Sand Casting Compacted Graphite Iron Pump

What Is Sand Casting Compacted Graphite Iron?

Բովանդակություն ցուցահանդես

1. Ներածություն

Sand casting has powered the iron foundry industry for centuries, enabling the production of complex geometries at relatively low cost.

Recently, Compacted Graphite Iron (CGI)—also known as vermicular graphite iron—has emerged as a material bridging the gap between traditional gray cast iron and ductile iron.

By combining desirable properties of both, CGI offers higher tensile strength and thermal conductivity than gray iron, yet retains superior castability and damping compared to ductile grades.

Այս հոդվածում, we examine “what is sand casting with CGI? through metallurgical, վերամշակում, մեխանիկական, and economic lenses.

We aim to present a comprehensive yet practical resource for foundry engineers, design professionals, and materials researchers interested in harnessing CGI’s benefits.

2. Compacted Graphite Iron (CGI): Metallurgy and Properties

Compacted (vermicular) graphite iron (CGI) occupies an intermediate position between gray iron and ductile iron:

its unique graphite morphology yields a combination of strength, կոշտություն, and thermal properties not attainable in other cast irons.

Compacted Graphite Iron Exhaust manifold
Compacted Graphite Iron Exhaust Manifold

Graphite Morphologies: From Gray to Ductile to CGI

Graphite in cast iron appears in three primary morphologies. Each influences mechanical and thermal behavior:

  • Մոխրագույն երկաթ: Flake graphite provides crack‐arresting behavior under vibration but limits tensile properties.
  • CGI: Vermicular graphite appears as short, compact “worms” (compactness factor ≥ 60 %), enhancing strength and conductivity while retaining acceptable damping.
  • Ծորակ երկաթ: Graphite occurs as nearly perfect nodules; this maximizes ductility but reduces damping and thermal conduction compared to CGI.

Chemical Composition and Alloying Elements

Chemically, CGI resembles ductile iron but requires tighter control of certain elements, especially magnesium and sulfur, to achieve the desired vermicular graphite form.

Typical target composition (EN-GJV-450-12) appears below:

Տարր Բնորոշ տիրույթ (wt %) Դեր / Effect
Ածխածնային (Գ) 3.4 Մի քիչ 3.8 Provides graphite-forming potential; excess C can lead to carbides.
Սիլիկոն (Մի քանազոր) 2.0 Մի քիչ 3.0 Խթանում է գրաֆիտի տեղումները; balances ferrite/pearlite ratio.
Մանգան (Ժլատ) 0.10 Մի քիչ 0.50 Controls sulfides and refines grain; excessive Mn ties up C, risking carbide formation.
Ֆոսֆոր (Իմաստ) ≤ 0.20 Impurity; can increase fluidity but reduces toughness if > 0.10 %.
Ծծումբ (Ծուռ) ≤ 0.01 Must be minimal to prevent MgS formation, which would inhibit vermicular graphite nucleation.
Մագնեզիում (Մգ)
0.03 Մի քիչ 0.06 Critical for vermicular graphite; too little Mg yields gray iron, too much produces spheroidal graphite (ծորակ երկաթ).
Cerium / RE (Ce) 0.005 Մի քիչ 0.015 Acts as a nodulizer/modifier—refines vermicular graphite and stabilizes it against over-inoculation or inconsistent cooling.
Պղնձ (Մգոհել) 0.2 Մի քիչ 0.8 Increases strength and hardness; high Cu (> 1 %) can promote carbides.
Նիկել (Մեջ)
≤ 0.5 Improves toughness and corrosion resistance; often omitted for cost reasons unless specific performance is needed.
Մոլիբդեն (Ժամանակ) ≤ 0.2 Inhibits carbide formation; helps maintain a ferritic–pearlitic matrix with uniform graphite distribution.
Երկաթ (Անք) Հավասարակշռություն Բազային մետաղ; carries all alloying additions and determines overall metallic properties.

Key Points:

  • Maintaining Mg between 0.035 % մի քանազոր 0.055 % (± 0.005 %) էական է; falling outside this window shifts graphite morphology.
  • Ծծումբ must remain extremely low (< 0.01 %)—even 0.015 % S can tie up Mg as MgS, preventing vermicular graphite formation.
  • Սիլիկոն levels above 2.5 % encourage graphite flake growth and a more ferritic matrix, improving thermal conductivity but potentially reducing strength if excessive.

Միկրոկառուցվածք: Vermicular Graphite in a Ferritic/Pearlitic Matrix

The as‐cast microstructure of CGI depends on solidification rate, պատվաստում, and final heat treatment. Typical features include:

Microstructural Feature Նկարագրություն Control Parameter
Vermicular Graphite Flakes Graphite flakes with rounded ends; aspect ratio ~ 2:1-4:1; compactness ≥ 60 %. Mg/RE content, inoculation intensity, սառեցման արագությունը (0.5–2 °C/s)
Ֆերիտիկ մատրիցա Predominantly α‐iron with minimal carbide; yields high thermal conductivity. Slow cooling or post‐cast normalization
Pearlitic Matrix Alternating lamellae of ferrite and cementite (~ 20–40 % մարգարիտ); increases strength and hardness. Faster cooling, moderate Cu/Mo additions
Carbides (Fe₃C, M₇C3) Undesirable if present in significant volume; reduce ductility and machinability. Excess Si or overly rapid cooling; insufficient inoculation
Inoculation Particles Added ferrosilicon, ferro-barium-silicon, or rare-earth-based inoculants create nucleation sites for vermicular graphite. Type and amount of inoculant (0.6–1.0 kg/T)
  • Մատրիցային հսկողություն: Էունք ferritic matrix (≥ 60 % ֆերիտ) yields thermal conductivity of 40–45 W/m·K,
    մինչդեռ ferrite–pearlite mixes (30 % Մի քիչ 40 % մարգարիտ) push yield strength to 250 Մի քիչ 300 MPA without excessive embrittlement.
  • Vermicular Graphite Nodule Count: Target 100 Մի քիչ 200 vermicular flakes/mm² in sections ~ 10 մմ հաստությամբ. Lower counts reduce strength; higher counts risk transitioning to nodularity.

Մեխանիկական հատկություններ (Ուժ, Կոշտություն, Հոգնածություն)

CGI’s mechanical properties combine strength, կոշտություն, and moderate ductility. Representative values (EN-GJV-450-12, նորմալացրեց) appear below:

Ունեցվածք Բնորոշ տիրույթ Comparative Benchmark
Առաձգական ուժ (UTS) 400 Մի քիչ 450 MPA ~ 50 % higher than gray iron (200 Մի քիչ 300 MPA)
Բերք տալ ուժ (0.2 % օֆսեթ) 250 Մի քիչ 300 MPA ~ 60 % higher than gray iron (120 Մի քիչ 200 MPA)
Երկարացում ընդմիջման ժամանակ (Էունք %) 3 Մի քիչ 5 % Intermediate between gray iron (0 Մի քիչ 2 %) and ductile iron (10 Մի քիչ 18 %)
Առաձգականության մոդուլ (Եփ) 170 Մի քիչ 180 Gpa ~ 50 % higher than gray iron (100 Մի քիչ 120 Gpa)
Կարծրություն (Brinell HB) 110 Մի քիչ 200 Ժապավենի (matrix‐dependent) Ferritic CGI: 110 Մի քիչ 130 Ժապավենի; Pearlite CGI: 175 Մի քիչ 200 Ժապավենի
Հոգնածության ուժ (Rotating Bending) 175 Մի քիչ 200 MPA ~ 20 Մի քիչ 30 % higher than gray iron (135 Մի քիչ 150 MPA)
Ազդեցության կոշտություն (Charpy V‐Notch @ 20 ° C) 6 Մի քիչ 10 Ժլատ Better than gray iron (~ 4–5 J), below ductile iron (10–15 J)

Observations:

  • Բարձր Յանգի մոդուլը (E ≈ 175 Gpa) leads to stiffer components—advantageous in engine blocks and structural parts requiring minimal deflection.
  • Fatigue resistance (≈ 200 MPA) makes CGI suitable for cyclical loads (Է.Գ., cylinder heads under thermal cycles).
  • Կարծրություն can be tailored via matrix composition: pure ferritic CGI (~ 115 Ժապավենի) excels in wear applications; pearlitic CGI (~ 180 Ժապավենի) is chosen for higher strength needs.

Thermal Conductivity and Damping Capacity

CGI’s unique graphite form and matrix produce distinctive thermal and vibrational characteristics:

Ունեցվածք CGI Range Համեմատություն
Mal երմային հաղորդունակություն 40 Մի քիչ 45 W / m · k Մոխրագույն երկաթ: 30 Մի քիչ 35 W / m · k; Ծորակ երկաթ: 20 Մի քիչ 25 W / m · k
Specific Heat (20 ° C) ~ 460 J/kg·K Similar to other cast irons (~ 460 J/kg·K)
Mal երմային ընդլայնում (20–100 °C) 11.5 Մի քիչ 12.5 × 10⁻⁶ / ° C Slightly higher than gray iron (11.0 × 10⁻⁶ / ° C)
Խոնավեցման հզորություն (Log Decrement) 0.004 Մի քիչ 0.006 Մոխրագույն երկաթ: ~ 0.010; Ծորակ երկաթ: ~ 0.002
  • Mal երմային հաղորդունակություն: High conductivity (40 W / m · k) accelerates heat dissipation from hot spots in engine blocks and turbocharger housings, reducing thermal fatigue risk.
  • Damping: CGI’s damping factor (0.004 Մի քիչ 0.006) absorbs vibrational energy better than ductile iron, aiding noise, թրթռում, և խստություն (NVH) control—especially in diesel engines.
  • Mal երմային ընդլայնման գործակից: CGI’s expansion (≈ 11.5 × 10⁻⁶ / ° C) matches steel engine liners closely, minimizing thermal stresses at the liner/block interface.

3. What Is Sand Casting Compacted Graphite Iron (CGI)?

Ավազի ձուլում with compacted graphite iron (CGI) follows the same overall steps as conventional iron sand casting,

mold preparation, melting, հորդառատ, ամրացում, and cleaning—but modifies key parameters to produce CGI’s unique “vermicular” graphite morphology.

CGI Sand Casting Gearbox Housing
CGI Sand Casting Gearbox Housing

Defining the Process

Pattern and Mold Construction

  • Նախշերի ձևավորում: Foundries create patterns (often from wood, էգոքսիկ, or aluminum) that include allowances for 3–6 % shrinkage typical of CGI alloys (solidus ~ 1 150 ° C, liquidus ~ 1 320 ° C).
  • Sand Selection: Standard silica‐sand molds (permeability > 200, AFS grain fineness ~ 200) work well,
    but enhanced binders—phenolic–urethane or furan—help resist CGI’s higher pouring temperature (~ 1 350-1 420 ° C).
  • Cope and Drag Assembly: Technicians pack the drag around the lower half of the pattern, then remove the pattern and place cores (if needed) before ramming the cope.
    Careful vent placement ensures gas escape when high‐temperature CGI fills the cavity.

Melting and Metal Treatment

  • Charge Composition: Typical melts use 70–80 % recycled scrap, 10-20 % pig iron or hot‐metal,
    and master alloys to fine-tune chemistry. Foundries aim for C 3.5 ± 0.1 %, Մի քանազոր 2.5 ± 0.2 %, and S < 0.01 %.
  • Magnesium and Rare-Earth Additions: Right before pouring, operators add 0.035–0.055 % Մգ (alongside 0.005–0.015 % RE/Ce) in a covered ladle to form vermicular graphite rather than flakes or spheroids.
    They stir gently to distribute modifiers uniformly.
  • Inoculation and De-Oxidation: Foundries inoculate with ~ 0.6–1.0 kg/T of ferrosilicon or barium-silicon inoculant to provide graphite nucleation sites.
    Simultaneously, de-oxidants—such as FeSi—scavenge dissolved oxygen and minimize oxide inclusions.

Pouring and Mold Filling

  • Superheat Management: Pouring temperature for CGI sits around 1 350-1 420 ° C (2 462–2 588 ° f), roughly 30–70 °C above the liquidus.
    This extra superheat ensures complete filling of thin wall sections (մինչև 4 մմ) but also increases the risk of sand erosion.
  • Դարպասների դիզայն: Foundries use a tapered sprue and generous runner cross-sections, sized for a Reynolds number (Re) է 2 000–3 000—to minimize turbulence.
    Ceramic foam filters (30–40 ppi) often intercept any inclusions carried into the mold.
  • Mold Venting: Because CGI fluidity rivals gray iron, proper venting—through bottom vents under risers and controlled permeability—prevents gas entrapment.
    Specialized risers (exothermic or insulated) feed molten metal into the last-to-solidify hot spots.

Solidification and Microstructure Control

  • Graphite Nucleation: As the molten CGI cools from ~ 1 350 ° C- ից 900 ° C, vermicular graphite nucleates on inoculant sites.
    Foundries target a cooling rate of 0.5–2.0 °C/s in sections between 10–15 mm thick to develop 100–200 vermicular flakes per mm².
  • Matrix Formation: Ներքեվ 900 ° C, the austenite-to-ferrite transition begins.
    Rapid cooling yields more pearlite (higher strength but lower thermal conductivity), while moderate cooling produces a primarily ferritic matrix (better heat dissipation).
    Foundries often normalize at 900 °C after shakeout to achieve a 60 % ferrite–40 % pearlite balance.
  • Shrinkage Feeding: CGI shrinks by approximately 3.5 % upon solidification. Risers sized at 10–15 % of casting mass—positioned at strategic hot spots—mitigate shrinkage porosity.

Shakeout, Մաքրում, and Final Processing

  • Shakeout: After 30–45 minutes of cooling, foundries break away mold sand using vibrating tables or pneumatic rams. Reclaimed sand undergoes screening and reclamation for reuse.
  • Մաքրում: Կրակոց պայթյուն (for ferrous) or air-carbon arc cutting removes residual sand, sprues, and risers. Technicians inspect for surface cracks or fins before heat treatment.
  • He երմամշակում (Normalization): CGI castings typically normalize at 900 ° C (1 652 ° f) for 1–2 hours, then air or oil quench.
    This step refines grain size and ensures consistent ferrite–pearlite distribution.
  • Machining and Inspection: After normalization, castings reach final hardness (ferritic CGI ~ 115 Ժապավենի; pearlitic CGI ~ 180 Ժապավենի).
    CNC centers machine critical surfaces (tolerances ± 0.10 մմ) and inspectors verify graphite morphology (vermicularity ≥ 60 %) via metallography.

Key Differences from Gray Iron Sand Casting

Պարամետր Մոխրագույն երկաթ CGI
Հորդառատ ջերմաստիճան 1 260-1 300 ° C (2 300–2 372 ° f) 1 350-1 420 ° C (2 462–2 588 ° f)
Գրաֆիտի ձեւաբանություն Փաթիլ գրաֆիտ (length 50–100 µm) Vermicular graphite (compact flakes, length 25–50 µm)
Melt Treatment Inoculation only (FeSi) Mg/RE addition + պատվաստում
Mold Binder Requirements Standard phenolic or sodium silicate Higher-strength phenolic/urethane due to erosion risk
Cooling Rate Sensitivity Less critical—flakes form over wide range More critical—cooling 0.5–2 °C/s needed for vermicular
Նեղացում ~ 4.0 % ~ 3.5 %
Մատրիցային հսկողություն Primarily pearlitic or mixed ferrite Tailored ferrite–pearlite balance via heat treatment

4. Advantages and Challenges of Sand Casting Compacted Graphite Iron (CGI)

Sand Casting CGI Parts
Sand Casting CGI Parts

Advantages of Sand Casting CGI

Enhanced Strength and Stiffness

CGI’s tensile strength (400-450 ՄՊա) exceeds gray iron by 50 %, while its modulus of elasticity (170–180 GPa) surpasses gray iron by 50 %.

Արդյունքում, CGI castings exhibit less deflection under load—particularly valuable for engine blocks and structural components.

Improved Thermal Conductivity

With thermal conductivity of 40–45 W/m·K, CGI transfers heat 20-30 % faster than gray iron.

This allows quicker engine warm-up, reduced hot spots, and better resistance to thermal fatigue in cylinder heads and liners.

Balanced Damping

CGI’s damping factor (~ 0.005) falls midway between gray (~ 0.010) and ductile (~ 0.002) irons.

Հետեւաբար, CGI absorbs vibration effectively—reducing NVH (աղմուկ, թրթռում, harshness)—while avoiding the high brittleness of gray iron.

Ծախսերի արդյունավետ արտադրություն

Although CGI adds ~ 5–10 % material cost due to Mg/RE additions and tighter process control, it costs 20-30 % less than ductile iron for equivalent performance.

Lower machining allowances—thanks to improved dimensional stability—further trim casting costs.

Challenges of Sand Casting Compacted Graphite Iron

  1. Tight Melt Chemistry Control: Maintaining Mg within ±0.005 % քննադատական ​​է. A slight deviation can revert graphite morphology to flake or spheroidal, necessitating full‐scale scrapping.
  2. Higher Pouring Temperatures: CGI’s 1 350-1 420 ° C (2 462–2 588 ° f) melt demands more robust mold binders and coatings to prevent sand erosion and scabbing.
  3. Risk of Carbide Formation: Excess silicon or rapid cooling can produce cementite networks, embrittling CGIs; inoculation and controlled cooling are mandatory.
  4. Porosity Management: CGI’s higher fluidity leads to greater aspiration of gases unless mold venting and degassing practices are exemplary.
  5. Limited Global Foundry Expertise: Although CGI’s market share has grown (especially in automotive), only 20-25 % of iron foundries worldwide have mastered the specialized procedures, raising lead times.

5. Common Compacted Graphite Iron Applications via Sand Casting

Compactd Graphite Iron CGI Diesel engine cylinder block
Compact Graphite Iron CGI Diesel engine cylinder block
  • Automotive diesel engine blocks
  • Cylinder heads and liners
  • Exhaust manifolds and turbocharger housings
  • Pump and compressor housings
  • Gearbox and transmission housings
  • Industrial engine components (Է.Գ., genset blocks)
  • Hydraulic valve bodies and pump blocks

6. Comparisons to Alternate Casting Materials

Նյութական Առաձգական ուժ (MPA) Mal երմային հաղորդունակություն (W / m · k) Խտություն (գ / սմ) Խոնավեցման հզորություն Կոռոզիոն դիմադրություն Մեքենայություններ Հարաբերական արժեք Բնորոշ ծրագրեր
CGI (Compacted Graphite Iron) 400– 450 40-45 ~7.1 Չափավոր (~0.005) Չափավոր Չափավոր Միջին (5-10% > Մոխրագույն երկաթ) Diesel engine blocks, բալոնների գլուխներ
Մոխրագույն չուգուն 200– 300 30–35 ~7.2 Բարձր (~ 0.01) Չափավոր Լավ Ցածր Brake discs, machine beds
Ծորակ երկաթ 550-700 20-25 ~7.2 Ցածր (~0.002) Չափավոր Չափավոր Բարձր (~20–30% > CGI) Ծածկոցներ, heavy-duty gears
Ալյումինե խառնուրդներ 150-350 120-180 ~2.7 Ցածր Բարձր Գերազանց Medium–High Օդատիենտ, automotive casings
Ածխածնի պողպատ (Cast) 400-800 35-50 ~7.8 Շատ ցածր Ցածր Աղքատ Բարձր Structural, Press նշման անոթներ
Չժանգոտվող պողպատ (Cast) 500– 900 15-25 ~7.7–8.0 Շատ ցածր Գերազանց Poor–Moderate Շատ բարձր (~2× CGI) Քիմիական, սնունդ, and marine equipment
Մագնեզիումի համաձուլվածքներ 150– 300 70–100 ~1.8 Ցածր Չափավոր Լավ Բարձր Lightweight aerospace and electronics
Brass/Bronze Alloys 300-500 50–100 ~8.4–8.9 Չափավոր Բարձր Չափավոր Բարձր Փականներ, ծովային տեխնիկա, թփեր

7. Եզրափակում

Compacted Graphite Iron (CGI) delivers better strength, կոշտություն, and thermal performance than gray iron—without the cost of ductile iron.

It requires tight control of chemistry, high pouring temperatures, and proper mold design to ensure vermicular graphite formation.

Already used in engine blocks and cylinder heads, CGI reduces weight by up to 10% and improves thermal fatigue life by 30%.

Advances in simulation and process control are expanding its use to turbochargers, exhausts, և պոմպեր.

With ongoing improvements in alloys and sustainable manufacturing, CGI is becoming a key material in modern, efficient engineering.

ժամը Սա, մենք պատրաստ ենք համագործակցել ձեզ հետ՝ օգտագործելու այս առաջադեմ տեխնիկան՝ ձեր բաղադրիչների դիզայնը օպտիմալացնելու համար, նյութերի ընտրություն, և արտադրության աշխատանքային հոսքերը.

ապահովելով, որ ձեր հաջորդ նախագիծը գերազանցում է կատարողականի և կայունության բոլոր չափանիշները.

Կապվեք մեզ հետ այսօր!

 

ՀՏՀ

Why is sand casting used for CGI?

Sand casting is cost-effective for complex, large, and medium-to-high volume parts.

It accommodates CGI’s specific thermal and mechanical properties, especially in automotive and industrial components.

What are common applications of CGI sand castings?

Typical applications include diesel engine blocks, բալոնների գլուխներ, Արգելակի բաղադրիչներ,

turbocharger housings, and structural machine parts—where strength and thermal stability are critical.

What are the key advantages of Sand Casting Compacted Graphite Iron?

CGI provides excellent strength-to-weight ratio, improved fatigue resistance, better heat dissipation, and lower cost than ductile iron in similar roles.

How does CGI affect machinability?

CGI is moderately machinable—harder and more abrasive than gray iron but easier than ductile iron. Advanced tooling and cutting strategies are recommended.

Is CGI suitable for high-temperature applications?

Այո. Its microstructure resists thermal fatigue and distortion, making it well-suited for components exposed to cyclic thermal loads, such as exhaust manifolds and cylinder heads.

Ոլորեք վերեւ