Что такое пластичный чугун?

1. Введение

Пластичный чугун, часто называемый узловым чугуном или сфероидальным графитом железа.

В 1948, Кит Миллис обнаружил, что добавление небольшого количества магния в расплавленное железо создало почти сферические графитовые узелки, а не хлопья.

Этот прорыв дал пластичный чугун (ОТ), который сочетает в себе литуру и экономику с заметно улучшенной растягивающей силой и удлинением.

Эта статья углубляется в фундаментальный характер ликового чугуна, его химия и микроструктура, механические характеристики, обработка маршрутов, коррозионная стойкость,

ключевые приложения, преимущества и ограничения, и сравнение с альтернативными материалами.

2. Что такое пластичный чугун?

Пластичный чугун (ОТ) квалифицируется как чугунная семья, характеризующаяся сфероидальной (узловой) Графитовые включения равномерно диспергированы в металлической матрице.

В отличие от хлопья Грея Железного Графита, подвержен концентрации стресса, Графитовые узелки DI Арест. Распространение трещин, Включение пластичного поведения.

Пластичный железный мосты. Пробеги производительности между серого железа и низкопластной стали.

Производители эксплуатируют пластичный чугун для компонентов под циклическими нагрузками, где имеют значение высокой прочности и воздействия.

Более того, Обучаемость DI и возможности вблизи сети снижают затраты на обработку по течению.

3. Химический состав и сплавные системы

Базовая композиция: Fe - c - si - mn - p - s

Фундамент пластичного чугуна лежит в типичном сером железном заряде -железо (Фе), углерод (С), кремний (И), марганец (Мин.), фосфор (П), и сера (С).

Репрезентативный химический диапазон для общего класса (ASTM A536 65-45-12) может быть:

• С: 3.5 – 3.8 мастерская %
• И: 2.2 – 2.8 мастерская %
• Мин.: 0.1 – 0.4 мастерская %
• П: ≤ 0.08 мастерская %
• С: ≤ 0.025 мастерская %

Высокий кремний (≥ 2 мастерская %) продвигает формирование графита, а не цементит, в то время как низкая сера (< 0.025 мастерская %) предотвращает чрезмерные включения, которые мешают образованию узелков.

Узеллизирующие элементы: Магний (мг), Церий (Се), и редкоземельные земли (Репутация)

Узелка в пластичном чугуне возникает из -за добавления магния - типично 0.03% – 0.05% мг- для расплавленного железа.

Литейные заводы вводят магний через Mg - Fe Master сплавы или Считанные провода. Сильная аффинность магния к серной образует MGS, поэтому они плотно контролируют серу, чтобы оставаться под 0.025%.

Многие литейники также добавляют 0.005 – 0.01 wt% cerium или редкоземельные элементы чтобы уточнить форму и размер узелков, Улучшение механической консистенции, Особенно в толстых участках.

Эти добавления RE еще больше снижают чувствительность к изменениям серы и кислорода.

Дополнительное легирование: Медь (Cu), Никель (В), Молибден (Мо), Хром (Кр)

Адаптировать силу, прочность, или коррозионная стойкость, литейные заводы включают вторичные легирующие элементы:

• Медь (Cu): 0.2 – 0.5 мастерская % Повышает образование жемчуга, повышение силы мимо 10 – 20 %.
• Никель (В): 0.5 – 1.5 мастерская % Увеличение низкотемпературной вязкости и коррозионной стойкости.
• Молибден (Мо): 0.2 – 0.4 мастерская % Улучшает укрепление и сопротивление ползучести для более высоких температурных услуг.
• Хром (Кр): 0.2 – 0.5 мастерская % Придает легкую коррозионную стойкость и более прочную микроструктуру.

Обычно, пластичные чугунные оценки остаются внутри 1 – 2 мастерская % комбинированного Cu + В + Мо + Кр, Обеспечение экономической эффективности при достижении целей производительности.

Стандарты и оценки

• ASTM A536 (США): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 оценки.
• ИСО 1083 (Европа): EN-GJS-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
• Ты единственный 1563 (Германия): GG-25, GS-32, Gs-45 эквивалентов.

4. Физические и механические свойства пластичного чугуна

Предел прочности, Предел текучести, и пластичность

Подписание пластичного железа - ее сочетание высокой прочности и заметной пластичности:

Напротив, Стандартный серого железа только 200 – 300 МПа прочность на растяжение практически без удлинения.

Потому что графитовые узелки DI, удлинение прыгает в двузначные цифры для низших классов.

Твердость и износостойкость

Твердость продовольственного железа простирается 170 – 320 полупансион, в зависимости от оценки и матрицы:

• Ферритный сорт (60-40-18) доставляет вокруг 170 полупансион, Подходит для отливок общего назначения (коллекторы, рамки).
• Высокопрочный жемчужный сорт (80-55-06) достигает 260 – 320 полупансион, конкуренция с низкопластной сталью в износостойкости для передач, звездочки, и насосные буйства.

Когда устойчивость к износу имеет решающее значение, Производители часто выбирают Austempered пронзительный железо (Ади),

который достигает 300 – 450 полупансион После термической обработки, баланс твердости с остаточной стойкостью.

Усталость жизни и воздействия на выносливость

Сферический графит пластичного железа значительно повышает производительность усталости:

• Утолочный предел обычно стоит ≈ 40% UTS. Для 65-45-12 оценка (UTS ≈ 500 МПа), усталость выносливость достигает 200 МПа в 10⁷ циклов при обратном изгибе.
• Воздействие на выносливость (Чарпи v-Notch в 20 °С) варьируется от 15 – 60 Дж, в зависимости от оценки. Нижняя сила, Обогащенные ферритными оценками поглощают до 60 Дж, в то время как полностью жемчужные оценки опускаются в 15 Дж.

Эти значения превосходят серое железо (10 – 20 Дж) и приближаться, Создание пластичного чугуна идеально подходит для применений высокого цикла, таких как коленчатые валы и соединительные стержни.

Модуль эластичности и демпфирующей способности

В отличие от серого железа 100 – 120 ГПа модуль, Меры модуля Ductile Iron 170 – 200 ГПа, грубо соответствует стали с низкой сплатой.

Это высокая жесткость, в сочетании с демпфирующей способностью вокруг 0.005 к 0.010 (Логарифмическое уменьшение),

гарантирует, что пластичные чугунные детали сопротивляются отклонениям при нагрузке при ослаблении вибраций - явные в компонентах двигателя и базах оборудования.

Теплопроводность и коэффициент термического расширения

Теплопроводность пластичного железа аналогична серому железу и стали, Включение эффективного рассеяния тепла в блоках двигателей и тормозных барабанах.

Его коэффициент термического расширения (~ 12 × 10⁻⁶/° C.) тесно связан со сталью, Упрощение многоматериального дизайна.

5. Коррозионное поведение и экологическая стойкость

Пассивные пленки и окисление поверхности

Пластичный железо образует оксид железа (Fe₃o₄/fe₂o₃) пленка при воздействии кислорода. Этот пассивный слой замедляет дальнейшее окисление в легких средах.

Легирующие дополнения, как 0.5 – 1.5% В или 0.2 – 0.5% Кр Улучшить коррозионное исполнение, стабилизируя пассивную пленку.

В отличие от серого железа, у которого может развиться ячечка, матрица Ди может лучше противостоять локализованной атаке, Особенно при покрытии.

Сравнительные показатели коррозии по сравнению с. Серое железо и сталь

В каждом случае, Коэффициент коррозии в пластичном чугуне остается примерно 50% что из серого железа и 30–40% из мягкой стали.

Применение эпоксидные или полиуретановые покрытия уменьшает коррозию Ди в < 0.01 мм/год в агрессивной среде.

Когда похоронен или погружение, Дизайнеры используют цинк или алюминиевые жертвы Для защиты без покрытия прокованных чугунных трубопроводов и фитингов.

Контроль коррозии: Покрытия, Катодная защита, и выбор материала

• Покрытия: Эпоксидная смола с высокой сборкой (200 мкм) Или распыленное пламенем цинк/алюминий Слои продлевают срок службы на морских или химическом обработке.
• Катодная защита: Впечатленные тока или жертвенные аноды поддерживают целостность чугуна чугуна в подземных или подводных установках.
• Выбор материала: В очень коррозионных условиях (pH < 3 или хлорид > 10 000 ppm), Инженеры указывают At-Alleyed становится или нержавеющая сталь вместо стандартных оценок.

6. Производственные процессы пластичного чугуна

Методы формования: Литье в песок, Формование ракушек, и инвестиционный кастинг

• Зеленый песчаный кастинг остается преобладающим методом. Файленды упаковывают кремнезый песок с глиной или химическими связями в колбы вокруг узоров.
  Песчаные формы размещают стояки, ядер, и стробирующие системы, адаптированные для текучести DI. Типичная минимальная толщина секции колеблется вокруг 6 – 8 мм Чтобы избежать усадки дефектов.
• Формование ракушек Использует песчаную смесь с нагретой смолой, нажатую вокруг нагретого металлического рисунка.
  Этот процесс дает Поверхностная отделка RA = 1–3 мкм и допуски ± 0.3 мм, по цене премии ~ 20 % над зеленым песком.
• Инвестиционное литье (Потерянный воск) облегчает тонкие секции (вплоть до 3 мм) и сложная геометрия с допусками ± 0.1 мм.
  Однако, Командова 2–3 × Стоимость эквивалентов песка, Ограничение использования до малого объема или замысловатых деталей.

Термическая обработка: Отжиг, Нормализация, Восточный отпуск (Ади)

Термическая обработка адапта:

• Отжиг: Медленное охлаждение от 900 °С до комнатной температуры производит полностью ферритную матрицу, Максимизация пластичности (~ 18 % удлинение) и обрабатываемость (400 Mpa uts).
• Нормализация: Нагревание до 900 – 920 °С За последующим воздушным охлаждением дает сбалансированную ферритную микроструктуру ферритов, предлагая UTS ≈ 450 MPA и 12 % удлинение.
• Восточный отпуск (Ади): Пластичный чугунный кастинг подвергается решению при 900 °С Растворить карбиды, затем утомить в солевую ванну в 250 – 375 °С для 1 – 4 часы.
  Это производит Bainitic Ferrite + Углеродный обогащен, сохранил аустенит структура.
  Оценки ADI варьируются от 400 МПа до 1 400 МПа ОТС, с удлинением между 2 – 12 %, и исключительная производительность усталости (выносливость ограничивается до 400 МПа).

Постобработка: Обработка, Отделка поверхности, Покрытие

• Обработка: пластичные чугунные машины, аналогичные углеродистой стали. Типичные скорости поворота для 65-45-12 Пари в 150–250 м/я с карбидным инструментом.
  Диапазон скоростей бурения 50–100 м/я. Смазка охлаждающей жидкости предотвращает встроенный край. Недостаток хлопья DI уменьшает снижение инструментов.
• Отделка поверхности:

• • Дробеструйная очистка со стальной песчаной (20–40 сетка) Удаляет песок и обеспечивает матовую отделку (Ра 2 – 5 мкм).
  • Шлифование/полировка достигает RA < 0.8 мкм для герметичных поверхностей.

• Покрытие:

• • Эпоксидное/порошковое покрытие: Депозиты пленки 50–200 мкм для защиты от коррозии в морской или промышленной среде.
  • Металлизация (Цинк или алюминий): Тепловой спрей применяет 100 – 150 мкм жертвенный слой для захороненных или погруженных.

7. Что такое пронзительный железо (Ади)

Austempered пронзительный железо (Ади) представляет собой специализированный подкласс пластичного чугуна, который предлагает исключительную комбинацию прочности, пластичность, и усталостная стойкость.

В отличие от обычного пластичного железа, который обычно имеет ферритную и перлитовую или полностью перлитическую матрицу,

Уникальная микроструктура ADI состоит из штрафа Bainitic Ferrite Plate погружен в матрицу Углеродный обогащен, сохранил аустенит.

Эта микроструктура возникает в результате трехэтапного процесса теплообработки: Решение, утомить промежуточную температуру, и Austemping.

После завершения, Auustempered пронзительный железо обеспечивает растягивающуюся силу на высоте, как 1 400 МПа (в ADI 900-650 оценка) сохранение удлинения в 2 – 5% диапазон.

Auustempered Promekile Iron Product: Решение, закалка, и Austemping

Ключевые шаги в обработке атмосферного железа включают:

1. Решение: Нагреть пластичный железо 880 – 920 °С В течение 1–2 часов для растворения карбидов и гомогенизации углерода.
2. закалка: Перенести в соленую ванну в 250 – 375 °С. Эта промежуточная температура предотвращает мартенсит.
3. Восточный отпуск: Держаться до тех пор, пока матрица не превратится в Bainitic Ferrite плюс Углеродный обогащен, сохранил аустенит- типично 1–4 часа, в зависимости от толщины секции.
4. Охлаждение: Воздух или нефть гасить до комнатной температуры, блокировка в микроструктуре Bainitic.

Auustempered Loctile Iron Microstructure: Bainitic Ferrite и обогащенный углеродом аустенит

Микроструктура ADI состоит из:

• Bainitic ферритовые иглы: Чрезвычайно тонкие α-железные лезвия ферритов, которые зародывают на границах аустенита.
• Сохранил аустенит: Обогащенные углеродом пленки аустенита, которые остаются стабильными при комнатной температуре, поглощение напряжения и повышение жесткости.

Эта комбинация передает «Трансформирование» эффект: под прикладным стрессом, сохранили аустенитные трансформации в мартенсит, локально укрепление матрицы.

Механические преимущества: Высокий баланс прочности - правильности, Усталостная устойчивость

По сравнению с нормализованным пластичным железом аналогичной композиции, Auustempered ructile Iron достигает 50% выше UTS при сохранении 2 – 5% удлинение.

Его усталостная выносливость часто превышает 400 МПа, опережать как серого железа, так и многих сплавных сталей под обратным изгибом.

Типичные применения атмосферного пронзика

Инженеры используют пиковое железо, где устойчивость к износу с высокой износом, высокая прочность, и надежная усталостная жизнь:

• Автомобильная промышленность: Шестерни, коленчатые валы, распределительные валы, и подшипники клетки.
• Сельскохозяйственная техника: Звездочки, носить тарелки, и роликовые валы.
• Масло & Газ: Суденевые инструменты, валы насоса, и компоненты клапана, требующие устойчивости к коррозии усталости.
• Горнодобывающее оборудование: Решачны, дробилка рулоны, и мельница подчиняется абразивной пыли.

8. Применение пластичного чугуна

Автомобильные компоненты: Кратчики, Шестерни, Запчасти подвески

Автопроизводители используют высокую усталость продуманности чугуна (≥ 250 МПа) и демпфирование для коленчатых валов и распределительных валов в двигателях средней даты.

Пластичные железные шестерни переносят ударную нагрузку при уменьшении шума. Управление руками и рулевыми суставами выигрывают от жесткости Ди (E ≈ 180 ГПа) и ударопрочность.

Обработка трубопровода и жидкости: Трубы, Фланцы, Насосные корпусы, Клапанские тела

Пластичные чугунные трубные системы (EN-GJS-400-15) нести питьевую воду или сточные воды при давлении до 25 бар.

Пластичные железные клапаны и фланцы сопротивляются циклическим скачкам давления. Скорости коррозии при щелочности или нейтральном pH остаются минимальными, Сделать DI рентабельным по сравнению с нержавеющей сталью во многих приложениях маршрутизации.

Сельскохозяйственное и строительное оборудование: Звездочки, Ролики, Рамки

Компоненты полевого оборудования регулярно сталкиваются с абразивными почвами и высокими механическими напряжениями.

Пронзительные чугунные звездочки и роликовые валы достигают Носить жизнь превышает 1 000 часы в тяжелых условиях,

В то время как рамы и структурные отливки минимизируют затраты на сварку и улучшают усталостную жизнь.

Энергетический сектор: Корпусы ветряных турбин, Коробки передач, Нефтяные компоненты

Высокий демпфирующий листовый чугун демонстрирует крутильные вибрации в коробках передач ветряных турбин, повышение надежности.

Коробки передач, сделанные из ADI снизить вес на 10% по сравнению со стальной и более низкой инерцией ротора.

В нефтяных месторождениях, инструменты в скважины и тела клапанов терпят коррозионные рассола, выдерживая циклическое давление до 50 МПа.

Потребительские приборы и инструменты

Проводник чугун предлагает тепловую массу и долговечность для посуды (Голландские печи, Чугунные сковороды).

Пластичные железные розетки и трубные тела поглощают удар без перерыва, продление срока службы инструмента.

9. Основные плюсы и минусы пластичного чугуна

Плюсы

Сбалансированная сила и прочность:

Пластичный железо обеспечивает растягивающую силу 400–1 000 МПа и удлинение 2–18%, достижение превосходного соотношения силы к весу.

В автомобильных приложениях, например, вес коленчатого вала может зайти 20–30% по сравнению со стальными аналогами.

Отличный износ и устойчивость к усталости:

Сфероидальные графитовые узелки минимизируют концентрации напряжений, обеспечение усталости ограничивается до 300 МПа.

Это делает пластильный железо идеальным для передач, Компоненты подвески, и другие детали под циклической нагрузкой.

Превосходная литья:

С относительно низким жидкостью 1 150–1 200 °С и хорошая плавность, пластичный железо образует сложные геометрии с минимальной усадкой (0.8–1,0%).

Затраты на кастинг и обработку пробегают 30–50% ниже чем сопоставимые стальные коляски.

Коррозия и термическая стабильность:

Графитовые узелки обеспечивают естественный барьер против коррозии. После обработки поверхности, пластичные чугунные фитинги часто длится столетие в почве или водной среде.

Он выдерживает температуру до 300 °С с низким коэффициентом термического расширения.

Экономическая эффективность:

Сырье недорого, и таяние требует относительно низкой энергии.

Современные оценки-такие как пиковое железо, подходящие высокопрочные стальные характеристики после термической обработки, Предлагая значительную общую экономию затрат.

Минусы

Плотное управление процессом:

Достижение однородных узелков требует точного контроля над Мг/что уровни и минимальный серный/кислород. Обеспечение качества увеличивает сложность и стоимость производства.

Ограниченная производительность при высоких температурах:

Выше 350 °С, Сила резко снижается, а графитовое скорлупы приводит к ползучести.

Пластичный железо не подходит для выхлопных коллекторов или других устойчивых компонентов с высоким уровнем высокого уровня.

Проблемы обработки:

Высокое содержание углерода требует отжига перед нагреванием или после пост..

Графит быстро носит инструменты, Требование карбидных резак и специализированных стратегий обработки.

Более низкая жесткость:

С модулем эластичности вокруг 160–170 ГПа (против стали ≈ 210 ГПа), пластичный чугун деформируется больше под нагрузкой. Дизайнерам часто нужны более толстые секции, чтобы компенсировать.

Воздействие на окружающую среду:

Таяние и узловая потребление значительной энергии и могут генерировать загрязнители.

Утилизация отходов должна соответствовать нормативным стандартам. В морской или кислой среде, Проводный чугун требует дополнительных защитных покрытий.

10. Сравнение с другими материалами

Когда инженеры оценивают пластичный чугун (ОТ) Для конкретного приложения, Они часто взвешивают свои свойства против свойств серого чугуна, ковкое железо, стальные сплавы, алюминий, и бронза.

Серый чугун против. Ковкий чугун

Податливое железо против. Ковкий чугун

Стальные сплавы против. Ковкий чугун

Пластичный железо против. Алюминий и бронза

Когда отдавать предпочтение пластичным чугуным

• Циклические или высокие компоненты: Сочетание прочности на растяжение (≥ 500 МПа), усталость на выносливость (≥ 200 МПа), и демпфирование делает его идеальным для коленчатые валы, шестерни, и подвесные руки.
• Сложность ближней формы: Песок или раковина листовой лифт чугун уменьшает добычи обработки на 30–50% по сравнению со сталью, Снижение общей стоимости части.
• Производство среднего объема среднего объема: Когда стальные кожи или обработанные алюминиевые понесены чрезмерные затраты, пластичный железо предлагает баланс производительности и экономики.
• Коррозионные или устойчивые к износу фитинга: С подходящими покрытиями или легированием, пластичные чугунные трубопроводы и корпусы насоса терпят десятилетия в агрессивной среде.

Когда другие материалы преобладают

• Ультра-легкие требования: В аэрокосмической шкуре, Тела электромобилей, или портативная электроника, Алюминиевые или магниевые сплавы обеспечивают непревзойденную экономию веса.
• Экстремальная коррозионная среда: Зоны брызг, Хлорированные линии процесса,
  или кислый дренаж часто требует нержавеющих сталей (например, 316, дуплекс) чьи пассивные фильмы превзошли DI, покрытые или легированные барьеры.
• Высокотемпературная услуга (> 350 °С): В турбинных компонентах или выхлопных коллекторах,
  на основе никеля суперсплавы или термостойкие стали (например, 17-4 PH) поддерживать силу, где будет пострадать в пластильный чугун.
• Максимальная прочность и сварка: Конструкционные стальные балки и покрытые трубопроводы остаются предпочтительными при ковке, сварка, или холодный формирование требует последовательного, документируемая производительность.

11. Заключение

Пластичный чугун выделяется как универсальный, Экономичный инженерный материал.

Его сфероидальный графит Микроструктура обеспечивает редкую смесь высокая прочность на растяжение, существенная пластичность, и Отличная усталостная жизнь.

Производители могут разыграть вблизи сети, Минимизировать последующую обработку, и специальные свойства посредством термообработки, В частности, в форме атмосферного пронченца железа (Ади).

Несмотря на скромную уязвимость коррозии, Втираемость прокачки железа, демпфирующая способность,

и широкий спектр стандартизированных оценок делает его незаменимым в автомобилях, трубопровод, сельскохозяйственный, энергия, и потребительские рынки.

В ЭТОТ, Мы готовы сотрудничать с вами в использовании этих передовых методов для оптимизации ваших компонентных конструкций, Материал выбор, и производственные рабочие процессы.

Обеспечение того, чтобы ваш следующий проект превышал каждый эталон производительности и устойчивости.

Свяжитесь с нами сегодня!

 

Часто задаваемые вопросы

Что отличает пластичный чугун от серого чугуна?

Пластичный чугун (ОТ) содержит сфероидальный (узловой) графит а не графит хлопья, найденный в сером железе.

Эти сферические узелки размножение тупых трещин, дает значительно более высокую прочность на растяжение (400–900 МПа) и удлинение (3–18 %) по сравнению с 200–300 МПа Grey Iron и < 2 % удлинение.

Какие соображения обработки применяются к пластичному железу?

Пластичные чугунные машины аналогично углеродистой стали, но требуют карбид инструментов Из-за его высокоуглеродных узелков.

Рекомендуемые скорости резки варьируются от 150–250 м/я, с подачами 0,1–0,3 мм/оборота.

Правильное использование охлаждающей жидкости предотвращает встроенный край. Оценки с высоким содержанием или ADI могут потребовать более медленные скорости или керамические инструменты, чтобы избежать преждевременного износа.

Как пластичный железо сравнивается в стоимости с альтернативными материалами?

• Пластичный железо против. Серый железо: Пластичный чугунный сырье стоит ~ 10–20 % выше.
  Однако, Снижение толщины стенки и обработки часто дают общую часть стоимость 20–30 % ниже критического применения.
• Сталь против. Пластичный железо: Процедуры железа часто стоят 20–50 % Меньше, чем эквивалентные стальные, или тяжелые компоненты.
• Алюминий/бронза против. Пластичный железо: Пластичный железо дешевле на кг, чем бронза (2–3 × более высокая стоимость) и, хотя тяжелее алюминия,
  предлагает гораздо большую силу, усталостная жизнь, и более низкая стоимость материала, когда вес не является основной проблемой.