延性鉄の砂鋳造サービス

1. 導入

延性鉄の砂鋳造は、砂糖鋳造の冶金鉄の冶金上の利点を組み合わせた製造プロセスであり、球状のグラファイト結節を備えた合金と、高強度を生成するための砂鋳造の汎用性を備えています。, 延性成分.

溶融した延性鉄を砂型に注ぐことによって、ネット様部品に近い部分の生産として定義されています, このプロセスはパフォーマンスのバランスを取ります, 料金, およびスケーラビリティ, 自動車からインフラまでの産業の礎石にする.

2. 延性鉄とは何ですか?

延性鉄, としても知られています 結節鋳鉄 または スフェロイドグラファイト鉄 (SG鉄), 優れた強度を示す鋳鉄の一種です, 靭性, 伝統的な灰色の鉄と比較した延性.

その重要な特徴は、グラファイトの形にあります: 球状結節 鋭いフレークの代わりに.

このユニークな微細構造により、機械的特性が改善されます, 特に引張荷重と衝撃荷重の下.

で開発されました 1943 キース・ミリスによって, 延性鉄は、鉄の鋳造の利点を組み合わせる能力により、画期的な材料になりました (流動性, 機械加工の容易さ, そして耐摩耗性) 軟鋼に近い機械的特性を備えています.

構成と冶金

延性鉄の典型的な化学組成はです:

• 炭素 (C): 3.2–3.8％
• シリコン (そして): 2.2–2.8％
• マンガン (ん): ≤0.3％
• マグネシウム (マグネシウム): 0.03–0.08％ (結合要素)
• リン (P): ≤0.05％
• 硫黄 (S): ≤0.02％
• 鉄 (鉄): バランス

溶融処理中にマグネシウムまたはセリウムを添加すると、グラファイトの形態がフレークから変化します (灰色の鉄のように) 結節へ, これにより、ストレス集中点が大幅に減少します.

マトリックスタイプ

延性鉄の性能は、そのマトリックス構造の影響を強く受けています, 合金と冷却速度で調整できます:

• フェライトマトリックス: 柔らかくて延性がある, 伸びがあります 18%, 耐衝撃性のコンポーネントに最適です.
• 真珠マトリックス: より高い引張強度 (まで 700 MPa) そして耐摩耗性, 一般的にギアやクランクシャフトで使用されます.
• フェライト - ピアライトミックス: 一般的なエンジニアリングアプリケーションのバランスの取れた機械的特性.
• オーステンペンした延性鉄 (アディ): 引張強度を超える熱処理バリアント 1,200 MPa そして優れた疲労生活.

3. なぜ延性鉄の砂鋳造?

砂型鋳造 残っています 延性鉄のための最も広く使用されている製造方法 その柔軟性のため, 費用対効果, 幅広い形状とサイズを生成する能力.

延性鉄のユニークな強度の組み合わせ, 延性, そして、機械性はそれをさまざまな産業にとって好ましい材料にします, そして、砂の鋳造とペアになったとき, 重要な設計と経済的利点を提供します.

費用対効果とスケーラビリティ

• ツールコストの削減: 恒久的な金型または投資鋳造と比較して, 砂鋳造はより簡単です, 安価なツール.
  プロトタイプまたは低から中程度のボリューム生産用, コスト削減は同じくらい高くなる可能性があります 30–50％.
• 材料効率: 砂型があります 90–95％リサイクル可能, 材料廃棄物は最小限に抑えられます, 全体的なコスト削減に貢献しています.
• 柔軟な生産量: 砂の鋳造も同様に効果的です 単一のプロトタイプ そして 大量生産が実行されます - 特に、自動モールディングラインを使用する場合.

サイズと体重の柔軟性

• 砂鋳造は生産に最適です 大きな延性鉄成分, 数キログラムからオーバーまでの範囲 2000 kg (2 トン), これは、投資キャスティングやダイキャスティングに挑戦しています.
• このプロセスは、厚いセクションに対応できます (50 mm以上) 収縮空洞のような欠陥の重大なリスクのない大規模な横断的遷移, 適切なゲーティングとリサリングが採用されている場合.

汎用性を設計します

• 複雑な形状: コアの使用により, 複雑な内部空洞 (例えば, エンジンブロックのウォータージャケット) 形成できます.
• 適応可能な成形砂: 緑の砂は、マンホールカバーのような一般的なコンポーネントに適しています, 樹脂結合砂が有効になります より厳しい公差 (±0.3 mm) ギアハウジングなどの精密部品用.
• 迅速な設計の変更: パターンは簡単に変更できます, 特に3Dプリントされた砂型またはパターンで, リードタイムを最大で削減します 40–50％ 恒久的な金型の代替品と比較してください.

機械的特性の最適化

• 砂鋳造が提供します 中程度の冷却速度 砂の熱伝導率が低いため (〜0.2–0.5 w/m・k), これにより、均一なグラファイト結節形成が可能になります.
• 冶金治療: マグネシウムの結節化とキャスティング後の熱処理 (アニーリング, 焼き戻し) プロセスにシームレスに統合して、次のようなターゲットを絞った機械的特性を実現できます:

• • 抗張力: 最大600〜700 MPa
  • 伸長: 10–18％ (フェライトグレード)

市場とアプリケーションの適合性

• 延性鉄の砂鋳造は、ようなセクターを支配しています 自動車 (エンジンブロック, クランクシャフト), 重機 (ギアハウジング), およびインフラストラクチャ (バルブ, パイプ継手).
• によると グローバルファウンドリーレポート, 以上 60% 砂型を使用して、延性鉄鋳造物が生成されます, 大型および中サイズのコンポーネントへの適応性により.

4. 延性鉄の砂鋳造プロセス

延性のある鉄の砂鋳造プロセスは、優れた強度の部品を生産するために、厳しい冶金コントロールを備えた伝統的な砂鋳造の多様性と結婚します, 延性, そして靭性.

パターンとカビの準備

パターンの作成

• 材料 & 収縮: パターンは木材から製造されています, プラスチック, または、大量の実行の場合、アルミニウムツール.
  延性鉄の経験 3–5％線形収縮 固化について, したがって、パターンにaが組み込まれます 1–3％特大 最終的なネット寸法を達成するための手当.
• ラピッドプロトタイピング: プロトタイプバッチ用, ステレオリソグラフィまたは融合– filame 3Dプリックパターンは、鉛の時間をまで削減できます 50%, 数週間ではなく数日でデザインの反復を有効にします.

砂型タイプ

• 緑の砂型

• • 構成: 〜90％シリカ砂, 5% ベントナイト粘土, 3〜5％の水.
  • 特徴: 低コストで高度にリサイクル可能 (まで 90% 砂の埋め立て).
  • アプリケーション: 非批判的または大規模なコンポーネントに最適です (例えば, マンホールの蓋, ポンプハウジング).

• 樹脂が存在します (「ベイクなし」) 砂型

• • 構成: 1〜3％のフェノールまたはフランバインダーと触媒を混ぜたシリカ砂.
  • 許容範囲: 達成 ±0.3 mm 寸法精度とより滑らかなカビの表面.
  • アプリケーション: より強い許容範囲、つまりギアハウジングを必要とする精密部品, 油圧ポンプボディ.

コアメイキング

• 内部空洞: 砂コア, 樹脂で結合し、周囲温度で硬化します, エンジンブロックウォータージャケットやオイルギャラリーなどの複雑な内部機能を作成する.
• ドラフト角度 & サポート: コアが組み込まれます 1–2°ドラフト 金属圧力下でシフトするのを防ぐための金属牧師またはコアプリント.

融解と結節化

溶融

• 炉の種類: 誘導炉は、正確な温度制御を提供します 1400–1500°C 含む電荷ミックスを処理できます 60–80％リサイクル延性鉄スクラップ.
  現代の練習は維持されています 95% 処女の機械的特性の リサイクルされた溶融物.

結節化

• MGまたはCEの追加: で 0.03–0.08 wt。％, マグネシウム (Mg -Ferrosilicon Alloyを介して) またはセリウムを溶融物に注入して、グラファイトフレークをスフェロイド結節に変換します。.
• 不純物に対する感受性: 平 0.04 wt。％硫黄 または、酸素をトレースすることで、「毒」の結節化できます, 結節をフレークに戻します, 非常に厳密な炉の雰囲気とひしゃくの冶金制御が不可欠です.

接種

• フェロシリコン治療: 追加 0.2–0.5 wt。％フェロシリコン 結節剤が結節数を改良した直後 (ターゲティング >80 結節/mm²) 寒さを防ぎます (不要なマルテンサイトまたはセメンタイト).
• マトリックス制御: シリコンと冷却速度を調整すると、希望のフェライト - ピアライトマトリックスバランスが得られます, 仕立て強度と. 延性.

注ぎと固化

注ぐ

• 温度 & 流れ: メルトはタップされます 1300–1350°C. よく設計されたゲーティングシステムは、の流量を制御します 0.5–2 kg/s, 酸化物や空気を導入できる乱流を最小限に抑えます.
• ゲーティングデザイン: テーパーランナーとチョークを使用したボトムプールまたはゲーティングゲーティングにより、コールドシャットと酸化物フィルムを防ぐために層流が保証されます.

凝固

• 熱伝導率: の砂型導電率 0.2–0.5 w/m・k 冷却を遅くします, 均一な結節の成長を促進します.
• 時間 & 給餌: 小さな部品が固化します 10–20分, 大きなセクションが必要になる場合があります まで 60 分.
  ライザーと悪寒の適切な配置は、収縮を収縮させ、指向性の固化を制御して、内部ボイドを避けます.

シェイクアウトとフィニッシュ

シェイクアウト

• カビの除去: 振動するシェイクアウトシステムは砂型を壊します, 水ジェットまたは空気圧ノックアウトを介して除去された樹脂結合コア.

クリーニング

• ショットブラスト: 研磨吹き (ガラスビーズまたはスチールショット) 残留砂とスケールを除去します, の典型的な表面仕上げをもたらします RA12.5-25μm.

オプションの熱処理

1. アニーリング:850–900°Cの 2 時間, 制御された冷却が続く - マシンを簡単にするためにマトリックスを提供します, 切断力とツール摩耗の削減.
2. テンパリング:500–550°Cで1〜2時間 引張強度を強化します (まで 600 MPa 特別に合金化されたグレード) ギアやクランクシャフトなどの高負荷アプリケーションの耐衝撃性を改善します.

5. 延性鉄の砂鋳物の特性

ベースラインの機械的特性 (典型的なASTM A536グレード)

指標値; 正確な結果は化学に依存します, セクションサイズ, 冷却速度, 結節性, そして熱処理.

衝撃靱性 & 破壊挙動 (ASTM E23 / E399)

• シャルピーv ‑ notch (CVN):

• • フェライトグレード: 通常 15–30 j (RT).
  • フェライト - ピアリティック: 8–20 j.
  • 真珠科: 5–12 j.
  • アディ: 30–100 j, オーステンパーウィンドウに応じて.

• 破壊靱性 (K_IC): ～40–90mpa√m の標準用; ADIは大きく異なりますが、低合金の鋼と競争することができます.
• 低温サービス: 最小サービス温度でCVNを指定します (例えば, –20°C) 安全性のある部品用 (バルブ, 圧力成分).

疲労性能 (ASTM E466 / E739 / E647)

• 高サイクル疲労制限 (r = –1): ≈ 35–55％uts フェライト - ピアリティックグレード用 (例えば, 160–250 MPa for 450 MPA UTS).
• アディ グレードは到達できます 300〜500 MPaの疲労制限.
• 亀裂の成長 (DA/DN, ASTM E647): 真珠科とADIグレードは、与えられたΔKでより遅い成長を示します, しかし、フェライトグレードは延性が高いため、亀裂開始によく抵抗します.
• 含む 表面仕上げと残留応力 疲労仕様; As -Cast RA 12〜25 µmの表面は、疲労寿命を減らす可能性があります >20% VS機械加工/撮影された表面.

硬度 & 着る (ASTM E10 / E18)

• ブリネル (HBW): 一次生産制御指標; 大まかにUTSと相関しています (MPa) ≈ 3.45 ×HB 多くのDIマトリックスの場合.
• 範囲:

• • フェライト系: 130–180 HB
  • フェライト - ピアリティック: 160–230 HB
  • 真珠科: 200–300 HB
  • アディ: 250–450 HB

• テストを着用してください: ピンオンディスクまたはASTM G65 (研磨摩耗) 義務的な部品に使用できます (例えば, パンプス, 歯車). ADIは、多くの場合、摩耗と強度のトレードオフで従来のDIよりも優れています.

熱 & 物理的特性

• 熱伝導率: ～25–36 w/m・k (結節性により灰色の鉄よりも低い, フレークではありません, 黒鉛).
• 熱膨張係数 (CTE): ～10–12×10⁻⁶ /°C (20–300°Cの範囲).
• 減衰容量: 鋼よりも高い, 灰色の鉄よりも低い NVH (ノイズ, 振動, と過酷さ) 自動車および機械コンポーネントの制御.
• 電気抵抗率: ～0.8–1.1μΩ・m, スチールよりも高い (特定のEMI/熱管理の考慮事項に適しています).

破壊靱性 & 亀裂の成長

• 破壊靱性 (K_IC): ～40–90mpa√m フェライト - ピアリティックグレード用; AdiはAusferriticの形態によって異なりますが、低合金の鋼と競争することができます.
• 疲労亀裂成長率 (DA/DN): 延性により、与えられたΔKでフェライトグレードが低い, しかし、高強度のパーリット/ADIグレードは、高サイクル体制で亀裂の開始に抵抗します.

腐食 & 表面の完全性

• 全体的な腐食: 多くの環境での低炭素鋼に似ています; コーティング, ペイントシステム, または表面処理 (例えば, リン酸塩, 摩耗のためのニトリッド) 多くの場合、適用されます.
• グラフ酸性腐食: マトリックスが優先的に腐食するときの攻撃的な環境で可能です, グラファイトネットワークを離れる - 設計と保護は、サービス条件を考慮する必要があります.

6. 延性鉄の砂鋳造の製造可能性のための設計

製造可能性のための設計 (DFM) 延性のある鉄の砂鋳造は、エンジニアリングの要件のバランスをとることを目指しています, 料金, 欠陥を最小限に抑えながら生産効率.

デザインは、延性鉄のユニークな固化挙動を考慮する必要があります, その収縮特性, 砂鋳造プロセスパラメーター.

壁の厚さガイドライン

• 最小壁の厚さ: 通常 4–6 mm アルミニウムと比較して流動性が遅いため、延性鉄の場合; 薄い壁は、誤解や不完全な詰め物を危険にさらします.
• 均一な壁のセクション: 急激な移行を避けてください; 段階的な変更または切り身を使用してください (R≥3〜5 mm) 局所的な応力を最小限に抑え、気孔率の収縮につながる可能性のあるホットスポットを減らすために.
• リブ & 補強材: 薄いセクションが避けられない場合, 構造的な剛性と鋳造の容易さを維持するために、リブを追加できます.

ドラフト角度とパーツジオメトリ

• ドラフト角度:1垂直表面の°–2° 緑の砂型で; まで 3°–5° 樹脂結合した砂がパターンの離脱を促進するため.
• フィレット半径: 切り身はストレス集中を減らし、熱い裂傷を防ぎます. 角の鋭い角を避けてください (R≥2〜5 mmをお勧めします).
• アンダーカットと複雑な機能: 使用 コアデザイン アンダーカットまたは中空のセクション用; ツールコストを増加させる不必要な複雑さを避けてください.

収縮手当

• 収縮率: 延性鉄はほぼ縮小します 3–5％ 凝固中.
• パターンデザイン: パターンを組み込む必要があります 1–3％の収縮手当, セクションの厚さと予想される冷却速度に応じて.
• ライザーとフィーダー: 適切な配置とライザーのサイズは、収縮を補うために不可欠です。.

ゲーティングとリサリング戦略

• ゲーティングデザイン: 酸化を減らすために低孔虫のゲーティングは重要です。マグネシウムフェード. より滑らかな金属フローには、ボトムゲーティングまたはサイドゲーティングシステムを使用します.
• チョークエリアと流量: 維持するチョーク領域を設計します 0.5–2 kg/s 流量, コールドシャットまたはエアの閉じ込めを防ぐ.
• ライザー断熱: 発熱袖と悪寒を使用して、固化を制御し、方向性の凝固を確保することができます.

欠陥予防の考慮事項

• 気孔率とガス欠陥: 適切なベント, 脱気, カビの透過性は不可欠です.
• ミスとコールドシャット: 適切な注入温度を確保します (1300–1350°C) 滑らかな金属フローパス.
• 熱い涙と割れ目: 悪寒または最適化された金型設計を備えた熱勾配を制御します.
• 機械加工手当: 通常 2表面あたり4 mm, 必要な精度に応じて.

7. 延性鉄の砂鋳造のコスト分析

延性鉄の砂鋳造のコスト分析には、評価が含まれます 原材料, ツーリング, 生産サイクル時間, そして スクラップレート, 全体的な経済学を代替鋳造プロセスと比較するだけでなく.

延性のある鉄の砂鋳造は、強度のバランスを必要とする中程度の部品の費用対効果の高いソリューションと見なされることがよくあります, 耐久性, と機械加工性.

原材料と合金費用

• ベースアイロン: 通常、60〜80％のリサイクルスクラップから派生します (鋼鉄, 延性鉄が戻ってきます), 材料コストを削減します 20–30％ ヴァージンアイアンと比較して.
• 結節化剤: マグネシウムまたはマグネシウム - フェロシリコン合金が追加されています (0.03–0.08％) 延性を達成するため.
  マグネシウムのコストは比較的高いです, 追加は最小限です (≈ $10–20鉄1トンあたり).
• 接種剤: フェロシリコン (0.2–0.5％) 別のものを追加します $3–5トーンあたり.
• 全体的な原材料コスト: 1トンのキャスト用, 通常、原材料は説明します 30総コストの40％, グレードごとに変化します (例えば, フェライト対. 真珠の延性鉄).

ツーリングとカビの準備

• パターン:

• • 木製のパターン: 低コスト (～ $1,000–2,000 中規模の部品の場合), しかし、耐久性は限られています.
  • アルミニウムまたはスチールパターン: 耐久性が高くなりますが、より高価です (～ $5,000–15,000).
  • 3Dプリントパターン: リードタイムを短縮します 30–50％, 原価計算 $500–3,000 複雑さに応じて.

• コアボックス: 中空の形状または複雑な形状のツールコストを追加します.
• ツーリングの償却は、生産量に広がる可能性があります; 大量の実行の場合, 部品あたりのツールコストは以下にドロップできます $1–5.

生産サイクルと人件費

• サイクルタイム: 延性鉄の砂鋳造サイクル時間の範囲 2 に 24 時間, カビの準備に応じて, 注ぐ, そして冷却.
• 労働: 労働者がアカウント 20–30％ 総コストの, 金型の準備を含む, 注ぐ, シェイクアウト, とクリーニング.
• 収率: 平均鋳造利回りです 60–80％, ランナーとライザーが金属消費に追加されます.

スクラップとリワークのコスト

• 欠陥率: 典型的な延性鉄の砂鋳造欠陥率はそうです 2–5％, しかし、不十分なプロセス制御はこれを大幅に増加させる可能性があります.
• スクラップコスト: スクラップメタルはリメルトできます, しかし、エネルギーとリワークはコストを追加します (リサイクル効率元の材料特性の95％).

8. 延性鉄の砂鋳造の用途

延性鉄の砂鋳造は、そのために複数の産業で広く使用されています 強度の組み合わせ, 靭性, 耐摩耗性, そして費用対効果.

優れた機械的特性を維持しながら、砂鋳造を通じて複雑な幾何学を達成する能力は、中程度のコンポーネントよりも好ましい選択となります.

自動車産業

• エンジンコンポーネント: クランクシャフト, カムシャフト, シリンダーヘッド, 排気マニホールド, エンジンブロック.
• サスペンションとステアリング: ステアリングナックル, 制御アーム, ハブ, と括弧.
• 送信コンポーネント: ギアハウジング, フライホイールハウジング, およびクラッチコンポーネント.

インフラストラクチャおよび市営アプリケーション

• 上下水道システム: 管継手, バルブ, 消火栓, とフランジ.
• マンホールはカバーとフレームをカバーします: 延性鉄の靭性は、交通量の多い負荷の下で長寿命を保証します.

重機と産業機器

• ポンプ およびコンプレッサーハウジング: 延性鉄の減衰能力と強度と重量の比率は、振動の削減と構造的信頼性を確保します.
• ギアボックスとベアリングハウジング: 耐摩耗性が高く、優れた機械性が生産コストとメンテナンスコストを削減します.
• 油圧コンポーネント: ピストン, バルブ本体, およびシリンダーコンポーネント, タフネスと機械加工性の両方が必要です.

エネルギーと発電

• 風力タービンのコンポーネント: ハブキャスティング, ギアハウジング, ベアリングサポート.
• 油 & ガス装置: 坑口コンポーネント, ポンプボディ, 圧力と機械的衝撃が要因であるバルブハウジング.
• 電力インフラストラクチャ: トランスケーシング, モーターフレーム, および発電機ハウジング.

農業および建設機器

• トラクターとハーベスターの部品: ハブ, 車軸ハウジング, カウンターウェイト, およびギアボックスケーシング.
• アースモービングおよびマイニング機器: トラックシューズなどのコンポーネント, スプロケット, そして、カプラーアームは延性鉄の耐摩耗性と衝撃の靭性の恩恵を受けます.

その他の特殊なアプリケーション

• 鉄道と海洋: ブレーキコンポーネント, カップリング, プロペラ, およびマリンポンプハウジング.
• 防衛: 装甲車両コンポーネントと頑丈なブラケット, タフネスと機械加工性の両方が必要です.
• 産業用ツールと備品: 工作機械のベース, 旋盤ベッド, 延性鉄の振動減衰による精密備品.

9. 他の鋳造方法との比較

10. 結論

延性のある鉄の砂鋳造は、冶金を提供する冶金を緊密に制御するための経済的ツールをブレンドして、鋼の強さを提供する部品を提供します, 鉄の加工性, そして優れた疲労生活.

パターンデザインの相互作用を理解することにより, メルト化学, 凝固, そして仕上げ, メーカーは信頼できるものを生産できます, 自動車用の費用対効果の高いコンポーネント, インフラストラクチャー, および産業用アプリケーション.

シミュレーションの革新として, アディティブツール, プロセスオートメーションの前進, 延性のある鉄の砂鋳造は、現代の鋳造所の多才な主力として引き続き機能します.

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よくある質問

延性のある鉄の砂鋳造とは何ですか?

延性鉄の砂鋳造は、溶融延性鉄が砂型に注がれ、高強度の部品を作成する製造プロセスです, 延性, そして耐摩耗性.

延性鉄のグラファイトは、球状結節として形成されます, 灰色の鉄のフレークとは異なり, その結果、優れた機械的特性が生じます.

延性鉄を灰色の鉄とは違うものにしています?

主な違いはです グラファイトの形状. 延性鉄で, グラファイトは丸い結節として表示されます, ストレス集中を減らし、引張強度を改善します, 伸長, そして衝撃の靭性.

例えば, 延性鉄が達成できます まで伸びます 18% 灰色の鉄と比較して <2%.

砂鋳造が延性鉄に使用されるのはなぜですか?

砂の鋳造は、中程度のコンポーネントで費用対効果が高くなります, コアを使用して複雑な形状に対応します, 数キログラムから数トンまでの重量の鋳物を生成できます.

自動車に最適です, 重機, 強度と手頃な価格が重要なインフラ部品.

砂鋳造に最適な素材は何ですか?

砂鋳造用の一般的な材料には、延性鉄のような鉄金属が含まれます, 灰色の鉄, 炭素鋼, アルミニウムや青銅などの非鉄金属.

最良の選択は、アプリケーションの機械的要件とコストに依存します.