延性铁与不锈钢: 关键差异

1. 介绍

延性铁与不锈钢是众多工业领域使用的两种最广泛使用的工程材料.

从市政水系统到化学加工设备, 这些材料支持关键基础设施和工业生产力.

选择正确的材料会极大地影响系统性能, 成本, 和生命周期可靠性.

本文提供了延性铁和不锈钢的详细和权威比较, 分析其机械, 化学, 热的, 经济的, 和环境特性，以指导知情的材料选择.

2. 什么是延性铁?

延性铁, 也称为 结节铸铁 或者 球形石墨铁 (SG铁), 是一种铸铁. 它与传统灰铁的微观结构和机械性能从根本上有所不同.

而灰铁包含片状石墨，使其变脆, 延性铁包含 球形 (结节) 石墨, 这大大提高了其韧性和延展性 - 因此 公爵 铁.

通过添加少量镁来实现石墨形状从薄片到球体的转化 (通常为0.03–0.05％) 或在铸造过程中.

这种至关重要的修饰使延性铁可以将可铸性和可加工性的优势与机械强度和冲击电阻的提高相结合.

微观结构和组成

延性铁的典型化学成分包括:

• 碳: 3.2–3.6％
• 硅: 2.2–2.8％
• 锰: ≤0.5％
• 镁: 0.03–0.05％
• 硫 & 磷: 保持低水平 (≤0.02％)

基本矩阵可能会有所不同:

• 铁素体延性铁: 更多的延性, 较低的强度.
• 珍珠岩延性铁: 更高的强度和耐磨性.
• 奥斯特延延延性铁 (阿迪): 进一步的热处理以获得出色的性能 (抗拉强度 > 1,200 MPA).

延性铁的优势

• 出色的可铸性和可加工性.
• 高强度重量比.
• 高量生产的成本效益.
• 可以吸收冲击和振动.
• 循环加载下的良好性能.

延性铁的典型应用

延性铁被广泛用于:

• 水和下水道管道系统.
• 汽车组件 (曲轴, 转向指关节).
• 农业和重型机械.
• 齿轮外壳, 泵主体, 和压缩机缸.
• 市政基础设施 (人孔盖, 阀, 消防栓).

3. 什么是不锈钢?

不锈钢 是一种耐腐蚀的合金 铁 (铁), 铬 (Cr), 和不同的数量 镍 (在), 碳 (c), 以及其他合金元素，例如 钼 (莫), 锰 (Mn), 和 氮 (n).

它的定义特征是 至少 10.5% 铬, 在表面形成一个被动氧化铬膜, 保护它免受生锈和化学攻击.

在20世纪初期开发, 不锈钢对需要高强度的行业至关重要, 卫生, 和对腐蚀的抵抗力, 氧化, 和热.

材料的多功能性, 长期使用寿命, 可回收性使其成为当今使用最广泛的工程材料之一.

不锈钢等级和分类

不锈钢通常分为 五个主要家庭, 每个都有不同的成分和特性:

不锈钢的优势

• 出色的腐蚀和氧化耐药性.
• 低温和高温的优秀机械性能.
• 卫生表面 - 医疗的理想, 食物, 和药品应用.
• 高审美吸引力，各种表面表面表面 (抛光, 刷, ETC。).
• 长期使用寿命和 100% 回收.

不锈钢的典型应用

不锈钢在诸如行业之间都是必不可少的:

• 食品和饮料: 工艺罐, 刀具, 厨房设备.
• 医疗的: 手术器械, 植入物, 医院设备.
• 化学和石化: 压力容器, 热交换器.
• 建造: 扶手, 覆层, 结构支持.
• 海军陆战队: 船配件, 离岸结构, 泵.
• 活力: 核反应堆成分, 风力涡轮机零件.

4. 机械性能比较: 延性铁与不锈钢

选择适当的工程材料需要在服务条件下对机械性能有牢固的了解.

两个都 延性铁 和 不锈钢 提供强大的机械性能, 但是它们适合不同的压力环境, 疲劳水平, 和性能期望.

比较表: 机械性能

5. 延性铁与不锈钢的耐腐蚀性

• 不锈钢: 形成一个被动氧化铬层，可抵抗氧化和腐蚀. 316 不锈钢对氯化物和酸性环境特别抗性.
• 延性铁: 容易受到氧化和电腐蚀的影响; 通常使用环氧涂层保护, 锌衬里, 或阴极保护.

6. 耐热性

恶劣环境的材料选择在很大程度上取决于热稳定性和化学耐用性.

由于其组成和微观结构，延性铁和不锈钢在这些方面有显着差异.

热电阻

耐化学性

7. 延性铁与不锈钢的可加工性和可铸性

塑形的能力, 机器, 加入材料对于制造至关重要, 直接影响生产效率, 零件复杂性, 和整体成本.

可铸性: 塑造复杂性和效率

可铸性是指材料均匀填充霉菌的能力, 没有缺陷的固化 (例如。, 孔隙率, 收缩), 并在冷却过程中保持尺寸精度.

该属性对于生产复合物尤其重要, 近网状零件, 在其中铸造减少了广泛的后加工的需求.

延性铁: 铸造主力

延性铁是固有的铸件, 优化用于铸造过程. 由于:

• 低熔点: 延性铁在1,150–1,200°C下融化, 明显低于不锈钢 (1,400–1,530°C).
  这可以减少熔化过程中的能耗并简化霉菌设计, 随着较低的温度最大程度地减少霉菌的热应力 (例如。, 沙子或投资模具).
• 高流动性: 延展性铁的熔融形式很容易流入复杂的霉菌腔, 使其非常适合复杂的几何形状 - 例如齿轮外壳, 阀体, 或带有薄壁或内部通道的泵叶轮.
• 受控的固化: 延性铁的石墨结节 (通过镁或瓷器处理形成) 与灰铁相比，在冷却过程中减少收缩, 降低裂缝或孔隙率的风险.
  这允许一致生产大型, 厚壁的组件 (例如。, 管道升至 2 直径米) 有最小的缺陷.

常见的 延性铁的铸造方法 包括沙子铸件 (80% 生产), 投资铸造, 和离心铸造 (用于管道).
ASTM A536, 延性铁的主要标准, 指定成绩 (例如。, 60-40-18, 80-55-06) 对跨应用程序的可铸性进行了优化.

不锈钢: 铸造挑战和专业成绩

不锈钢不如延性铁固有地铸造, 但是，铸造技术的进步扩大了其在复杂零件中的使用. 它的挑战源于:

• 高熔点: 融化不锈钢所需的高温 (1,400–1,530°C) 增加能源成本并需要耐热模具 (例如。, 陶瓷或耐火的模具), 提高工具费用.
• 氧化风险: 熔融不锈钢容易氧化, 可以引入包含物 (氧化物颗粒) 在最后一部分, 削弱其结构.
  这需要惰性气屏蔽 (例如。, 氩气) 在铸造过程中, 添加过程复杂性.
• 收缩和孔隙率: 不锈钢的凝固范围比延性铁宽, 增加收缩和孔隙率的风险.
  这需要精确的模具设计 (例如。, 冷却过程中的提升物喂养熔融金属) 和更紧密的过程控制.

尽管有这些挑战, 铸造不锈钢等级 (例如。, ASTM A351 CF8, CF3, CF8M) 设计用于提高可施用性. 例如:

• CF8 (等同于锻造 304) 和CF3 (304l) 是碳含量低的奥氏体铸造等级, 减少碳化物沉淀并提高流动性.
• CF8M (316 相等的) 包括用于增强耐腐蚀性的钼, 具有针对化学加工组件优化的可铸性 (例如。, 阀体).

不锈钢的铸造方法包括 投资铸造 (对于医疗仪器等高精度零件) 和 沙子铸造 (对于较大的组件，例如泵舱室).

然而, 铸造不锈钢通常需要比延性铁更高的铸造加工以达到紧密的公差.

可加工性: 易于切割和工具磨损

可加工性指的是如何轻易切割材料, 钻了, 或用机床形状, 通过工具寿命等因素来衡量, 切割速度, 和表面饰面. 它直接影响生产时间和工具成本.

延性铁: 卓越的可加工性

延性铁以出色的可加工性而闻名, 胜过最不锈钢. 关键原因包括:

• 石墨润滑: 延性铁中的石墨结节在切割过程中作为内部润滑剂, 减少工具和工件之间的摩擦.
  这种降低了工具磨损并允许更高的切割速度 (到 200 中碳等级的m/min).
• 低工作硬化: 与不锈钢不同, 延性铁在加工过程中不会在机械应力下明显硬化, 防止“ gall” (物质转移到工具) 并保持一致的切割力.
• 有利的芯片形成: 延性铁产生短, 轻松折断的脆片, 减少对芯片去除系统的需求，并最大程度地减少对工件的表面损害.

可加工性索引 (相对于 1018 碳钢= 100) 延性铁范围从70–90, 取决于成绩. 例如:

• ASTM A536等级 60-40-18 (抗拉强度 414 MPA) 具有〜85的可加工性索引.
• 高强度等级 (例如。, 120-90-02) 指数略低 (〜70) 由于硬度增加，但仍然胜过最不锈钢.

不锈钢: 可加工性挑战

不锈钢的可加工性随坡度而变化，但通常比延性铁差, 由:

• 高工作硬化: 奥氏体不锈钢 (例如。, 304, 316) 切割时快速变硬, 形成坚硬的, 工具工程接口处的耐磨性层.
  这增加了切割力和工具磨损, 限制切割速度 (通常为50-100 m/min 304).
• 低导热率: 不锈钢导致热量较差, 在工具尖端捕获热量并导致过早的工具故障 (例如。, 碳化物工具过热和降解).
• 坚硬的筹码: 奥氏体等级会产生很长的, 缠绕工具的细芯片, 需要专门的芯片断路器和冷却液系统以防止干扰.

可加工性指数反映了这些挑战:

• AISI 304 具有〜40的可加工性索引 (vs. 1018 钢), 尽管 316 (与钼) 甚至更低 (〜30).
• 铁质不锈钢 (例如。, 430) 表现更好 (〜60) 由于镍含量较低, 但仍然滞后于延性铁.

不锈钢的工具成本比延性铁高2-3倍, 作为碳化物或陶瓷工具 (而不是高速钢) 需要承受热量和磨损.

可焊性: 安全地加入材料

可焊性决定了如何通过焊接而无需破裂即可轻松连接材料, 孔隙率, 或机械性能的丧失.

延性铁: 焊接挑战

众所周知，由于其高碳含量，延性铁很难焊接 (2.5–4.0％) 和石墨结构:

• 碳迁移: 在焊接过程中, 碳可以扩散到热影响区域 (热影响区), 形成脆弱的马氏体, 这会导致破裂.
• 石墨氧化: 高温可以将石墨氧化为Co/Co₂, 在焊接中产生孔隙率.

延性铁的成功焊接需要预热 (200–400°C) 缓慢冷却, 焊后热处理 (500–600°C) 要调节马氏体, 和专门的填充金属 (例如。, 基于镍的合金，例如enife-c1).

即使有这些步骤, 焊缝通常比基本材料具有较低的疲劳强度, 限制他们在高压力应用中的使用 (例如。, 结构成分).

不锈钢: 出色的可焊性

不锈钢, 特别是奥氏体等级, 是高度焊接的:

• 奥氏体等级 (304, 316): 他们的低碳含量 (≤0.08％ 304; 304L的0.03％≤0.03％) 和镍稳定防止HAZ中的马氏体形成.
  氩弧焊 (钨惰性气) 或mig (金属惰性气体) 焊接会产生强大的影响, 延性焊缝，最小开裂.
• 受控的气氛: 惰性气屏蔽 (氩气) 防止铬的氧化, 保留被动层 (耐腐蚀至关重要).

焊接不锈钢 保留了约80–90％的基本材料的拉伸强度, 使其适合结构应用 (例如。, 食品加工设备, 海洋船体).

马氏体不锈钢 (例如。, 410) 由于硬化而少焊接, 但是预热和缓解降低风险.

处理成本: 铸件, 加工, 和焊接

在大多数情况下，加工成本偏爱延性铁:

• 铸造成本: 延性铁铸造比不锈钢铸造便宜30–50％, 由于能源使用较低, 更简单的模具, 与缺陷有关的返工更少.
  例如, 一个10公斤阀的身体费用约为$ 20– $ 20- $ 30的延性铁与. $40 - 铸造不锈钢60美元 (CF8).
• 加工成本: 延性铁加工比不锈钢便宜20-40％, 随着工具寿命的更长 (碳化物工具最后2-3倍更长) 更快的切割速度降低了人工和工具费用.
• 焊接成本: 延性铁焊接比不锈钢焊接更为2-3倍, 由于预热治疗和专业人工.
  然而, 在大多数应用中，延性铁的降低铸造和加工成本抵消了这一点.

8. 延性铁与不锈钢的成本和可用性

原材料和生产成本

• 延性铁 由于丰富的铁矿石和更简单的合金元素，较低的原材料成本受益于较低的原材料成本 (主要是碳和镁).
  其较低的熔点 (1,150–1,200°C) 减少熔化和铸造过程中的能耗, 导致具有成本效益的生产.
• 不锈钢, 主要由铁组成, 铬, 镍, 和钼, 由昂贵的合金元素驱动的原材料成本较高.
  较高的熔点 (1,400–1,530°C) 增加能源需求, 以及更复杂的处理 (例如。, 受控的气氛, 难治性模具) 进一步提高生产成本.

生命周期和维护成本

• 延性铁 通常的初始成本较低，但由于所需的涂料或衬里以防止生锈和降解，可能会在腐蚀性环境中产生更高的维护费用.
• 不锈钢 命令更高的前期价格，但具有出色的耐腐蚀性和更长的使用寿命, 降低维护频率和相关成本, 这可以证明对许多应用的初始投资是合理的.

可用性和供应链因素

• 延性铁 在全球范围内享受广泛的可用性, 具有成熟的铸造行业能够生产各种成绩和零件尺寸.
  交货时间通常很短, 而且供应链已经建立了.
• 不锈钢 也广泛可用, 但是供应链可能会受到全球镍和铬市场波动的影响, 影响定价和交货时间.
  由于产量较低，专业等级可能需要更长的采购时间.

9. 标准和规格

延性铁标准

• ASTM A536: 指定机械性能的主要标准, 化学组成, 和延性铁铸件的测试方法.
  普通等级包括 60-40-18, 80-55-06, 和 100-70-03, 定义拉伸强度, 产生强度, 和伸长要求.
• ISO 1083: 国际球体石墨铸铁标准 (延性铁), 详细的等级和机械性能.
• 在 1563: 欧洲标准覆盖具有指定质量和测试协议的延性铁铸件.

不锈钢标准

• ASTM A240: 覆盖铬和铬镍不锈钢板, 床单, 和压力容器和一般应用的条带; 包括成绩 304, 316, 还有其他.
• ASTM A276: 指定制造中使用的不锈钢条和形状.
• ASTM A351: 铸造不锈钢等级的标准, 包括CF8 (304 相等的) 和CF8M (316 相等的), 用于阀, 泵, 和配件.
• ISO 15510: 指定国际不锈钢的化学成分.
• 在 10088: 不锈钢化学成分和机械性能的欧洲标准.

10. 摘要比较表

11. 结论

两种延性铁与不锈钢都是现代工程的基础材料. 延性铁 具有成本效益, 强的, 非常适合大规模铸造和基础设施.

不锈钢 提供较高的耐腐蚀性, 美学表面, 和卫生, 使其适用于耐用性和清洁度至关重要的关键环境.

材料选择应基于操作条件, 成本目标, 监管要求, 和生命周期的期望.

每种材料都在不同的域中出色, 工程师必须平衡性能与实用性.

常见问题解答

延性铁可以代替海水中的不锈钢?

不. 未涂层的延性延性铁腐蚀，海水为0.3-0.5毫米/年, 持久 <5 年. 316 不锈钢持续 30+ 几年未涂层.

不锈钢比延性铁强?

不锈钢具有较高的拉伸强度 (515 MPA vs. 414 MPA), 但是延性铁提供了更高的产量强度 (276 MPA vs. 205 MPA), 使静态负载更好.

对于水管来说更具成本效益?

延性铁 (原始成本$ 1.5–2.5/kg) 是 50% 比便宜 304 不锈钢淡水管道, 尽管 316 对盐水暴露的沿海地区更好.

可以焊接延性铁?

是的, 但是需要预热 (200–300°C) 和专用电极以避免破裂. 焊接接头具有50-70％的碱金属强度.