延性鋳鉄とは何ですか?

1. 導入

延性鋳鉄, 多くの場合、結節鋳鉄またはスフェロイドグラファイト鉄と呼ばれます.

で 1948, キース・ミリスは、溶融鉄に少量のマグネシウムを追加すると、フレークではなくほぼ球状のグラファイト結節が生じることを発見しました.

このブレークスルーにより、延性鋳鉄が生成されました (から), キャスティブとエコノミーと緊張強度と伸びを著しく改善することを組み合わせた.

この記事は、延性鋳鉄の基本的な性質を掘り下げています, その化学と微細構造, 機械的性能, 処理ルート, 耐食性,

キーアプリケーション, 利点と制限, 代替資料との比較.

2. 延性鋳鉄とは何ですか?

延性鋳鉄 (から) スフェロイドを特徴とする鋳鉄ファミリーとしての資格 (結節) 金属マトリックスに均一に分散したグラファイト包有物.

灰色の鉄のフレーク型グラファイトとは対照的です, ストレス集中を起こしやすい, Diのグラファイト結節は、亀裂伝播を阻止します, 延性行動を可能にします.

延性鉄が灰色の鉄と低合金鋼の性能のギャップを橋渡しする.

メーカーは、周期的荷重の下で成分に延性鋳鉄を悪用します, 高強度と耐衝撃性の両方が重要です.

さらに, DIの機械加工性とネットシェイプの近くの機能は、下流の処理コストを削減します.

3. 化学組成と合金システム

ベース構成: Fe – C – Si – Mn – P – S

延性鋳鉄の基礎は、典型的な灰色の鉄の電荷にあります - 鉄 (鉄), 炭素 (C), シリコン (そして), マンガン (ん), リン (P), そして硫黄 (S).

一般的なグレードの代表的な化学範囲 (ASTM A536 65-45-12) そうかもしれません:

• C: 3.5 – 3.8 wt %
• そして: 2.2 – 2.8 wt %
• ん: 0.1 – 0.4 wt %
• P: ≤ 0.08 wt %
• S: ≤ 0.025 wt %

ハイシリコン (≥ 2 wt %) セメンタイトではなくグラファイト形成を促進します, 低硫黄中 (< 0.025 wt %) 結節形成を妨げる過度の包含を防ぎます.

結合要素: マグネシウム (マグネシウム), セリウム (セ), そして希土類 (再)

延性鋳鉄の結節性は、典型的にはマグネシウムを追加することから生じます 0.03% – 0.05% マグネシウム - 溶融鉄に.

Foundriesはマグネシウムを導入します MG – Feマスター合金 または コア付きワイヤ. マグネシウムの硫黄形成MGに対する強い親和性, したがって、彼らは硫黄をしっかりと制御して下にとどまります 0.025%.

多くのファウンドリも追加されています 0.005 – 0.01 WT％セリウムまたは希土類元素 結節の形状とサイズを改良する, 機械的な一貫性の向上, 特に厚いセクションで.

これらの添加は、硫黄と酸素の変動に対する感度をさらに低下させる.

追加の合金: 銅 (銅), ニッケル (で), モリブデン (モー), クロム (Cr)

強度を調整する, 靭性, または耐食性, Foundriesには、二次合金要素が組み込まれています:

• 銅 (銅): 0.2 – 0.5 wt % パーライトフォーメーションを高めます, によって強さを上げる 10 – 20 %.
• ニッケル (で): 0.5 – 1.5 wt % 低温靭性と耐食性を高めます.
• モリブデン (モー): 0.2 – 0.4 wt % 高温サービスの硬化性とクリープ抵抗を改善します.
• クロム (Cr): 0.2 – 0.5 wt % 軽度の腐食抵抗と硬い微細構造を供給します.

通常, 延性鋳鉄の成績は内に残っています 1 – 2 wt % 組み合わせたCuの + で + モー + Cr, パフォーマンス目標を達成しながら費用効率を確保します.

基準と成績

• ASTM A536 (アメリカ合衆国): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 成績.
• ISO 1083 (ヨーロッパ): EN-GJS-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
• あなたのもの 1563 (ドイツ): GG-25, GS-32, GS-45相当.

4. 延性鋳鉄の物理的および機械的特性

抗張力, 降伏強さ, と延性

延性鉄の署名はそれです 高強度とかなりの延性の組み合わせ:

対照的に, 標準的な灰色の鉄は収量のみです 200 – 300 MPa 実質的に伸長がない引張強度.

Diのグラファイト結節が亀裂の開始を鈍らせるからです, 伸長は、より低いグレードのために2桁に跳躍します.

硬度と耐摩耗性

延性鉄の硬度に至る 170 – 320 HB, グレードとマトリックスに応じて:

• フェライトグレード (60-40-18) 配達します 170 HB, 汎用鋳物に適しています (多様体, フレーム).
• 高強度のパーリットグレード (80-55-06) 達成 260 – 320 HB, ギアの耐摩耗性の低合金鋼に匹敵します, スプロケット, ポンプインペラー.

耐摩耗性が重要な場合, 多くの場合、メーカーは選択します オーステンペンした延性鉄 (アディ),

到達します 300 – 450 HB 熱処理後, 硬度と残留靭性のバランスをとる.

疲労寿命と衝撃の靭性

延性鉄の球状グラファイトは、疲労性能を大幅に向上させます:

• 疲労制限 通常、立っています ≈ 40% UTSの. のために 65-45-12 学年 (UTS≈ 500 MPa), 疲労の持久力が到達します 200 MPa 反転した曲げ下の10℃で.
• 衝撃の靭性 (シャルピーv-notch at 20 ℃) からの範囲 15 – 60 J, グレードに応じて. 低強度, フェライトリッチグレードは吸収されます 60 J, 一方、完全なパーリットグレードは浸します 15 J.

これらの値は灰色の鉄を上回ります (10 – 20 J) そして、低合金鋼に近づきます, クランクシャフトやコネクティングロッドなどの高サイクルアプリケーションに最適な延性鋳鉄を作る.

弾力性と減衰能力のモジュラス

灰色の鉄とは異なります 100 – 120 GPa モジュラス, 延性鉄のモジュラス測定 170 – 200 GPa, 低合金鋼のそれとほぼ一致します.

この高い剛性, 周りの減衰容量と組み合わされています 0.005 に 0.010 (対数減少),

延性鋳鉄の部分が、振動を減衰させながら、エンジン成分と機械のベースで恩恵を受ける間、負荷の下でのたわみに抵抗することを保証します.

熱伝導率と熱膨張係数

延性鉄の熱伝導率は、灰色の鉄と鋼の熱伝導率に似ています, エンジンブロックとブレーキドラムでの効率的な熱散逸を可能にする.

その熱膨張係数 (～ 12 ×10⁻⁶/°C) スチールと密接に整合します, マルチマテリアル設計の簡素化.

5. 腐食挙動と環境抵抗

受動的なフィルムと表面酸化

延性鉄が形成されます 酸化鉄 (fe₃o₄/fe₂o₃) 酸素にさらされたときのフィルム. このパッシブ層は、穏やかな環境でのさらなる酸化を遅くします.

のような追加の追加 0.5 – 1.5% で または 0.2 – 0.5% Cr 受動的なフィルムを安定化することにより、腐食性の性能を向上させます.

灰色の鉄とは異なり、ピットを発症する可能性がありますが、DIのマトリックスは局所的な攻撃に抵抗することができます, 特にコーティングされている場合.

比較腐食率対. 灰色の鉄と鋼

それぞれの場合において, 延性鋳鉄の腐食率は大まかです 50% 灰色の鉄と 30–40％ 軟鋼のもの.

適用 エポキシまたはポリウレタンコーティング DIの腐食を減らします < 0.01 攻撃的な環境でのMM/年.

埋葬または水没したとき, デザイナーは採用しています 亜鉛またはアルミニウムの犠牲アノード コーティングされていない延性鋳鉄のパイプラインとフィッティングを保護するため.

腐食制御: コーティング, 陰極保護, および材料の選択

• コーティング: ハイビルドエポキシ (200 μm) または炎のスプレー 亜鉛/アルミニウム 層は、海洋または化学処理プラントのサービス寿命を延ばします.
• 陰極保護: 感動した電流または犠牲帯は、地下または水中の設置における延性鋳鉄パイプの完全性を維持します.
• 材料の選択: 腐食性の高い状態で (ph < 3 または塩化物 > 10 000 ppm), エンジニアは指定します alleyedはなります または ステンレス鋼 標準グレードの代わりに.

6. 延性鋳鉄の製造プロセス

成形方法: 砂型鋳造, シェルモールディング, 投資キャスティング

• 緑の砂鋳造 主要な方法のままです. ファウンドリーは、シリカの砂を粘土または化学的バインダーでパターンの周りのフラスコに詰めます.
  砂型はライザーに対応します, コア, DIの流動性に合わせたゲーティングシステム. 典型的な最小セクションの厚さが周りに浮かびます 6 – 8 mm 収縮欠陥を避けるため.
• シェルモールディング 加熱された金属パターンの周りに押された加熱された樹脂でコーティングされた砂混合物を使用する.
  このプロセスは得られます Ra = 1〜3 µmの表面仕上げ および公差± 0.3 mm, 〜のコストプレミアムで 20 % 緑の砂の上.
• インベストメント鋳造 (失われたワックス) 薄いセクションを促進します (に 3 mm) および許容範囲を備えた複雑なジオメトリ± 0.1 mm.
  しかし, 延性鋳鉄投資キャストコマンド 2–3× サンドキャスト相当のコスト, 使用量を低容積または複雑な部品に制限します.

熱処理: アニーリング, 正規化, 東部の抑制 (アディ)

熱処理仕立てDIのマトリックスと機械的性能:

• アニーリング: ゆっくりと冷却 900 ℃ 室温まで、完全にフェライトのマトリックスが生成されます, 延性を最大化します (～ 18 % 伸長) と機械加工性 (400 MPA UTS).
• 正規化: 暖房 900 – 920 ℃ 続いて、空気冷却により、バランスの取れたフェライト - 皮膚微細構造が得られます, UTS≈を提供します 450 MPAと 12 % 伸長.
• 東部の抑制 (アディ): 延性鋳鉄鋳造は、で解決策を講じます 900 ℃ 炭化物を溶解します, その後、で塩浴に消します 250 – 375 ℃ のために 1 – 4 時間.
  これはaを生成します ベイナイトフェライト + 炭素濃縮された保持されたオーステナイト 構造.
  ADIグレードの範囲 400 MPaから 1 400 MPa UTS, 間に伸びがあります 2 – 12 %, 例外的な疲労性能 (持久力はまで制限されます 400 MPa).

後処理: 機械加工, 表面仕上げ, コーティング

• 機械加工: 炭素鋼と同様に延性鋳鉄製の機械. の典型的な回転速度 65-45-12 ホバーします 150–250 m/i カーバイドツーリング付き.
  ドリル速度範囲 50–100 m/i. クーラント潤滑は、組み込みのエッジを防ぎます. DIのフレークグラファイトの欠如は、ツールのチッピングを減らします.
• 表面仕上げ:

• • ショットブラスト スチールグリット付き (20–40メッシュ) 砂を取り除き、マット仕上げを提供します (ラ 2 – 5 μm).
  • 研削/研磨 RAを達成します < 0.8 密閉面のµm.

• コーティング:

• • エポキシ/パウダーコーティング: 海洋または産業環境での腐食を防ぐために50〜200 µmのフィルムを堆積させる.
  • メタライズ (亜鉛またはアルミニウム): サーマルスプレーはaを適用します 100 – 150 埋もれた部品または水没した部品のµm犠牲層.

7. オーステンポの延性鉄とは何ですか (アディ)

オーステンペンした延性鉄 (アディ) 特別な強度の組み合わせを提供する延性鋳鉄の特殊なサブクラスを表します, 延性, 耐疲労性.

従来の延性鉄とは異なり、通常はフェライト - ピアリティックまたは完全な真珠科のマトリックスを持っています,

ADIのユニークな微細構造は、罰金で構成されています ベイナイトフェライトプレート のマトリックスに浸されます 炭素濃縮された保持されたオーステナイト.

この微細構造は、3段階の熱処理プロセスから生じます: 解決策, 中間温度への消光, そしてオーステンパー.

完了したら, オーステンパーした延性鉄は、張力強度を高くしています 1 400 MPa (Adiで 900-650 学年) で伸びを維持しながら 2 – 5% 範囲.

オーステンパーした延性鉄生産ルート: 解決策, 焼入れ, そしてオーステンパー

オーステンパーの延性鉄処理の重要なステップには含まれます:

1. 解決策: 延性鉄の鋳造を加熱します 880 – 920 ℃ 炭化物を溶解し、炭素を均質化するために1〜2時間.
2. 焼入れ: で塩に移します 250 – 375 ℃. この中間温度は、マルテンサイトを防ぎます.
3. 東部の抑制: マトリックスが変換されるまで保持します ベイナイトフェライト プラス 炭素濃縮された保持されたオーステナイト-通常 1–4時間, セクションの厚さに応じて.
4. 冷却: 室温までの空気またはオイルクエンチ, ベイナイト微細構造のロック.

耐用性延性鉄微細構造: ベイナイトフェライトと炭素濃縮オーステナイト

ADIの微細構造は、:

• ベイナイトフェライト針: オーステナイトの境界で核形成する非常に細かいα-鉄フェライトブレード.
• 保持されたオーステナイト: 室温で安定したままである炭素が豊富なオーステナイトフィルム, ひずみの吸収と靭性の増加.

この組み合わせはaを与えます 「変革の講義」 効果: 適用された応力の下, 保持されたオーステナイトはマルテンサイトに変換されます, マトリックスを局所的に強化します.

機械的な利点: 高強度と産業のバランス, 耐疲労性

同様の組成の正規化された延性鉄と比較, オーステンパーした延性皮肉は最大で達成します 50% より高いUT 保持中 2 – 5% 伸長.

その疲労の持久力はしばしば超えています 400 MPa, 灰色の鉄と多くの合金鋼の両方を逆転させた曲げの下に上回る.

オーステンペンした延性鉄の典型的な応用

エンジニアは、耐摩耗性が高い耐久性のある延性鉄を使用します, 高強度, 信頼できる疲労寿命は重要です:

• 自動車: 歯車, クランクシャフト, カムシャフト, ベアリングケージ.
• 農業機械: スプロケット, プレートを着用してください, ローラーシャフト.
• 油 & ガス: ダウンホールツール, ポンプシャフト, 腐食疲労抵抗を必要とするバルブ成分.
• マイニング機器: グレート, クラッシャーロール, 研磨塵の対象となるミルライナー.

8. 延性鋳鉄の用途

自動車部品: クランクシャフト, 歯車, サスペンションパーツ

自動車メーカーは、延性鋳鉄の高疲労強度を活用します (≥ 250 MPa) 中型エンジンのクランクシャフトとカムシャフトの減衰.

延性鉄のギアは、ノイズを減らしながら衝撃負荷に耐えます. コントロールアームとステアリングナックルは、DIの硬直から利益を得ます (E≈ 180 GPa) そして耐衝撃性.

パイプラインと液体処理: パイプ, フランジ, ポンプハウジング, バルブボディ

延性鋳鉄パイプシステム (EN-GJS-400-15) 圧力で飲料水または廃水を運ぶ 25 バー.

延性鉄弁とフランジは、周期的な圧力サージに抵抗します. アルカリまたは中性pHの下での腐食率は最小限のままです, 多くのルーティングアプリケーションでステンレス鋼と比較して、DIを費用対効果に高める.

農業および建設機器: スプロケット, ローラー, フレーム

フィールド機器コンポーネントは定期的に研磨土壌と高い機械的ストレスに直面しています.

延性鋳鉄製スプロケットとローラーシャフトが達成します それを超える生活を着用してください 1 000 時間 深刻な環境で,

フレームと構造キャスティングが溶接コストを最小限に抑え、疲労寿命を改善する一方.

エネルギー部門: 風力タービンハウジング, ギアボックスケーシング, 油田コンポーネント

延性鋳鉄の高減衰は、風力タービンギアボックスのねじれ振動を減衰させる, 信頼性の向上.

Adiから作られたギアボックスケーシングは、重量を減らします 10% スチールおよび低いローター慣性と比較して.

油田で, ダウンホールツールとバルブボディは、激しい塩水に耐えながら、循環圧力に耐えます 50 MPa.

消費者用品とツール

延性鋳鉄は、調理器具の熱質量と耐久性を提供します (ダッチオーブン, 鋳鉄フライパン).

延性のある鉄のソケットレンチとパイプ - ランチボディは、破壊することなく衝撃を吸収します, 工具寿命を延ばす.

9. 延性鋳鉄のコアリと短所

長所

バランスの取れた強さと靭性:

延性鉄は引張強度を供給します 400–1 000 MPa の伸び 2–18％, 優れた強度と重量の比率を達成します.

自動車アプリケーションで, 例えば, クランクシャフトの重量は停止する可能性があります 20–30％ スチールのカウンターパートと比較して.

優れた摩耗と疲労抵抗:

球状のグラファイト結節は、ストレス濃度を最小限に抑えます, 疲労を有効にします 300 MPa.

これにより、延性鉄がギアに最適になります, サスペンションコンポーネント, 周期的な荷重下の他の部品.

優れたキャスティブ可能性:

の液体が比較的低い 1 150–1 200 ℃ そして、良い流動性, 延性鉄は、最小限の収縮で複雑な幾何学を形成します (0.8–1.0％).

キャスティングと機械加工コストは実行されます 30–50％低い 同等の鋼鉄の鍛造よりも.

腐食と熱安定性:

グラファイト結節は、腐食に対する自然な障壁を提供します. 表面処理後, 土壌や水環境では、しばしば延性鋳鉄製の継手が1世紀続くことがよくあります.

それはまでの温度に耐えます 300 ℃ 熱膨張係数が低い.

費用対効果:

原材料は安価です, 融解には比較的低いエネルギーが必要です.

耐熱性鉄のような現代の成績 - 熱処理後の高強度鋼の性能をお願いします, 大幅な全体的なコスト削減を提供します.

短所

タイトなプロセス制御:

均一な結節を達成するには、正確な制御が必要です mg/what レベルと最小限の硫黄/酸素. 品質保証は、生産の複雑さとコストを追加します.

高温でのパフォーマンスが制限される:

その上 350 ℃, 筋力が急激に低下し、グラファイトの粗大化が忍び寄ることにつながります.

延性鉄は、排気マニホールドやその他の持続高熱成分には適さない.

機械加工の課題:

高い炭素含有量は、亀裂を防ぐために予熱または溶接後のアニーリングを必要とします.

グラファイトはすぐにツールを着用します, カーバイドカッターと特殊な機械加工戦略が必要です.

剛性が低い:

周りの弾性率があります 160–170 GPA (とスチールの≈ 210 GPa), 延性鋳鉄はより多くの負荷の下で変形します. デザイナーは、多くの場合、補償するために厚いセクションが必要です.

環境への影響:

融解と結合化はかなりのエネルギーを消費し、汚染物質を生成する可能性があります.

廃棄物処理は規制基準を満たさなければなりません. 海洋または酸性環境で, 延性鋳鉄には追加の保護コーティングが必要です.

10. 他の材料との比較

エンジニアが延性鋳鉄を評価するとき (から) 特定のアプリケーションの場合, 彼らは灰色の鋳鉄の特性に対して頻繁にその特性を比較検討します, 可鍛鉄, 鋼合金, アルミニウム, とブロンズ.

灰色の鋳鉄対. ダクタイル鋳鉄

順応性のある鉄と. ダクタイル鋳鉄

鋼合金対. ダクタイル鋳鉄

延性鉄Vs. アルミニウムとブロンズ

延性鋳鉄を好む時期

• 周期的または高負荷コンポーネント: Diの引張強度の組み合わせ (≥ 500 MPa), 疲労の持久力 (≥ 200 MPa), そして、減衰はそれを理想的にします クランクシャフト, 歯車, およびサスペンションアーム.
• ネットのほぼ形の複雑さ: 砂またはシェル鋳造乳管鋳鉄は、機械加工手当を減らします 30–50％ スチールと比較して, 全体の部品コストを削減します.
• 費用に敏感な中型生産: 鋼の鍛造品または機械加工されたアルミニウムが過剰なコストを負う場合, 延性鉄は、パフォーマンスと経済のバランスを提供します.
• 腐食性または耐摩耗性の継手: 適切なコーティングまたは合金を備えています, 延性鋳鉄パイプラインとポンプハウジングは、攻撃的な環境で数十年耐えます.

他の材料が勝ったとき

• 超軽量の要件: 航空宇宙胴体の皮, 電気自動車, またはポータブルエレクトロニクス, アルミニウムまたはマグネシウム合金は、比類のない重量の節約を提供します.
• 極端な腐食性環境: スプラッシュゾーン, 塩素化プロセスライン,
  または、酸性排水はしばしばステンレス鋼を必要とします (例えば, 316, デュプレックス) 受動的なフィルムは、ディのコーティングまたは合金の障壁を上回ります.
• 高温サービス (> 350 ℃): タービン成分または排気マニホールド,
  ニッケルベースの超合金または熱耐性鋼 (例えば, 17-4 PH) 延性鋳鉄がクリープに苦しむ強度を維持します.
• 最大の靭性と溶接性: 構造鋼の梁とメッキパイプラインは、鍛造時に好まれたままです, 溶接, またはコールドフォーミングには一貫性が必要です, 文書化可能なパフォーマンス.

11. 結論

延性鋳鉄は多用途として際立っています, 費用対効果の高いエンジニアリング資料.

その スフェロイドグラファイト 微細構造は、珍しいブレンドを提供します 高い引張強度, 実質的な延性, そして 優れた疲労生活.

メーカーは、ネットに近い形を唱えることができます, その後の機械加工を最小限に抑えます, 熱処理を通じて特性を調整します, 最も顕著なのは、耐久性のある延性鉄の形で (アディ).

控えめな腐食の脆弱性にもかかわらず, 延性鉄のリサイクル性, 減衰容量,

幅広い標準化されたグレードは、自動車全体で不可欠なものにします, パイプライン, 農業, エネルギー, 消費者市場.

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よくある質問

延性鋳鉄を灰色の鋳鉄と区別するもの?

延性鋳鉄 (から) 含まれています スフェロイド (結節) 黒鉛 灰色の鉄に含まれるフレークグラファイトではなく.

これらの球状結節は亀裂伝播を鈍らせます, かなり高い引張強度を生成します (400–900 MPa) と伸び (3–18 %) グレーアイアンの200〜300 MPaと比較して < 2 % 伸長.

延性鉄に当てはまる機械加工の考慮事項?

炭素鋼と同様に延性鋳鉄製の機械が必要ですが、 カーバイドツール 高炭素結節のため.

推奨される切断速度の範囲 150–250 m/i, 0.1〜0.3 mm/Revの飼料で.

適切なクーラントの使用は、組み込みのエッジを防ぎます. 高ハード性またはADIグレードは、早すぎる摩耗を避けるために遅い速度またはセラミックツールが必要になる場合があります.

延性鉄は代替材料とコストでどのように比較されますか?

• 延性鉄Vs. 灰色の鉄: 延性鋳鉄製の原材料の費用は約10〜20です % より高い.
  しかし, 壁の厚さの減少と機械加工手当は、しばしば合計部品コスト20〜30をもたらします % 強度批判的なアプリケーションは低くなります.
• スチールvs. 延性鉄: 延性鉄の鋳造物は頻繁に20〜50の費用がかかります % 同等の鋼鉄の鍛造または重いマシンのコンポーネント未満.
• アルミニウム/ブロンズ対. 延性鉄: 延性鉄は青銅よりもkgあたり安価です (2–3×より高いコスト) そして, アルミニウムよりも重いですが,
  はるかに大きな強さを提供します, 疲労寿命, 重量が主な関心事ではない場合の材料コストの削減.