常见的延性铁铸造方法

1. 介绍

延性铁（也称为球形或结节石墨铁）是一种铸造合金，以结合高拉伸强度, 延性, 和抗疲劳性.

具有球形石墨结节，而不是灰铁中的脆性薄片, 延性铁桥铸钢与传统铸铁之间的缝隙.

本文研究了普遍的铸造方法, 壳模, 永久模具, 离心, 投资, 和连续的铸造 - 高明他们的原则, 过程参数, 机械结果, 和行业相关性.

2. 什么是延性铁?

延性铁, 也称为 结节铸铁 或者 球形石墨铁 (SG铁), 是一种铸铁，其特征是存在 球形石墨结节 在微观结构中.

与传统不同 灰色铸铁, 其中包含引起脆性和低拉伸强度的薄片石墨, 延性铁的圆形石墨形态大大增强 机械性能 例如 延性, 韧性, 和 疲劳性抗性.

冶金基本面

延性铁的性能的核心是精心控制的化学和冶金过程. 关键点包括:

• 石墨形状控制: 延性铁的定义特征是 球形形式的石墨, 通过添加少量 镁 (毫克) - 五十亿美元的0.03–0.05％ - 在铸造之前熔融铁.
  镁将石墨从薄片变为结节.
• 接种: 镁处理后, 接种剂 (通常包含铁硅, 钙, 和稀土) 添加以增强 石墨成核, 增加结节计数和均匀性.
• 固化行为: 必须管理从液体到固体的转化，以避免出现缺陷 收缩孔隙度, 厚实的石墨, 或者 碳化物形成.
  冷却速率和霉菌设计直接影响结节形状和计数.

3. 延性铁砂铸件

沙子铸造 是延性铁的最广泛使用的方法, 占全球生产的约70％.

它的多功能性 - 适合生产零件 0.5 公斤到 50 吨 - 对于小部件和大型基础设施，它都必须提供必不可少的.

过程概述

• 霉菌准备: 沙 (二氧化硅或橄榄石) 与粘土结合 (绿沙) 或树脂 (无烤, 冷盒) 形成模具.
  模式 (木头, 金属, 或3D打印) 创建与零件形状相匹配的空腔, 与核心 (沙子或陶瓷) 用于内部功能.
• 浇注: 熔融延性铁 (1300–1350°C), 用镁/石处理用于结节, 被倒入模具.
  沙子的低导热率减慢了冷却, 允许石墨结节均匀形成.
• 凝固: 控制冷却 (5–20°C/min) 确保石墨球体化; 立管 (额外的金属储层) 补偿3–5％的体积收缩.
• 摇晃和完成: 模具破裂了, 和零件清洁, 修剪, 和热处理 (如果需要).

模具材料, 粘合剂, 和核心实践

• 绿沙: 最常见的是高体积生产. 使用二氧化硅砂与膨润土粘土和水混合. 具有成本效益且可回收.
• 没有烘烤沙子 (树脂键): 用于较大的铸件或更好的维度精度. 沙子与酚类或呋喃树脂粘合, 化学固化.
• 内核: 使用冷盒或壳核方法制作来创建复杂的内部空腔. 需要通风以避免气体缺陷.

截面厚度, 表面饰面, 和公差

延性铁砂的优势

• 多功能性: 适用于小精密零件和大型结构铸件.
• 低工具成本: 图案成本通常从 $500 到 $5,000, 实现经济的短期和中等跑步.
• 物质灵活性: 与所有等级的延性铁兼容, 包括铁素体, 珍珠质, 和Austemper的变体.
• 结节控制: 砂霉的冷却相对较慢，可以形成均匀的结节, 对于实现目标伸长和韧性至关重要.

延性铁砂的局限性

• 表面粗糙度: 与外壳模具或投资铸造相比，更粗糙的饰面. 可能需要加工以密封表面或良好的拟合.
• 气孔质风险: 特别是在绿色沙子中，如果水分和排气未正确控制.
• 尺寸变异性: 沙子的热膨胀和缺乏刚性模具壁可能会导致高精度零件的微小漂移.

延性铁砂铸造的常见应用

• 汽车组件: 悬架武器, 制动卡钳, 差分外壳.
• 市政基础设施: 人孔盖, 排水炉子, 水管配件.
• 机械: 变速箱, 轴承帽, 压缩机外壳, 泵主体.
• 能源和公用事业: 风力涡轮机轮毂, 发电机外壳, 阀体.

4. 延性铁壳铸造

壳模, 也称为 外壳成型, 是使用的精确沙子铸造过程 树脂涂层的沙子 生产具有尺寸精确的延性铁成分 上表面饰面 和 紧张的公差.

它特别适合 中型组件 这需要增强的细节和一致的性能 - 在铸造的灵活性与金属模具的尺寸控制之间取得平衡.

过程概述

延性铁的壳模铸造过程包括以下主要步骤:

• 图案加热: 金属图案 (通常是钢) 加热至200–300°C.
• 沙子应用: 预先涂层的树脂键二氧化硅砂在热图案上吹了, 使树脂部分治愈并形成3-10毫米厚的壳.
• 壳形成: 部分固化的外壳在烤箱中进一步加固或通过持续加热图案.
  准备了两半.
• 核心位置 (如果需要): 使用预制的沙子或陶瓷芯创建空心特征.
• 浇注: 熔融延性铁 (〜1350°C), 用镁预处理并接种, 倒入壳模.
• 凝固: 由于薄的霉菌壁引起的快速而均匀的冷却导致细小的石墨结节和密集的微观结构.
• 拆除外壳和整理: 冷却后, 脆弱的外壳很容易破裂, 揭示具有出色表面质量的铸件.

树脂涂层的沙子特征

外壳成型中使用的沙子通常是 高纯二氧化硅砂, 涂有一个 酚醛树脂粘合剂:

• 粒度: 细和球形, 通常是AFS 50–70, 有助于实现优越的表面饰面.
• 热稳定性: 涂层可防止高金属温度下的沙融合.
• 壳厚度: 通常范围从 3 毫米 (薄壁) 到 10 毫米 (用于更大的铸件).

这种沙子是一次性的, 与绿沙不同, 但提供 更高的维度准确性和表面定义.

热控制益处

壳模铸造可提供出色的热一致性:

• 均匀的外壳厚度: 可预测的冷却速率增强了石墨球状化.
• 低霉菌变形: 刚性外壳墙减少了失真的机会, 确保高维重复性.
• 清洁表面反应: 与绿沙相比，汽油产生较少, 导致孔隙率缺陷和上级微观结构较少.

表面质量, 准确性, 和成本权衡

延性铁壳铸造的典型用例

由于其详细的功能和可靠的微观结构, 壳模铸件通常用于:

• 汽车: 齿轮载体, 曲轴支架, 变速箱盖.
• 农业: 精密变速箱外壳, 离合器杠杆.
• 工业机械: 液压阀体, 工具框架.
• 通用工程: 括号, y, 和法兰需要低孔隙率和高稠度.

5. 延性铁失去泡沫铸件

丢失的泡沫铸件 (LFC) 产生带有复杂几何形状的近网状延性铁零件, 消除对核心或霉菌分解的需求.

它是具有复杂内部通道或不规则形状的零件的理想选择.

过程概述

• 图案创建: 可扩展的聚苯乙烯 (EPS) 泡沫被模制成零件的形状, 具有内部功能的泡沫芯.
  模式组装成簇 (例如。, 4–6个引擎块).
• 涂料和回填: 图案浸入耐火材料涂层中 (陶瓷或石墨) 形成0.5–2毫米壳, 然后放在烧瓶中，被无基的沙子包围 (振动至紧凑).
• 浇注: 熔融延性铁 (1320–1380°C) 被倒入泡沫图案中, 蒸发 (EPS→CO₂ + h₂o) 并被金属置换.
  难治性涂层可防止砂浸润.
• 固化和震动: 金属在沙子周围固化, 在摇晃之后被回收.

延性铁损失泡沫铸造的优势

• 复杂: 产生底切的零件, 薄壁 (≥3毫米), 和内部段落 (例如。, 带有集成油画廊的发动机块) 铸造是不可能的.
• 物质效率: 近网状零件将材料浪费减少40-60％与. 沙子铸造.
• 减少组装: 通过将多个组件集成到一个铸件中，消除了10-20％的紧固件.

延性铁失去泡沫铸造的局限性

• 模式成本: EPS工具 ($10,000 - $ 50,000) 高于沙模式, 需要数量 >5,000 单位摊销.
• 孔隙率风险: 泡沫蒸发会捕获气体, 需要仔细的排气和倾泻率.

延性铁损失泡沫铸造的应用

• 汽车: 气缸盖, 进气歧管, 和传输案例.
• 重型机械: 具有复杂内部油路的液压阀体 (石油通道).

6. 延性铁金属霉 (永久模具) 铸件

金属模具铸造, 也称为 永久模具铸件, 是使用耐用的钢或铸铁模具而不是可消耗的沙子的方法.

为了 延性铁, 这个过程提供了极好的 维度的准确性, 表面饰面, 和 机械性能,

非常适合要求的应用 高稠度, 中度到高卷, 和 紧张的公差.

重力与. 低压金属模具铸造

延性铁金属模具铸件中有两种常见的填充方法:

• 重力填充: 在重力下将熔融延展的铁倒入模具中. 它简单且广泛用于小型零件.
• 低压填充: 受控压力系统迫使金属进入模具.
  这样可以确保更顺畅, 更快的填充和最小化湍流 - 减少氧化物和孔隙率缺陷.

霉菌合金, 预热, 和润滑剂

• 模具材料: 模具通常是由 高强度工具钢 或者 冷冻铸铁. 它们经过设计以承受重复的热循环.
• 预热: 模具被预热至 200–350°C 倒入以减少热冲击并确保持续冷却.
• 润滑: 石墨-, 硝酸硼, 或将基于氧化锆的涂料应用于霉菌腔以防止粘贴, 援助释放, 和控制表面饰面.

霉菌寿命通常从 10,000 到 100,000 镜头, 取决于合金温度, 模具冷却, 和维护实践.

微结构效应: 更快的冷却, 细矩阵

永久模具提供 冷却速度更快 (20-50°C/min) 比沙模, 显着影响延性铁的微观结构:

• 石墨结节细化: 更均匀，更细的石墨结节 (〜80–120结节/mm²与. 30–50在沙子铸造中).
• 矩阵结构: 由于快速凝固，更多的珠光体或精细铁质铜板基质, 增强力量.
• 提高密度: 更快的冷却还会降低收缩和气体孔隙率.

周期时间, 工具成本, 和数量经济学

• 周期: 通常 1.5–5分钟, 取决于零件尺寸和冷却系统.
• 工具成本: 最初的死本成本明显高于沙子铸造 - 从 $30,000 到 $150,000.
• 每部分费用: 当生产超过生产时会变得经济 10,000 单位/年. 长期生产标准化零件的理想选择.

延性铁永久模具的应用

此方法在需要的行业中受到青睐 严格的尺寸控制, 可重复的机械性能, 和 低表面孔隙率:

• 汽车组件: 制动卡钳, 转向指关节, 控制臂.
• 液压和气动: 泵外壳, 液压缸的末端.
• 动力总成系统: 变速箱, 差异病例, 离合器组件.
• 工业机械: 轴承外壳, 电动机支架, 和旋转部件.

7. 延性铁离心铸造

离心铸件 是一个专门的铸造过程，将熔融的延性铁倒入旋转模具中, 使用离心力均匀分配金属.

此方法非常适合 旋转对称零件, 例如管道, 衬套, 衬里, 和袖子.

它与 特殊密度, 结构完整性, 和 机械性能, 使其成为压力压力或关键磨损应用的首选技术.

过程概述

• 霉菌设置: 圆柱模具 (钢或铸铁) 以500–3000 rpm旋转 (较小直径的较高速度).
• 浇注: 熔融延性铁倒入旋转模具中, 离心力在霉菌壁上均匀分布金属, 将杂质推向中心 (稍后加工).
• 凝固: 旋转会产生径向温度梯度, 与外层 (接触模具) 冷却最快, 形成密集, 细粒结构.
  石墨结节径向对齐, 增强力量.
• 变体: 水平离心铸造 (用于长管) 和垂直离心铸造 (对于短圆柱，例如轴承袖子).

延性铁的优势 离心铸件

• 密度和强度: 离心力消除了孔隙率, 实现 99.9% 密度.
  拉伸强度比砂延延性铁高10–15％ (例如。, EN-GJS-600-3达到 650 MPA).
• 物质节省: 不需要立管, 将金属消耗降低10-20％.
• 均匀的壁厚: 对于压力管的关键 (例如。, 带有10–50毫米墙的水管).

限制 延性铁 离心铸件

虽然对特定几何形状有利, 离心铸造有限:

• 几何限制: 仅适用于轴对称形状 (例如。, 气缸, 戒指, 衬套).
• 高资本成本: 需要专门的旋转设备和模具系统.
• 需要加工: 内表面 (无聊) 通常需要大量的加工以去除隔离金属并实现尺寸精度.
• 有限的核心使用: 在没有次级处理的情况下，难以形成复杂的内部几何形状或空心特征.

延性铁离心铸件的应用

由于他们 高力量, 维稳定性, 和 戴阻力, 离心铸造的延性铁零件用于:

• 市政 & 工业管道

• • 水和污水管 (DN80-DN2600) 压力等级至 40 酒吧
  • 采矿和石化植物中的高压管道系统

• 汽车和铁轨

• • 气缸衬里, 制动转子, 和飞轮
  • 轮毂和轴袖

• 重型机械

• • 液压缸, 金属厂卷, 和衬套
  • 离心泵套管和衬里

• 活力 & 海军陆战队

• • 风力涡轮轴, 发电机套筒, 和海洋螺旋桨住房

8. 延性铁投资铸造

投资铸造, 也称为 失去蜡铸, 是一种高精度铸造方法, 紧张的公差, 和出色的表面饰面.

虽然更常用于钢和超级合金, 投资铸造 延性铁 在航空航天中获得关注, 阀制造, 和医学工程, 部分完整性, 表面质量, 尺寸控制至关重要.

过程概述

• 图案创建: 蜡 (或3D打印的聚合物) 被注入金属模具以形成模式, 组装成树木 (每棵树多个零件).
• 炮弹建筑: 图案浸入陶瓷泥浆中 (二氧化硅或氧化铝) 并涂有灰泥 (融合二氧化硅) 建造5–10毫米外壳. 重复5-8次, 然后干燥.
• 脱蜡和射击: 将壳加热至800–1000°C以融化蜡 (回收) 并硬化陶瓷.
• 倒入和凝固: 熔融延性铁 (1350–1400°C) 被倒入热壳中, 促进流动性和精细的微观结构 (结节 <30 μm).
• 精加工: 贝壳被拆除, 零件从树上切下, 热处理, 并加工了 (如果需要).

可实现的公差和表面饰面

投资铸造以维度和表面精度出色:

成本和交货时间考虑

延性铁投资的应用

延性铁投资铸件用于苛刻的应用，在这种应用中，性能和精确度超过了成本问题:

航天 & 防御

• 括号, 安装臂, 和无人机的结构框架
• 燃油系统歧管和精密外壳

阀 & 流体控制

• 阀体和具有复杂流动路径的内部组件
• 执行臂的执行臂紧密的公差

医疗的 & 光学设备

• 成像设备外壳
• 需要的组件 生物相容性涂料 和精美的功能

机器人技术 & 自动化

• 传感器支架和武器末端工具
• 低质量结构元素具有高疲劳寿命

9. 延性铁连续和反重力铸造:

连续和反对重力铸造方法代表旨在提高产量的高级铸造技术, 控制微观结构, 并减少延性铁的缺陷.

虽然不如传统沙子或永久性模具铸造常见, 这些方法对于生产具有一致质量和降低的废料率的管状和复杂结构部件变得重要.

过程原理 (永久模具和受控填充)

• 连续铸造: 熔融延性铁稳步倒入水冷中, 永久模具或连续或半连续移动的铜模具, 提取固体链或管.
  这个过程允许长期生产近网, 例如管道和杆, 通过固化金属，它可以通过模具前进.
• 反对重力铸造: 在这种方法中, 通过真空或压力差，将铁从下部储层从较低的储层中向上拉入模具.
  这种控制的填充降低了湍流, 最大程度地减少氧化诱捕, 并改善霉菌填充质量.
  该过程经常使用永久模具, 陶瓷模具, 或耐火衬里的模具，旨在高温电导率和冷却速率的精确控制.

产量的优势, 减少废料, 和微观结构

挑战 (设备复杂性, 规模)

• 高资本投资: 连续和反对重力铸造的设备，例如真空系统, 水冷模具, 和精确的温度控制 - 要求高额前期成本.
• 复杂的过程控制: 达到稳定的填充率, 适当的金属温度, 一致的接种需要复杂的监控和熟练的操作员.
• 尺寸和几何限制: 通常适合 长管状形状 (管道, 杆) 或中型结构部分. 使用这些方法很难施放具有内部空腔的复杂几何形状.
• 维护和霉菌磨损: 永久模具和冷却系统需要定期维护以维持铸造质量并避免停机时间.

例子: 管制造和大型结构零件

• 延性铁管: 连续铸造广泛用于生产具有一致壁厚的高质量水和污水管道, 精细的微观结构, 和出色的机械性能, 匹配标准，例如en 545 或ISO 2531.
• 结构成分: 中型管状和梁状结构部件, 通常用于汽车框架或建筑机械, 受益于减少加工和更好的材料利用.
• 液压缸和衬里: 反重力铸造可产生具有出色内部表面饰面和尺寸精度的组件, 密封和耐磨性至关重要.

10. 后播种治疗 & 延性铁铸件的质量控制

延性铁铸件经历了一系列 铸造后治疗和质量保证步骤 满足严格的机械, 尺寸, 和表面财产要求.

这些过程对于确保铸件组件符合汽车等关键应用中的指定性能标准至关重要, 基础设施, 机械, 和压力系统.

热处理

可以通过针对应用程序量身定制的热处理来显着增强或修改延性铁的微观结构和机械性能.

完成过程

铸造后精加工对于去除多余的材料至关重要, 提高表面质量, 并准备加工或最终使用的铸件.

• 润滑脂 & 研磨: 拆除大门, 立管, 和使用锯的闪光灯, 研磨者, 或CNC工具.
• 射击: 使用高速金属射击清洁表面, 改善油漆/涂料粘附.
• 加工: CNC铣削, 转身, 钻孔, 无聊以实现最终的公差和尺寸.
• Deburring & 表面平滑: 特别对于密封面或交配表面至关重要.

表面处理

表面处理延长了延性铁成分的使用寿命并提高其对腐蚀的耐药性, 穿, 和环境条件.

无损测试 (NDT)

确保内部和表面完整性, 特别是在关键安全申请中, 使用各种NDT技术评估延性铁铸件:

11. 延性铁铸造方法的比较

12. 过程选择标准

• 几何学 & 尺寸: 复杂形状可能需要投资或丢失泡沫方法.
• 机械要求: 高强度有利于离心机, 永久成型; 疲劳关键偏爱投资.
• 表面 & 容忍需求: 更紧密的规格要求永久或投资铸造.
• 体积 & 成本: 沙子铸造最适合低容量; 永久模具西装高量运行.
• 环境因素: 考虑模具材料, 排放, 和难治性废物.

13. 结论

最佳的延性铁铸造方法取决于平衡几何形状, 机械要求, 完成质量, 和成本.

了解每个过程的微观结构结果，可确保工程师可以选择最佳方法, 无论是沙子铸造的多功能性还是投资的精度和离心铸件.

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常见问题解答

为什么选择延性铁代替灰铁或钢?

延性铁提供了极好的强度, 延性, 可加工性, 和成本效率 - 高压力铸件组件的理想.

通过铸造方法接种会有所不同?

是的. 诸如永久模具之类的更快冷却方法需要更剧烈的接种才能发展结节; 沙子铸造更宽容.

投资铸件可以匹配沙子铸造强度?

是的，尽管尺寸较小, 精细的微观结构可以提供相等或更好的机械性能.