ความแตกต่างระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและเหล็กหล่อสีขาวคืออะไร?

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง เหล็กหล่อสีเทา และเหล็กหล่อสีขาวก็คือ คาร์บอนมีอยู่ภายในวัสดุอย่างไร . ในเหล็กหล่อสีเทา คาร์บอนจะตกตะกอนเป็นสะเก็ดกราไฟท์ ทำให้เกิดพื้นผิวแตกหักสีเทา และทำให้วัสดุมีคุณสมบัติพิเศษในการแปรรูปและลดการสั่นสะท้าน ในเหล็กหล่อสีขาว คาร์บอนยังคงถูกกักขังอยู่ในเหล็กคาร์ไบด์ (ซีเมนต์ไทต์ Fe₃C) ทำให้เกิดพื้นผิวรอยแตกสีขาวที่แข็งและสว่างซึ่งมีความแข็งมากแต่แทบไม่มีความเหนียวเลย

ในทางปฏิบัติ: เหล็กหล่อสีเทา is machinable, dampens vibration, and is used where compressive loads and wear resistance matter; white cast iron is extremely hard, essentially unmachinable, and is used where abrasion resistance is the overriding requirement . ไม่มีสิ่งใดที่เหนือกว่าในระดับสากล — พวกมันตอบสนองวัตถุประสงค์ทางวิศวกรรมโดยพื้นฐานที่แตกต่างกัน

เหล็กหล่อสีเทาคืออะไร?

เหล็กหล่อสีเทาเป็นเหล็กหล่อที่มีการผลิตกันอย่างแพร่หลายมากที่สุด โดยคิดเป็นเหล็กหล่อส่วนใหญ่ที่ผลิตทั่วโลก ลักษณะที่กำหนดคือการมีอยู่ของ กราไฟท์ในรูปแบบเกล็ดกระจายไปทั่วเมทริกซ์เหล็กเพิร์ลไลต์หรือเฟอร์ริติก . เมื่อการหล่อเหล็กสีเทาแตกหัก พื้นผิวที่เปิดออกจะปรากฏเป็นสีเทาเนื่องจากเกล็ดกราไฟท์ดูดซับและกระจายแสง

การก่อตัวของเกล็ดกราไฟท์ได้รับการส่งเสริมโดย:

• มีปริมาณซิลิกอนสูง — โดยทั่วไป 1.0–3.0% ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวแทนสร้างกราฟ
• อัตราการทำความเย็นช้า — ช่วยให้คาร์บอนมีเวลาเพียงพอในการแพร่กระจายและก่อตัวเป็นกราไฟท์ แทนที่จะเป็นซีเมนต์
• ปริมาณคาร์บอนทั้งหมด 2.5–4.0%

คุณสมบัติทางกลที่สำคัญของเหล็กหล่อสีเทา (ตาม ASTM A48):

• ความต้านทานแรงดึง: 140–400 เมกะปาสคาล (รุ่นที่ 20 ถึงรุ่นที่ 60)
• แรงอัด: 570–1,000 เมกะปาสคาล
• ความแข็ง: 150–300 ฮ
• การยืดตัวเมื่อขาด: <1% — เปราะในความตึงเครียด
• ลดแรงสั่นสะเทือน: สูงสุด ดีกว่าเหล็กถึง 10 เท่า

เกล็ดกราไฟท์ของเหล็กสีเทายังทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นตามธรรมชาติในระหว่างการตัดเฉือน ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุที่เป็นเหล็กที่ง่ายที่สุดในการตัด การใช้งานทั่วไป ได้แก่ เสื้อสูบ ดิสก์เบรก ฐานเครื่องมือกล ข้อต่อท่อ และเครื่องครัว

เหล็กหล่อสีขาวคืออะไร?

เหล็กหล่อสีขาวเกิดขึ้นเมื่อคาร์บอนไม่มีโอกาสตกตะกอนเป็นกราไฟท์ แต่ยังคงรวมตัวทางเคมีกับเหล็กแทน เหล็กคาร์ไบด์ (Fe₃C) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าซีเมนไทต์ . โครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นนั้นแข็งและเปราะมาก โดยมีพื้นผิวแตกหักสีขาวเงินสว่าง จึงเป็นที่มาของชื่อ

การก่อตัวของเหล็กสีขาวได้รับการส่งเสริมโดย:

• มีปริมาณซิลิกอนต่ำ — โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 1.0% ซึ่งจะระงับการสร้างกราฟ
• ทำความเย็นอย่างรวดเร็ว (Chilling) — ปฏิเสธเวลาคาร์บอนที่จะแพร่กระจายและเกิดนิวเคลียสเป็นกราไฟท์
• องค์ประกอบโลหะผสมที่ทำให้คาร์ไบด์คงตัว — โครเมียม โมลิบดีนัม วาเนเดียม และนิกเกิลในเกรดโลหะผสมที่สูงกว่า
• ปริมาณคาร์บอนทั้งหมด: 1.8–3.6%

คุณสมบัติทางกลที่สำคัญของเหล็กหล่อขาว:

• ความแข็ง: 400–700 ฮ (สูงถึง 65–70 HRC ในเกรดโครเมียมสูง)
• ความต้านทานแรงดึง: 140–210 เมกะปาสคาล — ต่ำเนื่องจากความเปราะบาง
• แรงอัด: 1,400–2,100 เมกะปาสคาล - สูงเป็นพิเศษ
• การยืดตัว: โดยพื้นฐานแล้ว 0% - ไม่มีการเสียรูปพลาสติกก่อนแตกหัก
• ความสามารถในการแปรรูป: ยากจนมาก — ต้องใช้การเจียรมากกว่าการตัด

ความแข็งขั้นสุดของเหล็กหล่อสีขาวทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีการเสียดสีมาก: แผ่นซับในโรงสีลูกกลม, ใบพัดปั๊มสารละลาย, แผ่นสึกหรอของเครื่องบด และส่วนประกอบของโรงสีซีเมนต์ที่พื้นผิวต้องต้านทานการบดและการกระแทกอย่างต่อเนื่อง

เหล็กหล่อสีเทากับสีขาว: การเปรียบเทียบคุณสมบัติโดยตรง

ตารางด้านล่างนี้แสดงการเปรียบเทียบเชิงโครงสร้างของคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมมากที่สุดระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและสีขาว:

โครงสร้างจุลภาค: ต้นตอของทุกความแตกต่างด้านประสิทธิภาพ

ความแตกต่างที่สำคัญในพฤติกรรมระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและสีขาวสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปที่ปัจจัยเดียว: จะเกิดอะไรขึ้นกับคาร์บอนในระหว่างการแข็งตัว .

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กสีเทา

ในเหล็กสีเทา เกล็ดกราไฟท์จะเกิดเป็นนิวเคลียสและเติบโตภายในเมทริกซ์เหล็กในระหว่างการระบายความร้อนอย่างช้าๆ สะเก็ดเหล่านี้โดยพื้นฐานแล้วมีความอ่อนนุ่มและไม่ใช่โลหะรวมอยู่ในพื้นหลังมุกหรือเฟอร์ริติกที่แข็งกว่า ภายใต้การรับแรงดึง ปลายแหลมของสะเก็ดจะทำหน้าที่เป็นตัวรวมความเค้น นั่นคือสาเหตุที่เหล็กสีเทามีความเปราะในแรงดึง แต่ภายใต้แรงอัดหรือการสั่นสะเทือน สะเก็ดจะดูดซับและกระจายพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เหล็กสีเทาโดดเด่นสำหรับฐาน ตัวเรือน และส่วนประกอบเบรก

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กสีขาว

ในเหล็กขาวมีโครงสร้างจุลภาคประกอบด้วย แผ่นหรือโครงข่ายซีเมนต์แข็ง (Fe₃C) ที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์เพิร์ลไลต์หรือมาร์เทนซิติก . ซีเมนต์ไทต์มีความแข็งแบบวิคเกอร์ประมาณ 1,000–1,100 แรงม้า — แข็งกว่าแร่ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนส่วนใหญ่ที่พบในการขุดและการแปรรูปแร่ นี่คือสิ่งที่ทำให้เหล็กสีขาวมีประสิทธิภาพมากในฐานะวัสดุสึกหรอ อย่างไรก็ตาม ซีเมนต์ไทต์มีความเปราะโดยธรรมชาติ และการมีคาร์ไบด์ที่เชื่อมต่อกันอย่างต่อเนื่องหมายความว่าการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและไม่สามารถหยุดยั้งได้เมื่อเริ่มต้นแล้ว

อัตราการทำความเย็นควบคุมแบบฟอร์มประเภทใด

เหล็กละลายที่เป็นฐานเดียวกันสามารถผลิตเหล็กสีเทาหรือเหล็กสีขาวได้ ขึ้นอยู่กับว่าเหล็กจะเย็นตัวเร็วแค่ไหน หลักการนี้ถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติทางอุตสาหกรรม:

• การหล่อทรายที่มีส่วนหนา: ระบายความร้อนช้า → เหล็กสีเทาทั้งตัว
• ส่วนบางหรือแม่พิมพ์โลหะ (หนาว): เย็นลงอย่างรวดเร็ว → เหล็กสีขาวที่พื้นผิวหรือทั่วทั้งตัว
• เหล็กหล่อแช่เย็น: เทคนิคที่จงใจวางความเย็นของเหล็ก (เม็ดมีดโลหะ) ลงในแม่พิมพ์ที่พื้นผิวที่สึกหรอ ทำให้เกิดชั้นเหล็กสีขาวแข็งเหนือแกนเหล็กสีเทาที่แข็งกว่า — ใช้ในลูกกลิ้งและเพลาลูกเบี้ยว

สูตรเทียบเท่าคาร์บอน (CE) — CE = %C (%ศรี %P) / 3 — ช่วยทำนายว่าองค์ประกอบที่กำหนดจะแข็งตัวเป็นเหล็กสีเทาหรือสีขาว CE ที่สูงกว่าประมาณ 4.3% (จุดยูเทคติก) นิยมการก่อตัวของเหล็กสีเทาอย่างมาก ค่า CE ที่ต่ำกว่ารวมกับการดับอย่างรวดเร็วจะชอบเหล็กสีขาว

ประเภทและเกรดของเหล็กหล่อขาว

เหล็กหล่อสีขาวที่ไม่เจือมักไม่ค่อยถูกนำมาใช้ในการบริการที่มีความต้องการสูง เนื่องจากคาร์ไบด์แม้จะแข็ง แต่ก็ค่อนข้างหยาบและเมทริกซ์ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม เตารีดสีขาวอัลลอยด์ ได้มาตรฐานภายใต้ มาตรฐาน ASTM A532 เป็นตัวแทนของวัสดุเชิงปฏิบัติที่ใช้ในอุตสาหกรรม:

คลาส I — เตารีดสีขาวนิกเกิล-โครเมียม (Ni-Hard)

เตารีด Ni-Hard ประกอบด้วย นิกเกิล 3–5% และโครเมียม 1.4–4% . นิกเกิลยับยั้งการก่อตัวของเพิร์ลไลต์เพื่อสร้างเมทริกซ์มาร์เทนซิติก โครเมียมทำให้คาร์ไบด์คงตัว ความแข็งมีตั้งแต่ 550–700 ฮ . การใช้งานทั่วไป: ไลเนอร์ปั๊มสารละลาย ไลเนอร์ราง และส่วนประกอบโรงบดในสภาพแวดล้อมที่มีแรงกระแทกปานกลาง

คลาส II — เตารีดสีขาวโครเมียมสูง (12–28% Cr)

เหล็กสีขาวโครเมียมสูงประกอบด้วย โครเมียม 12–28% ซึ่งเปลี่ยนเฟสคาร์ไบด์จาก Fe₃C ไปเป็นโครเมียมคาร์ไบด์ M₇C₃ ที่แข็งและทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น เกรดนี้รับความแข็งได้ถึง 700–800 ฮ และมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีกว่า Ni-Hard อย่างมาก ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมการเสียดสีที่เปียก เช่น การจัดการกับสารละลายแร่ เตารีดสีขาวเหล่านี้เป็นเตารีดสีขาวที่ได้รับการระบุอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับการซ่อมบำรุงที่สมบุกสมบัน

คลาส III — เตารีดโครเมียมสูง คาร์บอนสูง

เตารีดเหล่านี้ดันเนื้อหาโครเมียมเข้าไป 23–30% ด้วยคาร์บอนที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มสัดส่วนของปริมาตรคาร์ไบด์ให้สูงสุด — บางครั้งอาจมีคาร์ไบด์เกิน 30% โดยปริมาตร ใช้ในการใช้งานที่มีการเสียดสีที่รุนแรงที่สุด เช่น เครื่องบดปูนซีเมนต์และอุปกรณ์ขุดหินแข็ง

แนวคิดของเหล็กด่าง: ระหว่างสีเทาและสีขาว

เมื่อสภาวะการทำความเย็นหรือองค์ประกอบตกอยู่ระหว่างช่วงที่ผลิตเหล็กสีเทาทั้งหมดหรือเหล็กสีขาวทั้งหมด ผลลัพธ์ก็คือ เหล็กกระดำกระด่าง — โครงสร้างจุลภาคที่มีทั้งเกล็ดกราไฟท์และเหล็กคาร์ไบด์ในภูมิภาคต่างๆ พื้นผิวที่แตกหักแสดงให้เห็นการผสมผสานระหว่างพื้นที่สีเทาและสีขาว

โดยทั่วไปแล้วเหล็กจุดด่างดำถือเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ในส่วนประกอบทางวิศวกรรมเนื่องจากมีจุดอ่อนของทั้งสองประเภทรวมอยู่ด้วย: มันยากกว่าเหล็กสีเทา แต่ทนทานต่อการสึกหรอน้อยกว่าเหล็กสีขาวจริง . การมีอยู่ในการหล่อมักส่งสัญญาณถึงปัญหาในการควบคุมกระบวนการ เช่น การระบายความร้อนที่ไม่สอดคล้องกัน ความหนาของส่วนต่างๆ ที่แปรผัน หรือเคมีที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนด วิศวกรระบุเหล็กสีเทาหรือเหล็กสีขาวอย่างชัดเจน และออกแบบกระบวนการเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างจุลภาคมีความสม่ำเสมอ

เหล็กสีขาวในฐานะสื่อกลาง: เส้นทางสู่เหล็กอ่อน

การใช้เหล็กหล่อขาวทางอุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือ สารตั้งต้นของเหล็กอ่อน . เหล็กอ่อนถูกผลิตขึ้นโดยการหล่อเหล็กสีขาวและนำไปผ่านกระบวนการอบอ่อนด้วยความร้อนเป็นเวลานาน โดยทั่วไปแล้ว 850–950°C เป็นเวลา 20–70 ชั่วโมง — ซึ่งทำให้ซีเมนไทต์สลายตัวและคาร์บอนจะตกตะกอนอีกครั้งเป็นก้อนกราไฟท์ขนาดกะทัดรัดที่เรียกว่า "เทมเปอร์คาร์บอน"

ผลลัพธ์ที่ได้คือวัสดุที่มีความเหนียวที่ดีขึ้นอย่างมาก (การยืดตัว 5–12%) และความเหนียวเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กสีเทาหรือเหล็กสีขาว โดยที่ยังคงความแข็งแกร่งที่ดีไว้ นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมเหล็กสีขาวจึงต้องสามารถผลิตได้ตั้งแต่แรก หากไม่มีความสามารถในการสร้างเหล็กสีขาวที่มีคาร์ไบด์อย่างสมบูรณ์ การผลิตเหล็กอ่อนก็เป็นไปไม่ได้ ชิ้นส่วนเหล็กอ่อนทั่วไป ได้แก่ อุปกรณ์ท่อ วงเล็บอุปกรณ์การเกษตร และส่วนประกอบระบบส่งกำลังของยานยนต์ ในกรณีที่ต้องการรูปทรงที่ซับซ้อนพร้อมกับความเหนียวปานกลาง

คู่มือการใช้งาน: การเลือกระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและสีขาว

การตัดสินใจระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและสีขาวควรขับเคลื่อนโดยโหมดความล้มเหลวหลักที่คาดหวังในการให้บริการ:

ข้อจำกัดของวัสดุแต่ละชนิดที่วิศวกรต้องคำนึงถึง

ข้อจำกัดของเหล็กหล่อสีเทา

• ความต้านทานแรงดึงต่ำและความเหนียวเป็นศูนย์ — เหล็กสีเทาแตกหักกะทันหันภายใต้แรงดึงหรือแรงกระแทกโดยไม่มีคำเตือนการเสียรูป
• ทนต่อแรงกระแทกได้ไม่ดี — ไม่เหมาะสำหรับโหลดกระแทกแบบไดนามิก ส่วนประกอบที่หล่น หรือการใช้งานตอก
• เชื่อมยาก — ต้องมีการอุ่นเครื่องล่วงหน้าอย่างกว้างขวาง (โดยทั่วไป 300–600°ซ ) และการบำบัดความร้อนหลังการเชื่อมเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าว
• ความต้านทานต่อการขัดถูปานกลาง — ไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการสึกหรอรุนแรง เช่น การแปรรูปแร่หรือการผลิตซีเมนต์

ข้อจำกัดของเหล็กหล่อขาว

• ความเปราะบางมาก — เหล็กสีขาวโดยพื้นฐานแล้วไม่มีความเหนียว และจะแตกสลายเมื่อรับแรงกระแทก โดยเฉพาะในส่วนที่บาง
• ไม่สามารถตัดเฉือนด้วยการตัดแบบธรรมดาได้ — การเจียรเป็นวิธีการตกแต่งสำเร็จวิธีเดียวที่ทำได้ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก
• ไม่สามารถเชื่อมได้ — โครงข่ายคาร์ไบด์ทำให้การเชื่อมฟิวชันเป็นไปไม่ได้เลยโดยไม่ทำลายวัสดุ
• ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน — การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทำให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากโครงข่ายคาร์ไบด์เปราะไม่สามารถรองรับการไล่ระดับความเค้นจากความร้อนได้
• ต้นทุนที่สูงขึ้นในเกรดอัลลอยด์ — เหล็กสีขาวโครเมียมสูงที่มี Cr 20–28% มีต้นทุนโลหะผสมสูงกว่าเหล็กสีเทาที่ไม่เจือ

สรุป: การกำหนดความแตกต่างโดยสรุป

1. แบบฟอร์มคาร์บอนกำหนดทุกสิ่ง — เกล็ดกราไฟท์ในเหล็กสีเทากับเหล็กคาร์ไบด์ในเหล็กสีขาวเป็นสาเหตุเดียวที่ทำให้เกิดความแตกต่างอื่นๆ ทั้งหมด
2. เหล็กสีเทาสามารถแปรรูปได้และช่วยลดการสั่นสะเทือน — ทำให้เป็นตัวเลือกที่โดดเด่นสำหรับส่วนประกอบเครื่องยนต์ โครงสร้างเครื่องจักร และระบบเบรก
3. เหล็กสีขาวทนทานต่อการเสียดสีได้ดีกว่ามาก — ด้วยความแข็งสูงถึง 700 HB เทียบกับ 300 HB สำหรับเหล็กสีเทา มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเหล็กสีเทาหลายเท่าในสภาพแวดล้อมการสึกหรอแบบเลื่อนและการเจียร
4. ทั้งสองมีความเปราะ แต่มีเหล็กสีขาวมากกว่า — เหล็กสีเทาอย่างน้อยก็มีความเหนียวรับแรงอัด เหล็กสีขาวไม่มีความทนทานต่อแรงกระแทกและจะแตกสลาย
5. อัตราการทำความเย็นและปริมาณซิลิกอนเป็นตัวขับเคลื่อนกระบวนการ — ระบายความร้อนอย่างรวดเร็วและมีซิลิคอนต่ำผลิตเหล็กสีขาว การระบายความร้อนช้าและซิลิคอนสูงจะผลิตเหล็กสีเทาจากองค์ประกอบฐานเดียวกัน
6. เหล็กสีขาวทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของเหล็กอ่อน — ขั้นตอนกลางที่สำคัญในการผลิตส่วนประกอบเหล็กดัดมากขึ้นผ่านการอบอ่อนด้วยความร้อน

การเลือกระหว่างเหล็กหล่อสีเทาและสีขาวเป็นการตัดสินใจที่ตรงไปตรงมาเมื่อมีการระบุเงื่อนไขการบริการที่โดดเด่น: เลือกเหล็กสีเทาเมื่อคำนึงถึงความสามารถในการแปรรูป ลดแรงสั่นสะเทือน และประสิทธิภาพด้านต้นทุน เลือกเหล็กสีขาวเมื่อความต้านทานการเสียดสีเป็นข้อกำหนดที่เหนือกว่า และความเปราะบางสามารถจัดการผ่านรูปทรงของชิ้นส่วนและการออกแบบการติดตั้ง .