1. 導入
灰色の鉄, または灰色の鋳鉄 - その薄片状のグラファイト微細構造、combinesによって整理されています 費用対効果, 振動減衰, そして 優れた機械加工性.
蒸気エンジンシリンダーの19世紀初頭に発生します, 灰色の鋳鉄はその後、自動車ブレーキドラムから工業用機械のベースに電力を供給しています.
今日, それはまさにその基本的な資料のままです 自動車, 重機, 配管, そして 国内 セクターは、そのユニークなプロパティの融合に感謝します.
2. 灰色の鋳鉄とは何ですか?
灰色の鋳鉄 骨折した表面の灰色で簡単に認識できる鋳鉄の一種です, これは、その微細構造にグラファイトフレークが存在することに起因します.
これらのグラファイトフレークは、灰色の鉄に特徴的な特性を与えます, 優れた減衰能力を含む, 良好な機械加工性, そして比較的低コスト.
それは最も一般的に使用される鋳鉄の形であり、伝統的および近代的な製造業の両方で基本的な役割を果たしています.
灰色の鋳鉄の分類とグレード
ASTM A48分類 (私たち. 標準)
ASTM A48標準は、灰色の鋳鉄を最小引張強度によってグレードに分類します, KSIで測定 (1 ksi = 6.89 MPa).
| ASTMグレード | 最小引張強度 (MPa) | 典型的な微細構造 | 一般的なアプリケーション |
|---|---|---|---|
| クラス 20 | 138 MPa | 主にフェライト | カウンターウェイト, 装飾的なキャスティング |
| クラス 30 | 207 MPa | フェライト - ピアリティック | エンジンブロック, ポンプハウジング |
| クラス 40 | 276 MPa | 主にパールティック | ブレーキドラム, フライホイール, 機械ベッド |
| クラス 50 | 345 MPa | ファインパールティック, 低フェライト | シリンダーライナー, ハイロードブラケット |
で 1561 分類 (欧州標準)
欧州規格EN 1561 「EN-GJL」プレフィックスを使用します (GJL =ラメラ構造のグラファイト鋳鉄, または「ラメラグラファイト鋳鉄」) その後、MPAの引張強度が続きます.
| グレード | 分. 抗張力 (MPa) | 硬度 (BNN) | 典型的なアプリケーション |
|---|---|---|---|
| EN-GJL-15 | 150 | 〜150 | 装飾品, 光カバー |
| EN-GJL-200 | 200 | 〜160–170 | ギアハウジング, トランスミッションのケース |
| EN-GJL-250 | 250 | 〜180–200 | シリンダーブロック, 大きな鋳物 |
| EN-GJL-300 | 300 | 〜220–240 | ブレーキローター, 頑丈なハウジング |
典型的な化学組成範囲 (% 重量で)
| 要素 | 典型的な範囲 (%) | 灰色の鉄の機能 |
|---|---|---|
| 炭素 (C) | 2.5 – 4.0 | グラファイトフレーク形成を促進します; キャスティブを向上させます |
| シリコン (そして) | 1.8 – 3.0 | グラフィタイザー; 炭素降水を支援し、流動性を改善します |
| マンガン (ん) | 0.2 – 1.0 | マトリックスを強化します; パーライトの形成を促進します |
| リン (P) | ≤ 0.12 (最大 0.5) | 流動性を改善します; 過度の量が脆弱性を引き起こします (安定) |
| 硫黄 (S) | ≤ 0.12 | 一般的に望ましくない; 硫化鉄包有物を形成します |
| 鉄 (鉄) | バランス | マトリックスベースメタル |
4. 物理的な & 機械的性質
灰色の鋳鉄は、鉄マトリックスに埋め込まれたグラファイトフレーク微細構造のために、物理的および機械的特性の特徴的な組み合わせを示します。.
これらの特性により、幅広い構造用および熱アプリケーションに非常に適しています, 特に振動減衰, 熱伝導率, キャスト性が不可欠です.
機械的性質
灰色の鋳鉄の機械的挙動は、グラファイトフレークの形態の影響を強く受けています, マトリックスタイプ (フェライト系, 真珠科, または混合), およびセクションの厚さ.
| 財産 | 典型的な値範囲 | 注意事項 |
|---|---|---|
| 抗張力 | 150–350 MPa | グレードによって異なります (例えば, ASTM A48クラス 20 クラスに 50) |
| 圧縮強度 | 3–4×引張強度 | グラファイトフレークの向きにより高 |
| 硬度 | 130–250 bhn | パーライトコンテンツとともに増加します |
| 伸長 | 〜0.5〜1％ | フレークチップでのストレス濃度のために非常に低い |
| 弾性率 | 70–100 GPA | グラファイトフレークがストレス伝達を破壊するため、スチールよりも低い |
注記: スチールとは異なります, 灰色の鉄は実質的に延性がなく、引張荷重の下で脆い方法で失敗します.
物理的特性
| 財産 | 代表値 | 意義 |
|---|---|---|
| 密度 | 6.9–7.2 g/cm³ | スチールよりわずかに低い (〜7.85 g/cm³) |
| 熱伝導率 | 35–55 w/m・k | 延性または順応性のある鉄よりもはるかに高い; 熱放散に最適です |
| 比熱容量 | 〜460 j/kg・k | 他の鉄金属に匹敵します |
| 膨張係数 | 〜10.5–11.5×10⁻⁶ /k | 適度; 寸法クリティカルな熱アプリケーションにとって重要です |
| 減衰容量 | 10×鋼のそれ | 優れた振動と騒音吸収 |
| 融点 | 1140–1200°C | スチールよりも低い; キャスティブを向上させます |
ユニークな機能的利点
- 優れた減衰能力: グラファイトフレークによって作成された内部摩擦のおかげです, 灰色の鉄は、鋼や延性鉄よりもはるかに優れた振動を吸収します.
これにより、エンジンブロックに最適です, 工作機械ベッド, ブレーキコンポーネント. - 優れた熱伝導率: 熱を効率的に伝達する能力は、灰色の鋳鉄が調理器具に優先される材料になります, ラジエーターコンポーネント, ブレーキディスク.
- 優れた加工性: グラファイトの存在は、組み込みの潤滑剤として機能します, ツールの摩耗を削減し、より高い切削速度を可能にします.
真珠科の成績は難しいが、それでも多くの鋼よりも機密性が高い.
5. 灰色の鉄の適合性を鋳造します
灰色の鋳鉄は、鋳造業界で最も鋳造可能な金属の1つです, 優れた流動性で有名です, 低融解温度, そして最小限の収縮.
これらの特性により、複雑な幾何学を生成するのに理想的です, 大きな鋳物, 信頼できる寸法精度と表面仕上げの大量の部品.
優れた流動性
灰色の鋳鉄は、注ぐ温度が比較的低いため、例外的な溶融フロー特性を示します (通常、1,150〜1,250°Cの間) およびグラファイトコンテンツ.
この流動性により、複雑な型や薄壁のセクションを簡単に満たすことができます (3〜5 mmほど薄い), コールドシャットまたはミスのリスクを軽減します.
低収縮率
通常、0.8〜1.0％の範囲で線形固化収縮があります, 灰色の鋳鉄は、優れた寸法の安定性を維持します.
この予測可能な収縮は、パターンデザインで正確に補償される可能性があります, 欠陥と機械加工手当の最小化.
グラファイトフレーク構造により、キャスティブが向上します
灰色の鉄のフレークグラファイトは、その機械的な減衰と加工性に寄与するだけでなく、凝固中の摂食を支援します, 内部収縮気孔率の可能性を減らす.
それは自然なマイクロライザーとして機能します, 全体的な鋳造の健全性を改善します.
高い熱伝導率
高い熱伝導率 (通常、50〜60 w/m・k) 固化中の急速な熱散逸を促進します, 微細構造を制御し、熱亀裂リスクを減らすのに役立ちます.
これは、大規模な鋳造や高速生産環境で特に有利です.
キャスティング後の優れた機械性
グラファイトフレークの潤滑効果と比較的低い硬度のため (ブリネル150–250 HB), 大規模な仕上げプロセスを必要とせずに簡単に機械加工できます.
これにより、後処理コストが削減され、生産スループットが強化されます.
灰色の鉄に適した鋳造方法
| 鋳造法 | アプリケーション | 利点 | 考慮事項 |
|---|---|---|---|
| 緑の砂鋳造 | エンジンブロック, ハウジング, 括弧 | 費用対効果の高い, 再利用可能な砂, 大量に適応できます | 水分制御とカビの均一性が必要です |
| 樹脂結合砂鋳造 | 機械ベッド, ポンプケース, バルブ本体 | 高次元の精度と表面仕上げ | より高いツールコスト, 低から中程度のボリュームに適しています |
| シェル型鋳造 | 精密産業コンポーネント | 優れた寸法耐性と表面の品質 | より高価な, しかし、機械加工のニーズを減らします |
| 永久鋳型鋳造 | フライホイールやプーリーなどの繰り返しの幾何学 | 表面仕上げが細かく施された中程度の生産ランに適しています | 固体金属型の制約により、より単純な形状に限定されています |
| 遠心鋳造 | パイプ, 袖, ローター | 密なものを生成します, 欠陥のない円筒形の部分 | 特殊な機器とバランスの取れたジオメトリが必要です |
6. 熱処理 & 機械加工
灰色の鉄は、クエンチとテンパーのサイクルを受けることはめったにありません; その代わり, Foundriesが適用されます:
- アニーリング/ストレス緩和: 650–700°Cで1〜2時間、残留応力を軽減し、機械加工性を改善します.
- 正規化: ファインチューンズマトリックス (フェライト対. 真珠) ターゲットの硬度のため.
加工中, エンジニアが好む:
- カーバイドツール 中程度の速度で (50–80 m/me).
- 厳格な作業 低い引張強度を相殺する.
- クーラントの使用 ビルドアップエッジを避けるため; グラファイトフレークはチップの破壊を促進します.
ポストマシン, 灰色の鋳鉄が達成します 表面仕上げ RAと同じくらい低い 1.6 最小限の二次操作でµm.
7. メリットとデメリット
利点:
- 振動減衰: まで 90 % スチールよりも優れています, ノイズと疲労の軽減.
- 被削性: グラファイトフレークはチップブレーカーとして機能します, 低下ツール摩耗.
- コスト効率: > 80 % 鋼よりもリサイクルされた含有量と融解エネルギーが低い.
短所:
- 低張力延性: < 2 % 伸長は衝撃ローディングの使用を制限します.
- 異方性: フレークの向きは、方向強度の変動を作成します (～ 20 %).
- 脆さ: 延性鉄と比較して耐衝撃性が低い.
8. アプリケーション & パフォーマンス
灰色の鋳鉄の財産相乗効果は、その使用を促進します:
- 自動車: エンジンブロック, シリンダーヘッド, ブレーキドラム - 熱伝導率のレバレッジ (～ 45 W/m・K) 熱散逸のため.
- 重機: ギアハウジング, 工作機械のベース - ベアリングの寿命を延ばすために振動減衰を活用します.
- 工事 & 配管: マンホールカバー, バルブ体 - 中性水域での耐食性と低コストの耐性.
- 家庭用品: 調理器具, ラジエーター - 熱分布と耐久性の均一な抑制.
9. 代替資料との比較
灰色の鋳鉄は、エンジニアリングと製造の基礎的な材料として長い間機能してきました, しかし、それはしばしば延性鉄のような代替品と競合します, 鋼鉄, アルミニウム合金, および複合材料.
これらの各資料は、明確な利点とトレードオフをもたらします, 材料の選択を高度にアプリケーションに依存させます.
以下は、灰色の鉄がその共通の代替品について立つ場所を強調する比較の概要です.
比較テーブル: 灰色の鋳鉄対. 代替材料
| 財産 / 材料 | 灰色の鋳鉄 | ダクタイル鋳鉄 | 炭素鋼 | アルミニウム合金 | 複合材料 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm3) | 7.1 – 7.3 | 7.0 – 7.2 | 7.8 – 7.9 | 2.6 – 2.8 | 1.5 – 2.0 (変化します) |
| 抗張力 (MPa) | 150 – 400 | 400 – 700 | 400 – 900 | 100 – 400 | 50 – 500+ (繊維に応じて) |
| 伸長 (%) | <1% (脆い) | 5 – 18% | 10 – 25% | 2 – 12% | 1 – 10% |
| 熱伝導率 | 高い (50 – 60 W/m・K) | 適度 (35 – 50 W/m・K) | 低モデレート (20 – 40 W/m・K) | 高い (120 – 180 W/m・K) | 低モデレート (0.2 – 30 W/m・K) |
| 減衰容量 | 素晴らしい | 良い | 貧しい | とても貧しい | 変数 |
| キャスタビリティ | 素晴らしい (複雑な形状, 低コスト) | 良い | 適度 (より多くの努力が必要です) | 中程度のグッド (合金に依存します) | 貧しい (通常、成形されています, キャストされていません) |
| 被削性 | 素晴らしい (グラファイトフレークのため) | 良い | 中程度のグッド | 素晴らしい | 貧しい - モデレート |
| 耐食性 | コーティングなしで貧しい | 貧しい - モデレート | 中程度のグッド (合金で) | 良い (特に6xxxおよび5xxxシリーズ) | 素晴らしい (デザインで) |
| 料金 | 低い | 適度 | 中程度 - 高 | 中程度 - 高 | 高い (特に高度な複合材料の場合) |
延性鉄Vs. 灰色の鋳鉄
- 延性鉄 はるかに高い延性と強度を提供します, 圧力含有または動的負荷アプリケーションに適しています.
しかし, 灰色の鋳鉄はまだ減衰と費用効率でそれを上回る, 特に静的構造部品で.
炭素鋼 対. 灰色の鋳鉄
- 鋼は優れた引張特性と延性を提供します, しかし、より高価で機械が難しいです.
灰色の鉄は、振動制御を必要とする部品に好まれます (例えば, 機械ベース, ハウジング).
アルミニウム合金と. 灰色の鋳鉄
- アルミニウム かなり軽量で、優れた耐食性を提供します, 輸送や熱に敏感なコンポーネントに最適です.
灰色の鉄, 一方で, 剛性と振動吸収を必要とするアプリケーションに優れています.
複合材料対. 灰色の鋳鉄
- 高度な複合材料は、強度と腐食抵抗で灰色の鉄を上回ることができますが, それらははるかにコストがかかり、大規模に製造するのが難しいです.
10. 結論
灰色の鉄はaとして耐えます 礎石素材 そのせいで 経済生産, ビルトインダンピング, そして 機械加工の容易さ.
その習得によって ユートテクティックグラファイト形成, キャスティングプラクティス, そして 設計ガイドライン, エンジニアは、信頼できるために灰色の鋳鉄を活用し続けることができます, 業界全体の費用対効果の高いソリューション - エンジンの中心から重機の根元まで.
新たな合金の変更とハイブリッド製造技術が進化するにつれて, 灰色の鋳鉄は、明日のエンジニアリングされたコンポーネントの形成においてその役割を維持します.
