1. 導入
砂の鋳造は何世紀にもわたって鉄の鋳造業界に動力を供給してきました, 比較的低コストで複雑な幾何学の生産を可能にする.
最近, 圧縮されたグラファイト鉄 (CGI) - としても知られています 青ula虫鉄 - 伝統的な灰色の鋳鉄と延性鉄の間のギャップを埋める物質として出現しました.
両方の望ましい特性を組み合わせることにより, CGIは灰色の鉄よりも高い引張強度と熱伝導率を提供します, 延性グレードと比較して優れたキャスティブと減衰を保持します.
この記事では, 調べます 「CGIで砂鋳造とは何ですか?」 冶金を通して, 処理, 機械的, および経済レンズ.
私たちは、鋳造エンジニアに包括的でありながら実用的なリソースを提示することを目指しています, デザインの専門家, CGIのメリットを活用することに関心のある材料研究者.
2. 圧縮されたグラファイト鉄 (CGI): 冶金とプロパティ
圧縮 (バーミキュラー) グラファイト鉄 (CGI) 灰色の鉄と延性鉄の間の中間位置を占める:
そのユニークなグラファイトの形態は、強度の組み合わせをもたらします, 剛性, 他の鋳鉄では達成できない熱特性.
グラファイトの形態: 灰色から延性までCGIまで
鋳鉄のグラファイトは、3つの主要な形態学に表示されます. それぞれが機械的および熱的な挙動に影響します:
- 灰色の鉄: フレークグラファイトは、振動下で亀裂逮捕挙動を提供しますが、引張特性を制限します.
- CGI: 青虫のグラファイトは短く表示されます, コンパクトな「ワーム」 (コンパクトさ因子≥ 60 %), 許容可能な減衰を保持しながら強度と導電性を向上させます.
- ダクタイル鋳鉄: グラファイトは、ほぼ完全な結節として発生します; これは延性を最大化しますが、CGIと比較して減衰と熱伝導を減らします.
化学組成と合金要素
化学的に, CGIは延性鉄に似ていますが、特定の要素をより厳密に制御する必要があります, 特にマグネシウムと硫黄, 目的の球形グラファイト形式を実現します.
典型的なターゲット構成 (EN-GJV-450-12) 以下に表示されます:
| 要素 | 典型的な範囲 (wt %) | 役割 / 効果 |
|---|---|---|
| 炭素 (C) | 3.4 – 3.8 | グラファイト形成の可能性を提供します; 過剰なCは炭化物につながる可能性があります. |
| シリコン (そして) | 2.0 – 3.0 | グラファイト降水を促進します; バランスフェライト/パーライト比. |
| マンガン (ん) | 0.10 – 0.50 | 硫化物を制御し、穀物を洗練します; 過剰なMNがc, リスクのある炭化物層. |
| リン (P) | ≤ 0.20 | 不純物; 流動性を高めることができますが、場合は靭性を軽減します > 0.10 %. |
| 硫黄 (S) | ≤ 0.01 | MGSの形成を防ぐためには、最小限でなければなりません, これは、バーミクラグラファイトの核生成を阻害します. |
マグネシウム (マグネシウム) |
0.03 – 0.06 | 球状のグラファイトにとって重要です; Mgが少なすぎると灰色の鉄が生成されます, あまりにも多くの球状のグラファイトが生成されます (延性鉄). |
| セリウム / 再 (セ) | 0.005 – 0.015 | 結節剤/修飾子として機能します - 青微細なグラファイトを復活させ、過度の接種または一貫性のない冷却に対して安定化します. |
| 銅 (銅) | 0.2 – 0.8 | 強度と硬さを高めます; 高い (> 1 %) 炭化物を促進できます. |
ニッケル (で) |
≤ 0.5 | 靭性と腐食抵抗を改善します; 特定のパフォーマンスが必要でない限り、費用の理由でしばしば省略されます. |
| モリブデン (モー) | ≤ 0.2 | 炭化物の形成を阻害します; 均一なグラファイト分布を備えたフェライト - ピアリティックマトリックスを維持するのに役立ちます. |
| 鉄 (鉄) | バランス | ベースメタル; すべての合金の追加を搭載し、全体的な金属特性を決定します. |
重要なポイント:
- 維持 間のmg 0.035 % そして 0.055 % (± 0.005 %) 不可欠です; この窓の外に落ちると、グラファイトの形態がシフトします.
- 硫黄 非常に低いままでなければなりません (< 0.01 %)-平 0.015 % SはMGをMGSとして縛ることができます, バーミクラグラファイト層の防止.
- シリコン 上記のレベル 2.5 % グラファイトフレークの成長とよりフェライトマトリックスを奨励します, 熱伝導率を向上させますが、過度の場合は強度を潜在的に減少させます.
微細構造: フェライト/パーライティックマトリックスの青cularグラファイト
CGIのキャスト微細構造は、固化速度に依存します, 接種, 最終熱処理. 典型的な機能には含まれます:
| 微細構造的特徴 | 説明 | 制御パラメーター |
|---|---|---|
| バーミクラグラファイトフレーク | 丸い端のグラファイトフレーク; アスペクト比〜 2:1–4:1; コンパクトさ≥ 60 %. | MG/REコンテンツ, 接種強度, 冷却速度 (0.5–2°C/s) |
| フェライトマトリックス | 主に炭化物を最小限に抑えたα-鉄; 高い熱伝導率を生成します. | ゆっくりと冷却またはキャスト後の正規化 |
| 真珠マトリックス | フェライトとセメンタイトの交互のラメラ (〜20–40 % 真珠); 強度と硬さを高めます. | より速い冷却, 中程度のCu/MOの追加 |
| 炭化物 (Fe₃c, m₇c₃) | かなりの量で存在する場合は望ましくありません; 延性と加工性を低下させます. | 過剰なSiまたは過度に迅速な冷却; 接種不足 |
| 接種粒子 | フェロシリコンを追加しました, フェロバリウムシリコン, または、希少地球ベースの接種剤は、青虫のグラファイトの核生成部位を作成します. | 接種剤の種類と量 (0.6–1.0 kg/t) |
- マトリックス制御: あ フェライトマトリックス (≥ 60 % フェライト) の熱伝導率 40–45 w/m・k,
その間 フェライト - ピアライトミックス (30 % – 40 % 真珠) プッシュ降伏強度 250 – 300 MPa 過度の腹部なし. - 虫球状結節数: ターゲット 100 – 200 バーミクラフレーク/mm² セクション〜 10 厚さmm. カウントが低いと強度が低下します; より高いカウントは、結節性にリスクを移行します.
機械的性質 (強さ, 剛性, 倦怠感)
CGIの機械的特性は強度を組み合わせます, 剛性, および中程度の延性. 代表的な値 (EN-GJV-450-12, 正規化) 以下に表示されます:
| 財産 | 典型的な範囲 | 比較ベンチマーク |
|---|---|---|
| 抗張力 (UTS) | 400 – 450 MPa | ～ 50 % 灰色の鉄よりも高い (200 – 300 MPa) |
| 降伏強さ (0.2 % オフセット) | 250 – 300 MPa | ～ 60 % 灰色の鉄よりも高い (120 – 200 MPa) |
| 破断伸び (あ %) | 3 – 5 % | 灰色の鉄の中間 (0 – 2 %) そして延性鉄 (10 – 18 %) |
| 弾性率 (E) | 170 – 180 GPa | ～ 50 % 灰色の鉄よりも高い (100 – 120 GPa) |
| 硬度 (ブリネルHB) | 110 – 200 HB (マトリックス依存) | フェライトCGI: 110 – 130 HB; パーライトCGI: 175 – 200 HB |
| 疲労強度 (回転曲げ) | 175 – 200 MPa | ～ 20 – 30 % 灰色の鉄よりも高い (135 – 150 MPa) |
| 衝撃靱性 (Charpy v ‐ notch @ 20 ℃) | 6 – 10 J | 灰色の鉄よりも優れています (〜4–5 j), 延性鉄の下 (10–15 j) |
観察:
- 高い ヤング率 (E≈ 175 GPa) 硬化コンポーネントにつながります。エンジンブロックと構造部品で順調にあり、最小限のたわみを必要とします.
- 疲労抵抗 (≈ 200 MPa) CGIを循環荷重に適しています (例えば, サーマルサイクルの下でシリンダーヘッド).
- 硬度 マトリックス構成を介して調整できます: 純粋なフェライトCGI (～ 115 HB) 摩耗アプリケーションに優れています; パールティックCGI (～ 180 HB) より高い強度のニーズに合わせて選択されます.
熱伝導率と減衰能力
CGIのユニークなグラファイトフォームとマトリックスは、独特の熱的および振動特性を生成します:
| 財産 | CGI範囲 | 比較 |
|---|---|---|
| 熱伝導率 | 40 – 45 W/m・K | 灰色の鉄: 30 – 35 W/m・K; ダクタイル鋳鉄: 20 – 25 W/m・K |
| 比熱 (20 ℃) | ～ 460 J/kg・K | 他のキャストアイロンに似ています (～ 460 J/kg・K) |
| 熱膨張 (20–100°C) | 11.5 – 12.5 ×10⁻⁶/°C | 灰色の鉄よりわずかに高い (11.0 ×10⁻⁶/°C) |
| 減衰容量 (ログの減少) | 0.004 – 0.006 | 灰色の鉄: ～ 0.010; ダクタイル鋳鉄: ～ 0.002 |
- 熱伝導率: 高い導電率 (40 W/m・K) エンジンブロックとターボチャージャーハウジングのホットスポットからの熱放散を加速します, 熱疲労リスクの減少.
- 減衰: CGIの減衰ファクター (0.004 – 0.006) 延性鉄よりも振動エネルギーを吸収します, ノイズを支援します, 振動, と過酷さ (NVH) 制御 - 特にディーゼルエンジンで.
- 熱膨張係数: CGIの拡張 (≈ 11.5 ×10⁻⁶/°C) スチールエンジンライナーを密接に一致させます, ライナー/ブロックインターフェイスでの熱応力を最小化します.
3. 砂鋳造コンパクトなグラファイト鉄とは何ですか (CGI)?
砂型鋳造 コンパクトなグラファイト鉄付き (CGI) 従来の鉄の砂鋳造と同じ全体的なステップに従う,
カビの準備, 溶融, 注ぐ, 凝固, クリーニング - しかし、重要なパラメーターを変更して、CGIのユニークな「バーミキュラー」グラファイトの形態を生成します.
プロセスの定義
パターンとカビの構造
- パターンデザイン: Foundriesはパターンを作成します (多くの場合、木から, エポキシ, またはアルミニウム) これには、3〜6の手当が含まれます % CGI合金の典型的な収縮 (solidus〜 1 150 ℃, 液体〜 1 320 ℃).
- 砂の選択: 標準的なシリカサンド金型 (透過性 > 200, afs穀物の細かさ〜 200) うまく機能します,
しかし、強化されたバインダー（フェノール - ウレタンまたはフラン）は、CGIのより高い注ぐ温度に抵抗します (～ 1 350–1 420 ℃). - 対処およびドラッグアセンブリ: 技術者はパターンの下半分の周りにドラッグを詰めます, 次に、パターンを削除し、コアを配置します (必要に応じて) COPEを突っ込む前に.
慎重な通気口の配置により、高温CGIが空洞を埋めるとガスが逃げます.
融解と金属処理
- 充電構成: 典型的な融解は70〜80を使用します % リサイクルスクラップ, 10–20 % 豚の鉄または高金属,
化学を微調整するためのマスター合金. Foundriesはcを目指しています 3.5 ± 0.1 %, そして 2.5 ± 0.2 %, およびs < 0.01 %. - マグネシウムおよび希土類の追加: 注ぐ直前, オペレーターは0.035–0.055を追加します % マグネシウム (0.005–0.015に加えて % 寒い) フレークやスフェロイドではなく、虫のグラファイトを形成する覆われたひしゃくで.
彼らは、修飾子を均一に分配するために静かにかき混ぜます. - 接種と脱酸化: ファウンドリーは、グラファイト核生成部位を提供するために、フェロシリコンまたはバリウムシリコン接種剤の約0.6〜1.0 kg/tを接種します.
同時に, 脱酸化剤 - FESIなど - 溶解した酸素をスキャブし、酸化物の包有物を最小限に抑えます.
注ぎとカビの詰め物
- 過熱管理: CGIの注ぐ温度が周りに座っています 1 350–1 420 ℃ (2 462–2 588 °F), 液体の上から約30〜70°C.
この余分な過熱は、薄い壁のセクションの完全な充填を保証します (に 4 mm) 砂の侵食のリスクも高くなります. - ゲーティングデザイン: ファウンドリは、テーパースプルーと寛大なランナーの断面を使用します, レイノルズ番号のサイズ (再) の 2 000–3 000—乱流を最小限に抑えるため.
セラミックフォームフィルター (30–40 ppi) 多くの場合、金型に持ち込まれた包含物を傍受します. - カビベント: CGIの流動性は灰色の鉄に匹敵するためです, 適切なベント - ライザーと制御された透過性の下での底部の通気口 - ガスの閉じ込めを促進する.
専門のライザー (発熱または断熱) 溶融金属を最後に統合するホットスポットに供給します.
固化と微細構造制御
- グラファイト核生成: 溶融CGIが〜から冷却されると 1 350 °Cに 900 ℃, 虫graphは接種部位で核形成します.
Foundriesは、厚さ10〜15 mmのセクションで0.5〜2.0°C/sの冷却速度をターゲットにして、mm²あたり100〜200の球形フレークを発達させます. - マトリックス形成: 下に 900 ℃, オーステナイトから発フェライトへの遷移が始まります.
迅速な冷却により、より多くのパーライトが得られます (強度が高いが、熱伝導率が低い), 中程度の冷却は主にフェライトマトリックスを生成します (より良い熱散逸).
ファウンドリーはしばしば正常化します 900 シェイクアウト後の°Cを達成します 60 % フェライト–40 % パーライトバランス. - 収縮摂食: CGIはおよそ縮小します 3.5 % 固化時. ライザーは10〜15のサイズでした % 戦略的なホットスポットで配置された鋳造量の鋳造量の縮小の多孔性を軽減します.
シェイクアウト, クリーニング, および最終処理
- シェイクアウト: 30〜45分間の冷却の後, ファウンドリーは、振動するテーブルや空気圧の羊を使用してカビの砂を分けて. 再生された砂は、再利用のためにスクリーニングと埋め立てを受けます.
- クリーニング: ショットブラスト (鉄のために) または、空気炭素アーク切断により、残留砂が除去されます, 偽り, そしてライザー. 技術者は、熱処理前に表面亀裂またはひれを検査します.
- 熱処理 (正規化): 通常、CGI鋳物はで正常化します 900 ℃ (1 652 °F) 1〜2時間, 次に、空気またはオイルクエンチ.
このステップは穀物のサイズを改良し、一貫したフェライトと敷地の分布を保証します. - 機械加工と検査: 正規化後, キャスティングは最終的な硬度に達します (フェライトCGI〜 115 HB; 真珠cgi〜 180 HB).
CNCセンターマシンの重要な表面 (公差± 0.10 mm) 検査官はグラファイトの形態を検証します (球状≥ 60 %) メタログラフィを介して.
灰色の鉄の砂鋳造との重要な違い
| パラメーター | 灰色の鉄 | CGI |
|---|---|---|
| 注ぐ温度 | 1 260–1 300 ℃ (2 300–2 372 °F) | 1 350–1 420 ℃ (2 462–2 588 °F) |
| グラファイトの形態 | フレークグラファイト (長さ50〜100 µm) | 青毛グラファイト (コンパクトフレーク, 長さ25〜50 µm) |
| 溶融治療 | 接種のみ (応答する) | mg/re添加 + 接種 |
| 金型バインダーの要件 | 標準的なフェノールまたはケイ酸ナトリウム | 侵食リスクによる高強度フェノール/ウレタン |
| 冷却速度の感度 | それほど重要ではありません - 広範囲にわたって形成されます | より重要なことに、青虫に必要な0.5〜2°C/sのクーリング |
| 収縮 | ～ 4.0 % | ～ 3.5 % |
| マトリックス制御 | 主にパールティックまたは混合フェライト | 熱処理によるテーラードフェライト - ピアライトバランス |
4. 砂を鋳造することの利点と課題コンパクトなグラファイト鉄 (CGI)
砂鋳造CGIの利点
強度と剛性の向上
CGIの引張強度 (400–450 MPa) 灰色の鉄を超えます 50 %, その弾性率 (170–180 GPA) 灰色の鉄を上回ります 50 %.
結果として, CGIキャスティングは、負荷下でのたわみが少なくなります。特にエンジンブロックや構造コンポーネントにとって価値があります.
熱伝導率の向上
の熱伝導率 40–45 w/m・k, CGIは熱を透過します 20–30 % 灰色の鉄よりも速い.
これにより、エンジンのウォームアップが速くなります, ホットスポットの減少, シリンダーヘッドとライナーの熱疲労に対する耐性の良い.
バランスの取れた減衰
CGIの減衰ファクター (～ 0.005) 灰色の中間に落ちます (～ 0.010) そして延性 (～ 0.002) アイアン.
その結果, CGIは振動を効果的に吸収します - NVHの低減 (ノイズ, 振動, 過酷さ) - 灰色の鉄の高い脆性を避けながら.
コスト効率の高い生産
CGIは〜5–10を追加しますが % MG/REの追加とプロセス制御が狭いための材料コスト, 費用がかかります 20–30 % 少ない 同等のパフォーマンスのための延性鉄よりも.
より低い機械加工手当 - 寸法の安定性を改善することに感謝します - フルタートリムキャスティングコスト.
砂鋳造の課題コンパクトなグラファイト鉄
- タイトなメルト化学制御: 内部でmgを維持します ±0.005 % 重要です. わずかな偏差は、グラファイトの形態をフレークまたは球体に戻すことができます, フルスケールの廃棄物を必要とする.
- 注ぐ温度が高くなります: CGI 1 350–1 420 ℃ (2 462–2 588 °F) 溶融物は、砂の侵食やかさぶたを防ぐために、より堅牢なカビのバインダーとコーティングを必要とします.
- 炭化物形成のリスク: 過剰なシリコンまたは迅速な冷却は、セメンタイトネットワークを生成する可能性があります, CGIを抱きしめます; 接種と制御された冷却は必須です.
- 多孔性管理: CGIのより高い流動性は、カビベントと脱ガスの慣行が模範的でない限り、ガスのより大きな吸引につながります.
- 限られたグローバルファウンドリの専門知識: CGIの市場シェアは増加していますが (特に自動車分野では), のみ 20–25 % 世界中のIron Foundriesが専門的な手順を習得しています, リードタイムを上げる.
5. 砂鋳造による一般的な圧縮グラファイト鉄用途
- 自動車ディーゼルエンジンブロック
- シリンダーヘッドとライナー
- 排気マニホールドとターボチャージャーハウジング
- ポンプおよびコンプレッサーハウジング
- ギアボックスとトランスミッションハウジング
- 産業用エンジンコンポーネント (例えば, ジェンセットブロック)
- 油圧バルブボディとポンプブロック
6. 代替鋳造材料との比較
| 材料 | 抗張力 (MPa) | 熱伝導率 (W/m・K) | 密度 (g/cm3) | 減衰容量 | 耐食性 | 被削性 | 相対コスト | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (圧縮されたグラファイト鉄) | 400–450 | 40–45 | 〜7.1 | 適度 (〜0.005) | 適度 | 適度 | 中くらい (〜5–10％ > 灰色の鉄) | ディーゼルエンジンブロック, シリンダーヘッド |
| 灰色の鋳鉄 | 200–300 | 30–35 | 〜7.2 | 高い (〜0.01) | 適度 | 良い | 低い | ブレーキディスク, 機械ベッド |
| ダクタイル鋳鉄 | 550–700 | 20–25 | 〜7.2 | 低い (〜0.002) | 適度 | 適度 | 高い (〜20–30％ > CGI) | クランクシャフト, 頑丈なギア |
| アルミニウム合金 | 150–350 | 120–180 | 〜2.7 | 低い | 高い | 素晴らしい | 中程度 | 航空宇宙, 自動車ケーシング |
| 炭素鋼 (キャスト) | 400–800 | 35–50 | 〜7.8 | 非常に低い | 低い | 貧しい | 高い | 構造, 圧力容器 |
| ステンレス鋼 (キャスト) | 500–900 | 15–25 | 〜7.7–8.0 | 非常に低い | 素晴らしい | 貧しい - モデレート | 非常に高い (〜2×CGI) | 化学薬品, 食べ物, および海洋機器 |
| マグネシウム合金 | 150–300 | 70–100 | 〜1.8 | 低い | 適度 | 良い | 高い | 軽量の航空宇宙と電子機器 |
| 真鍮/青銅の合金 | 300–500 | 50–100 | 〜8.4–8.9 | 適度 | 高い | 適度 | 高い | バルブ, 船舶用ハードウェア, ブッシング |
7. 結論
圧縮されたグラファイト鉄 (CGI) より良い強さを提供します, 剛性, 灰色の鉄よりも熱性能 - 延性鉄のコストなし.
化学を厳密に制御する必要があります, 注ぐ温度が高い, 液虫のグラファイト形成を確保するための適切なカビの設計.
エンジンブロックとシリンダーヘッドですでに使用されています, CGIは体重を減らします 10% そして、熱疲労寿命を改善します 30%.
シミュレーションとプロセス制御の進歩は、その使用をターボチャージャーに拡大しています, 排気, とポンプ.
合金と持続可能な製造の継続的な改善があります, CGIは現代の重要な資料になりつつあります, 効率的なエンジニアリング.
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よくある質問
CGIに砂鋳造が使用されるのはなぜですか?
砂鋳造は複雑な場合は費用対効果が高くなります, 大きい, 中程度のボリューム部品.
CGIの特定の熱および機械的特性に対応します, 特に自動車および産業コンポーネントで.
CGIサンド鋳物の一般的なアプリケーションは何ですか?
一般的なアプリケーションには、ディーゼルエンジンブロックが含まれます, シリンダーヘッド, ブレーキコンポーネント,
ターボチャージャーハウジング, 構造機の部品 - 強度と熱安定性が重要な場所.
砂を鋳造することの重要な利点は何ですか?
CGIは優れた強度と重量の比率を提供します, 疲労抵抗が改善されました, より良い熱散逸, 同様の役割における延性鉄よりも低コスト.
CGIは加工性にどのように影響しますか?
CGIは適度に機械加工可能です - 灰色の鉄よりもharderでより研磨性がありますが、延性鉄よりも簡単です. 高度なツーリングと切断戦略が推奨されます.
CGIは高温アプリケーションに適しています?
はい. その微細構造は熱疲労と歪みに抵抗します, 周期的な熱負荷にさらされるコンポーネントに適したものにする, 排気マニホールドやシリンダーヘッドなど.
