1. Introduction
La coulée de sable a propulsé l'industrie de la fonderie de fer depuis des siècles, permettant la production de géométries complexes à un coût relativement faible.
Récemment, Fer graphite compacté (CGI)- également connu sous le nom fer à graphite vermiculaire- a émergé comme un matériau combler l'écart entre la fonte grise traditionnelle et le fer ductile.
En combinant des propriétés souhaitables des deux, CGI offre une résistance à la traction plus élevée et une conductivité thermique que le fer gris, conserve pourtant la couchabilité et l'amortissement supérieurs par rapport aux notes ductiles.
Dans cet article, Nous examinons «Qu'est-ce que le coulage du sable avec CGI?» par métallurgique, traitement, mécanique, et les lentilles économiques.
Nous visons à présenter une ressource complète mais pratique pour les ingénieurs de fonderie, professionnels du design, et les chercheurs de matériaux intéressés à exploiter les avantages de CGI.
2. Fer graphite compacté (CGI): Métallurgie et propriétés
Compacté (Vermiculaire) graphite en fer (CGI) occupe une position intermédiaire entre le fer gris et le fer ductile:
Sa morphologie de graphite unique donne une combinaison de force, rigidité, et les propriétés thermiques qui ne sont pas réalisables dans d'autres fers à mouler.
Morphologies de graphite: Du gris au ductile à CGI
Le graphite en fonte apparaît dans trois morphologies primaires. Chacun influence le comportement mécanique et thermique:
- Fer gris: Flake Graphite fournit un comportement d'arrêt des fissures sous vibration mais limite les propriétés de traction.
- CGI: Le graphite vermiculaire apparaît comme court, «vers» compacts (Facteur de compacité ≥ 60 %), Amélioration de la résistance et de la conductivité tout en conservant un amortissement acceptable.
- Fonte Ductile: Le graphite se produit comme des nodules presque parfaits; Cela maximise la ductilité mais réduit l'amortissement et la conduction thermique par rapport à CGI.
Composition chimique et éléments d'alliage
Chimiquement, CGI ressemble à du fer ductile mais nécessite un contrôle plus strict de certains éléments, en particulier le magnésium et le soufre, Pour atteindre la forme de graphite vermiculaire souhaité.
Composition cible typique (EN-GJV-450-12) apparaît ci-dessous:
| Élément | Gamme typique (wt %) | Rôle / Effet |
|---|---|---|
| Carbone (C) | 3.4 – 3.8 | Fournit un potentiel de formation de graphite; L'excès de C peut entraîner des carbures. |
| Silicium (Et) | 2.0 – 3.0 | Favorise les précipitations en graphite; équilibre le rapport ferrite / perlite. |
| Manganèse (Mn) | 0.10 – 0.50 | Contrôle les sulfures et affine les grains; MN excessif attache C, risquant la formation de carbure. |
| Phosphore (P.) | ≤ 0.20 | Impureté; peut augmenter la fluidité mais réduit la ténacité si > 0.10 %. |
| Soufre (S) | ≤ 0.01 | Doit être minime pour empêcher la formation de MGS, qui inhiberait la nucléation de graphite vermiculaire. |
Magnésium (Mg) |
0.03 – 0.06 | Critique pour le graphite vermiculaire; Trop peu de mg donne du fer gris, Trop produit du graphite sphéroïdal (fer à fonte ductile). |
| Cérium / CONCERNANT (Ce) | 0.005 – 0.015 | Agit comme un noduliseur / modificateur - sefinit le graphite vermiculaire et le stabilise contre une sur-inoculation ou un refroidissement incohérent. |
| Cuivre (Cu) | 0.2 – 0.8 | Augmente la force et la dureté; Haut avec (> 1 %) peut promouvoir les carbures. |
Nickel (Dans) |
≤ 0.5 | Améliore la ténacité et la résistance à la corrosion; souvent omis pour des raisons de coût, sauf si des performances spécifiques sont nécessaires. |
| Molybdène (Mo) | ≤ 0.2 | Inhibe la formation de carbure; Aide à maintenir une matrice ferritique - pearlitique avec une distribution de graphite uniforme. |
| Fer (Fe) | Équilibre | Métal de base; transporte tous les ajouts en alliage et détermine les propriétés métalliques globales. |
Points clés:
- Entretien Mg entre 0.035 % et 0.055 % (± 0.005 %) est essentiel; Tomber à l'extérieur de cette fenêtre déplace la morphologie du graphite.
- Soufre doit rester extrêmement bas (< 0.01 %)-même 0.015 % S peut attacher MG comme MGS, Empêcher la formation de graphite vermiculaire.
- Silicium niveaux au-dessus 2.5 % Encouragez la croissance du graphite et une matrice plus ferritique, Amélioration de la conductivité thermique mais réduisant potentiellement la résistance si elle est excessive.
Microstructure: Graphite vermiculaire dans une matrice ferritique / perlitique
La microstructure telle que CGI dépend du taux de solidification, inoculation, et traitement thermique final. Les fonctionnalités typiques incluent:
| Caractéristique microstructurale | Description | Paramètre de contrôle |
|---|---|---|
| Flocons de graphite vermiculaire | Flocons de graphite avec des extrémités arrondies; Ratio d'aspect ~ 2:1–4:1; compacité ≥ 60 %. | Contenu MG / RE, Intensité de l'inoculation, taux de refroidissement (0.5–2 ° C / S) |
| Matrice ferritique | Principalement iron α avec un minimum de carbure; donne une conductivité thermique élevée. | Refroidissement lent ou normalisation post-cas |
| Matrice perlitique | Lamelles alternées de ferrite et de cémentite (~ 20–40 % perlite); augmente la force et la dureté. | Refroidissement plus rapide, ajouts modérés CU / MO |
| Carbures (Fe₃c, M₇c₃) | Indésirable si cela est présent dans un volume significatif; réduire la ductilité et la machinabilité. | Excès de Si ou refroidissement trop rapide; inoculation insuffisante |
| Particules d'inoculation | Ajout de Ferrosilicon, ferro-bari-silicium, ou les inoculants à base de rare. | Type et quantité d'inoculants (0.6–1,0 kg / t) |
- Contrôle de la matrice: UN matrice ferritique (≥ 60 % ferrite) donne la conductivité thermique de 40–45 w / m · k,
alors que Mélanges de ferrite - pearlite (30 % – 40 % perlite) pousser la limite d'élasticité à 250 – 300 MPa sans fracture excessive. - Compte de nodules de graphite vermiculaire: Cible 100 – 200 flocons vermiculaires / mm² Dans les sections ~ 10 mm d'épaisseur. Les dénombrements inférieurs réduisent la résistance; Des comptes plus élevés risquent la transition vers la nodularité.
Propriétés mécaniques (Force, Rigidité, Fatigue)
Les propriétés mécaniques de CGI combinent la résistance, rigidité, et ductilité modérée. Valeurs représentatives (EN-GJV-450-12, normalisé) apparaissent ci-dessous:
| Propriété | Gamme typique | Référence comparative |
|---|---|---|
| Résistance à la traction (UTS) | 400 – 450 MPa | ~ 50 % plus haut que le fer gris (200 – 300 MPa) |
| Limite d'élasticité (0.2 % compenser) | 250 – 300 MPa | ~ 60 % plus haut que le fer gris (120 – 200 MPa) |
| Allongement à la rupture (UN %) | 3 – 5 % | Intermédiaire entre le fer gris (0 – 2 %) et fer ductile (10 – 18 %) |
| Module d'élasticité (E) | 170 – 180 GPa | ~ 50 % plus haut que le fer gris (100 – 120 GPa) |
| Dureté (Brinell HB) | 110 – 200 HB (matriciel) | CGI ferritique: 110 – 130 HB; Perlite CGI: 175 – 200 HB |
| Résistance à la fatigue (Flexion rotative) | 175 – 200 MPa | ~ 20 – 30 % plus haut que le fer gris (135 – 150 MPa) |
| Résistance aux chocs (Charpy V --Notch @ 20 °C) | 6 – 10 J. | Mieux que le fer gris (~ 4–5 J), en dessous du fer ductile (10–15 J) |
Observations:
- Haut Module de Young (E ≈ 175 GPa) conduit à des composants plus rigides - avantant dans les blocs de moteur et les pièces structurelles nécessitant une déviation minimale.
- Résistance à la fatigue (≈ 200 MPa) rend CGI adapté aux charges cycliques (par ex., culasses en cycles thermiques).
- Dureté peut être adapté via la composition matricielle: CGI ferritique pur (~ 115 HB) excelle dans les applications d'usure; CGI perlitique (~ 180 HB) est choisi pour les besoins de résistance plus élevée.
Conductivité thermique et capacité d'amortissement
La forme et la matrice de graphite unique de CGI produisent des caractéristiques thermiques et vibrationnelles distinctes:
| Propriété | Gamme CGI | Comparaison |
|---|---|---|
| Conductivité thermique | 40 – 45 W/m·K | Fer gris: 30 – 35 W/m·K; Fonte Ductile: 20 – 25 W/m·K |
| Chaleur spécifique (20 °C) | ~ 460 J/kg·K | Semblable à d'autres fers à casting (~ 460 J/kg·K) |
| Dilatation thermique (20–100 ° C) | 11.5 – 12.5 × 10⁻⁶ / ° C | Légèrement plus élevé que le fer gris (11.0 × 10⁻⁶ / ° C) |
| Capacité d'amortissement (Bûche décrément) | 0.004 – 0.006 | Fer gris: ~ 0.010; Fonte Ductile: ~ 0.002 |
- Conductivité thermique: Conductivité élevée (40 W/m·K) accélère la dissipation de chaleur des points chauds dans les blocs moteurs et les boîtiers de turbocompresseur, Réduire le risque de fatigue thermique.
- Amortissement: Facteur d'amortissement de CGI (0.004 – 0.006) absorbe mieux l'énergie vibratoire que le fer ductile, Aider le bruit, vibration, et la dureté (Nvh) Contrôle, en particulier dans les moteurs diesel.
- Coefficient de dilatation thermique: L'expansion de CGI (≈ 11.5 × 10⁻⁶ / ° C) correspond étroitement aux revêtements en moteur en acier, Minimiser les contraintes thermiques à l'interface de la doublure / bloc.
3. Qu'est-ce que le fer à graphite compacté à coulée de sable (CGI)?
Moulage au sable avec du fer graphite compacté (CGI) suit les mêmes étapes globales que la coulée de sable de fer conventionnel,
préparation des moisissures, fusion, verser, solidification, et nettoyage - mais modifie les paramètres clés pour produire une morphologie de graphite «vermiculaire» unique de CGI.
Définir le processus
Construction de motifs et de moisissures
- Conception de motifs: Les fonderies créent des modèles (Souvent du bois, époxy, ou aluminium) qui incluent des allocations pour 3 à 6 % retrait typique des alliages CGI (solidus ~ 1 150 °C, liquide ~ 1 320 °C).
- Sélection de sable: Moules de silice standard (perméabilité > 200, Finesse des grains AFS ~ 200) travailler bien,
Mais les liants améliorés - phénolique - uréthane ou furan - aident à résister à la température de versement plus élevée de CGI (~ 1 350–1 420 °C). - Assemblage de la fuite et de la traînée: Les techniciens emballent la traînée autour de la moitié inférieure du motif, puis retirez le motif et placez les noyaux (si nécessaire) Avant de fouiller le COPE.
Le placement prudent de l'évent assure une évasion de gaz lorsque CGI à haute température remplit la cavité.
Mélange et traitement des métaux
- Composition des charges: Mélange typique utilise 70–80 % ferraille, 10–20 % Pigne Fon ou Hot-Métal,
et maître alliages à la chimie affinée. Les fonderies visent C 3.5 ± 0.1 %, Et 2.5 ± 0.2 %, et s < 0.01 %. - Magnésium et ajouts de la terre rare: Juste avant de verser, Les opérateurs ajoutent 0,035–0.055 % Mg (aux côtés de 0,005–0.015 % Froid) dans une louche couverte pour former du graphite vermiculaire plutôt que des flocons ou des sphéroïdes.
Ils remuent doucement pour distribuer des modificateurs uniformément. - Inoculation et désoxydation: Les fonderies inoculent avec ~ 0,6–1,0 kg / t de ferrosilicon ou de barium-silicium pour fournir des sites de nucléation graphite.
Simultanément, Désoxydants - comme Fesi - le cravage dissous de l'oxygène et minimiser les inclusions d'oxyde.
Verser et remplissage de moisissures
- Gestion de surchauffe: La température versée pour CGI se trouve autour 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F), environ 30–70 ° C au-dessus du liquidus.
Ce surchauffe supplémentaire garantit une garniture complète des sections murales minces (vers le bas 4 mm) mais augmente également le risque d'érosion du sable. - Conception de déclenchement: Foundries Utilisez une sprue effilée et des coupes généreuses coureuses, dimensionné pour un numéro Reynolds (Concernant) de 2 000–3 000 - pour minimiser les turbulences.
Filtres en mousse en céramique (30–40 PPI) intercepter souvent toutes les inclusions transportées dans le moule. - Ventilation des moisissures: Parce que la fluidité CGI rivalise sur le fer gris, ventilation appropriée - les évents inférieurs sous les contremarches et la perméabilité contrôlée - Piveau de gaz.
Mis à contrebands spécialisés (exothermique ou isolé) Nourrir le métal fondu dans les points chauds du dernier à solidifier.
Contrôle de solidification et de microstructure
- Nucléation de graphite: Alors que le CGI fondu se refroidit de ~ 1 350 ° C à 900 °C, graphite vermiculaire nucléés sur les sites inoculants.
Les fonderies ciblent une vitesse de refroidissement de 0,5 à 2,0 ° C / s en sections entre 10 et 15 mm d'épaisseur pour développer 100 à 200 flocons vermiculaires par mm². - Formation de matrice: Ci-dessous 900 °C, La transition d'austénite-ferrite commence.
Le refroidissement rapide donne plus de perlite (plus grande résistance mais une conductivité thermique plus faible), tandis que le refroidissement modéré produit une matrice principalement ferritique (meilleure dissipation de chaleur).
Les fonds normalisent souvent à 900 ° C après secouer pour obtenir un 60 % Ferrite - 40 % équilibre des perles. - Retrait à l'alimentation: CGI se rétrécit approximativement 3.5 % à la solidification. Éminents dimensionnés à 10-15 % de la masse de coulée - positionnée à des points chauds stratégiques - la porosité du retrait de la réduction.
Secouer, Nettoyage, et traitement final
- Secouer: Après 30 à 45 minutes de refroidissement, Foundries rompt le sable de moisissure à l'aide de tables vibrantes ou de béliers pneumatiques. Le sable récupéré subit un dépistage et une remise en état de réutilisation.
- Nettoyage: Dynamitage (pour ferreux) ou la coupe d'arc à carbone d'air élimine le sable résiduel, faux, et émeute. Les techniciens inspectent les fissures de surface ou les nageoires avant le traitement thermique.
- Traitement thermique (Normalisation): Les moulages CGI se normalisent généralement à 900 °C (1 652 °F) pendant 1 à 2 heures, puis aérien ou extinction d'huile.
Cette étape affine la taille des grains et assure une distribution cohérente de ferrite-pearlite. - Usinage et inspection: Après la normalisation, Les moulages atteignent la dureté finale (Ferritique CGI ~ 115 HB; CGI perlitique ~ 180 HB).
CNC Centres Machine Critical Surfaces (Tolérances ± 0.10 mm) et les inspecteurs vérifient la morphologie du graphite (vermicularité ≥ 60 %) via la métallographie.
Différences clés de la coulée de sable de fer gris
| Paramètre | Fer gris | CGI |
|---|---|---|
| Température de versement | 1 260–1 300 °C (2 300–2 372 °F) | 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F) |
| Morphologie du graphite | Graphite floconneux (longueur 50–100 µm) | Graphite vermiculaire (flocons compacts, longueur 25–50 µm) |
| Faire fondre | Inoculation uniquement (Répondre) | Ajout MG / RE + inoculation |
| Exigences de liant de moule | Phénolique standard ou silicate de sodium | Phénolique / uréthane supérieur à une force en raison du risque d'érosion |
| Sensibilité à la vitesse de refroidissement | Moins critique - les flocons se forment sur une large gamme | Plus critique - refroidir 0,5 à 2 ° C / s nécessaire pour le vermiculaire |
| Rétrécissement | ~ 4.0 % | ~ 3.5 % |
| Contrôle de la matrice | Principalement de la ferrite perlitique ou mixte | Balance de ferrite - pearlite sur mesure via un traitement thermique |
4. Avantages et défis de la coulée de sable Fon de graphite compacté (CGI)
Avantages de la coulée de sable CGI
Résistance et raideur améliorées
La force de traction de CGI (400–450 MPA) dépasse le fer gris par 50 %, tandis que son module d'élasticité (170–180 GPA) dépasse le fer gris par 50 %.
Par conséquent, Les moulages CGI présentent moins de déviation sous charge - en particulier la valeur des blocs de moteur et des composants structurels.
Amélioration de la conductivité thermique
Avec conductivité thermique de 40–45 w / m · k, CGI transfère la chaleur 20–30 % plus rapide que le fer gris.
Cela permet un échauffement en moteur plus rapide, Terts chauds réduits, et une meilleure résistance à la fatigue thermique dans les culasses et les doublures.
Amortissement équilibré
Facteur d'amortissement de CGI (~ 0.005) tombe à mi-chemin entre gris (~ 0.010) et ductile (~ 0.002) fers.
Par conséquent, CGI absorbe efficacement les vibrations: réduisant NVH (bruit, vibration, dureté)- Tout en évitant la forte fragilité du fer gris.
Production rentable
Bien que CGI ajoute ~ 5–10 % Coût du matériau dû aux ajouts Mg / RE et à un contrôle de processus plus stricte, ça coûte 20–30 % moins que le fer ductile pour des performances équivalentes.
Indemnités d'usinage inférieures - merci d'une stabilité dimensionnelle améliorée -.
Défis de la coulée de sable Fon graphite compacté
- Contrôle de chimie de fonte serrée: Maintenir MG à l'intérieur ± 0,005 % est critique. Une légère déviation peut retourner la morphologie du graphite en flocons ou sphéroïdal, nécessitant un démontage à l'échelle à l'échelle.
- Températures versées plus élevées: CGI 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F) La fonte exige des liants et des revêtements de moisissures plus robustes pour éviter l'érosion du sable et la manche.
- Risque de formation de carbure: Excès de silicium ou un refroidissement rapide peut produire des réseaux de cémentite, CGIS embrassant; L'inoculation et le refroidissement contrôlé sont obligatoires.
- Gestion de la porosité: La fluidité plus élevée du CGI entraîne une plus grande aspiration des gaz à moins que les pratiques de ventilation et de dégazage des moisissures ne soient exemplaires.
- Expertise en fonderie mondiale limitée: Bien que la part de marché de CGI ait augmenté (surtout dans l'automobile), seulement 20–25 % de fer Foundries dans le monde entier a maîtrisé les procédures spécialisées, augmenter les délais de plomb.
5. Applications de fer graphite compactées communes via la coulée de sable
- Blocs de moteur diesel automobile
- Culasses et doublures
- Collecteurs d'échappement et boîtiers de turbocompresseur
- Boîtiers de pompage et de compresseur
- Boîte de vitesses et boîtiers de transmission
- Composants du moteur industriel (par ex., blocs de groupes)
- Corps de valve hydraulique et blocs de pompe
6. Comparaisons avec des matériaux de coulée alternatifs
| Matériel | Résistance à la traction (MPa) | Conductivité thermique (W/m·K) | Densité (g/cm³) | Capacité d'amortissement | Résistance à la corrosion | Usinabilité | Coût relatif | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (Fer graphite compacté) | 400–450 | 40–45 | ~ 7.1 | Modéré (~ 0,005) | Modéré | Modéré | Moyen (~ 5–10% > Fer gris) | Blocs moteurs diesel, culasses |
| Fonte grise | 200–300 | 30–35 | ~ 7.2 | Haut (~ 0,01) | Modéré | Bien | Faible | Disques de freinage, lits de machines |
| Fonte Ductile | 550–700 | 20–25 | ~ 7.2 | Faible (~ 0,002) | Modéré | Modéré | Haut (~ 20–30% > CGI) | Vilebrequin, vitesses lourdes |
| Alliages d'aluminium | 150–350 | 120–180 | ~ 2.7 | Faible | Haut | Excellent | Moyen-élevé | Aérospatial, Enveloppes automobiles |
| Acier au carbone (Casting) | 400–800 | 35–50 | ~ 7.8 | Très faible | Faible | Pauvre | Haut | De construction, récipients sous pression |
| Acier inoxydable (Casting) | 500–900 | 15–25 | ~ 7,7–8.0 | Très faible | Excellent | Pauvre - modéré | Très élevé (~ 2 × CGI) | Chimique, nourriture, et équipements marins |
| Alliages de magnésium | 150–300 | 70–100 | ~ 1.8 | Faible | Modéré | Bien | Haut | Aérospatial et électronique légers |
| Alliages en laiton / bronze | 300–500 | 50–100 | ~ 8.4–8.9 | Modéré | Haut | Modéré | Haut | Vannes, matériel marin, bagues |
7. Conclusion
Fer graphite compacté (CGI) offre une meilleure force, rigidité, et les performances thermiques que le fer gris - sans le coût du fer ductile.
Il nécessite un contrôle étroit de la chimie, températures à verseurs élevées, et une bonne conception de moisissure pour assurer la formation de graphite vermiculaire.
Déjà utilisé dans les blocs moteurs et les culasses, CGI réduit le poids jusqu'à 10% et améliore la vie de fatigue thermique par 30%.
Les progrès de la simulation et du contrôle des processus étendent son utilisation aux turbocompresseurs, échappements, et pompes.
Avec des améliorations continues des alliages et de la fabrication durable, CGI devient un matériau clé en moderne, ingénierie efficace.
À CE, Nous sommes prêts à nous associer à vous en tirant parti de ces techniques avancées pour optimiser les conceptions de vos composants, sélections de matériaux, et les workflows de production.
Veiller à ce que votre prochain projet dépasse toutes les performances et référence en matière de durabilité.
FAQ
Pourquoi la coulée de sable est-elle utilisée pour CGI?
La coulée de sable est rentable pour le complexe, grand, et des pièces de volume moyen à élevé.
Il peut accueillir les propriétés thermiques et mécaniques spécifiques de CGI, en particulier dans les composants automobiles et industriels.
Quelles sont les applications courantes des pièces moulées de sable CGI?
Les applications typiques incluent les blocs de moteur diesel, culasses, composants de freinage,
logements de turbocompresseur, et les pièces de la machine structurelle - où la résistance et la stabilité thermique sont critiques.
Quels sont les principaux avantages du fer à graphite compacté à coulée de sable?
CGI offre un excellent rapport force / poids, Amélioration de la résistance à la fatigue, meilleure dissipation de chaleur, et un coût inférieur à celui du fer ductile dans des rôles similaires.
Comment CGI affecte-t-il la machinabilité?
Le CGI est modérément machinable - horrible et plus abrasif que le fer gris mais plus facile que le fer ductile. Des stratégies avancées d'outillage et de coupe sont recommandées.
CGI est-il adapté aux applications à haute température?
Oui. Sa microstructure résiste à la fatigue thermique et à la distorsion, le rendant bien adapté aux composants exposés aux charges thermiques cycliques, comme les collecteurs d'échappement et les culasses.
