1. Uvod
Lijevanje u pijesku stoljećima je pokretalo industriju ljevanja željeza, omogućujući proizvodnju složenih geometrija uz relativno niske troškove.
Nedavno, Zbijeno grafitno željezo (CGI)— također poznat kao vermikularno grafitno željezo— pojavio se kao materijal koji premošćuje jaz između tradicionalnog sivog lijeva i nodularnog željeza.
Kombinacijom poželjnih svojstava oba, CGI nudi veću vlačnu čvrstoću i toplinsku vodljivost od sivog željeza, ali ipak zadržava vrhunsku sposobnost lijevanja i prigušivanje u usporedbi s duktilnim vrstama.
U ovom članku, ispitujemo “što je lijevanje u pijesak s CGI?” kroz metalurški, obrada, mehanički, i ekonomične leće.
Cilj nam je predstaviti sveobuhvatan, ali praktičan resurs za inženjere ljevaonica, profesionalci u dizajnu, i istraživači materijala zainteresirani za iskorištavanje prednosti CGI-ja.
2. Zbijeno grafitno željezo (CGI): Metalurgija i svojstva
Zbijeno (Vršnik) grafitno željezo (CGI) zauzima srednji položaj između sivog i nodularnog lijeva:
njegova jedinstvena grafitna morfologija daje kombinaciju snage, ukočenost, i toplinska svojstva koja se ne mogu postići u drugim lijevima.
Morfologije grafita: Od sive preko duktilne do CGI
Grafit u lijevanom željezu pojavljuje se u tri primarne morfologije. Svaki utječe na mehaničko i toplinsko ponašanje:
- Sivo željezo: Grafit u obliku ljuskica osigurava ponašanje pri zaustavljanju pukotina pod vibracijama, ali ograničava vlačna svojstva.
- CGI: Vermikularni grafit izgleda kao kratak, kompaktni "crvi" (faktor zbijenosti ≥ 60 %), povećanje čvrstoće i vodljivosti uz zadržavanje prihvatljivog prigušenja.
- Duktilno željezo: Grafit se pojavljuje kao gotovo savršene kvržice; ovo maksimizira duktilnost, ali smanjuje prigušivanje i toplinsku vodljivost u usporedbi s CGI.
Kemijski sastav i legirajući elementi
Kemijski, CGI nalikuje nodularnom željezu, ali zahtijeva strožu kontrolu određenih elemenata, posebno magnezija i sumpora, kako bi se postigao željeni vermikularni oblik grafita.
Tipičan sastav cilja (EN-GJV-450-12) pojavljuje se ispod:
| Element | Tipičan raspon (tež %) | Uloga / Učinak |
|---|---|---|
| Ugljik (C) | 3.4 - 3.8 | Pruža potencijal za stvaranje grafita; višak C može dovesti do karbida. |
| Silicij (I) | 2.0 - 3.0 | Potiče taloženje grafita; uravnotežuje omjer ferit/perlit. |
| Mangan (MN) | 0.10 - 0.50 | Kontrolira sulfide i pročišćava žitarice; prekomjerni Mn veže C, riskirajući stvaranje karbida. |
| Fosfor (P) | ≤ 0.20 | Nečistoća; može povećati fluidnost, ali smanjuje žilavost ako > 0.10 %. |
| Sumpor (S) | ≤ 0.01 | Mora biti minimalan kako bi se spriječilo stvaranje MgS, koji bi inhibirao nukleaciju vermikularnog grafita. |
Magnezij (Mg) |
0.03 - 0.06 | Kritično za vermikularni grafit; premalo Mg daje sivo željezo, previše proizvodi sferoidni grafit (duktilno željezo). |
| Cerijum / PONOVNO (Ce) | 0.005 - 0.015 | Djeluje kao nodulizator/modifikator—pročišćava vermikularni grafit i stabilizira ga protiv prekomjerne inokulacije ili nedosljednog hlađenja. |
| Bakar (Pokrajina) | 0.2 - 0.8 | Povećava snagu i tvrdoću; visoka Cu (> 1 %) može promovirati karbide. |
Nikla (U) |
≤ 0.5 | Poboljšava žilavost i otpornost na koroziju; često izostavljena zbog troškova osim ako je potrebna posebna izvedba. |
| Molibden (Mokar) | ≤ 0.2 | Inhibira stvaranje karbida; pomaže u održavanju feritno-perlitne matrice s ravnomjernom raspodjelom grafita. |
| Željezo (FE) | Uravnotežiti | Obični metal; nosi sve legirajuće dodatke i određuje ukupna metalna svojstva. |
Ključne točke:
- Održavanje Mg između 0.035 % i 0.055 % (± 0.005 %) je bitno; padanje izvan ovog prozora pomiče morfologiju grafita.
- Sumpor mora ostati izuzetno nizak (< 0.01 %)-čak 0.015 % S može vezati Mg kao MgS, sprječava stvaranje vermikularnog grafita.
- Silicij razine iznad 2.5 % potiču rast grafitnih ljuskica i više feritne matrice, poboljšavajući toplinsku vodljivost, ali potencijalno smanjujući čvrstoću ako je pretjerana.
Mikrostruktura: Vermikularni grafit u feritnoj/perlitnoj matrici
Lijevana mikrostruktura CGI ovisi o brzini skrućivanja, inokulacija, i završna toplinska obrada. Tipične značajke uključuju:
| Mikrostrukturna značajka | Opis | Kontrolni parametar |
|---|---|---|
| Vermikularne grafitne pahuljice | Grafitne ljuskice sa zaobljenim krajevima; omjer stranica ~ 2:1–4:1; zbijenost ≥ 60 %. | Sadržaj Mg/RE, intenzitet inokulacije, brzina hlađenja (0.5–2 °C/s) |
| Feritna matrica | Pretežno α‐željezo s minimalnom količinom karbida; daje visoku toplinsku vodljivost. | Sporo hlađenje ili post-cast normalizacija |
| Perlitna matrica | Izmjenične lamele ferita i cementita (~ 20–40 % biserni); povećava snagu i tvrdoću. | Brže hlađenje, umjereni dodaci Cu/Mo |
| Karbidi (Fe₃c, M₇C₃) | Nepoželjno ako je prisutno u značajnoj količini; smanjiti duktilnost i obradivost. | Višak Si ili prebrzo hlađenje; nedovoljna cijepljenost |
| Inokulacijske čestice | Dodan ferosilicij, fero-barij-silicij, ili inokulanti na bazi rijetkih zemalja stvaraju mjesta nukleacije za vermikularni grafit. | Vrsta i količina inokulanta (0.6–1,0 kg/T) |
- Kontrola matrice: A feritna matrica (≥ 60 % ferit) daje toplinsku vodljivost od 40–45 W/m·K,
dok feritno-perlitne mješavine (30 % - 40 % biserni) potisnuti granicu tečenja to 250 - 300 MPA bez pretjerane krtosti. - Broj vermikularnih grafitnih nodula: Cilj 100 - 200 vermikularne pahuljice/mm² u odjeljcima ~ 10 mm debeo. Niži brojevi smanjuju snagu; viši brojevi rizikuju prijelaz u nodularnost.
Mehanička svojstva (Jačina, Ukočenost, Umor)
CGI mehanička svojstva kombiniraju snagu, ukočenost, i umjerenu duktilnost. Reprezentativne vrijednosti (EN-GJV-450-12, normalizirao) pojaviti ispod:
| Imovina | Tipičan raspon | Usporedna referentna vrijednost |
|---|---|---|
| Zatečna čvrstoća (UTS) | 400 - 450 MPA | ~ 50 % viši od sivog željeza (200 - 300 MPA) |
| Snaga popuštanja (0.2 % pomaknuti) | 250 - 300 MPA | ~ 60 % viši od sivog željeza (120 - 200 MPA) |
| Izduženje na pauzi (A %) | 3 - 5 % | Srednje između sivog željeza (0 - 2 %) i nodularnog lijeva (10 - 18 %) |
| Modul elastičnosti (E) | 170 - 180 GPA | ~ 50 % viši od sivog željeza (100 - 120 GPA) |
| Tvrdoća (Brinell HB) | 110 - 200 HB (ovisno o matrici) | Feritni CGI: 110 - 130 HB; Perlitni CGI: 175 - 200 HB |
| Snaga umora (Rotirajuće savijanje) | 175 - 200 MPA | ~ 20 - 30 % viši od sivog željeza (135 - 150 MPA) |
| Žilavost utjecaja (Charpy V-urez @ 20 ° C) | 6 - 10 J | Bolji od sivog željeza (~ 4–5 J), ispod nodularnog lijeva (10–15 J) |
Opažanja:
- Visok Youngov modul (E ≈ 175 GPA) dovodi do krućih komponenti—povoljno u blokovima motora i strukturnim dijelovima koji zahtijevaju minimalno savijanje.
- Otpornost na zamor (≈ 200 MPA) čini CGI prikladnim za ciklička opterećenja (Npr., glave cilindra pod toplinskim ciklusima).
- Tvrdoća može se prilagoditi preko sastava matrice: čisti feritni CGI (~ 115 HB) ističe se u primjenama trošenja; perlitni CGI (~ 180 HB) odabire se za potrebe veće snage.
Toplinska vodljivost i sposobnost prigušenja
CGI-jev jedinstveni grafitni oblik i matrica proizvode karakteristične toplinske i vibracijske karakteristike:
| Imovina | CGI raspon | Usporedba |
|---|---|---|
| Toplinska vodljivost | 40 - 45 W/m · k | Sivo željezo: 30 - 35 W/m · k; Duktilno željezo: 20 - 25 W/m · k |
| Specifična toplina (20 ° C) | ~ 460 J/kg · k | Slično kao kod drugih lijevanih željeza (~ 460 J/kg · k) |
| Toplinsko širenje (20–100 ° C) | 11.5 - 12.5 × 10⁻⁶/° C | Nešto viši od sivog željeza (11.0 × 10⁻⁶/° C) |
| Prigušivanje (Log smanjenje) | 0.004 - 0.006 | Sivo željezo: ~ 0.010; Duktilno željezo: ~ 0.002 |
- Toplinska vodljivost: Visoka vodljivost (40 W/m · k) ubrzava odvođenje topline s vrućih točaka u blokovima motora i kućištima turbopunjača, smanjenje rizika od toplinskog zamora.
- Prigušivanje: CGI faktor prigušenja (0.004 - 0.006) apsorbira vibracijsku energiju bolje od nodularnog lijeva, pomaganje buke, vibracija, i grubost (NVH) kontrola—osobito kod dizelskih motora.
- Koeficijent toplinske ekspanzije: CGI ekspanzija (≈ 11.5 × 10⁻⁶/° C) dobro odgovara čeličnim oblogama motora, minimiziranje toplinskih naprezanja na međusklopu košuljica/blok.
3. Što je zbijeno grafitno željezo od pijeska (CGI)?
Lijevanje pijeska sa zbijenim grafitnim željezom (CGI) slijedi iste sveukupne korake kao i konvencionalno lijevanje željeza u pijesak,
priprema kalupa, topljenje, nalijevanje, skrućivanje, i čišćenje—ali modificira ključne parametre za proizvodnju CGI-jeve jedinstvene "vermikularne" morfologije grafita.
Definiranje procesa
Izrada uzorka i kalupa
- Dizajn uzorka: Ljevaonice stvaraju uzorke (često od drveta, epoksidan, ili aluminij) koji uključuju dodatke za 3–6 % skupljanje tipično za CGI legure (solidus ~ 1 150 ° C, tekućina ~ 1 320 ° C).
- Odabir pijeska: Standardni kalupi od silika-pijeska (propusnost > 200, AFS finoća zrna ~ 200) raditi dobro,
ali poboljšana veziva-fenol-uretan ili furan-pomažu u otpornosti na CGI višu temperaturu izlijevanja (~ 1 350–1 420 ° C). - Cope and Drag Assembly: Tehničari pakiraju povlačenje oko donje polovice uzorka, zatim uklonite uzorak i postavite jezgre (ako je potrebno) prije nabijanja rupe.
Pažljivo postavljanje ventilacijskih otvora osigurava ispuštanje plina kada visokotemperaturni CGI ispuni šupljinu.
Taljenje i obrada metala
- Sastav naboja: Uobičajeno taljenje koristi 70–80 % reciklirani otpad, 10–20 % sirovo željezo ili vrući metal,
i majstorske legure za fino podešavanje kemije. Ljevaonice ciljaju na C 3.5 ± 0.1 %, I 2.5 ± 0.2 %, i S < 0.01 %. - Magnezij i dodaci rijetkih zemalja: Neposredno prije izlijevanja, operatori dodaju 0,035–0,055 % Mg (uz 0,005–0,015 % hladno) u pokrivenoj posudi da se formira vermikularni grafit, a ne pahuljice ili sferoidi.
Nježno se miješaju kako bi se modifikatori ravnomjerno rasporedili. - Inokulacija i deoksidacija: Ljevaonice inokuliraju s ~ 0,6–1,0 kg/T ferosilicija ili barij-silicij inokulanta kako bi se osigurala mjesta nukleacije grafita.
Istovremeno, deoksidansi—kao što je FeSi—hvataju otopljeni kisik i minimiziraju inkluzije oksida.
Izlijevanje i punjenje kalupa
- Upravljanje pregrijavanjem: Temperatura izlijevanja za CGI je okolo 1 350–1 420 ° C (2 462–2 588 ° F), otprilike 30–70 °C iznad likvidusa.
Ovo dodatno pregrijavanje osigurava potpuno ispunjavanje tankih dijelova stijenke (spustiti 4 mm) ali i povećava opasnost od erozije pijeska. - Dizajniranje: Ljevaonice koriste konusni kanal i velike poprečne presjeke, veličine za Reynoldsov broj (Ponovno) od 2 000–3 000—za smanjenje turbulencije.
Pjenasti keramički filtri (30–40 ppi) često presreću bilo kakve inkluzije unesene u kalup. - Odzračivanje plijesni: Budući da CGI fluidnost konkurira sivom željezu, pravilno odzračivanje—kroz donje otvore ispod uspona i kontrolirana propusnost—spriječava zarobljavanje plina.
Specijalizirani usponi (egzotermna ili izolirana) dovod rastaljenog metala u vruće točke koje se posljednje skrućuju.
Kontrola skrućivanja i mikrostrukture
- Nukleacija grafita: Dok se rastopljeni CGI hladi od ~ 1 350 °C do 900 ° C, vermikularni grafit nukleira na mjestima inokulanata.
Ljevaonice ciljaju brzinu hlađenja od 0,5–2,0 °C/s u dijelovima debljine između 10–15 mm kako bi se razvilo 100–200 vermikularnih ljuskica po mm². - Formiranje matrice: Ispod 900 ° C, počinje prijelaz austenita u ferit.
Brzo hlađenje daje više perlita (veća čvrstoća, ali manja toplinska vodljivost), dok umjereno hlađenje proizvodi prvenstveno feritnu matricu (bolje odvođenje topline).
Ljevaonice često normaliziraju na 900 °C nakon istresanja da se postigne a 60 % ferit–40 % perlitna ravnoteža. - Hranjenje skupljanja: CGI se smanjuje za otprilike 3.5 % pri skrućivanju. Uzlaznice veličine 10–15 % mase za lijevanje—postavljene na strateškim vrućim točkama—ublažavaju poroznost skupljanja.
Shakeout, Čišćenje, i završna obrada
- Shakeout: Nakon 30-45 minuta hlađenja, ljevaonice odvajaju kalupni pijesak pomoću vibrirajućih stolova ili pneumatskih cilindra. Obrađeni pijesak se podvrgava probiru i obnavljanju za ponovnu upotrebu.
- Čišćenje: Pucanj (za željezni) ili zračno-ugljično lučno rezanje uklanja zaostali pijesak, sprues, i uspona. Tehničari provjeravaju ima li površinskih pukotina ili peraja prije toplinske obrade.
- Toplotna obrada (Normalizacija): CGI odljevci se obično normaliziraju na 900 ° C (1 652 ° F) 1–2 sata, zatim gašenje zrakom ili uljem.
Ovaj korak pročišćava veličinu zrna i osigurava dosljednu raspodjelu ferit-perlit. - Strojna obrada i pregled: Nakon normalizacije, odljevci postižu konačnu tvrdoću (feritni CGI ~ 115 HB; perlitni CGI ~ 180 HB).
CNC centri obrađuju kritične površine (tolerancije ± 0.10 mm) a inspektori provjeravaju morfologiju grafita (vermikularnost ≥ 60 %) putem metalografije.
Ključne razlike od lijevanog sivog željeza
| Parametar | Sivo željezo | CGI |
|---|---|---|
| Temperatura ulijevanja | 1 260–1 300 ° C (2 300–2 372 ° F) | 1 350–1 420 ° C (2 462–2 588 ° F) |
| Morfologija grafita | Pahuljica grafit (duljina 50–100 µm) | Vermikularni grafit (kompaktne pahuljice, duljina 25–50 µm) |
| Obrada taljenjem | Samo cijepljenje (odgovorite) | Mg/RE dodatak + inokulacija |
| Zahtjevi za vezivo kalupa | Standardni fenolni ili natrijev silikat | Fenolni/uretanski materijal veće čvrstoće zbog opasnosti od erozije |
| Osjetljivost brzine hlađenja | Manje kritično—pahuljice se stvaraju u širokom rasponu | Kritičnije—hlađenje 0,5–2 °C/s potrebno za vermikularno |
| Skupljanje | ~ 4.0 % | ~ 3.5 % |
| Kontrola matrice | Prvenstveno perlitni ili miješani ferit | Prilagođena ravnoteža ferit-perlit toplinskom obradom |
4. Prednosti i izazovi zbijenog grafitnog željeza od pijeska (CGI)
Prednosti CGI lijevanja u pijesak
Poboljšana snaga i krutost
CGI vlačna čvrstoća (400–450 MPa) premašuje sivo željezo za 50 %, dok je njegov modul elastičnosti (170–180 GPa) nadmašuje sivo željezo za 50 %.
Kao rezultat, CGI odljevci pokazuju manje deformacije pod opterećenjem—osobito vrijedni za blokove motora i strukturne komponente.
Poboljšana toplinska vodljivost
S toplinskom vodljivošću od 40–45 W/m·K, CGI prenosi toplinu 20–30 % brži od sivog željeza.
To omogućuje brže zagrijavanje motora, smanjene vruće točke, i bolju otpornost na toplinski zamor u glavama cilindra i košuljicama.
Uravnoteženo prigušenje
CGI faktor prigušenja (~ 0.005) pada na pola puta između sive (~ 0.010) i duktilan (~ 0.002) glačala.
Stoga, CGI učinkovito apsorbira vibracije—smanjuje NVH (buka, vibracija, hrapavost)— uz izbjegavanje visoke krtosti sivog željeza.
Isplativa proizvodnja
Iako CGI dodaje ~ 5–10 % trošak materijala zbog dodataka Mg/RE i strože kontrole procesa, to košta 20–30 % manje od nodularnog lijeva za jednake performanse.
Niži dodaci za strojnu obradu—zahvaljujući poboljšanoj stabilnosti dimenzija—dodatni troškovi lijevanja.
Izazovi lijevanja u pijesak kompaktnog grafitnog željeza
- Čvrsta kontrola kemije taline: Održavanje Mg unutar ±0,005 % je kritičan. Malo odstupanje može vratiti morfologiju grafita u ljuspičastu ili sferoidalnu, zahtijevajući potpuno rashodovanje.
- Više temperature izlijevanja: CGI-ji 1 350–1 420 ° C (2 462–2 588 ° F) talina zahtijeva robusnija veziva za kalupe i premaze za sprječavanje erozije pijeska i krasta.
- Rizik od stvaranja karbida: Višak silicija ili brzo hlađenje mogu proizvesti mreže cementita, krhki CGI-ji; cijepljenje i kontrolirano hlađenje su obavezni.
- Upravljanje poroznošću: Veća fluidnost CGI-ja dovodi do veće aspiracije plinova osim ako su postupci odzračivanja kalupa i otplinjavanja primjerni.
- Ograničena globalna stručnost u ljevaonicama: Iako je tržišni udio CGI-ja porastao (posebno u automobilskoj industriji), samo 20–25 % ljevaonica željeza diljem svijeta ovladalo je specijaliziranim postupcima, povećanje vremena isporuke.
5. Uobičajene primjene zbijenog grafitnog željeza putem lijevanja u pijesku
- Blokovi automobilskih dizelskih motora
- Glave i košuljice cilindra
- Ispušne grane i kućišta turbopunjača
- Kućišta pumpi i kompresora
- Kućišta mjenjača i mjenjača
- Komponente industrijskog motora (Npr., blokovi agregata)
- Tijela hidrauličkih ventila i blokovi pumpi
6. Usporedbe s alternativnim materijalima za lijevanje
| Materijal | Zatečna čvrstoća (MPA) | Toplinska vodljivost (W/m · k) | Gustoća (g/cm³) | Prigušivanje | Otpor korozije | Obradivost | Relativni trošak | Tipične primjene |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (Zbijeno grafitno željezo) | 400–450 | 40–45 | ~7.1 | Umjeren (~0,005) | Umjeren | Umjeren | Srednji (~ 5–10% > Sivo željezo) | Blokovi dizel motora, glave cilindra |
| Sivo lijevano željezo | 200–300 | 30–35 | ~7.2 | Visok (~0,01) | Umjeren | Dobro | Nizak | Kočioni diskovi, kreveti za strojeve |
| Duktilno željezo | 550–700 | 20–25 | ~7.2 | Nizak (~0,002) | Umjeren | Umjeren | Visok (~20–30% > CGI) | Radilice, zupčanici za teške uvjete rada |
| Aluminijske legure | 150–350 | 120–180 | ~2.7 | Nizak | Visok | Izvrstan | Srednje | Zrakoplovstvo, automobilske kućišta |
| Ugljični čelik (Bacanje) | 400–800 | 35–50 | ~7.8 | Vrlo nizak | Nizak | Siromašan | Visok | Strukturalni, plovila za pritisak |
| Nehrđajući čelik (Bacanje) | 500–900 | 15–25 | ~7,7–8,0 | Vrlo nizak | Izvrstan | Loše–umjereno | Vrlo visok (~2× CGI) | Kemijski, hrana, i brodske opreme |
| Legure magnezija | 150–300 | 70–100 | ~1.8 | Nizak | Umjeren | Dobro | Visok | Lagana zrakoplovna i elektronika |
| Legure mesinga/bronce | 300–500 | 50–100 | ~8.4–8.9 | Umjeren | Visok | Umjeren | Visok | Ventili, morski hardver, čahure |
7. Zaključak
Zbijeno grafitno željezo (CGI) daje bolju snagu, ukočenost, i toplinske performanse od sivog željeza—bez troškova nodularnog željeza.
Zahtijeva strogu kontrolu kemije, visoke temperature izlijevanja, i pravilan dizajn kalupa kako bi se osiguralo formiranje vermikularnog grafita.
Već se koristi u blokovima motora i glavama cilindra, CGI smanjuje težinu do 10% i poboljšava vijek trajanja od toplinskog zamora 30%.
Napredak u simulaciji i kontroli procesa proširuje njegovu upotrebu na turbopunjače, ispusi, i pumpe.
Uz stalna poboljšanja legura i održivu proizvodnju, CGI postaje ključni materijal u modernom, učinkovito inženjerstvo.
Na OVAJ, spremni smo surađivati s vama u korištenju ovih naprednih tehnika za optimizaciju dizajna vaših komponenti, izbor materijala, i tijekove proizvodnje.
osiguravajući da vaš sljedeći projekt premaši sve standarde izvedbe i održivosti.
Česta pitanja
Zašto se za CGI koristi lijevanje u pijesak?
Lijevanje u pijesku isplativo je za složene, velika, i dijelovi srednjeg do velikog volumena.
Prilagođava specifična toplinska i mehanička svojstva CGI-ja, posebno u automobilskim i industrijskim komponentama.
Koje su uobičajene primjene CGI pješčanih odljevaka?
Typical applications include diesel engine blocks, glave cilindra, Komponente kočenja,
kućišta turbopunjača, and structural machine parts—where strength and thermal stability are critical.
Koje su ključne prednosti zbijenog grafitnog željeza od pijeska?
CGI pruža izvrstan omjer snage i težine, poboljšana otpornost na umor, bolje odvođenje topline, and lower cost than ductile iron in similar roles.
Kako CGI utječe na obradivost?
CGI is moderately machinable—harder and more abrasive than gray iron but easier than ductile iron. Advanced tooling and cutting strategies are recommended.
Je li CGI prikladan za primjene na visokim temperaturama?
Da. Its microstructure resists thermal fatigue and distortion, making it well-suited for components exposed to cyclic thermal loads, kao što su ispušne grane i glave cilindra.
