1. 介绍
Sand Casting为Iron Foundry行业提供了几个世纪的动力, 以相对较低的成本启用复杂几何形状的生产.
最近, 压实石墨铁 (CGI) - 也称为 果皮石墨铁 - 出现是一种材料，弥合了传统的灰色铸铁和延性铁之间的缝隙.
通过结合两者的理想特性, 与灰铁相比，CGI具有更高的拉伸强度和导热率, 与延性等级相比，保持卓越的铸性和阻尼.
在本文中, 我们检查 “什么是CGI的沙子铸造?透明 通过冶金, 加工, 机械的, 和经济镜头.
我们的目标是为铸造工程师提供全面而实用的资源, 设计专业人士, 以及有兴趣利用CGI福利的材料研究人员.
2. 压实石墨铁 (CGI): 冶金和特性
压实 (斑点) 石墨铁 (CGI) 占据灰铁和延性铁之间的中间位置:
它独特的石墨形态产生了强度的结合, 刚性, 在其他铸铁中无法实现的热特性.
石墨形态: 从灰色到延性再到CGI
铸铁中的石墨出现在三种主要形态中. 每个都会影响机械和热行为:
- 灰铁: 薄片石墨提供了振动下的裂纹抛弃行为，但限制了拉伸特性.
- CGI: 斑纹石墨看起来很短, 紧凑的“蠕虫” (紧凑型因子≥ 60 %), 增强强度和电导率，同时保留可接受的阻尼.
- 延性铁: 石墨几乎是完美的结节; 与CGI相比，这可以最大化延展性，但减少了阻尼和热传导.
化学成分和合金元素
化学, CGI类似于延性铁，但需要对某些元素进行更严格的控制, 特别是镁和硫, 达到所需的绿色石墨形式.
典型的目标组成 (EN-GJV-450-12) 出现在下面:
| 元素 | 典型范围 (wt %) | 角色 / 影响 |
|---|---|---|
| 碳 (c) | 3.4 - 3.8 | 提供石墨形成潜力; 多余的C可能导致碳化物. |
| 硅 (和) | 2.0 - 3.0 | 促进石墨沉淀; 平衡铁氧体/珠光体比. |
| 锰 (Mn) | 0.10 - 0.50 | 控制硫化物并完善谷物; 过多的MN绑起来C, 冒着碳化物形成的风险. |
| 磷 (p) | ≤ 0.20 | 杂质; 可以增加流动性，但会降低韧性 > 0.10 %. |
| 硫 (s) | ≤ 0.01 | 必须很小才能防止MGS形成, 会抑制绿色石墨成核. |
镁 (毫克) |
0.03 - 0.06 | 对斑点石墨至关重要; 毫克太少会产生灰铁, 太多产生球形石墨 (延性铁). |
| 铈 / 关于 (CE) | 0.005 - 0.015 | 充当结节剂/修饰符 - 果皮石墨并稳定在过度接种或不一致的冷却. |
| 铜 (铜) | 0.2 - 0.8 | 增加力量和硬度; 高 (> 1 %) 可以促进碳化物. |
镍 (在) |
≤ 0.5 | 改善韧性和耐腐蚀性; 除非需要特定的性能，否则通常出于成本原因而省略. |
| 钼 (莫) | ≤ 0.2 | 抑制碳化物形成; 有助于维持具有均匀石墨分布的铁素体 - 斑型基质. |
| 铁 (铁) | 平衡 | 碱金属; 携带所有合金添加并确定总体金属性能. |
关键点:
- 维护 之间 0.035 % 和 0.055 % (± 0.005 %) 是必不可少的; 落在此窗口外移动石墨形态.
- 硫 必须保持极低 (< 0.01 %)-甚至 0.015 % S可以将MG绑起来为mg, 防止斑纹石墨形成.
- 硅 上面的水平 2.5 % 鼓励石墨薄片生长和更铁素质的基质, 提高导热率，但如果过高的话，可能会降低强度.
微观结构: 铁素体/珠光体基质中的斑纹石墨
CGI的ASCAST微观结构取决于凝固率, 接种, 和最终的热处理. 典型功能包括:
| 微观结构特征 | 描述 | 控制参数 |
|---|---|---|
| 果皮石墨片 | 石墨薄片带有圆形末端; 长宽比〜 2:1–4:1; 紧凑度≥ 60 %. | mg/re内容, 接种强度, 冷却速率 (0.5–2°C/s) |
| 铁素体基质 | 主要用最小碳化物的α-铁; 产生高热电导率. | 缓慢冷却或播后标准化 |
| 珠光体基质 | 铁矿和水泥岩的交替薄片 (〜20–40 % 珠光体); 增加力量和硬度. | 更快的冷却, 中等CU/MO添加 |
| 碳化物 (fe₃c, m₇c₃) | 如果存在很大的数量; 降低延展性和可加工性. | 过多的SI或过度冷却; 接种不足 |
| 接种颗粒 | 添加了铁硅, 铁碳硅硅, 或基于稀土的接种剂创建用于果皮石墨的成核位点. | 接种剂的类型和数量 (0.6–1.0 kg/t) |
- 矩阵控制: 一个 铁素体基质 (≥ 60 % 铁矿) 产生导热率 40–45 w/m·k,
尽管 铁素体 - 石胶混合物 (30 % - 40 % 珠光体) 将屈服强度推到 250 - 300 MPA 没有过多的互惠. - 果皮石墨结节计数: 目标 100 - 200 斑点薄片/mm² 在第〜 10 毫米厚. 较低的计数降低了强度; 较高的计数风险过渡到结节性.
机械性能 (力量, 刚性, 疲劳)
CGI的机械特性结合了强度, 刚性, 和中等延展性. 代表性值 (EN-GJV-450-12, 归一化) 出现在下面:
| 财产 | 典型范围 | 比较基准 |
|---|---|---|
| 抗拉强度 (UTS) | 400 - 450 MPA | 〜 50 % 高于灰铁 (200 - 300 MPA) |
| 产生强度 (0.2 % 抵消) | 250 - 300 MPA | 〜 60 % 高于灰铁 (120 - 200 MPA) |
| 休息时伸长 (一个 %) | 3 - 5 % | 灰铁之间的中间 (0 - 2 %) 和延性铁 (10 - 18 %) |
| 弹性模量 (e) | 170 - 180 GPA | 〜 50 % 高于灰铁 (100 - 120 GPA) |
| 硬度 (Brinell HB) | 110 - 200 HB (矩阵依赖性) | 铁素体CGI: 110 - 130 HB; 珍珠岩CGI: 175 - 200 HB |
| 疲劳强度 (旋转弯曲) | 175 - 200 MPA | 〜 20 - 30 % 高于灰铁 (135 - 150 MPA) |
| 影响韧性 (charpy v -notch @ 20 °C) | 6 - 10 j | 比灰铁更好 (〜4–5 j), 在延性铁之下 (10–15 j) |
观察:
- 高的 杨的模量 (E≈ 175 GPA) 导致较硬的组件 - 在发动机块和结构零件中，需要最小的偏转.
- 疲劳性抗性 (≈ 200 MPA) 使CGI适用于周期性负载 (例如。, 圆柱体在热周期下).
- 硬度 可以通过矩阵组成量身定制: 纯铁素体CGI (〜 115 HB) 在佩戴应用中表现出色; 珍珠质CGI (〜 180 HB) 选择提高力量需求.
导热率和阻尼能力
CGI独特的石墨形式和矩阵产生独特的热和振动特性:
| 财产 | CGI范围 | 比较 |
|---|---|---|
| 导热率 | 40 - 45 w/m·k | 灰铁: 30 - 35 w/m·k; 延性铁: 20 - 25 w/m·k |
| 比热 (20 °C) | 〜 460 j/kg·k | 类似于其他铸铁 (〜 460 j/kg·k) |
| 热膨胀 (20–100°C) | 11.5 - 12.5 ×10⁻⁶/°C | 略高于灰铁 (11.0 ×10⁻⁶/°C) |
| 阻尼能力 (日志减少) | 0.004 - 0.006 | 灰铁: 〜 0.010; 延性铁: 〜 0.002 |
- 导热率: 高电导率 (40 w/m·k) 加速发动机块和涡轮增压器外壳中热点的热量散热, 减少热疲劳风险.
- 减震: CGI的阻尼因子 (0.004 - 0.006) 比延性铁更好地吸收振动能, 帮助噪音, 振动, 和苛刻 (NVH) 控制 - 尤其是在柴油发动机中.
- 热膨胀系数: CGI的扩展 (≈ 11.5 ×10⁻⁶/°C) 紧密匹配钢发动机衬里, 最小化衬里/块界面处的热应力.
3. 什么是沙子压实石墨铁 (CGI)?
沙子铸造 用压实石墨铁 (CGI) 遵循与常规铁砂铸造相同的整体步骤,
霉菌准备, 融化, 浇注, 凝固, 和清洁 - 但修改了关键参数，以生成CGI独特的“斑节”石墨形态.
定义过程
模式和霉菌结构
- 图案设计: 铸造厂创建模式 (经常来自木头, 环氧树脂, 或铝) 其中包括3-6的津贴 % CGI合金的典型收缩 (固体〜 1 150 °C, 液体〜 1 320 °C).
- 选择沙子: 标准二氧化硅和模具 (渗透性 > 200, AFS谷物细度〜 200) 工作良好,
但是增强的粘合剂 - 苯酚 - 尿烷或呋喃 - 均应抵抗CGI较高的浇注温度 (〜 1 350–1 420 °C). - 应对和阻力组件: 技术人员在图案的下半部分拖拉, 然后删除图案并放置核心 (如果需要) 在撞到Cope之前.
当高温CGI充满腔时，仔细的排气位置可确保气体逸出.
熔化和金属处理
- 电荷组成: 典型的熔体使用70–80 % 再生废料, 10–20 % 生铁或热金属,
并掌握合金，以微调化学. 铸造厂的目标 3.5 ± 0.1 %, 和 2.5 ± 0.2 %, 和s < 0.01 %. - 镁和稀土: 倒入之前, 操作员添加0.035–0.055 % 毫克 (与0.005–0.015一起 % 寒冷的) 在覆盖的钢包中形成垂直石墨而不是薄片或球体.
他们轻轻搅拌以均匀分发修饰符. - 接种和去氧化: 铸造厂接种了〜0.6–1.0 kg/t的铁硅或钡 - 硅硅硅，以提供石墨成核位点.
同时地, 去氧剂（例如fesi） - 扫描剂溶解氧气并最小化氧化物夹杂物.
倒入和霉菌填充
- 超热管理: CGI倒入温度坐在周围 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °f), 液体上方大约30–70°C.
这种额外的过热可确保薄壁部分的完整填充 (下去 4 毫米) 但也增加了沙子侵蚀的风险. - 门控设计: 铸造厂使用锥形浇口和慷慨的跑步者横截面, 大小的雷诺数 (关于) 的 2 000–3 000 - 最小化湍流.
陶瓷泡沫过滤器 (30–40 ppi) 经常拦截任何带入模具的夹杂物. - 模具通风: 因为CGI流动性与灰铁, 适当的排气 - 通过立管和受控渗透性下的底部通风孔 - 预防气体包裹.
专业提升者 (放热或绝缘) 将熔融金属喂入终点的热点.
固化和微观结构控制
- 石墨成核: 当熔融CGI从〜冷却 1 350 °C至 900 °C, 在接种剂位点上的斑纹石墨成核.
铸造厂以10–15 mm厚的部分的冷却速率为0.5–2.0°C/s，每平方米均产生100–200斑纹片. - 基质形成: 以下 900 °C, 奥斯丁岩到有限的过渡开始.
快速冷却可产生更多珠光体 (较高的强度但导热率较低), 而中等冷却主要产生主要是铁素体基质 (更好的散热).
铸造厂通常在 900 摇晃后°C达到 60 % 铁氧体-40 % 珠光体平衡. - 收缩喂养: CGI大约收缩 3.5 % 固化后. 上升尺寸为10–15 % 铸造质量（位于战略热点处）降低收缩孔隙度.
摇晃, 打扫, 和最终处理
- 摇晃: 30-45分钟后冷却, 铸造厂使用振动台或气动公羊折断霉菌砂. 再生沙子进行筛选和开垦以重用.
- 打扫: 射击 (用于亚铁) 或气碳弧切割去除残留的沙子, 刺激, 和立管. 技术人员在热处理前检查表面裂缝或鳍.
- 热处理 (正常化): CGI铸件通常在 900 °C (1 652 °f) 1-2小时, 然后空气或石油淬火.
此步骤优化晶粒尺寸并确保一致的铁氧体 - 石灰石分布. - 加工和检查: 归一化后, 铸件达到最终硬度 (铁素体CGI〜 115 HB; 珍珠质cgi〜 180 HB).
CNC中心机器临界表面 (公差± 0.10 毫米) 检查员验证石墨形态 (斑点≥ 60 %) 通过金理图.
灰铁砂的主要区别
| 范围 | 灰铁 | CGI |
|---|---|---|
| 浇注温度 | 1 260–1 300 °C (2 300–2 372 °f) | 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °f) |
| 石墨形态 | 薄片石墨 (长度为50–100 µm) | 果皮石墨 (紧凑的薄片, 长度25–50 µm) |
| 融化治疗 | 仅接种 (回应) | mg/re添加 + 接种 |
| 模具粘合剂要求 | 标准酚类或硅酸钠 | 由于侵蚀风险而引起的高强度酚/聚氨酯 |
| 冷却速率灵敏度 | 不太关键 - 范围内的瓦斯形成 | 更关键 - 果皮所需的0.5–2°C/s冷却 |
| 收缩 | 〜 4.0 % | 〜 3.5 % |
| 矩阵控制 | 主要是珠光体或混合铁氧体 | 通过热处理量身定制的铁氧体 - 石胶平衡 |
4. 沙子压实石墨铁的优点和挑战 (CGI)
沙子铸造CGI的优势
增强强度和刚度
CGI的拉伸力量 (400–450 MPA) 超过灰铁 50 %, 而其弹性模量 (170–180 GPA) 超过灰铁 50 %.
因此, CGI铸件在负载下表现出较少的挠度 - 尤其是发动机块和结构组件的价值.
改善导热率
具有导热率的 40–45 w/m·k, CGI转移热量 20–30 % 比灰铁更快.
这使引擎更快地热身, 减少了热点, 并更好地抵抗气缸盖和衬里的热疲劳.
平衡阻尼
CGI的阻尼因子 (〜 0.005) 在灰色之间跌倒 (〜 0.010) 和延性 (〜 0.002) 铁.
最后, CGI有效吸收振动 - 还原NVH (噪音, 振动, 苛刻) - 避免灰铁的高脆性.
具有成本效益的生产
尽管CGI增加了〜5–10 % 材料成本是由于MG/RE添加和更严格的过程控制, 它成本 20–30 % 较少的 比延性铁的等效性能.
较低的加工津贴（感谢提高尺寸稳定性），将其装饰成本.
沙子压实石墨铁的挑战
- 紧密的熔体化学控制: 维护内部毫克 ±0.005 % 很关键. 轻微的偏差会恢复石墨形态至剥落或球形, 需要全面报废.
- 浇注温度更高: CGI的 1 350–1 420 °C (2 462–2 588 °f) 融化需要更多可靠的霉菌粘合剂和涂料，以防止沙子侵蚀和scab疮.
- 碳化物形成的风险: 过量的硅或快速冷却可以产生泥石石网络, 拥抱CGI; 接种和控制冷却是强制性的.
- 孔隙管理: 除非模具通风和脱气做法，否则CGI的流动性更高会导致更大的气体吸入.
- 有限的全球铸造专业知识: 尽管CGI的市场份额已增长 (特别是在汽车中), 仅有的 20–25 % 全球铁铸造厂已经掌握了专业程序, 提高交货时间.
5. 通过砂铸造的常见压实石墨铁应用
- 汽车柴油发动机块
- 气缸盖和衬里
- 排气歧管和涡轮增压器外壳
- 泵和压缩机外壳
- 变速箱和变速箱外壳
- 工业发动机组件 (例如。, 发电机组块)
- 液压阀体和泵块
6. 与替代铸造材料进行比较
| 材料 | 抗拉强度 (MPA) | 导热率 (w/m·k) | 密度 (g/cm³) | 阻尼能力 | 耐腐蚀性 | 可加工性 | 相对成本 | 典型的应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CGI (压实石墨铁) | 400–450 | 40–45 | 〜7.1 | 缓和 (〜0.005) | 缓和 | 缓和 | 中等的 (〜5–10％ > 灰铁) | 柴油发动机块, 气缸盖 |
| 灰色铸铁 | 200–300 | 30–35 | 〜7.2 | 高的 (〜0.01) | 缓和 | 好的 | 低的 | 制动盘, 机床 |
| 延性铁 | 550–700 | 20–25 | 〜7.2 | 低的 (〜0.002) | 缓和 | 缓和 | 高的 (〜20–30％ > CGI) | 曲轴, 重型齿轮 |
| 铝合金 | 150–350 | 120–180 | 〜2.7 | 低的 | 高的 | 出色的 | 中高 | 航天, 汽车套管 |
| 碳钢 (投掷) | 400–800 | 35–50 | 〜7.8 | 非常低 | 低的 | 贫穷的 | 高的 | 结构, 压力容器 |
| 不锈钢 (投掷) | 500–900 | 15–25 | 〜7.7–8.0 | 非常低 | 出色的 | 贫穷 | 很高 (〜2×CGI) | 化学, 食物, 和海洋设备 |
| 镁合金 | 150–300 | 70–100 | 〜1.8 | 低的 | 缓和 | 好的 | 高的 | 轻型航空航天和电子设备 |
| 黄铜/青铜合金 | 300–500 | 50–100 | 〜8.4–8.9 | 缓和 | 高的 | 缓和 | 高的 | 阀, 海洋硬件, 衬套 |
7. 结论
压实石墨铁 (CGI) 提供更好的力量, 刚性, 与灰铁相比，热性能 - 没有延性铁的成本.
它需要严格控制化学, 高浇注温度, 和适当的霉菌设计以确保斑点石墨形成.
已经用于发动机块和气缸盖, CGI最多减轻体重 10% 并通过 30%.
模拟和过程控制的进步正在扩展其对涡轮增压器的使用, 排气, 和泵.
合金和可持续制造的持续改进, CGI正在成为现代的关键材料, 有效的工程.
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确保您的下一个项目超过每个绩效和可持续性基准.
常见问题解答
为什么沙子铸造用于CGI?
沙子铸造对复杂的成本效益, 大的, 和中高量的零件.
它适合CGI的特定热和机械性能, 特别是在汽车和工业组件中.
CGI砂铸件的常见应用是什么?
典型的应用包括柴油发动机块, 气缸盖, 制动组件,
涡轮增压器外壳, 和结构机零件 - 强度和热稳定性至关重要.
沙铸紧的石墨铁的关键优势是什么?
CGI提供了出色的强度与权重比, 改善疲劳抗性, 更好的散热, 与延性铁的成本低相似.
CGI如何影响可加工性?
CGI是可加工的 - 比灰铁，比灰铁更磨蚀，但比延性铁更容易. 建议采用先进的工具和切割策略.
CGI适合高温应用?
是的. 它的微观结构抵抗热疲劳和失真, 使其适合暴露于环状热载荷的组件, 例如排气歧管和气缸盖.
