1. Įvadas
Shell mold casting of grey cast iron deserves rigorous attention because it bridges the gap between traditional sand casting and modern high-precision manufacturing.
Tokios pramonės šakos kaip automobilių pramonė, staklės, and energy generation have begun to rely increasingly on shell-molded grey iron components for their superior dimensional accuracy and surface quality.
Šiame straipsnyje, we explore grey cast iron metallurgy, detail the shell molding process, analyze mechanical properties, and discuss advantages, iššūkiai, and applications in modern production.
2. Kas yra pilkasis ketus?
Grey cast iron is a type of cast iron characterized by its unique graphite microstructure, which appears as grey flakes when fractured—hence the name.
It is one of the oldest and most commonly used ferrous casting alloys due to its excellent machinability, Vibracijos slopinimas, ir atsparumas dėvėjimams.
Grey cast iron plays a vital role in a variety of industrial applications, particularly where strength, Šilumos laidumas, and dimensional stability are key.
Sudėtis ir mikrostruktūra
Grey cast iron is primarily composed of lygintuvas, Anglies (2.5–4,0 %), ir Silicis (1.0–3.0%).
The high carbon and silicon content promotes the formation of graphite flakes within a matrix of pearlite, feritas, arba abiejų derinys.
This graphite flake structure differentiates grey iron from other types, like ductile or white cast iron.
Tipiška cheminė sudėtis:
| Elementas | Diapazonas (%) | Funkcija |
|---|---|---|
| Anglies | 2.5 - 4.0 | Promotes graphite formation; pagerina apdirbamumą |
| Silicis | 1.0 - 3.0 | Enhances graphitization; aids in flake formation |
| Manganas | 0.2 - 1.0 | Improves strength; counteracts sulfur |
| Sieros | < 0.15 | Impacts fluidity; controlled to reduce embrittlement |
| Fosforas | < 1.0 | Improves castability; excess can reduce toughness |
3. Kas yra apvalkalo liejimas?
Shell mold casting—also called the pre-coated resin sand casting process,
Hot shell molding castings, arba šerdies liejimo procesą, yra investicinio liejimo variantas, kurio metu naudojamas derva dengtas smėlio mišinys, kad būtų sukurtas plonas, kieta forma arba „apvalkalas“ aplink raštą.
Priešingai nei birios smėlio formos, apvalkalo formos užtikrina didesnį matmenų tikslumą, smulkesnė paviršiaus apdaila, ir plonesnės sienos.
Procesas naudoja šilumą, kad sukietėtų dervos rišiklis (dažniausiai fenolio arba furano pagrindu) pelėsių rašto paviršiuje, sukuriant vos 10–15 mm storio apvalkalą.
Kartojant dervos-smėlio dengimo ir šildymo ciklus, gamintojai sukuria formą, galinčią atlaikyti išlydyto metalo temperatūrą.
4. Shell formų liejimo proceso apžvalga
Vaško rašto kūrimas ir surinkimas
Investicinis liejimas prasideda nuo tikslaus vaško modelio gamybos.
Dėl pilkos geležies, vaško raštai sukuriami įpurškiant karštą vašką į plieninius štampus, nupoliruotus iki veidrodinio paviršiaus, ensuring the final casting’s surface finish is exceptionally smooth (Ra ≈ 0.8–1.2 µm).
Multiple identical patterns are mounted on a central gating tree, designed to optimize iron flow and compensate for solidification shrinkage (~ 2 % for grey iron).
Korpuso pastatas: Srutas, Tinkas, ir Sluoksniavimas
The assembled wax tree undergoes repeated dipping in a proprietary shell slurry, typically a colloidal silica or zirconium-based binder mixed with fine refractory particles (20–50 µm).
Between layers, the shell is “stuccoed” with progressively coarser particles,
building up a shell wall thickness of 10–15 mm capable of withstanding molten iron (~ 1400 ° C.) without excessive stress buildup.
Layer count and drying conditions are carefully controlled to manage permeability, stiprybė, and thermal expansion characteristics.
Vaškavimas ir sviedinių deginimas
Once the shell achieves the required thickness, the wax is removed via steam autoclaving or low-temperature furnace dewaxing, minimizing shell cracking.
Following dewax, a high-temperature firing (800–1000 °C for 2–4 hours) sinters the shell,
pašalina rišiklio likučius, and vitrifies the refractory.
Proper firing schedules are essential to achieve a strong, permeable shell that can accommodate iron shrinkage and gas evolution.
Tirpimas, Pilti, ir kietėjimas
Grey iron is melted in an induction or cupola furnace, with precise control of composition—carbon equivalent, silicon level, and trace elements—to ensure the desired microstructure.
Paprastai, molten iron is held at 1350–1450 °C, then poured into the preheated shell molds (> 300 ° C.) sumažinti šiluminį šoką.
The iron fills the cavities under controlled gating to prevent turbulence.
Solidification is directional; risers are strategically placed to feed liquid iron into shrinking zones until the casting is fully solid.
Lukšto pašalinimas ir galutinis apdaila
After 4–6 hours of cooling, the shell is broken away via mechanical knockout or chemical stripping.
Residual shell particles are removed by shot blasting or high-pressure air, revealing the grey iron casting’s near-net shape.
Minimal grinding, nuobodus, or machining is required thanks to the shell process’s high dimensional accuracy (± 0.25 mm per 100 mm).
Final inspection includes visual checks, dimensional measurement, and possible surface finishing to meet customer specifications.
5. Pilkųjų geležies liejinių mechaninės savybės (ASTM A48 klasės)
| Nuosavybė | Klasė 20 | Klasė 30 | Klasė 40 | Klasė 50 | Klasė 60 |
|---|---|---|---|---|---|
| Tempimo stiprumas | ≥ 138 MPA (20 ksi) | ≥ 207 MPA (30 ksi) | ≥ 276 MPA (40 ksi) | ≥ 345 MPA (50 ksi) | ≥ 414 MPA (60 ksi) |
| Suspaudimo stiprumas | ~3–4× tensile strength | ~3–4× tensile strength | ~3–4× tensile strength | ~3–4× tensile strength | ~3–4× tensile strength |
| Brinelio kietumas (Hb) | 130– 160 | 150–180 | 180– 200 | 200–230 | 230– 250 |
| Elastiškumo modulis | ~100–110 GPa | ~105–115 GPa | ~110–120 GPa | ~120–130 GPa | ~130–140 GPa |
| Slopinimo pajėgumas | Puiku | Labai gerai | Gerai | Vidutinis | Žemiau |
| Šilumos laidumas | Aukštas | Aukštas | Vidutinio sunkumo - aukštas | Vidutinis | Vidutinis |
| Aparatas | Puiku | Labai gerai | Gerai | Vidutinis | Mugė |
6. Pilko ketaus „Shell“ liejimo formos privalumai
Shell mold casting offers significant benefits for producing grey iron components:
Išskirtinis matmenų tikslumas:
Manufacturers regularly achieve tolerances of ± 0.25 mm on moderate-size parts (100–300 mm range), compared to ± 0.5–1.0 mm for sand casting.
Todėl, downstream machining requirements drop by 30–50 %.
Puikus paviršiaus apdaila:
As-cast surfaces often measure 1.2–2.0 μm Ra, obviating the need for extensive grinding or polishing.
Priešingai, typical sand-cast parts require Ra 5–10 μm, demanding substantial secondary finishing.
Plonų pjūvių galimybė:
Shell molds permit wall thicknesses down to 3–4 mm in grey iron, enabling complex geometries with ribs, thin flanges, and integrated cooling channels.
This capacity reduces weight by 10–20 % compared to conventionally thicker sand-cast sections.
Sumažintas apdirbimo laikas ir sąnaudos:
Because shell-cast components arrive near-net shape with tight tolerances, machine shops remove less material.
Didelės apimties gamyboje (10³–10⁵ pcs/year), shops often report 20–30 % savings in machining labor.
Pakartojamumas vidutinės apimties gamybai:
Shell mold lines excel at 1,000–100,000 parts per year. Once patterns and shell parameters are established, consistent quality emerges batch after batch, minimizing scrap rates (dažnai < 5 %).
7. Apribojimai ir iššūkiai
Nepaisant savo privalumų, shell molding grey iron poses several challenges:
Didesnės įrankių ir modelių sąnaudos:
Fabricating rigid metal patterns with integrated heating channels can cost $20,000–$50,000 per unique design—several times higher than simple wood or epoxy patterns for sand molds.
This expense demands sufficient production volume to justify upfront investment.
Dervos dujų valdymas:
Curing phenolic or furan resins releases organic gases (Pvz., CO, CO₂, phenol vapors) during dewaxing and pouring.
Foundries require robust ventilation systems and thermal oxidizers or abatement units to meet environmental regulations and protect worker health.
Lukšto trapumas:
Although shell walls measure only 10–15 mm, their cured resin matrix makes them brittle.
Improper handling during knockout or mold assembly can cause cracks, leading to casting defects such as metal penetration or misruns.
Foundries must train personnel rigorously and monitor shell-handling procedures.
Grafito struktūros kontrolė:
Shell molds’ lower thermal conductivity can sometimes produce chill zones—areas of rapid cooling near the shell wall where graphite precipitation lags, forming a localized white iron or carbides.
Such microstructural anomalies reduce toughness at the surface.
Norėdami tai sušvelninti, foundries implement inoculation strategies (0.05–0.1 wt % Ca–Si master alloys) and adjust shell preheat temperatures to promote uniform cooling.
8. Korpuso formos pilkosios geležies taikymas
Automobilių pramonė
- Variklio blokai, cilindro galvutės, Stabdžių komponentai (Pvz., rotors and drums), sankabos korpusai, kolektoriai
Pramonės mašinos ir įranga
- Pavarų korpusai, tekinimo staklių lovos, siurblio kūnai, Kompresoriaus korpusai, vožtuvų korpusai
Energijos generavimas
- Turbinų korpusai, Generatorių korpusai, engine bases, elektros gaubtai
Žemės ūkio ir statybinė įranga
- Pavarų dėžės korpusai, brake plates, guolių dangteliai, engine supports
ŠVOK ir skysčių tvarkymo sistemos
- Vamzdžių jungiamosios detalės, siurblio sparnuotės, flow housings, control valve bodies
Prietaisų ir įrankių komponentai
- Electric motor housings, atraminiai rėmai, armatūros pagrindai
9. Metalų ir lydinių liejimas iš korpuso
Liejimas iš apvalkalo formos yra universalus procesas, suderinamas su daugybe juodųjų ir spalvotųjų metalų lydinių.
Jo gebėjimas gaminti Aukštas tikslumas, aukštos kokybės Dėl sudėtingų detalių liejinių jis idealiai tinka tiek našumui svarbiems, tiek estetiškai reikalaujantiems komponentams.
| Metalas / Lydinys | Pagrindinės savybės | Privalumai | Tipiškos programos |
|---|---|---|---|
| Pilkas ketaus | Geras šilumos laidumas, didelis slopinimas, geras apdirbamumas | Ekonomiškai efektyvus, puikus išmetimas | Variklio blokai, mašinų bazės, stabdžių būgnai |
| Kariuomenė geležis | Didelis stiprumas ir lankstumas, geras atsparumas nuovargiui | Geresnis atsparumas smūgiams nei pilkoji geležis | Alkūniniai velenai, vamzdžių jungiamosios detalės, pakabos komponentai |
Anglies plienas |
Didelis tempimo stiprumas, vidutinio atsparumo korozijai | Įperkama, stiprus, suvirinamas | Statybinės dalys, flanšai, bendroji mašina |
| Lydinio plienas | Padidinta jėga, Tvirtumas, ir atsparumas dėvėjimams | Tinka terminiam apdorojimui, patvarus esant stresui | Pavaros, elektriniai įrankiai, aerokosminės konstrukcijos |
| Nerūdijantis plienas | Atsparus korozijai, didelis stiprumas esant temperatūrai, švari paviršiaus apdaila | Idealiai tinka maistui, Jūrų, ir medicinos aplinka | Siurbliai, vožtuvai, virtuvės reikmenys, jūrinės dalys |
Aliuminio lydiniai |
Lengvas, atsparus korozijai, šilumai laidus | Lengva apdirbti, tinka plonoms sienoms ir sudėtingoms formoms | Automobilių dalys, korpusai, aerokosminės konstrukcijos |
| Vario lydiniai | Didelis laidumas, puikus atsparumas korozijai ir dilimui | Ilgas tarnavimo laikas, puikus šiluminis/elektrinis našumas | Elektros gnybtai, įvorės, santechnikos detalės |
| Nikelio pagrindu pagaminti lydiniai | Aukštos temperatūros stiprumas, puikus atsparumas korozijai ir oksidacijai | Atlaiko ekstremalią aplinką, ilgas tarnavimo laikas | Turbinos, Šilumokaičiai, cheminio proceso komponentai |
10. Išvada
Pilko ketaus liejimas iš liejimo formos suteikia įtikinamą didelio matmenų tikslumo derinį, puiki paviršiaus apdaila, ir pageidaujamos mechaninės savybės.
Pramonėms žengiant į vis sudėtingesnius dizainus ir griežtesnes tolerancijas, ir toliau vystosi liejimas iš pilkojo ketaus,
su pažangiomis apvalkalo medžiagomis, Automatizavimas, ir modeliavimo įrankiai, kurie dar labiau pagerina kokybę.
At Tai, Mes esame pasirengę bendradarbiauti su jumis, naudodamiesi šiais pažangiais metodais, kad optimizuotume jūsų komponentų dizainą, Medžiagos pasirinkimai, ir gamybos darbo eigos.
užtikrinant, kad kitas jūsų projektas viršija kiekvieną našumą ir tvarumo etaloną.
Susisiekite su mumis šiandien!
DUK
Kuo kevalinės formos liejimas pranašesnis už tradicinį pilkojo ketaus liejimą iš smėlio?
Korpuso liejimo formos suteikia daug geresnių rezultatų matmenų tikslumas (±0,25 mm) ir paviršiaus apdaila (Ra 3.2–6.3 μm).
Tai taip pat leidžia plonesnės sienos dalys, sumažintas apdirbimas, ir geresnis pakartojamumas, ypač vidutinėje- didelės apimties gamybai.
Ar sudėtingos arba plonasienės pilkosios geležies detalės gali būti pagamintos naudojant apvalkalą?
Taip. Korpuso liejimas puikiai tinka Sudėtingos geometrijos ir plonasieniai komponentai, kurių sienelių storis toks mažas kaip 3–4 mm.
Šis procesas užtikrina gerą išlydytos geležies tekėjimą ir tikslų apvalkalo tvirtumą sudėtingoms formoms.
What is the typical production volume for shell-molded grey iron parts?
Korpuso formavimas yra ekonomiškai perspektyvus vidutiniams ir dideliems kiekiams– dažniausiai tarp 1,000 į 100,000+ vienetų per metus, priklausomai nuo investicijų į įrankius ir dalių sudėtingumo.
Are there any post-casting treatments needed for shell-molded grey iron?
Taip. Post-processes such as terminis apdorojimas, surface cleaning (šūvių sprogdinimas),
ir dangos (dažyti, fosfatas, enamel) may be applied depending on service conditions and corrosion resistance requirements.
