延性铁与铸铁: 哪种材料至高无上?

1. 介绍

铁铸件在现代工程中起关键作用, 从汽车动力总成到市政基础设施的基础申请.

在可用的各个等级中, 延性铁与铸铁 共同考虑了全球大多数铸造.

灰铁, 具有特征性的片状石墨微观结构, 已经使用了几个世纪, 因其出色的振动阻尼和易于铸造而价值.

延性铁, 通过镁治疗于20世纪中叶开发, 将石墨变成球体结节, 赋予较高的拉伸强度, 延性, 和冲击阻力.

2. 什么是延性铁?

延性铁, 也称为 结节铸铁 或者 球形石墨铁, 是一种铸铁，其中 石墨颗粒形成球形结节 而不是薄片 (如灰色铸铁).

这种微观结构差异可显着延性铸铁 增强的机械性能-尤其 高力量, 延性, 和冲击阻力.

延性铁材料是在 1943 经过 基思·米利斯 在国际镍公司 (inco), 谁发现添加 镁 熔融铁在凝固过程中将石墨薄片转化为球形形状.

这项创新标志着冶金的革命进步, 提供一种材料 类似钢的韧性 与 铸铁的铸造.

化学组成 (典型的ASTM A536等级)

关键要素是 镁, 它是诱导石墨球面的结节剂.

铈 和 稀土金属 在某些等级中也用于控制结节化并提高一致性.

延性铁的特征

• 高拉伸强度: 通常之间 60,000 和 100,000 psi (414–690 MPA)
• 良好的产量强度: 约40,000-70,000 psi (275–483 MPA)
• 高伸长: 到 18% 取决于等级和热处理
• 影响韧性: 优于其他铸铁, 即使在低温下
• 可铸性: 出色的流动性, 适用于复杂的几何形状
• 戴阻力: 通过合金或可能提高
• 耐腐蚀性: 好的, 特别是使用富含硅的矩阵
• 疲劳强度: 循环载荷下的高耐力极限

优点 延性铁

• 优越的强度和延展性 与其他铸铁相比
• 极好的冲击力, 即使在寒冷的环境中
• 良好的可加工性 在珠光体等级
• 可以量身定制 高磨损或耐腐蚀性
• 钢的具有成本效益的替代品, 特别是整个, 复杂的铸件
• 高可靠性 在结构和压力分量中
• 良好的疲劳性能 用于循环加载应用

缺点 延性铁

• 比灰色铸铁更昂贵 由于合金和过程控制
• 较低的振动阻尼 比灰色铸铁
• 需要精确的控制 冶金 (镁褪色, 结节性控制)
• 中等腐蚀性 在侵略性环境中没有涂料
• 略低的可加工性 比由于结节石墨和较硬的基质相而不是灰铁

3. 什么是铸铁?

铸铁是一组铁碳合金，碳含量大于 2%, 通常之间 2.5–4.0％, 以及不同的数量 硅, 锰, 和跟踪元素.

与延性铁不同, 铸铁通常包含石墨 薄片或不规则形式, 赋予它独特的特性 脆性, 出色的铸造性, 和 高阻尼容量.

历史上, 铸铁可以追溯到 公元前5世纪的中国, 但是它在欧洲变得广泛 14第18世纪 随着爆炸炉的发展.

它的用法在 工业革命, 成为 桥梁, 机器, 铁路, 和 水基础设施 由于其易于铸造和低成本.

化学组成 (典型的范围)

铸铁类型 & 起源

铸铁不是一种材料，而是具有不同微观结构的合金家族, 每个提供独特的属性:

1. 灰色铸铁

• • 石墨显示为 薄片
  • 最常见的类型; 用于发动机块, 住房, 和炊具
  • 出色的 减震 和 可加工性, 但是脆弱

2. 白色铸铁

• • 没有石墨; 碳存在为 水泥岩 (fe₃c)
  • 极其 坚硬而脆弱
  • 用于 耐磨 磨坊衬里和射击设备等应用

3. 可延展的铸铁

• • 热处理的白铁形成 温度碳结节
  • 改进 延性 和 韧性 用灰铁
  • 在管道配件和小型铸件中常见

4. 压实石墨铁 (CGI)

• • 石墨在 斑点 (像蠕虫一样) 形式
  • 将比灰铁与更高的阻尼相结合的强度比延性铁更好
  • 广泛用于现代 柴油发动机块

铸铁的特征

• 高铸造性: 低熔点 (大约. 1,200–1,300°C) 和出色的流动性
• 良好的耐磨性: 特别是在硬相白铁中
• 出色的阻尼能力: 机器振动控制的理想
• 脆性: 大多数类型的低冲击强度和断裂韧性
• 耐腐蚀性: 缓和; 通过涂料或合金改进
• 导热率: 灰铁高 (到 55 w/m·k), 使其适用于炊具和发动机块

铸铁的优点

• 经济 并广泛使用
• 高抗压强度
• 出色的铸造性 用于复杂形状
• 上振动阻尼 (特别是灰铁)
• 良好的热特性 用于供热应用
• 可加工性 由于石墨薄片，在灰铁中非常出色

cast

• 低延展性 和 脆性 在大多数类型中 (特别是灰色和白铁)
• 抗冲击力不良
• 可焊性是有限的, 通常需要预热和焊接后热处理
• 降低拉伸强度 与钢或延性铁相比
• 容易破裂 在动态或冲击负荷下

4. 延性铁与机械性能. 铸铁

5. 热的 & 延性铁的物理特性. 铸铁

6. 延性铁与加工. 铸铁

铸造是延性铸铁和传统铸铁的最普遍的制造方法.

然而, 它们的冶金特征决定了不同的处理路线, 复杂程度, 以及适合特定铸造技术的适用性.

铁合金的常见铸造方法

熔化和炉子练习

可以使用延性铁和灰色铸铁。:

• 冲天炉: 传统且具有成本效益的大量, 但是对化学的精确控制较少.
• 感应炉: 现在广泛用于延性铸铁; 提供高的热效率和精确的温度/成分控制 - 镁治疗至关重要.

石墨形态控制

• 延性铁:

• • 需要 结节, 通常使用 镁, 铈, 或者 稀土合金, 将薄片石墨转化为球形结节.
  • 接种 使用铁硅硅在结节后是必要的，以促进石墨形成均匀的石墨形成并抑制碳化物.

• 灰色铸铁:

• • 仅有的 接种 需要确保均匀的薄片石墨.
  • 形成石墨薄片的自然趋势可以简化处理.

热处理选择

7. 腐蚀 & 环境阻力

氧化行为和耐腐蚀性

延性铁:

由于其石墨结节嵌入铁素体或珠光体基质中, 延性铁通常比传统的灰色铸铁表现出更好的耐腐蚀性.

与铸铁中的薄片相比.

此外, 延性铁通常包含合金元素，例如镍, 铜, 或增强抗氧化和一般腐蚀性的铬.

铸铁 (灰铁):

灰色铸铁, 及其特征性的片状石墨结构, 由于石墨片会产生微 - 谷化细胞，因此更容易受到腐蚀, 加速局部腐蚀, 特别是在潮湿或酸性环境中.

薄片石墨还促进了腐蚀剂的穿透更深的材料, 引起点蚀和表面降解.

环境抵抗和涂料

当暴露于侵略性环境（例如盐水）时, 工业气氛, 或酸性土壤. 提高其耐用性:

• 保护涂料:
  环氧涂层, 镀锌, 和油漆系统广泛应用于铁铸件以抑制腐蚀.
  延性铁成分通常由于在关键基础设施（如水和污水管道）中使用而获得优质的涂料处理.
• 衬里和阴极保护:
  用于管道和阀门, 聚合物衬里 (例如。, 环氧树脂, 聚乙烯) 阴极保护系统是通过降低直接接触腐蚀性媒体来延长服务寿命的常见实践.

8. 可加工性 & 延性铁与. 铸铁

在铸铁与延性铁之间选择时，制造和可加工特性是关键因素, 影响制造效率, 工具穿, 表面质量, 和整体生产成本.

可加工性

延性铁:

与传统的灰色铸铁相比，延性铁通常具有更好的可加工性.

结节石墨结构降低了脆性, 在切割操作过程中，导致工具磨损较少，芯片形成更光滑.

延性铁的矩阵 (通常是铁素体或珠光体) 可以通过热处理控制, 允许硬度和可加工性之间保持平衡.

然而, 与灰铁相比，其较高的拉伸强度意味着加工参数通常需要调整, 例如增加切割力和优化的工具材料.

灰色铸铁:

由于存在薄片，灰铸铁被认为是最简单的铁材料之一, 在切割过程中，它是天然润滑剂.

这会大大减少切割力和工具的磨损.

然而, 灰铁的脆性意味着它会产生不规则的芯片并可能导致表面缺陷，例如微裂纹或边缘碎裂，如果无法正确处理.

与延性铁相比，表面饰面往往更粗糙.

工具磨损和芯片形成

• 在 延性铁, 加工产生更长的时间, 连续芯片由于较难的矩阵和结节石墨, 需要适当的芯片撤离以防止工具堵塞和过热.
  碳化物或涂层工具通常用于延长工具寿命.
• 在 灰色铸铁, 石墨薄片有助于碎屑分解成较小的细分市场, 减少热量产生和延长工具寿命.
  这会导致某些操作中的工具变化较低，生产率更高.

表面饰面和手术后治疗

• 延性铁:
  由于其微观结构和更坚固的矩阵, 延性铁通常可以达到优越的表面表面和尺寸精度.
  诸如研磨之类的手术后治疗, 抛光, 和涂层通常用于增强耐腐蚀性和磨损特性.
• 灰色铸铁:
  而灰色铸铁机很容易, 它的表面饰面通常更粗糙, 需要额外的整理过程，以要求需要紧密公差或光滑表面的应用程序.
  多孔石墨还会导致表面粗糙度增加和潜在的孔隙率问题.

焊接和加入注意事项

• 延性铁:
  可以使用各种方法（例如MIG）有效地焊接延性铁, 提格, 或氧乙炔焊接.
  其结节石墨结构降低了开裂的敏感性, 但是通常建议进行预热和焊后的热处理以最大程度地减少残余应力并保持机械性能.
• 灰色铸铁:
  焊接灰铸铁由于其高碳含量和薄片石墨而具有挑战性, 这使它容易破裂和扭曲.
  专门的焊接程序, 包括预热和控制冷却, 是必要的.
  经常, 悬挂或机械固化是灰色铸铁组件的首选连接技术.

9. 延性铁与铸铁的应用

铸铁与延性铁之间的选择显着影响性能, 耐用性, 以及各个行业组成部分的成本效益.

延性铁的施用 (和延伸延性铁)

• 汽车行业: 悬架零件, 曲轴, 齿轮, 发动机块, 连杆
• 水和污水基础设施: 管道, 配件, 阀, 人孔盖
• 重型机械: 齿轮, 飞轮, 泵 住房, 压缩机组件
• 农业设备: 拖拉机零件, 耕种, 重型组件

铸铁的应用 (灰色的, 白色的, 可延展)

• 汽车行业: 发动机块, 气缸盖, 制动鼓和碟片
• 建筑和城市基础设施: 人孔盖, 排水组件, 建筑要素
• 工业机械: 机器基础, 帧, 住房
• 家用电器: 炊具, 炉子零件, 壁炉组件

10. 延性铁与铸铁的全面比较

延性铁和铸铁是工程中两种广泛使用的铁基材料, 每个提供适合不同应用的不同属性.

11. 结论

延性铁和灰色铸铁每种都提供了由石墨形态和产生的微观结构驱动的明显优势.

延性铁 擅长力量, 延性, 和疲劳生活 - 高应激和动态应用的理想,

灰色铸铁 振动阻尼时仍然是首选的材料, 成本效益, 易于加工至关重要.

通过了解这些交易 - 并利用机械数据, 热的, 和制造特性 - 工程师可以使知情, 特定应用的物质决策.

常见问题解答

延性铁和铸铁之间的主要区别是什么?

主要区别在于它们的微观结构和机械性能.

延性铁含有球形石墨结节，可提供更高的延展性, 韧性, 和力量, 而铸铁通常具有薄片石墨, 这使其更易碎，延性.

延性铁和铸铁如何与可加工性相比?

铸铁通常由于其脆性和石墨结构而提供更好的可加工性, 使剪切更容易.

延性铁, 更坚强, 需要更多强大的工具和加工技术.

可以对延性铁进行热处理?

是的, 延性铁可以接受各种热处理, 例如退火和奥斯特普, 增强其机械性能, 包括力量和韧性.

可以延性铁回收?

是的, 延性铁和铸铁都是可回收材料，通常被重新融化用于生产新的铸件, 为可持续制造实践做出贡献.

更好, 铸铁或延性铁?

延性铁通常更好, 韧性, 和冲击阻力, 铸铁对成本效益和可加工性更好. 选择取决于应用程序.

延性铁比铸铁贵?

是的, 延性铁通常由于其合金元素而成本更高, 处理要求, 和优越的机械性能.

铸铁和延性铁阀体有什么区别?

铸铁体有石墨片, 使其变脆，延性, 延性铁体具有球形石墨结节，可提供更大的强度, 灵活性, 和韧性.