1. Introduzione
La fusione di sabbia ha alimentato l'industria della fonderia di ferro per secoli, consentendo la produzione di geometrie complesse a un costo relativamente basso.
Recentemente, Ferro grafite compatto (CGI)—So noto come ferro grafite vermicolare—Ha è emerso come un materiale che colma lo spazio tra tradizionale ghisa grigia e ferro duttile.
Combinando proprietà desiderabili di entrambi, CGI offre una maggiore resistenza alla trazione e conducibilità termica rispetto al ferro grigio, tuttavia mantiene la castabilità e lo smorzamento superiori rispetto ai gradi duttili.
In questo articolo, esaminiamo “Che cos'è il casting di sabbia con CGI?" attraverso metallurgico, elaborazione, meccanico, e lenti economiche.
Miriamo a presentare una risorsa completa ma pratica per gli ingegneri della fonderia, Professionisti del design, e ricercatori dei materiali interessati a sfruttare i benefici della CGI.
2. Ferro grafite compatto (CGI): Metallurgia e proprietà
Compatto (Vermicolare) ferro grafite (CGI) occupa una posizione intermedia tra ferro grigio e ferro duttile:
La sua morfologia di grafite unica produce una combinazione di forza, rigidità, e proprietà termiche non raggiungibili in altri ferri da cast.
Morfologie di grafite: Dal grigio a duttile a cgi
La grafite in ghisa appare in tre morfologie primarie. Ognuno influenza il comportamento meccanico e termico:
- Ferro grigio: Flake Grafite fornisce un comportamento di arresto crack sotto vibrazione ma limita le proprietà di trazione.
- CGI: La grafite vermicolare appare come breve, Compatto "vermi" (fattore di compattezza ≥ 60 %), Migliorare la forza e la conduttività pur mantenendo lo smorzamento accettabile.
- Ferro duttile: La grafite si verifica come noduli quasi perfetti; Ciò massimizza la duttilità ma riduce lo smorzamento e la conduzione termica rispetto al CGI.
Composizione chimica ed elementi legati
Chimicamente, CGI assomiglia al ferro duttile ma richiede un controllo più stretto di alcuni elementi, Soprattutto magnesio e zolfo, Per ottenere la forma di grafite vermicolare desiderata.
Composizione target tipica (EN-GJV-450-12) appare sotto:
| Elemento | Gamma tipica (Wt %) | Ruolo / Effetto |
|---|---|---|
| Carbonio (C) | 3.4 – 3.8 | Fornisce un potenziale di formazione della grafite; L'eccesso C può portare a carburi. |
| Silicio (E) | 2.0 – 3.0 | Promuove le precipitazioni della grafite; Bilancia il rapporto ferrite/perle. |
| Manganese (Mn) | 0.10 – 0.50 | Controlla i solfuri e perfeziona il grano; Eccessivo MN si lega C, rischiare la formazione di carburo. |
| Fosforo (P) | ≤ 0.20 | Impurità; può aumentare la fluidità ma riduce la tenacità se > 0.10 %. |
| Zolfo (S) | ≤ 0.01 | Deve essere minimo per prevenire la formazione di MGS, che inibirebbe la nucleazione di grafite vermicolare. |
Magnesio (Mg) |
0.03 – 0.06 | Critico per la grafite vermicolare; troppo piccolo mg produce ferro grigio, Troppo produce grafite sferoidale (ferro duttile). |
| Cerio / RIF (Ce) | 0.005 – 0.015 | Agisce come nodulizer/modificatore: rifini la grafite vermicolare e la stabilizza contro l'inoculazione eccessiva o il raffreddamento incoerente. |
| Rame (Cu) | 0.2 – 0.8 | Aumenta la forza e la durezza; Alto con (> 1 %) può promuovere carburi. |
Nichel (In) |
≤ 0.5 | Migliora la resistenza alla tenacità e alla corrosione; spesso omesso per motivi di costo a meno che non siano necessarie prestazioni specifiche. |
| Molibdeno (Mo) | ≤ 0.2 | Inibisce la formazione di carburo; Aiuta a mantenere una matrice ferritica -pearlitica con distribuzione uniforme della grafite. |
| Ferro (Fe) | Bilancia | Metallo di base; trasporta tutte le aggiunte in lega e determina le proprietà metalliche complessive. |
Punti chiave:
- Mantenimento Mg tra 0.035 % E 0.055 % (± 0.005 %) è essenziale; Cadere fuori da questa finestra sposta la morfologia della grafite.
- Zolfo deve rimanere estremamente basso (< 0.01 %)-Anche 0.015 % S può legare Mg come mgs, prevenire la formazione di grafite vermicolare.
- Silicio livelli sopra 2.5 % Incoraggia la crescita del fiocco di grafite e una matrice più ferritica, Migliorare la conduttività termica ma potenzialmente ridurre la forza se eccessivo.
Microstruttura: Grafite vermicolare in una matrice ferritica/perlata
La microstruttura di CGI AS -CHACT dipende dalla velocità di solidificazione, inoculazione, e trattamento termico finale. Le caratteristiche tipiche includono:
| Caratteristica microstrutturale | Descrizione | Parametro di controllo |
|---|---|---|
| Fiocchi di grafite vermicolare | Fiocchi di grafite con estremità arrotondate; proporzioni ~ 2:1–4:1; compattezza ≥ 60 %. | Contenuto MG/RE, intensità di inoculazione, Tasso di raffreddamento (0.5–2 ° C/s) |
| Matrice ferritica | Prevalentemente α -ferro con carburo minimo; produce un'alta conducibilità termica. | Raffreddamento lento o normalizzazione post -taglio |
| Matrix perle | Lamelle alternate di ferrite e cementite (~ 20–40 % Pearlite); aumenta la forza e la durezza. | Raffreddamento più veloce, Aggiunte Cu/Mo moderate |
| Carburi (Fe₃c, M₇c₃) | Indesiderabile se presente in volume significativo; ridurre la duttilità e la lavorabilità. | Eccesso Si o raffreddamento eccessivamente rapido; Inoculazione insufficiente |
| Particelle di inoculazione | Ferrosilicon aggiunto, Ferro-Barium-Silicon, o gli inoculanti a base di terre rare creano siti di nucleazione per la grafite vermicolare. | Tipo e quantità di inoculante (0.6–1,0 kg/t) |
- Controllo a matrice: UN matrice ferritica (≥ 60 % ferrite) produce conducibilità termica di 40–45 w/m · k,
Mentre miscele di ferrite -pearlite (30 % – 40 % Pearlite) spingere la forza di snervamento a 250 – 300 MPa senza eccessivi abbracci. - Conteggio dei noduli di grafite vermicolare: Bersaglio 100 – 200 Fiochi vermicolari/mm² nelle sezioni ~ 10 mm di spessore. I conteggi più bassi riducono la resistenza; Conti più elevati Il rischio di passaggio alla nodularità.
Proprietà meccaniche (Forza, Rigidità, Fatica)
Le proprietà meccaniche di CGI combinano la resistenza, rigidità, e moderata duttilità. Valori rappresentativi (EN-GJV-450-12, normalizzato) apparire sotto:
| Proprietà | Gamma tipica | Benchmark comparativo |
|---|---|---|
| Resistenza alla trazione (UTS) | 400 – 450 MPa | ~ 50 % più alto del ferro grigio (200 – 300 MPa) |
| Forza di snervamento (0.2 % offset) | 250 – 300 MPa | ~ 60 % più alto del ferro grigio (120 – 200 MPa) |
| Allungamento a rottura (UN %) | 3 – 5 % | Intermedio tra ferro grigio (0 – 2 %) e ferro duttile (10 – 18 %) |
| Modulo di elasticità (E) | 170 – 180 GPa | ~ 50 % più alto del ferro grigio (100 – 120 GPa) |
| Durezza (Brinell Hb) | 110 – 200 HB (dipendente dalla matrice) | CGI ferritico: 110 – 130 HB; Pearlite CGI: 175 – 200 HB |
| Forza della fatica (Flessione rotante) | 175 – 200 MPa | ~ 20 – 30 % più alto del ferro grigio (135 – 150 MPa) |
| Resistenza all'impatto (Charpy v -notch @ 20 °C) | 6 – 10 J | Meglio del ferro grigio (~ 4–5 j), Sotto il ferro duttile (10–15 J.) |
Osservazioni:
- Alto Modulo di Young (E ≈ 175 GPa) porta a componenti più rigidi: vantaggioso nei blocchi del motore e nelle parti strutturali che richiedono una deflessione minima.
- Resistenza alla fatica (≈ 200 MPa) rende CGI adatto per carichi ciclici (per esempio., Teste di cilindri in cicli termici).
- Durezza Può essere personalizzato tramite composizione matrice: puro CGI ferritico (~ 115 HB) eccelle nelle applicazioni di usura; CGI perle (~ 180 HB) è scelto per esigenze di resistenza più elevate.
Conducibilità termica e capacità di smorzamento
La forma di grafite unica di CGI e la matrice producono caratteristiche termiche e vibrazionali distintive:
| Proprietà | Gamma CGI | Confronto |
|---|---|---|
| Conducibilità termica | 40 – 45 W/m·K | Ferro grigio: 30 – 35 W/m·K; Ferro duttile: 20 – 25 W/m·K |
| Calore specifico (20 °C) | ~ 460 J/kg · k | Simile ad altri ferri da cast (~ 460 J/kg · k) |
| Dilatazione termica (20–100 ° C.) | 11.5 – 12.5 × 10⁻⁶/° C. | Leggermente più alto del ferro grigio (11.0 × 10⁻⁶/° C.) |
| Capacità di smorzamento (DECRAZIONE DI LEG) | 0.004 – 0.006 | Ferro grigio: ~ 0.010; Ferro duttile: ~ 0.002 |
- Conducibilità termica: Alta conducibilità (40 W/m·K) Accelera la dissipazione di calore dai punti caldi in blocchi di motore e alloggiamenti per turbocompressori, Ridurre il rischio di affaticamento termico.
- Smorzamento: Fattore di smorzamento di CGI (0.004 – 0.006) Assorbe l'energia vibrazionale meglio del ferro duttile, aiutando il rumore, vibrazione, e durezza (Nvh) Controllo: specialmente nei motori diesel.
- Coefficiente di dilatazione termica: L'espansione di CGI (≈ 11.5 × 10⁻⁶/° C.) abbina attentamente le fodere del motore in acciaio, Ridurre al minimo le sollecitazioni termiche sull'interfaccia di rivestimento/blocco.
3. Che cos'è il ferro grafite compatto a sabbia (CGI)?
Colata in sabbia con ferro grafite compatto (CGI) Segue gli stessi passaggi complessivi della fusione di sabbia di ferro convenzionale,
Preparazione della muffa, fusione, versando, solidificazione, e pulizia: ma modifica i parametri chiave per produrre la morfologia della grafite "vermicolare" di CGI.
Definizione del processo
Modello e costruzione di muffe
- Progettazione di pattern: I fonderie creano schemi (spesso dal legno, epossidico, o alluminio) che includono indennità per 3-6 % restringimento tipico delle leghe CGI (solidus ~ 1 150 °C, liquido ~ 1 320 °C).
- Selezione di sabbia: Stampi standard di silice (permeabilità > 200, AFS Grain finezza ~ 200) funziona bene,
Ma i leganti potenziati - fenolico -uretano o furano - resistono a una temperatura di versamento più elevata della CGI (~ 1 350–1 420 °C). - Assemblaggio e trascina: I tecnici confezionano la resistenza attorno alla metà inferiore del modello, Quindi rimuovere il motivo e posizionare i core (se necessario) Prima di speronare la coppia.
Un accurato posizionamento dello sfiato garantisce la fuga di gas quando il CGI ad alta temperatura riempie la cavità.
Fusione e trattamento metallico
- Composizione di carica: Le fusioni tipiche usano 70–80 % scarto riciclato, 10–20 % ghisa o calda,
e leghe principali alla chimica di perfezionamento. I fonderie mirano a C 3.5 ± 0.1 %, E 2.5 ± 0.2 %, e s < 0.01 %. - Aggiunte di magnesio e terreno rare: Proprio prima di versare, Gli operatori aggiungono 0,035-0,055 % Mg (Accanto a 0,005-0,015 % Freddo) in un mestolo coperto per formare grafite vermicolare piuttosto che scaglie o sferoidi.
Si mescolano delicatamente per distribuire i modificatori uniformemente. - Inoculazione e de-ossidazione: I fonderie inoculati con ~ 0,6-1,0 kg/t di ferrosilicio o bario-silicio inoculante per fornire siti di nucleazione grafite.
Contemporaneamente, I de-ossidanti-come Fesi-Scavge hanno disciolto l'ossigeno e minimizzano le inclusioni di ossido.
Versare e ripieno di muffa
- Gestione surriscaldamento: La temperatura di versamento per CGI si siede 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F), circa 30–70 ° C sopra il liquidus.
Questo surriscaldamento in più garantisce il riempimento completo di sezioni a parete sottili (fino a 4 mm) ma aumenta anche il rischio di erosione della sabbia. - Design gating: I fonderie usano un canale conico e generose sezioni di corridore, dimensionato per un numero di Reynolds (Rif) Di 2 000–3 000: per ridurre al minimo la turbolenza.
Filtri in schiuma in ceramica (30–40 ppi) spesso intercettare qualsiasi inclusione trasportata nello stampo. - Sfogazione della muffa: Perché la fluidità CGI rivaleggia in ferro grigio, Avventaggio adeguato - attraverso le prese d'aria inferiori sotto riser e permeabilità controllata - Prevengono l'intrappolamento del gas.
Riser specializzati (esotermico o isolato) Nutri il metallo malizzato nei punti caldi che durano per la solidifica.
Solidificazione e controllo della microstruttura
- Nucleazione della grafite: Mentre il CGI fuso si raffredda da ~ 1 350 ° C a 900 °C, nucleari di grafite vermicolare su siti inoculanti.
I fonderie colpiscono una velocità di raffreddamento di 0,5–2,0 ° C/s in sezioni tra 10-15 mm di spessore per sviluppare 100–200 fiocchi vermicolari per mm². - Formazione di matrice: Sotto 900 °C, inizia la transizione da austenite-ferrite.
Il raffreddamento rapido produce più perlatite (resistenza più alta ma conducibilità termica inferiore), mentre il raffreddamento moderato produce una matrice principalmente ferritica (migliore dissipazione del calore).
I fonderie spesso si normalizzano 900 ° C dopo lo shakeout per ottenere un 60 % Ferrite - 40 % Equilibrio di perle. - Alimentazione di restringimento: CGI si restringe di approssimativamente 3.5 % Dopo solidificazione. Riser dimensionati a 10-15 % della messa in fusione, posizionata in punti caldi strategici - metigare la porosità.
Shakeout, Pulizia, e elaborazione finale
- Shakeout: Dopo 30–45 minuti di raffreddamento, I fonderie rompono la sabbia dello stampo usando tavoli vibranti o arieti pneumatici. La sabbia di recupero subisce screening e bonifica per il riutilizzo.
- Pulizia: Scatto (per ferroso) o il taglio dell'arco a carbonio aria rimuove la sabbia residua, spurio, e riser. I tecnici ispezionano crepe di superficie o pinne prima del trattamento termico.
- Trattamento termico (Normalizzazione): I getti CGI in genere si normalizzano a 900 °C (1 652 °F) per 1-2 ore, Quindi estinguere aria o olio.
Questo passaggio perfeziona le dimensioni del grano e garantisce una distribuzione costante di ferrite -pearlite. - Lavorazione e ispezione: Dopo la normalizzazione, I casting raggiungono la durezza finale (Ferritico CGI ~ 115 HB; CGI perlalico ~ 180 HB).
Centri CNC Machine Superfici critiche (tolleranze ± 0.10 mm) e gli ispettori verificano la morfologia della grafite (vermicularità ≥ 60 %) via metallografia.
Differenze chiave dalla fusione di sabbia di ferro grigio
| Parametro | Ferro grigio | CGI |
|---|---|---|
| Temperatura di versamento | 1 260–1 300 °C (2 300–2 372 °F) | 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F) |
| Morfologia della grafite | Flake Grafite (lunghezza 50–100 µm) | Grafite vermicolare (Fiocchi compatti, lunghezza 25-50 µm) |
| Trattamento di fusione | Solo inoculazione (Rispondere) | Mg/RE Aggiunta + inoculazione |
| Requisiti di legante dello stampo | Silicato fenolico o sodio standard | Fenolico/uretano di resistenza più elevata a causa del rischio di erosione |
| Sensibilità alla velocità di raffreddamento | Meno critico: i fiocchi si formano su ampia gamma | Più critico: raffreddamento di 0,5-2 ° C/s necessario per vermicolare |
| Restringimento | ~ 4.0 % | ~ 3.5 % |
| Controllo a matrice | Principalmente perenlitico o ferrite misto | Equilibrio ferrite -pearlite su misura tramite trattamento termico |
4. Vantaggi e sfide della fusione di sabbia Compacted Grafite Iron (CGI)
Vantaggi del casting di sabbia CGI
Forza e rigidità migliorate
La forza di trazione di CGI (400–450 MPA) supera il ferro grigio di 50 %, mentre il suo modulo di elasticità (170–180 GPA) Supera il ferro grigio da 50 %.
Di conseguenza, I getti CGI presentano meno deflessione sotto carico: in particolare prezioso per blocchi di motore e componenti strutturali.
Conducibilità termica migliorata
Con conduttività termica di 40–45 w/m · k, CGI trasferisce il calore 20–30 % più veloce del ferro grigio.
Ciò consente un riscaldamento del motore più rapido, punti caldi ridotti, e migliore resistenza alla fatica termica in testate e fodere.
Smorzamento equilibrato
Fattore di smorzamento di CGI (~ 0.005) cade a metà strada tra grigio (~ 0.010) e duttile (~ 0.002) ferri.
Di conseguenza, Il CGI assorbe efficacemente le vibrazioni, riducendo NVH (rumore, vibrazione, durezza)—E evitando l'alta fragilità del ferro grigio.
Produzione economicamente vantaggiosa
Sebbene la CGI aggiunga ~ 5–10 % Costo del materiale dovuto alle aggiunte Mg/RE e al controllo del processo più stretto, costa 20–30 % meno di ferro duttile per prestazioni equivalenti.
Assegnazioni di lavorazione più basse - grazie per una migliore stabilità dimensionale - costi di fusione del rivestimento più fermi.
Sfide della fusione di sabbia in ferro di grafite compatta
- Controllo chimico di fusione stretta: Mantenere Mg all'interno ± 0,005 % è critico. Una leggera deviazione può ripristinare la morfologia della grafite per scagliare o sferoidale, che richiede una demolizione su scala completa.
- Temperature di versamento più elevate: CGI 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °F) Melt richiede leganti e rivestimenti di stampo più robusti per prevenire l'erosione della sabbia e la cassa.
- Rischio di formazione di carburo: Il silicio in eccesso o il raffreddamento rapido possono produrre reti di cementite, CGIS abbracciato; L'inoculazione e il raffreddamento controllato sono obbligatori.
- Gestione della porosità: La maggiore fluidità della CGI porta a una maggiore aspirazione dei gas a meno che le pratiche di sfiato e degasaggio della muffa non siano esemplari.
- Competenza limitata di fonderia globale: Sebbene la quota di mercato di CGI sia cresciuta (soprattutto nel settore automobilistico), soltanto 20–25 % delle fonderie di ferro in tutto il mondo hanno imparato le procedure specializzate, allevare tempi di consegna.
5. Applicazioni di ferro grafite compatte comuni tramite fusione di sabbia
- Blocchi motori diesel automobilistici
- Testate e fodera
- Collettori di scarico e alloggiamenti turbocompressori
- Alloggi per pompa e compressori
- Alloggi per cambio e trasmissione
- Componenti del motore industriale (per esempio., Blocchi genset)
- Corpi della valvola idraulica e blocchi di pompaggio
6. Confronti con materiali di fusione alternativi
| Materiale | Resistenza alla trazione (MPa) | Conducibilità termica (W/m·K) | Densità (g/cm³) | Capacità di smorzamento | Resistenza alla corrosione | Lavorabilità | Costo relativo | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (Ferro grafite compatto) | 400–450 | 40–45 | ~ 7.1 | Moderare (~ 0,005) | Moderare | Moderare | Medio (~ 5–10% > Ferro grigio) | Blocchi motori diesel, teste dei cilindri |
| Ghisa grigia | 200–300 | 30–35 | ~ 7.2 | Alto (~ 0,01) | Moderare | Bene | Basso | Dischi freni, letti a macchina |
| Ferro duttile | 550–700 | 20–25 | ~ 7.2 | Basso (~ 0,002) | Moderare | Moderare | Alto (~ 20–30% > CGI) | Alberi a gomito, ingranaggi pesanti |
| Leghe di alluminio | 150–350 | 120–180 | ~ 2.7 | Basso | Alto | Eccellente | Medio -alto | Aerospaziale, Avvolgimenti automobilistici |
| Acciaio al carbonio (Lancio) | 400–800 | 35–50 | ~ 7.8 | Molto basso | Basso | Povero | Alto | Strutturale, recipienti a pressione |
| Acciaio inossidabile (Lancio) | 500–900 | 15–25 | ~ 7.7–8.0 | Molto basso | Eccellente | Povero -moderato | Molto alto (~ 2 × CGI) | Chimico, cibo, e attrezzature marittime |
| Leghe di magnesio | 150–300 | 70–100 | ~ 1.8 | Basso | Moderare | Bene | Alto | Aerospaziale leggero ed elettronica |
| Leghe di ottone/bronzo | 300–500 | 50–100 | ~ 8.4–8.9 | Moderare | Alto | Moderare | Alto | Valvole, hardware marino, boccole |
7. Conclusione
Ferro grafite compatto (CGI) offre una forza migliore, rigidità, e prestazioni termiche rispetto al ferro grigio, senza il costo del ferro duttile.
Richiede un controllo stretto della chimica, temperature elevate di versamento, e adeguato design dello stampo per garantire la formazione di grafite vermicolare.
Già utilizzato nei blocchi del motore e nei cilindri, CGI riduce il peso fino a 10% e migliora la vita a fatica termica 30%.
I progressi nella simulazione e nel controllo dei processi stanno espandendo il suo utilizzo ai turbocompressori, scarichi, e pompe.
Con continui miglioramenti in leghe e produzione sostenibile, CGI sta diventando un materiale chiave nel moderno, Ingegneria efficiente.
A QUESTO, Siamo pronti a collaborare con te nel sfruttare queste tecniche avanzate per ottimizzare i progetti di componenti, selezioni di materiali, e flussi di lavoro di produzione.
Garantire che il tuo prossimo progetto superi ogni punto di riferimento per le prestazioni e la sostenibilità.
Domande frequenti
Perché il casting di sabbia viene utilizzato per CGI?
La fusione di sabbia è economica per complesso, grande, e parti di volume medio-alto.
Ospita le proprietà termiche e meccaniche specifiche di CGI, Soprattutto nei componenti automobilistici e industriali.
Quali sono le applicazioni comuni di getti di sabbia CGI?
Le applicazioni tipiche includono blocchi di motori diesel, teste dei cilindri, componenti del freno,
Alloggi per turbocompressori, e parti della macchina strutturale: dove la resistenza e la stabilità termica sono fondamentali.
Quali sono i vantaggi chiave della fusione di sabbia compatta in ferro di grafite?
CGI offre un eccellente rapporto resistenza-peso, Resistenza alla fatica migliorata, migliore dissipazione del calore, e un costo inferiore rispetto al ferro duttile in ruoli simili.
In che modo la CGI influisce sulla lavorabilità?
Il CGI è moderatamente lavorabile, ardente e più abrasivo del ferro grigio ma più facile del ferro duttile. Si consigliano strategie avanzate di utensili e taglio.
CGI è adatto per applicazioni ad alta temperatura?
SÌ. La sua microstruttura resiste alla fatica termica e alla distorsione, rendendolo adatto per i componenti esposti a carichi termici ciclici, come collettori di scarico e testate.
