ЧТО ЛУЧШЕ: АЛЮМИНИЙ ИЛИ ЧУГУН?
Каталог Меню
ВойтиВход Регистрация
Забыли пароль?
Немного о физических свойствах металлов:
1. Теплопроводность — это способность вещества передавать тепло (энергию движущихся молекул) от одной части тела к другой. Чем выше значение теплопроводности, тем быстрее происходит нагрев металла.
Коэффициент теплопроводности алюминия = 200-220 Вт/м/К
Коэффициент теплопроводности чугуна = 50-70 Вт/м/К
2. Теплоемкость вещества — это количество теплоты поглощаемое веществом при нагревании на 1 градус. Чем больше значение теплоемкости, тем больше тепла запасает в себе 1 кг вещества.
Теплоемкость алюминия = 920 Дж/кг/К
Теплоемкость чугуна = 540 Дж/кг/К
3. Плотность вещества — это масса вещества приходящаяся на единицу объема. Чем больше значение плотности, тем тяжелее тело при равных размерах.
Плотность алюминия = 2700 кг/куб.м
Плотность чугуна = 7000 кг/куб.м
Судя по табличным данным чугун обладает значительно меньшей теплопроводностью, следовательно чугунная посуда нагревается медленнее алюминиевой. Сравнив остальные свойства металлов получим, что плотность чугуна больше в 2,5 раза, а теплоемкость меньше лишь в 1,7 раза. Таким образом, если взять два совершенно одинаковых (по форме и объему) казана из алюминия и чугуна и нагреть их до одинаковых температур, то чугунный казан будет остывать намного дольше (так как масса чугуна намного больше, теплопроводность намного меньше, а количество запасённого тепла чуть меньше, чем у алюминия).
Преимущества алюминия:
- посуда имеет малый вес.
- очень доступный и распространенный металл, поэтому цена на алюминиевую посуду ниже;
- долговечна.
Преимущества чугуна:
- чугунная посуда не тускнеет, не деформируется и не боится царапин;
- при правильном обращении чугунная посуда практически вечна.
Недостатки алюминия:
- из-за высокой теплопроводимости в ней легко пригорают продукты, а следы нагара трудно удаляются с ее поверхности;
- тонкостенная алюминиевая посуда легко деформируется и теряет свой первоначальный привлекательный внешний вид;
- посуда покрывается плёнкой оксида алюминия и начинает темнеть, но это не влияет на вкус пищи в процессе приготовления;
- нельзя хранить пищу в алюминиевой посуде долгое время (> 3 часов), так как посуда окисляется и меняет вкус еды.
Недостатки чугуна:
- склонность к ржавчине, поэтому после мойки ее следует тщательно вытирать или просушивать на плите, а затем смазывать маслом;
- большой вес;
- как и в алюминевой посуде нельзя хранить пищу долгое время (> 3 часов).
Чугунную посуду рекомендуют для приготовления птицы, тушеных овощей и мяса, а также для приготовления плова.
В алюминиевых кастрюлях хорошо варить макароны, каши и овощи, а вот тушить мясо, готовить борщ и кислые щи в них не следует.
Не следует использовать алюминиевую и чугунную посуду для хранения готовой пищи,
Таким образом, чтобы ответить на вопрос: «Что лучше: чугунная или алюминиевая посуда?», нужно решить детскую задачку, про «Кто победит – кит или слон?». Алюминиевая и чугунная посуда отличаются по большому перечню характеристик и просто не смогут друг друга заменить. Сложно приготовить в алюминиевой посуде вкусный плов, а в чугунной посуде — макароны по-флотски.
Теплоемкость чугуна, теплопроводность чугуна, плотность, энтальпия, состав и свойства
Теплофизические свойства чугуна
Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры.
Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).
Таблица 1. Теплофизические свойства серого чугуна в зависимости от температуры
| Температура, °C | α, 1/°C | c, Дж/(кг∗°C) | λ, Вт/(м∗°C) |
| 60 | 10,0 | 502 | 54,4 |
| 160 | 11,0 | 523 | 50,2 |
| 260 | 13,1 | 553 | 48,1 |
| 360 | 13,7 | 586 | 46,0 |
| 510 | 15,9 | 620 | — |
Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:
Таблица 2. Теплофизические свойства структурных составляющих чугуна
| Структурная составляющая | α 100 200, 1/°C | c 100 ,Дж/(кг∗°C) | λ 100 Вт/(м∗°C) |
| Феррит | 12,0-12,6 | 460-470 | 72,8-75,5 |
| Аустенит | 18-19 | 502 | 41,8 |
| Цементит | 6,0-6,5 | 615 | 49,0 |
| Перлит | 10,0-11,6 | 486 | 50,3-51,9 |
| Графит | 1,4-3,7 | 795 | 355,8 |
Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения.
Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.
На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.
Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.
Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.
В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.
Таблица 3. Теплофизические свойства чугуна
| Чугун | α20 100 ∗10 6 , 1/°C | c20 100 , Дж/(кг∗°C) | c20 1000 , Дж/(кг∗°C) | λ20 100 , Вт/(м∗°C) |
| Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85): | ||||
| СЧ10-СЧ18 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 46,0-54,4 |
| СЧ20-СЧ30 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 41,8-50,2 |
| СЧ35 | 11,5-12,0 | 502-544 | 628-670 | 37,6-46,0 |
| Высокопрочный (ГОСТ 7293-85): | ||||
| ВЧ 35-ВЧ 45 | 11,5-12,5 | 460-502 | 586-628 | 37,6-46,0 |
| ВЧ 60-ВЧ 80 | 10-11 | 502-523 | 628-670 | 33,5-41,9 |
| ВЧ 100 | 9-10 | 523-565 | 628-670 | 29,3-37,6 |
| Ковкий (ГОСТ 7769-82): | ||||
| КЧ 30-6/КЧ 37-12 | 10,5-11,0 | 460-511 | 586-628 | 54,4-62,8 |
| КЧ 45-5/КЧ 65-3 | 10,3-10,8 | 527-544 | 628-670 | 50,2-54,4 |
| Легированный (ГОСТ 7769-82) | ||||
| никелевый ЧН20Д2Ш | 17-19 | — | 460-502 | 17,4 |
| с 35-37% Ni | 1,5-2,5 | — | — | — |
| хромистый: | ||||
| ЧХ16 | — | — | — | 32,5 *1 |
| ЧХ22 | — | — | — | 25,5 *1 |
| ЧХ28 | 9-10 | — | — | 17,4 *1 |
| ЧХ32 | 9-10 | — | — | 19,8 *1 |
| кремнистый: | ||||
| ЧС5 | 14-17 *2 | — | — | 21,0 *3 |
| ЧС15, ЧС17 | 4,7 *1 | — | — | 10,5 |
| алюминиевый: | ||||
| ЧЮ22Ш | 17,5 *1 | — | — | 15,1-28,0 *3 |
| ЧЮ30 | 22-23 *2 | — | — | — |
*1В интервале 20-200 °C. | ||||
| *2В интервале 20-900 °C. | ||||
| *3В интервале 20-500 °C. | ||||
Чем чугун отличается от стали: основные свойства и отличительные характеристики
Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.
Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?
Сталь и ее основные характеристики
Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом, которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность.
В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.
Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.
Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:
- Низколегированной
- Среднелегированной
- Высоколегированной
В зависимости от содержания углерода она бывает:
- Низкоуглеродистой
- Среднеуглеродистой
- Высокоуглеродистой.
В состав металла часто входят неметаллические соединения — оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.
Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м3, а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как — прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.
Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.
Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520оС и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.
Чугун и его основные характеристики
Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:
- Белый — где лидирует в большинстве цементит, этот материал на изломе имеет белый цвет. Данный компонент отличается хрупкостью и одновременно твердостью. Он легок в обработке, что придает ковкость чугуну.
- Серый — в этой разновидности большую долю составляет графит, за счет чего чугун получается пластичным. Готовый чугун имеет небольшую температуру плавления, отличается мягкостью, его легче резать.
- Ковкий — достигается методом обжига белого чугуна, его томят в специальных нагревательных печах при температуре в 950-1000оС. Присущая белому чугуну твердость и хрупкость снижаются, он не куется, а только становится более пластичным.
- Высокопрочный сплав чугуна — в нем содержится шаровидный графит, который образуется в ходе кристаллизации.
Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250оС.
Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии — начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома.
Отсюда и появилась нержавеющая сталь.
Делаем вывод
Исходя их многочисленных характеристик, можно сказать следующее о чугуне и стали, в чем их отличие:
- Сталь является более прочной и твердой, чем чугун.
- Сталь имеет более высокую температуру плавления, она тяжелей.
- Более низкий процент содержания углерода в стали делает ее легкой в обработке, ее проще резать, ковать и варить.
- По этой причине изделия из чугуна можно отлить, а стальные сварить или сделать кованными.
- Стальные изделия менее пористые, чем чугунные, поэтому они обладают большей теплопроводностью.
- По цвету они также отличаются, сталь светлая и блестит, а чугун более темный с матовой поверхностью.
- Стоимость на сталь всегда выше чугунных материалов.
Можно сделать вывод, что сталь и чугун объединяет содержание в них углерода и железа, но их характеристики отличаются и каждый из сплавов имеет свои особенности.
- Николай Иванович Матвеев
- Распечатать
Источник: https://stanok.
guru/metalloprokat/truboprokat/chem-chugun-otlichaetsya-ot-stali.html
Коэффициент линейного расширения α
Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,
Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается : и достигает минимума при 35—37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.
Теплопроводность чугуна.
Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.
Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).
Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.
Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.
Теплоемкость чугуна и стали — Металлы, оборудование, инструкции
Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей.
Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.
Ванны и батареи физика
Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.
Чугунная батарея остывает дольше.
Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!
Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.
Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?
И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.
Масса секции батарей:
| Металл секции | Масса секции, кг |
| алюминий | 0,5 — 1,5 |
| биметалл (сталь с алюминием) | 1,5 |
| чугун | 3,7 — 5,9 |
Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.
Чугунная ванна сохраняет тепло.
Чугунная ванна:
| Масса | 100 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости чугуна | 540 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из чугуна | 100 кг * 540 Дж/(кг*К) = 54 кДж/К |
Стальная ванна:
| Масса | 30 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости стали | 720 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из стали | 30 кг * 720 Дж/(кг*К) = 21,6 кДж/К |
То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.
Теплоёмкость воды в ванне:
| Объем | 100 литров = 0,1 куб. м |
| Плотность воды | 1000 кг/куб. м |
| Коэффициент удельной теплоёмкости воды | 4183 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость воды в ванне | 0,1 куб. м * 1000 кг/куб. м * 4183 Дж/(кг*К) = 418,3 кДж/К |
Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.
Похожие статьи:
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
| Металл | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) |
| Медь | 390 |
| Алюминий | 236 |
| Сталь | 47 |
| Чугун | 42 |
Вывод: чугун распределяет тепло медленно.
Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
Теплопроводность стали и чугуна
Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло.
Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними.
В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).
Понятие теплопроводности
Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней.
Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества.
Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.
Противоположной величиной для теплопроводности является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла.
Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры.
Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:
- за одну секунду;
- через площадь один метр квадратный;
- на расстояние один метр;
- когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.
Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).
Перенос тепла на молекулярном уровне
Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.
Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества.
Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах.
Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.
Теплопроводность материалов
Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы.
Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами.
Представление обоих случаев | Дизайн машины
Алюминий, легкий материал. При правильном применении он обеспечивает тысячи устройств довольно фантастическими свойствами. Тем не менее, иногда его избегают, поскольку это «нетрадиционный» материал (например, алюминиевая бита, несмотря на все его преимущества, запрещена в мейджорах) или дискредитируют как хлипкую альтернативу черным металлам.
Тем не менее, несмотря на то, что думают скептики, все большее количество литых алюминиевых компонентов машин выполняет свою работу.
Что касается корпусов червячных редукторов, то споры идут полным ходом. Некоторые утверждают, что непревзойденная прочность чугуна делает его незаменимым для силовых агрегатов. Другие, особенно в Европе, предпочитают литой алюминий из-за его легкого веса и элегантности дизайна.
Конечно, у каждого есть свои плюсы и минусы, и одно приложение может сильно склоняться к железному корпусу, в то время как другое требует алюминия.
Горячее обсуждение
Материал корпуса червячной передачи, будь то чугун или литой алюминий, обычно не влияет на размер, стиль или качество внутренних рабочих компонентов. Фактически, при одинаковом межосевом расстоянии (расстояние между осевой линией червяка и осевой линией выходного вала) вы, вероятно, найдете одинаковые шестерни и подшипники внутри любого типа корпуса.
Различные конструкции корпуса, однако, имеют тенденцию оказывать значительное влияние на теплоемкость.
Червячные редукторы ценны для бесшумного и надежного проворачивания высокого крутящего момента, но скользящее зацепление зубчатого зацепления приводит к интенсивному трению, что делает эти редукторы одними из самых горячих редукторов в мире.
Тепло передается от шестерен к движущейся смазке и корпусу, где рассеивается в окружающий воздух. Скорость проводимости через корпус выражается в Вт/м-К. Литой алюминий имеет неоспоримое преимущество как проводник тепла с теплопроводностью 160, а у чугуна — 52.
Однако, как оказалось, проводимость от внутренней к внешней поверхности корпуса является в значительной степени незначительным фактором, когда речь идет о конструкции червячной передачи. Как алюминий, так и чугун обладают достаточной проводимостью, поэтому корпус редуктора в конечном итоге достигает устойчивого состояния, при котором температуры внутренней и внешней поверхности для практических целей примерно одинаковы.
Скорее, основной проблемой является конвекция, обмен тепловой энергией между жидкостью и твердым телом.
Эта форма теплопередачи происходит в нескольких областях. Смазка переносит тепло от зацепления (источника) на внутреннюю поверхность корпуса. (Технически корпус также немного нагревается за счет теплопроводности через крепления.) Снаружи корпус отдает тепло воздуху. И смазка, и наружный воздух действуют как конвекционные жидкости. Открытая площадь поверхности корпуса сильно влияет на процесс конвекции и, следовательно, на рассеивание тепла от всего устройства.
Конвекция зависит от площади, перепада температур и условий пограничного слоя (включая свойства жидкости), что объясняется коэффициентом конвективной теплопередачи.
Следующая формула учитывает конвекцию вместе с гораздо менее значительным фактором излучения:
H = C cr A c Δt
где
H = тепловая мощность, рассеянная через корпус 90 (0 Вт)
C cr = комбинированный коэффициент теплопередачи для конвекции и излучения (Вт/м 2 K)
A c = площадь корпуса, подвергающаяся воздействию окружающего воздуха (м 2 )
Δt = разница температур между смазочным маслом и окружающим воздухом (K) – здесь используется температура смазочного материала вместо температуры поверхности корпуса, потому что большинство приложений достигают устойчивого состояния, когда температуры почти одинаковы.
Итак, что касается червячных редукторов, какое отношение имеет материал корпуса к охлаждению? Это сводится к следующему: большинство чугунных агрегатов имеют большую площадь поверхности и резервуары для смазки, которые доводят их теплоемкость до уровня, гарантированного их механическими характеристиками, и даже выше — они, как правило, не имеют «термических ограничений». Литые алюминиевые корпуса червячных передач, с другой стороны, обычно компактны, с меньшей площадью поверхности и меньшими полостями для смазки. Поэтому тепловые характеристики важны при обозначении этих типов.
Продолжить на стр. 2
Однако есть исключения. Некоторые конструкции из чугуна могут быть компактными и термически ограниченными; кроме того, есть просторные, термически не ограниченные версии из литого алюминия. Тем не менее, стандартные конфигурации имеют более крупные корпуса из чугуна и меньшие по размеру литые алюминиевые корпуса. Общая идея заключается в том, чтобы алюминиевые корпуса были легкими и маленькими, в то время как «сверхмощные» чугунные конструкции обычно не предназначены для экономии места.
Твердые вещества
Железо почти в три раза плотнее алюминия. Отсюда следует, что при одинаковых межосевых расстояниях червячные редукторы с чугунным корпусом, наряду с более крупными размерами, весят примерно в три раза больше, чем редукторы в литом алюминиевом корпусе. Обычно это справедливо даже после учета эквивалентных деталей — зубчатых передач, валов и подшипников.
Вес и размер могут не иметь значения, когда редуктор устанавливается на крупное промышленное оборудование, но для меньшего оборудования часто можно использовать менее громоздкие редукторы в алюминиевом корпусе.
Чугун и литой алюминий обеспечивают превосходную долговечность. Любая версия будет работать в большинстве приложений. Поскольку литой алюминий не ржавеет, на него часто можно не наносить защитное покрытие, а чугунные корпуса всегда красят. Тем не менее, редукторы с алюминиевым корпусом не рекомендуются для промывки. Едкие моющие средства могут разъедать голый алюминий, и хотя он легко окрашивается, металл может поддаться абразивным струям высокого давления.
Чугун тверже и является лучшим выбором для пищевых предприятий и других санитарных сред. Фактически, это единственный металл, одобренный Комитетом по санитарным стандартам хлебопекарной промышленности (BISSC) для редукторов скорости, предназначенных для промывки.
Хотя широко известно, что чугун прочнее литого алюминия, это не обязательно так. Большинство алюминиевых сплавов имеют более высокую прочность на растяжение. Алюминий также может сопротивляться ударам лучше, чем железо, которое, как известно, является хрупким. Теоретически это может дать алюминиевым корпусам преимущество в противостоянии ударным нагрузкам. Но на практике обычно более крупные корпуса позволяют чугунным редукторам также или даже лучше выдерживать удары.
Жесткость, устойчивость и демпфирование почти всегда важнее прочности корпуса редуктора. Жесткий корпус обеспечивает выравнивание вала и подшипников в жестких условиях эксплуатации. Чугунные корпуса обладают превосходной жесткостью и поэтому предпочтительнее для применений, подверженных непредсказуемым условиям эксплуатации.
Кроме того, с коэффициентом теплового расширения вдвое меньшим, чем у алюминия, железо сохраняет свой размер и форму в широком диапазоне температур; это особенно важно в отверстиях подшипников, поверхностях уплотнений и других критических местах посадки. А так как ни один материал не является абсолютно жестким, цельный корпус — будь то литой алюминий или железо — способствует предотвращению утечек смазки.
Внутренние дела
Каким бы замечательным не был корпус, но детали внутри — это сердце редуктора. Червяк и входной вал обычно представляют собой неотъемлемую часть из легированной стали. Зубья червяка должны быть закалены и обработаны (отшлифованы и отполированы), чтобы выдерживать постоянное трение и нагревание. Червячные зубья с более высокими углами опережения обеспечивают более тихую и эффективную работу, но требуют большего крутящего момента. Шестерня или колесо обычно изготавливаются из бронзы для смазывания. Литье бронзовой шестерни на железную ступицу добавляет прочности.
Механические характеристики редуктора учитывают максимальный непрерывный выходной крутящий момент или мощность. Этот рейтинг основан на анализе нагрузки. Наиболее важным фактором является расчет нагрузки на износ, устойчивость компонентов редуктора к износу и точечной коррозии. Максимальный выходной крутящий момент также зависит от межосевого расстояния, расстояния от осевой линии червяка до осевой линии выходного вала. При одинаковом передаточном числе узел с большим межосевым расстоянием (за счет более крупных компонентов зубчатой передачи) может передавать больший крутящий момент. Корпус из алюминия или железа, как правило, не имеет ничего общего с механическими характеристиками.
Подшипники, которые надежно удерживаются корпусом и крышкой подшипника, а не стопорными кольцами, обеспечивают более высокие ударные характеристики, что особенно важно при циклическом и реверсивном применении. Выходные подшипники должны иметь достаточную грузоподъемность, чтобы выдерживать радиальные нагрузки, например, от ремней или цепей, прикрепленных к выходному валу.
Конические роликовые подшипники являются лучшим выбором для высоких радиальных нагрузок. Поддержка выходного вала часто означает также работу с осевыми нагрузками, которые обычно присутствуют, когда вал соединен непосредственно с ведомой машиной.
Марк Бааке — специалист по зубчатым передачам, а Дэйв Брик — директор по разработке зубчатых передач в Leeson Electric Corp., Графтон, Висконсин.
Является ли чугун хорошим проводником тепла?
«Если металлы являются такими хорошими проводниками тепла, — спросил недавно читатель, — то как ручка моей чугунной сковороды остается холодной, даже когда сковорода горячая?»
Одно из самых частых заблуждений относительно чугуна состоит в том, что, поскольку из него делают такую хорошую посуду, он должен быть отличным проводником тепла.
К великому удивлению многих, верно как раз обратное.
Из чугуна делают отличные сковороды, сковороды-гриль и жаровни, потому что он плохо проводит тепло.
Вот почему посуда для приготовления пищи из чугуна дольше нагревается, но, оказавшись там, поддерживает постоянную температуру приготовления и распределяет тепло равномерно, без холодных участков.
Тогда как чугун весит по сравнению с другими металлами?
Теплопроводность чугуна составляет 52 Вт на метр-Кельвин (Вт/м·К), по сравнению с 54 Вт/м·К для углеродистой стали, 237 Вт/м·К для алюминия и 413 Вт/м·К для меди ( с помощью Engineering Toolbox).
Другими словами, чугун в 4 1/2 раза хуже проводит тепло, чем алюминий, наиболее распространенный металл для керамической и антипригарной посуды, и в 8 раз хуже, чем медь, металл, предпочтительный для некоторых из самых высоких -конечные производители посуды в мире.
При этом нержавеющая сталь еще хуже проводит тепло, чем чугун. Теплопроводность нержавеющей стали марки 304, из которой изготавливается большинство сковородок и кастрюль, составляет 14,4 Вт/м·К.
| Material | Thermal Conductivity |
|---|---|
| Stainless steel | 14. 4 W/m K |
| Cast iron | 52 W/m K |
| Carbon steel | 54 W/m K |
| Алюминий | 237 Вт/м·К |
| Медь | 413 Вт/м·К |
Если у вас дома есть несколько кухонных принадлежностей, вы, вероятно, видели это сами. На какой бы плите вы ни готовили, сковорода с антипригарным покрытием нагреется почти мгновенно, а чугунная может прогреться за 3-4 минуты.
Во-вторых, чугунные сковороды и кастрюли менее чувствительны к регулировке регулятора нагрева, и им требуется относительно много времени для выделения тепла, накопленного во время приготовления. Это объясняет, почему голландская печь может поддерживать температуру вашей пищи в течение нескольких часов подряд.
Для чего нужны чугунные сковороды?
Если вы поместите толсто нарезанный стейк в горячую алюминиевую или медную сковороду, температура его варочной поверхности почти мгновенно упадет (и так же быстро восстановится).
Сделайте то же самое на чугунной сковороде или сковороде-гриль и измерьте температуру инфракрасным термометром, и она упадет гораздо меньше.
Кстати, то же самое относится и к тому, когда вы увеличиваете или уменьшаете мощность плиты.
Чугун отлично подходит для обжаривания стейка рибай или приготовления гамбургеров, задача, требующая постоянного и равномерного нагрева. В меньшей степени для обжаривания рыбы или грибов, когда вам нужно быстро отрегулировать температуру приготовления.
Чугунная посуда также подходит для выпечки. Просто введите в Google запрос «рецепты выпечки из чугуна», и вы получите около 170 миллионов результатов по таким вещам, как кукурузный хлеб, булочки, пицца, пироги, печенье и торты, среди прочего.
Чугунная сковорода настолько хорошо удерживает тепло, что ее можно заменить на камень для пиццы.
Хитрость в том, чтобы заставить чугунную пиццу работать, для читателей, которые хотят попробовать это, состоит в том, чтобы предварительно разогреть сковороду от 45 минут до часа в вашей духовке, а затем быстро поместить пирог с пиццей без верха на горячую поверхность.
после его формирования.
Высокие стенки сковороды не позволят вам выложить пирог на поверхность с помощью кожуры для пиццы, как вы бы сделали, если бы использовали камень для выпекания или сталь для пиццы. Вам просто нужно открыть духовку и слегка выдвинуть решетку, пока вам не будет достаточно легко положить пиццу на сковороду.
Как только вы приедете, быстро добавьте начинку, затем закройте плиту и выпекайте пиццу, пока она не станет красивой и воздушной.
Тепло вашей чугунной посуды поднимет тесто и подрумянит его, напоминая пиццу, которую вам подают в Pizza Hut.
Продукты, которые не следует готовить в чугуне
Чугунные сковороды и кастрюли отлично подходят для подрумянивания мяса, такого как говядина, свинина, телятина, баранина и птица, а также для приготовления зерновых или крахмалистых овощей, таких как рис, бобы и картофель. Как мы уже выяснили, они также подходят для запекания в духовке всевозможных изделий.
Однако чугун не подходит для слишком кислых продуктов, таких как помидоры, уксус, лимон и вино (или соусы, которые их содержат).