期耐腐蚀性的应用, 卫生, 或动态载荷下的机械弹性.
材料的选择与优越性无关 - 与适合性有关.
工程师和设计师必须称量环境, 加载条件, 热循环, 和在这两种经过测试的材料之间进行选择时的维护.
随着技术的发展, 诸如外壳炊具和复合组件之类的杂种越来越多地弥合这些材料类之间的差距, 两全其美.
常见问题解答
铸铁比不锈钢更容易生锈?
是的, 铸铁更容易腐蚀，因为它缺乏保护性氧化物层. 不锈钢形成一种自我修复的氧化铬无源膜，可提供优质腐蚀性.
两种材料之间是否存在成本差异?
是的, 铸铁通常的初始成本较低, 在原材料和处理中.
不锈钢的前期更昂贵，但由于耐用性和腐蚀性，可能会提供较低的生命周期成本.
这更健康, 不锈钢或铸铁?
两者都是安全的烹饪, 但是不锈钢无反应，不会浸入食物中. 铸铁可以为您的饮食增添有益的铁，但可能会与酸性食物反应.
厨师喜欢不锈钢或铸铁吗?
许多厨师都在使用: 铸铁以均匀和灼热, 不锈钢用于多功能, 易于清洁的炊具和精致的烹饪任务.
持续更长的时间, 不锈钢或铸铁?
适当维护的铸铁可以世代, 但是不锈钢通常更耐用，维护较少，耐腐蚀性更好.
更好, 铸铁或钢?
这取决于用途 - 播种铁在耐热和耐磨性方面表现出色, 钢 (特别是不锈钢) 提供了卓越的力量, 耐腐蚀性, 和多功能性.
