ما هو صب الجرافيت المدمج الرمل?

1. مقدمة

قامت صب الرمال بتشغيل صناعة مسبك الحديد لعدة قرون, تمكين إنتاج الأشكال الهندسية المعقدة بتكلفة منخفضة نسبيًا.

حديثاً, مكواة الجرافيت مضغوطة (CGI)- معروف أيضًا باسم الحديد الجرافيت الحمر- ظهرت كمواد تسد الفجوة بين الحديد الزهر الرمادي التقليدي وحديد الدكتايل.

من خلال الجمع بين الخصائص المرغوبة لكلاهما, يوفر CGI قوة شد أعلى والتوصيل الحراري من الحديد الرمادي, حتى الآن يحتفظ بقدرة فائقة وتخميد مقارنة بدرجات الدكتايل.

في هذه المقالة, نحن نفحص "ما هو صب الرمال مع CGI?" من خلال المعادن, يعالج, ميكانيكية, والعدسات الاقتصادية.

نهدف إلى تقديم مورد شامل ولكنه عملي لمهندسي المسبكين, أخصائيي التصميم, وباحثو المواد المهتمين بتسخير فوائد CGI.

2. مكواة الجرافيت مضغوطة (CGI): المعادن والخصائص

مضغوط (ديداني) الحديد الجرافيت (CGI) يحتل موقفًا وسيطًا بين الحديد الرمادي وحديد الدكتايل:

ينتج عن مورفولوجيا الجرافيت الفريدة مجموعة من القوة, صلابة, والخصائص الحرارية التي لا يمكن تحقيقها في مكوحيات الممثلين الأخرى.

مورفولوجيا الجرافيت: من الرمادي إلى الدكتايل إلى CGI

يظهر الجرافيت في الحديد الزهر في ثلاثة أشكال أولية. كل يؤثر على السلوك الميكانيكي والحراري:

• الحديد الرمادي: يوفر Flake Graphite سلوكًا في سجن الكراك تحت الاهتزاز ولكنه يحد من خصائص الشد.
• CGI: يظهر الجرافيت الزائد على أنه قصير, "الديدان" المدمجة (عامل الاكتئاب ≥ 60 %), تعزيز القوة والتوصيل مع الحفاظ على التخميد المقبول.
• حديد الدكتايل: يحدث الجرافيت كقائدات مثالية تقريبًا; هذا يزيد من ليونة ولكنه يقلل من التخميد والتوصيل الحراري مقارنة مع CGI.

عناصر التركيب الكيميائي وعناصر السبائك

كيميائيا, CGI يشبه الحديد الدكتايل ولكنه يتطلب تحكمًا أكثر تشددًا في بعض العناصر, خاصة المغنيسيوم والكبريت, لتحقيق شكل الجرافيت الدوري المطلوب.

تكوين مستهدف نموذجي (EN-GJV-450-12) يظهر أدناه:

النقاط الرئيسية:

• الحفاظ ملغ بين 0.035 % و 0.055 % (± 0.005 %) أمر ضروري; السقوط خارج هذه النافذة يغير مورفولوجيا الجرافيت.
• الكبريت يجب أن تظل منخفضة للغاية (< 0.01 %)-حتى 0.015 % يمكن S ربط Mg كملغال, منع تكوين الجرافيت الزائد.
• السيليكون مستويات أعلاه 2.5 % تشجيع نمو تقشر الجرافيت ومصفوفة أكثر فريتية, تحسين الموصلية الحرارية ولكن يحتمل أن يقلل من القوة إذا كان مفرطًا.

البنية المجهرية: الجرافيت الزائد في مصفوفة ferritic/pearlitic

يعتمد البنية المجهرية المقيدة لـ CGI على معدل التصلب, التلقيح, والمعالجة الحرارية النهائية. وتشمل الميزات النموذجية:

• مصفوفة التحكم: أ مصفوفة ferritic (≥ 60 % الفريت) تعطي الموصلية الحرارية ل 40-45 ث/م · ك,
  بينما مزيج الفريت - بيئيلت (30 % - 40 % بيرليت) دفع قوة العائد إلى 250 - 300 MPa دون الزائد المفرط.
• عدد عقيدات الجرافيت الفريدة: هدف 100 - 200 رقائق vermicular/mm² في الأقسام ~ 10 سماكة. التهم المنخفضة تقلل من القوة; ارتفاع التهم انتقال المخاطر إلى العقدة.

الخواص الميكانيكية (قوة, صلابة, تعب)

تجمع الخواص الميكانيكية الخاصة بـ CGI بين القوة, صلابة, والبناء المعتدل. القيم التمثيلية (EN-GJV-450-12, تطبيع) تظهر أدناه:

الملاحظات:

• عالي معامل يونغ (هـ 175 المعدل التراكمي) يؤدي إلى مكونات أكثر صلابة - واضحة في كتل المحرك والأجزاء الهيكلية التي تتطلب الحد الأدنى من الانحراف.
• مقاومة التعب (≈ 200 MPa) يجعل CGI مناسبًا للأحمال الدورية (على سبيل المثال, رؤوس الأسطوانة تحت الدورات الحرارية).
• صلابة يمكن أن تكون مصممة عبر تكوين المصفوفة: النقي الخالص CGI (~ 115 غ.ب) يتفوق في تطبيقات التآكل; CGI اللؤلؤي (~ 180 غ.ب) تم اختياره لاحتياجات القوة العليا.

الموصلية الحرارية وقدرة التخميد

شكل الجرافيت الفريد من CGI ومصفوفة ينتجون خصائص حرارية واهتزازية مميزة:

• الموصلية الحرارية: الموصلية العالية (40 ث / م · ك) يسرع تبديد الحرارة من النقاط الساخنة في كتل المحرك وأدوات الشاحن التوربيني, تقليل خطر التعب الحراري.
• التخميد: عامل التخميد في CGI (0.004 - 0.006) يمتص الطاقة الاهتزازية أفضل من الحديد الدكتايل, مساعدة الضوضاء, اهتزاز, والقسوة (NVH) السيطرة - خاصة في محركات الديزل.
• معامل التمدد الحراري: توسع CGI (≈ 11.5 × 10⁻⁶/درجة مئوية) يطابق بطانات محرك الصلب عن كثب, تقليل الضغوط الحرارية في واجهة البطانة/الكتلة.

3. ما هو صب الجرافيت المدمج الرمل (CGI)?

صب الرمل مع الحديد الجرافيت المضغوط (CGI) يتبع نفس الخطوات الشاملة مثل صب الرمال الحديدية التقليدية,

تحضير العفن, ذوبان, صب, التصلب, والتنظيف - ولكن يعدل المعلمات الرئيسية لإنتاج مورفولوجيا الجرافيت الفريدة من CGI.

تحديد العملية

بناء النمط والعفن

• تصميم نمط: المسابك تخلق أنماط (في كثير من الأحيان من الخشب, الايبوكسي, أو الألومنيوم) التي تشمل البدلات ل 3-6 % انكماش نموذجي لسبائك CGI (solidus ~ 1 150 درجة مئوية, سائل ~ 1 320 درجة مئوية).
• اختيار الرمال: قوالب السيليكا القياسية (نفاذية > 200, دقة الحبوب AFS ~ 200) تعمل بشكل جيد,
  لكن المجلدات المعززة - فينوليك - الأريثان أو فوران - تقاوم درجة حرارة سكب CGI أعلى (~ 1 350-1 420 درجة مئوية).
• معالجة وسحب التجميع: يحزم الفنيون السحب حول النصف السفلي من النمط, ثم قم بإزالة النمط ووضع النوى (إذا لزم الأمر) قبل صياغة كوب.
  يضمن وضع تنفيس دقيق الهروب من الغاز عندما يملأ CGI ارتفاع درجة الحرارة التجويف.

الذوبان والمعالجة المعدنية

• تكوين الشحن: الذوبان النموذجية تستخدم 70-80 % الخردة المعاد تدويرها, 10-20 % الحديد الخنزير أو الساخنة,
  والسبائك السيطرة لضبط الكيمياء. المسبقات تهدف إلى ج 3.5 ± 0.1 %, و 2.5 ± 0.2 %, و ق < 0.01 %.
• الإضافات المغنيسيوم والأورث النادرة: قبل أن تتدفق, يضيف المشغلون 0.035-0.055 % ملغ (إلى جانب 0.005-0.015 % بارد) في مغرفة مغطاة لتشكيل الجرافيت الزائد بدلاً من الرقائق أو الكرات الكروية.
  يحركون بلطف لتوزيع المعدلات بشكل موحد.
• التلقيح وإزالة الأكسدة: تمتلئ المسابك بنسبة ~ 0.6-1.0 كجم/طن من الفيروسيليكون أو باريوم سيليكون لتوفير مواقع نووية الجرافيت.
  معًا, مواد الأكسدة-مثل Fesi-الأكسجين المذاب وقلل من شوائب الأكسيد.

صب وملء العفن

• إدارة المزيخ الفائق: تدفق درجة حرارة CGI تجلس حولها 1 350-1 420 درجة مئوية (2 462-2 588 درجة فهرنهايت), ما يقرب من 30-70 درجة مئوية فوق السائل.
  يضمن هذا الحرارة الفائقة الإضافية ملءًا كاملًا لأقسام الجدار الرقيقة (وصولاً إلى 4 مم) ولكن أيضا يزيد من خطر تآكل الرمال.
• تصميم البوابات: تستخدم المسابك متناقضًا مدببًا ومقاطع عرضية للسخاء, الحجم للحصول على رقم رينولدز (يكرر) ل 2 000-3000 - لتقليل الاضطراب إلى الحد الأدنى.
  مرشحات رغوة السيراميك (30-40 PPI) غالبًا ما يعرض أي شوائب يتم حملها في القالب.
• العفن تنفيس: لأن CGI سيولة منافسين الحديد الرمادي, تنفيس مناسب - من خلال الفتحات السفلية تحت الناهض والنفاذية التي تسيطر عليها - تعرض انحباس الغاز.
  الناهضون المتخصصون (طارد للحرارة أو معزول) إطعام المعدن المنصهر في النقاط الساخنة من آخرها.

التصلب والتحكم في البنية المجهرية

• نوى الجرافيت: كما يبرد CGI المنصهر من ~ 1 350 ° C ل 900 درجة مئوية, نواة الجرافيت الزهرية على مواقع اللقاح.
  تستهدف المسابك معدل تبريد من 0.5 إلى 2.0 درجة مئوية/ث في أقسام تتراوح سمكها بين 10-15 ملم لتطوير رقائق من 100-200 لكل ملم..
• تشكيل المصفوفة: أقل 900 درجة مئوية, يبدأ انتقال الأوستينيت إلى فيرريت.
  التبريد السريع يعطي المزيد من اللؤلؤ (قوة أعلى ولكن الموصلية الحرارية أقل), في حين أن التبريد المعتدل ينتج مصفوفة ferritic في المقام الأول (تبديد حرارة أفضل).
  غالبًا ما تتطبيع المسابك في 900 ° C بعد Shakeout لتحقيق أ 60 % الفريت - 40 % توازن بيرليت.
• التغذية المتقلبة: يتقلص CGI تقريبًا 3.5 % عند التصلب. حجم الناهضين في 10-15 % من كتلة الصب - التي تم وضعها في نقاط ساخنة استراتيجية - تقدم مسامية الانكماش.

هز, تنظيف, والمعالجة النهائية

• هز: بعد 30-45 دقيقة من التبريد, المسابك تكسر الرمال العفن باستخدام طاولات الاهتزاز أو الكباش الهوائي. الرمال المستصلحة تخضع للفحص والاستصلاح لإعادة الاستخدام.
• تنظيف: إطلاق النار (للفيروس) أو القوس القوس الكربون الهواء يزيل الرمال المتبقية, زائف, ويستعرض. يتفقد الفنيون الشقوق السطحية أو الزعانف قبل المعالجة الحرارية.
• المعالجة الحرارية (تطبيع): عادة ما تتطبيع مصبوبات CGI في 900 درجة مئوية (1 652 درجة فهرنهايت) لمدة 1-2 ساعات, ثم إخماد الهواء أو الزيت.
  تقوم هذه الخطوة بتحسين حجم الحبوب وتضمن توزيعًا ثابتًا للفلاح الفريت.
• الآلات والتفتيش: بعد التطبيع, تصل الصب إلى الصلابة النهائية (ferritic CGI ~ 115 غ.ب; Pearlitic CGI ~ 180 غ.ب).
  مراكز CNC Machine الأسطح الحرجة (التسامح ± 0.10 مم) ويتحقق المفتشون مورفولوجيا الجرافيت (intericularity ≥ 60 %) عبر المعادن.

الاختلافات الرئيسية من صب الرمال الحديدية الرمادية

4. مزايا وتحديات صب الرمال المدمجة الحديد الجرافيت (CGI)

مزايا صب الرمال CGI

تعزيز القوة والصلابة

قوة الشد من CGI (400-450 ميجا باسكال) يتجاوز الحديد الرمادي 50 %, بينما معامل المرونة (170-180 GPA) يتجاوز الحديد الرمادي 50 %.

نتيجة ل, تُظهر مصبوبات CGI انحرافًا أقل تحت الحمل - وخاصة ذات قيمة كبيرة لكتل ​​المحرك والمكونات الهيكلية.

تحسين الموصلية الحرارية

مع التوصيل الحراري ل 40-45 ث/م · ك, CGI نقل الحرارة 20-30 % أسرع من الحديد الرمادي.

هذا يتيح تسخين أسرع للمحرك, انخفاض النقاط الساخنة, ومقاومة أفضل للإرهاق الحراري في رؤوس الأسطوانات والبطانات.

التخميد المتوازن

عامل التخميد في CGI (~ 0.005) يقع في منتصف الطريق بين الرمادي (~ 0.010) والدكتايل (~ 0.002) الحديد.

بالتالي, CGI يمتص الاهتزاز بشكل فعال - تقليل NVH (ضوضاء, اهتزاز, قسوة)- في حين تجنب هشاشة الحديد الرمادي العالي.

إنتاج فعال من حيث التكلفة

على الرغم من أن CGI يضيف ~ 5-10 % تكلفة المواد بسبب الملايين/إعادة الإضافات والتحكم في العملية أكثر تشددًا, تكاليف 20-30 % أقل من الحديد الدكتايل للأداء المكافئ.

انخفاض بدلات الآلات - أكثر من ذلك لتحسين الاستقرار الأبعاد - تكاليف الصب.

تحديات الصب الرملي المدمج الحديد الجرافيت

1. التحكم الضيق في كيمياء الذوبان: الحفاظ على MG داخل ± 0.005 % أمر بالغ الأهمية. انحراف طفيف يمكن أن يعود مورفولوجيا الجرافيت إلى التقشر أو الكروي, استلزم التنسيق كامل النطاق.
2. ارتفاع درجات حرارة صب: CGI 1 350-1 420 درجة مئوية (2 462-2 588 درجة فهرنهايت) يتطلب الذوبان المزيد من المجلدات والطلاءات القوية لمنع تآكل الرمال والبريد.
3. خطر تشكيل كربيد: يمكن أن ينتج عن السيليكون الزائد أو التبريد السريع شبكات أسمنتية, احتضان CGIs; التلقيح والتبريد الخاضع للرقابة إلزامي.
4. إدارة المسامية: تؤدي السيولة العالية في CGI إلى زيادة طموح الغازات ما لم تكن ممارسات تنفيس القالب واضطرابها مثالية.
5. خبرة مسبك عالمية محدودة: على الرغم من أن حصة السوق الخاصة بـ CGI قد نمت (وخاصة في مجال السيارات), فقط 20-25 % من مسابك الحديد في جميع أنحاء العالم أتقنت الإجراءات المتخصصة, رفع أوقات الرصاص.

5. تطبيقات الحديد الجرافيت المشتركة عبر صب الرمال

• كتل محرك ديزل السيارات
• رؤوس الأسطوانات والبطانات
• مشعبات العادم ومباني الشاحن التوربيني
• مضخة وضاغط
• علبة التروس ومقاطع النقل
• مكونات المحرك الصناعي (على سبيل المثال, كتل المند)
• أجسام الصمام الهيدروليكية وكتل المضخة

6. مقارنات لمواد الصب البديلة

7. خاتمة

مكواة الجرافيت مضغوطة (CGI) يوفر قوة أفضل, صلابة, والأداء الحراري من الحديد الرمادي - دون تكلفة الحديد الدكتايل.

يتطلب السيطرة الضيقة على الكيمياء, ارتفاع درجات الحرارة, وتصميم العفن المناسب لضمان تكوين الجرافيت الشريان.

يستخدم بالفعل في كتل المحرك ورؤوس الأسطوانات, CGI يقلل من وزن ما يصل إلى 10% ويحسن حياة التعب الحراري 30%.

تقدم التقدم في المحاكاة والتحكم في العمليات استخدامها إلى الشاحن التوربيني, العوادم, والمضخات.

مع تحسينات مستمرة في السبائك والتصنيع المستدام, أصبح CGI مادة رئيسية في الحديثة, الهندسة الفعالة.

في هذا, نحن على استعداد للشراكة معك في الاستفادة من هذه التقنيات المتقدمة لتحسين تصميمات المكونات الخاصة بك, اختيارات المواد, وسير العمل الإنتاج.

التأكد من أن مشروعك التالي يتجاوز كل مؤشر الأداء والاستدامة.

اتصل بنا اليوم!

 

الأسئلة الشائعة

لماذا يستخدم صب الرمال ل CGI?

صب الرمال فعال من حيث التكلفة للمجمع, كبير, وأجزاء حجم متوسطة إلى عالية.

يستوعب الخصائص الحرارية والميكانيكية الخاصة بـ CGI, خاصة في السيارات والصناعية.

ما هي التطبيقات الشائعة لسباق CGI Sand Cashings?

تتضمن التطبيقات النموذجية كتل محرك الديزل, رؤوس الاسطوانات, مكونات الفرامل,

العلب الشاحن التوربيني, وأجزاء الماكينة الهيكلية - حيث تكون القوة والاستقرار الحراري أمرًا بالغ الأهمية.

ما هي المزايا الرئيسية لالتقاط الرمال الحديد الجرافيت المضغوط?

يوفر CGI نسبة ممتازة للقوة إلى الوزن, تحسين مقاومة التعب, تبديد حرارة أفضل, وتكلفة أقل من الحديد الدكتايل في أدوار مماثلة.

كيف يؤثر CGI على قابلية الآلات?

CGI قابلة للآلة معتدلة - harder وأكثر جلخًا من الحديد الرمادي ولكنه أسهل من الحديد الدكتايل. يوصى باستراتيجيات الأدوات المتقدمة والقطع.

هل CGI مناسب للتطبيقات ذات درجة الحرارة العالية?

نعم. تقاوم بنيتها المجهرية التعب الحراري والتشويه, مما يجعلها مناسبة تمامًا للمكونات المعرضة للأحمال الحرارية الدورية, مثل مشعب العادم ورؤوس الأسطوانات.