1. Zavedení
Odlévání do písku po staletí pohánělo slévárenský průmysl, umožňující výrobu složitých geometrií při relativně nízkých nákladech.
Nedávno, Zhutněná grafitová žehlička (CGI)— také známý jako železo s vermikulárním grafitem—se objevil jako materiál překlenující propast mezi tradiční šedou litinou a tvárnou litinou.
Kombinací žádoucích vlastností obou, CGI nabízí vyšší pevnost v tahu a tepelnou vodivost než šedá litina, přesto si zachovává vynikající slévatelnost a tlumení ve srovnání s tvárnými třídami.
V tomto článku, zkoumáme „co je lití do písku s CGI?“ přes metalurgický, zpracování, mechanický, a ekonomické objektivy.
Naším cílem je představit komplexní, ale praktický zdroj pro slévárenské inženýry, designové profesionály, a materiálové výzkumníky se zájmem o využití výhod CGI.
2. Zhutněná grafitová žehlička (CGI): Metalurgie a vlastnosti
Zhutněný (červovitý) grafitové železo (CGI) zaujímá mezipolohu mezi šedou a tvárnou litinou:
jeho jedinečná grafitová morfologie poskytuje kombinaci pevnosti, ztuhlost, a tepelné vlastnosti nedosažitelné u jiných litin.
Morfologie grafitu: Od šedé přes tvárný až po CGI
Grafit v litině se vyskytuje ve třech primárních morfologiích. Každý z nich ovlivňuje mechanické a tepelné chování:
- Šedé železo: Vločkový grafit zajišťuje chování při zadržování trhlin při vibracích, ale omezuje vlastnosti v tahu.
- CGI: Vermikulární grafit se jeví jako krátký, kompaktní "červi" (faktor kompaktnosti ≥ 60 %), zvýšení pevnosti a vodivosti při zachování přijatelného tlumení.
- Tažné železo: Grafit se vyskytuje jako téměř dokonalé uzliny; to maximalizuje tažnost, ale snižuje tlumení a tepelnou vodivost ve srovnání s CGI.
Chemické složení a legující prvky
Chemicky, CGI připomíná tvárnou litinu, ale vyžaduje přísnější kontrolu určitých prvků, zejména hořčík a síra, k dosažení požadované formy vermikulárního grafitu.
Typické cílové složení (EN-GJV-450-12) se objeví níže:
| Živel | Typický rozsah (Wt %) | Role / Účinek |
|---|---|---|
| Uhlík (C) | 3.4 - 3.8 | Poskytuje potenciál pro tvorbu grafitu; přebytek C může vést ke karbidům. |
| Křemík (A) | 2.0 - 3.0 | Podporuje srážení grafitu; vyrovnává poměr ferit/perlit. |
| Mangan (Mn) | 0.10 - 0.50 | Kontroluje sulfidy a zušlechťuje obilí; nadměrné množství Mn váže C, riziko tvorby karbidu. |
| Fosfor (Str) | ≤ 0.20 | Nečistota; může zvýšit tekutost, ale snížit houževnatost, pokud > 0.10 %. |
| Síra (S) | ≤ 0.01 | Musí být minimální, aby se zabránilo tvorbě MgS, které by inhibovaly nukleaci vermikulárního grafitu. |
Hořčík (Mg) |
0.03 - 0.06 | Rozhodující pro vermikulární grafit; příliš málo Mg poskytuje šedé železo, příliš mnoho vytváří kuličkový grafit (tažné železo). |
| Cerium / RE (Ce) | 0.005 - 0.015 | Působí jako nodulizátor/modifikátor – zjemňuje vermikulární grafit a stabilizuje jej proti přeočkování nebo nekonzistentnímu chlazení. |
| Měď (Cu) | 0.2 - 0.8 | Zvyšuje sílu a tvrdost; vysoká Cu (> 1 %) může podporovat karbidy. |
Nikl (V) |
≤ 0.5 | Zlepšuje houževnatost a odolnost proti korozi; často se z cenových důvodů vynechává, pokud není potřeba konkrétní výkon. |
| Molybden (Mo) | ≤ 0.2 | Inhibuje tvorbu karbidů; pomáhá udržovat feriticko-perlitickou matrici s rovnoměrným rozložením grafitu. |
| Železo (Fe) | Váhy | Základní kov; nese všechny legující přísady a určuje celkové kovové vlastnosti. |
Klíčové body:
- Udržování Mg mezi 0.035 % a 0.055 % (± 0.005 %) je nezbytné; pád mimo toto okno posouvá morfologii grafitu.
- Síra musí zůstat extrémně nízké (< 0.01 %)-dokonce 0.015 % S může vázat Mg jako MgS, zabraňuje tvorbě vermikulárního grafitu.
- Křemík úrovně výše 2.5 % podporují růst grafitových vloček a feritičtější matrici, zlepšení tepelné vodivosti, ale potenciálně snížení pevnosti, pokud je nadměrná.
Mikrostruktura: Vermikulární grafit ve feritické/perlitické matrici
Mikrostruktura CGI v odlitém stavu závisí na rychlosti tuhnutí, očkování, a konečné tepelné zpracování. Mezi typické vlastnosti patří:
| Mikrostrukturní rys | Popis | Kontrolní parametr |
|---|---|---|
| Vermikulární grafitové vločky | Grafitové vločky se zaoblenými konci; poměr stran ~ 2:1–4:1; kompaktnost ≥ 60 %. | Obsah Mg/RE, intenzita očkování, Míra chlazení (0.5–2 °C/s) |
| Feritická matice | Převážně α‐železo s minimálním obsahem karbidu; poskytuje vysokou tepelnou vodivost. | Pomalé chlazení nebo normalizace po odlití |
| Perlitická matrice | Střídavé lamely z feritu a cementitu (~ 20–40 % perlit); zvyšuje pevnost a tvrdost. | Rychlejší chlazení, mírné přídavky Cu/Mo |
| Karbidy (Fe₃c, M₇c₃) | Nežádoucí, pokud je přítomen ve významném objemu; snížit tažnost a obrobitelnost. | Přebytek Si nebo příliš rychlé chlazení; nedostatečné očkování |
| Inokulační částice | Přidáno ferrosilicium, ferobarium-křemík, nebo inokulanty na bázi vzácných zemin vytvářejí nukleační místa pro vermikulární grafit. | Druh a množství očkovací látky (0.6–1,0 kg/T) |
- Maticové ovládání: A feritická matrice (≥ 60 % ferit) poskytuje tepelnou vodivost 40–45 W/m·K,
zatímco ferit-perlitové směsi (30 % - 40 % perlit) tlačit mez kluzu do 250 - 300 MPA bez nadměrného zkřehnutí. - Počet uzlíků vermikulárního grafitu: Cíl 100 - 200 vermikulární vločky/mm² v sekcích ~ 10 mm tlustý. Nižší počty snižují sílu; vyšší počty riskují přechod do nodularity.
Mechanické vlastnosti (Pevnost, Ztuhlost, Únava)
Mechanické vlastnosti CGI spojují pevnost, ztuhlost, a střední tažnost. Reprezentativní hodnoty (EN-GJV-450-12, normalizovaný) se objeví níže:
| Vlastnictví | Typický rozsah | Srovnávací benchmark |
|---|---|---|
| Pevnost v tahu (UTS) | 400 - 450 MPA | ~ 50 % vyšší než šedá litina (200 - 300 MPA) |
| Výnosová síla (0.2 % offset) | 250 - 300 MPA | ~ 60 % vyšší než šedá litina (120 - 200 MPA) |
| Prodloužení při přestávce (A %) | 3 - 5 % | Mezistupeň mezi šedou litinou (0 - 2 %) a tvárné litiny (10 - 18 %) |
| Modul elasticity (E) | 170 - 180 GPA | ~ 50 % vyšší než šedá litina (100 - 120 GPA) |
| Tvrdost (Brinell HB) | 110 - 200 HB (závislé na matici) | Feritické CGI: 110 - 130 HB; Pearlit CGI: 175 - 200 HB |
| Únava (Rotační ohýbání) | 175 - 200 MPA | ~ 20 - 30 % vyšší než šedá litina (135 - 150 MPA) |
| Ovlivnit houževnatost (Charpy V-výřez @ 20 ° C.) | 6 - 10 J | Lepší než šedá litina (~ 4–5 J), pod tvárnou litinu (10–15 j) |
Pozorování:
- Vysoký Youngův modul (E ≈ 175 GPA) vede k tužším součástem, což je výhodné u motorových bloků a konstrukčních dílů vyžadujících minimální průhyb.
- Odolnost proti únavě (≈ 200 MPA) dělá CGI vhodným pro cyklické zatížení (NAPŘ., hlavy válců pod tepelnými cykly).
- Tvrdost mohou být přizpůsobeny prostřednictvím složení matrice: čistý feritický CGI (~ 115 HB) vyniká v aplikacích opotřebení; perlitické CGI (~ 180 HB) je vybrán pro potřeby vyšší pevnosti.
Tepelná vodivost a schopnost tlumení
Jedinečná grafitová forma a matrice CGI vytvářejí výrazné tepelné a vibrační charakteristiky:
| Vlastnictví | Rozsah CGI | Srovnání |
|---|---|---|
| Tepelná vodivost | 40 - 45 W/m · k | Šedé železo: 30 - 35 W/m · k; Tažné železo: 20 - 25 W/m · k |
| Konkrétní teplo (20 ° C.) | ~ 460 J/KG · K. | Podobně jako u jiných litin (~ 460 J/KG · K.) |
| Tepelná roztažení (20–100 ° C.) | 11.5 - 12.5 × 10⁻⁶/° C. | Mírně vyšší než šedá litina (11.0 × 10⁻⁶/° C.) |
| Kapacita tlumení (Log Decrement) | 0.004 - 0.006 | Šedé železo: ~ 0.010; Tažné železo: ~ 0.002 |
- Tepelná vodivost: Vysoká vodivost (40 W/m · k) urychluje odvod tepla z horkých míst v blocích motoru a skříních turbodmychadel, snížení rizika tepelné únavy.
- Tlumení: tlumící faktor CGI (0.004 - 0.006) absorbuje vibrační energii lépe než tvárná litina, napomáhající hluku, vibrace, a tvrdost (NVH) ovládání – zejména u dieselových motorů.
- Koeficient tepelné roztažnosti: Rozšíření CGI (≈ 11.5 × 10⁻⁶/° C.) těsně ladí s ocelovými vložkami motoru, minimalizace tepelného napětí na rozhraní vložka/blok.
3. Co je to pískové lití zhutněné grafitové železo (CGI)?
Lití písku s lisovaným grafitovým litím (CGI) sleduje stejné celkové kroky jako konvenční lití do železného písku,
příprava formy, tání, nalévání, tuhnutí, a čištění – ale upravuje klíčové parametry tak, aby vytvořily jedinečnou morfologii „vermikulárního“ grafitu CGI.
Definování procesu
Konstrukce vzorů a forem
- Návrh vzorů: Slévárny vytvářejí vzory (často ze dřeva, epoxid, nebo hliník) které zahrnují povolenky na 3–6 % smrštění typické pro CGI slitiny (solidus ~ 1 150 ° C., kapalina ~ 1 320 ° C.).
- Výběr písku: Standardní formy na křemičitý písek (propustnost > 200, Jemnost zrna AFS ~ 200) pracovat dobře,
ale vylepšená pojiva – fenol – uretan nebo furan – pomáhají odolávat vyšší teplotě lití CGI (~ 1 350–1 420 ° C.). - Sestava Cope and Drag: Technici balí brzdu kolem spodní poloviny vzoru, poté odstraňte vzor a umístěte jádra (V případě potřeby) před naražením do kopy.
Pečlivé umístění ventilace zajišťuje únik plynu, když vysokoteplotní CGI naplní dutinu.
Tavení a zpracování kovů
- Složení náboje: Typické taveniny používají 70–80 % recyklovaný šrot, 10–20 % surové železo nebo horký kov,
a předslitiny pro jemné doladění chemie. Slévárny cílí na C 3.5 ± 0.1 %, A 2.5 ± 0.2 %, a S < 0.01 %. - Hořčík a přísady vzácných zemin: Těsně před nalitím, operátoři přidávají 0,035–0,055 % Mg (vedle 0,005–0,015 % Studený) v zakryté pánvi k vytvoření vermikulárního grafitu spíše než vloček nebo sféroidů.
Jemně promíchávají, aby se modifikátory rovnoměrně distribuovaly. - Inokulace a deoxidace: Slévárny inokulují ~ 0,6–1,0 kg/T ferosilicia nebo barya-křemíkového inokulantu, aby se vytvořila místa pro nukleaci grafitu.
Zároveň, deoxidanty – jako je FeSi – zachycují rozpuštěný kyslík a minimalizují oxidové inkluze.
Lití a plnění forem
- Řízení přehřátí: Teplota nalévání pro CGI sedí kolem 1 350–1 420 ° C. (2 462–2 588 ° F.), zhruba 30–70 °C nad likvidem.
Toto extra přehřátí zajišťuje úplné vyplnění tenkých stěn (dolů k 4 mm) ale také zvyšuje riziko pískové eroze. - Gating Design: Slévárny používají zúžený vtok a velkorysé průřezy žlabů, velikosti pro Reynoldsovo číslo (Re) z 2 000–3 000 – pro minimalizaci turbulencí.
Keramické pěnové filtry (30– 40 ppi) často zachycují jakékoli vměstky zanesené do formy. - Odvzdušnění plísní: Protože tekutost CGI soupeří s šedou litinou, správné odvětrávání – spodními průduchy pod stoupačkami a řízenou propustností – zabraňuje zachycování plynu.
Specializované stoupačky (exotermické nebo izolované) přivádět roztavený kov do horkých míst, která jako poslední tuhnou.
Kontrola tuhnutí a mikrostruktury
- Nukleace grafitu: Jak se roztavený CGI ochlazuje z ~ 1 350 °C až 900 ° C., zárodky vermikulárního grafitu na očkovacích místech.
Slévárny se zaměřují na rychlost chlazení 0,5–2,0 °C/s v úsecích o tloušťce 10–15 mm, aby se vytvořilo 100–200 vermikulárních vloček na mm². - Formování matice: Níže 900 ° C., začíná přechod austenitu na ferit.
Rychlé ochlazení poskytuje více perlitu (vyšší pevnost, ale nižší tepelná vodivost), zatímco mírné chlazení vytváří primárně feritickou matrici (lepší odvod tepla).
Slévárny se často normalizují při 900 °C po vytřepání k dosažení a 60 % ferit – 40 % perlitová rovnováha. - Krmení smršťováním: CGI se přibližně zmenší 3.5 % při tuhnutí. Velikost stoupaček 10–15 % licí hmoty – umístěné na strategických horkých místech – zmírňuje pórovitost smršťování.
Shakeout, Čištění, a konečné zpracování
- Shakeout: Po 30–45 minutách chlazení, slévárny oddělují formový písek pomocí vibračních stolů nebo pneumatických beranů. Regenerovaný písek prochází tříděním a rekultivací pro opětovné použití.
- Čištění: Výstřel (pro železné) nebo řezání vzduch-uhlík obloukem odstraňuje zbytkový písek, sprue, a stoupačky. Technici před tepelným zpracováním zkontrolují povrchové praskliny nebo žebra.
- Tepelné zpracování (Normalizace): CGI odlitky se obvykle normalizují při 900 ° C. (1 652 ° F.) na 1–2 hodiny, poté zchladit vzduchem nebo olejem.
Tento krok zjemňuje velikost zrna a zajišťuje konzistentní distribuci feritu a perlitu. - Obrábění a kontrola: Po normalizaci, odlitky dosahují konečné tvrdosti (feritické CGI ~ 115 HB; perlitické CGI ~ 180 HB).
CNC centra obrábějí kritické povrchy (tolerance ± 0.10 mm) a inspektoři ověřují morfologii grafitu (vermikularita ≥ 60 %) prostřednictvím metalografie.
Klíčové rozdíly od lití do písku z šedé litiny
| Parametr | Šedé železo | CGI |
|---|---|---|
| Teplota nalévání | 1 260–1 300 ° C. (2 300–2 372 ° F.) | 1 350–1 420 ° C. (2 462–2 588 ° F.) |
| Morfologie grafitu | Vločkový grafit (délka 50–100 µm) | Vermikulární grafit (kompaktní vločky, délka 25–50 µm) |
| Léčba tavením | Pouze očkování (Reagovat) | Přídavek Mg/RE + očkování |
| Požadavky na pojivo forem | Standardní fenol nebo křemičitan sodný | Vysokopevnostní fenol/uretan kvůli riziku eroze |
| Citlivost rychlosti chlazení | Méně kritické – vločky se tvoří v širokém rozsahu | Kritičtější — chlazení 0,5–2 °C/s potřebné pro vermikulární |
| Srážení | ~ 4.0 % | ~ 3.5 % |
| Maticové ovládání | Primárně perlitický nebo smíšený ferit | Ferit-perlitová rovnováha na míru prostřednictvím tepelného zpracování |
4. Výhody a výzvy lití zhutněné grafitové litiny do písku (CGI)
Výhody CGI lití do písku
Zvýšená pevnost a tuhost
Pevnost CGI v tahu (400–450 MPa) převyšuje šedou litinu o 50 %, zatímco jeho modul pružnosti (170-180 GPa) převyšuje šedou litinu 50 %.
V důsledku toho, Odlitky CGI vykazují menší průhyb při zatížení – zvláště cenné pro bloky motorů a konstrukční součásti.
Vylepšená tepelná vodivost
S tepelnou vodivostí 40–45 W/m·K, CGI přenáší teplo 20–30 % rychlejší než šedá litina.
To umožňuje rychlejší zahřátí motoru, snížená horká místa, a lepší odolnost proti tepelné únavě v hlavách a vložkách válců.
Vyvážené tlumení
tlumící faktor CGI (~ 0.005) spadá do poloviny mezi šedou (~ 0.010) a tažný (~ 0.002) žehličky.
V důsledku toho, CGI účinně absorbuje vibrace – snižuje NVH (hluk, vibrace, drsnost)—přitom se vyvaruje vysoké křehkosti šedé litiny.
Nákladově efektivní produkce
Ačkoli CGI přidává ~ 5–10 % materiálové náklady díky přídavkům Mg/RE a přísnější kontrole procesu, to stojí 20–30 % méně než tvárná litina pro ekvivalentní výkon.
Nižší přídavky na obrábění – díky zlepšené rozměrové stabilitě – další náklady na odlévání.
Úkoly lití do písku zhutněné grafitové železo
- Těsná kontrola chemie taveniny: Udržování Mg uvnitř ±0,005 % je kritický. Mírná odchylka může změnit morfologii grafitu na vločkovou nebo kulovitou, vyžadující úplné sešrotování.
- Vyšší teploty lití: CGI 1 350–1 420 ° C. (2 462–2 588 ° F.) tavenina vyžaduje robustnější pojiva forem a povlaky, aby se zabránilo erozi písku a strupovitosti.
- Nebezpečí tvorby karbidů: Přebytek křemíku nebo rychlé ochlazení mohou vytvářet cementitové sítě, křehké CGI; očkování a řízené chlazení jsou povinné.
- Řízení porozity: Vyšší tekutost CGI vede k většímu nasávání plynů, pokud nejsou příklady odvětrávání formy a odplyňování.
- Omezená globální odbornost sléváren: Přestože podíl CGI na trhu vzrostl (zejména v automobilovém průmyslu), pouze 20–25 % sléváren železa po celém světě zvládly specializované postupy, zvýšení dodacích lhůt.
5. Běžné aplikace zhutněné grafitové litiny prostřednictvím lití do písku
- Bloky automobilových dieselových motorů
- Hlavy válců a vložky
- Sběrné výfukové potrubí a skříně turbodmychadla
- Skříně čerpadel a kompresorů
- Skříně převodovky a převodovky
- Součásti průmyslových motorů (NAPŘ., bloky generátoru)
- Tělesa hydraulických ventilů a bloky čerpadel
6. Srovnání s alternativními odlévacími materiály
| Materiál | Pevnost v tahu (MPA) | Tepelná vodivost (W/m · k) | Hustota (g/cm³) | Kapacita tlumení | Odolnost proti korozi | Machinability | Relativní náklady | Typické aplikace |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (Zhutněná grafitová žehlička) | 400–450 | 40–45 | ~7.1 | Mírný (~0,005) | Mírný | Mírný | Střední (~ 5–10% > Šedé železo) | Bloky dieselových motorů, Hlavy válců |
| Šedá litina | 200–300 | 30–35 | ~7.2 | Vysoký (~0,01) | Mírný | Dobrý | Nízký | Brzdové kotouče, lůžka strojů |
| Tažné železo | 550–700 | 20–25 | ~7.2 | Nízký (~0,002) | Mírný | Mírný | Vysoký (~20–30 % > CGI) | Klikové hřídele, vysokovýkonné převody |
| Hliníkové slitiny | 150–350 | 120–180 | ~2.7 | Nízký | Vysoký | Vynikající | Střední–Vysoká | Aerospace, automobilová pouzdra |
| Uhlíková ocel (Obsazení) | 400–800 | 35–50 | ~7.8 | Velmi nízké | Nízký | Chudý | Vysoký | Strukturální, tlakové nádoby |
| Nerez (Obsazení) | 500–900 | 15–25 | ~7,7–8,0 | Velmi nízké | Vynikající | Špatný – střední | Velmi vysoká (~2× CGI) | Chemikálie, jídlo, a mořské vybavení |
| Slitiny hořčíku | 150–300 | 70–100 | ~1.8 | Nízký | Mírný | Dobrý | Vysoký | Lehký letecký průmysl a elektronika |
| Slitiny mosazi/bronzu | 300–500 | 50–100 | ~8,4–8,9 | Mírný | Vysoký | Mírný | Vysoký | Ventily, námořní hardware, pouzdra |
7. Závěr
Zhutněná grafitová žehlička (CGI) dodává lepší sílu, ztuhlost, a tepelný výkon než šedá litina – bez nákladů na tvárnou litinu.
Vyžaduje přísnou kontrolu chemie, vysoké teploty lití, a správný design formy pro zajištění tvorby vermikulárního grafitu.
Již se používá v blocích motorů a hlavách válců, CGI snižuje hmotnost až o 10% a prodlužuje životnost tepelné únavy 30%.
Pokroky v simulaci a řízení procesů rozšiřují jeho použití na turbodmychadla, výfuky, a čerpadla.
S neustálým zlepšováním slitin a udržitelné výroby, CGI se stává klíčovým materiálem v moderní době, efektivní inženýrství.
Na TENTO, Jsme připraveni s vámi spolupracovat při využití těchto pokročilých technik k optimalizaci návrhů komponent, Výběr materiálu, a výrobní pracovní postupy.
Zajištění toho, aby váš další projekt překročil každý benchmark výkon a udržitelnosti.
Časté časté
Proč se pro CGI používá lití do písku?
Lití do písku je nákladově efektivní pro komplexní, velký, a díly středního až velkého objemu.
Vyhovuje specifickým tepelným a mechanickým vlastnostem CGI, zejména v automobilových a průmyslových komponentech.
Jaké jsou běžné aplikace CGI odlitků do písku?
Mezi typické aplikace patří bloky dieselových motorů, Hlavy válců, Komponenty brzd,
skříně turbodmychadel, a konstrukční části strojů – kde je rozhodující pevnost a tepelná stabilita.
Jaké jsou klíčové výhody lití do písku zhutněné grafitové litiny?
CGI poskytuje vynikající poměr pevnosti a hmotnosti, zlepšená odolnost proti únavě, lepší odvod tepla, a nižší náklady než tvárná litina v podobných rolích.
Jak CGI ovlivňuje obrobitelnost?
CGI je středně obrobitelná – tvrdší a abrazivnější než šedá litina, ale snáze než tvárná litina. Doporučují se pokročilé nástroje a strategie řezání.
Je CGI vhodný pro vysokoteplotní aplikace?
Ano. Jeho mikrostruktura odolává tepelné únavě a deformaci, Díky tomu se dobře hodí pro součásti vystavené cyklickému tepelnému zatížení, jako jsou výfukové potrubí a hlavy válců.
