什么是延性铸铁?

1. 介绍

延性铸铁, 通常称为结节铸铁或球形石墨铁.

在 1948, 基思·米利斯（Keith Millis.

这种突破产生了延性铸铁 (从), 将铸性和经济与明显改善的拉伸力和伸长相结合.

本文深入研究了延性铸铁的基本性质, 它的化学和微观结构, 机械性能, 处理路线, 耐腐蚀性,

关键应用程序, 优点和局限性, 并与替代材料进行比较.

2. 什么是延性铸铁?

延性铸铁 (从) 有资格为以球体为特征的铸铁家族 (结节) 石墨夹杂物均匀分散在金属基质中.

与灰铁的薄片石墨相反, 容易浓度应力, DI的石墨结节逮捕裂纹繁殖, 实现延性行为.

延性铁桥灰铁和低合金钢之间的性能差距.

制造商在循环载荷下利用延性铸铁对组件, 高强度和冲击力很重要的地方.

而且, DI的可加工性和近网状能力降低了下游处理成本.

3. 化学成分和合金系统

基础组成: Fe – C – Si – Mn – p – s

延性铸铁的粉底是典型的灰铁电荷 - 铁 (铁), 碳 (c), 硅 (和), 锰 (Mn), 磷 (p), 和硫 (s).

公共等级的代表性化学范围 (ASTM A536 65-45-12) 可能是:

• c: 3.5 - 3.8 wt %
• 和: 2.2 - 2.8 wt %
• Mn: 0.1 - 0.4 wt %
• p: ≤ 0.08 wt %
• s: ≤ 0.025 wt %

高硅 (≥ 2 wt %) 促进石墨形成而不是水泥岩, 而低硫 (< 0.025 wt %) 防止过度夹杂物干扰结节形成.

结节元素: 镁 (毫克), 铈 (CE), 和稀土 (关于)

延性铸铁中的结节性是由于添加镁而产生的 0.03% - 0.05% 毫克 - 熔融铁.

铸造厂通过 MG – FE大师合金 或者 电线. 镁对硫的强亲和力mgs, 因此，他们紧紧控制硫 0.025%.

许多铸造厂也添加了 0.005 - 0.01 wt％静脉或稀土元素 完善结节形状和尺寸, 提高机械一致性, 特别是在厚的部分.

这些RE添加进一步降低了对硫和氧气变化的敏感性.

其他合金: 铜 (铜), 镍 (在), 钼 (莫), 铬 (Cr)

量身定制力量, 韧性, 或耐腐蚀性, 铸造厂结合了辅助合金元素:

• 铜 (铜): 0.2 - 0.5 wt % 增强珠光体的形成, 提高力量 10 - 20 %.
• 镍 (在): 0.5 - 1.5 wt % 增强低温韧性和耐腐蚀性.
• 钼 (莫): 0.2 - 0.4 wt % 提高较高温度服务的坚固性和抗蠕变性.
• 铬 (Cr): 0.2 - 0.5 wt % 赋予轻度腐蚀性和更牢固的微观结构.

通常, 延性铸铁等级保留在 1 - 2 wt % 联合铜 + 在 + 莫 + Cr, 确保成本效率在达到绩效目标的同时.

标准和成绩

• ASTM A536 (美国): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 等级.
• ISO 1083 (欧洲): EN-GJS-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
• 你一个 1563 (德国): GG-25, GS-32, GS-45等效物.

4. 延性铸铁的物理和机械性能

抗拉强度, 产生强度, 和延性

延性铁的签名是 高强度和可观延展性的结合:

相比之下, 仅标准灰铁产量 200 - 300 MPA 拉伸强度几乎没有伸长.

因为di的石墨结节钝裂纹启动, 伸长率跳入较低级别等级的双位数.

硬度和耐磨性

延性铁的硬度跨度 170 - 320 HB, 取决于等级和矩阵:

• 铁质等级 (60-40-18) 交付 170 HB, 适用于通用铸件 (歧管, 帧).
• 高强度的珠光体等级 (80-55-06) 成就 260 - 320 HB, 在齿轮上抗衡耐磨性的低合金钢, 链轮, 和泵叶轮.

当耐磨性很关键时, 制造商经常选择 奥斯特延延延性铁 (阿迪),

到达 300 - 450 HB 热处理后, 平衡硬度与残留韧性.

疲劳生活和影响韧性

延性铁的球形石墨可显着增强疲劳性能:

• 疲劳极限 通常站在 ≈ 40% UTS. 对于 65-45-12 年级 (UTS≈ 500 MPA), 疲劳耐力达到 200 MPA 在10次循环下弯曲的循环.
• 影响韧性 (Charpy v-Notch at 20 °C) 范围从 15 - 60 j, 取决于成绩. 低强度, 铁素体丰富的成绩吸收到 60 j, 而完全珠光体的成绩降至 15 j.

这些值超过灰铁 (10 - 20 j) 和接近低合金钢, 使延性铸铁非常适合曲轴和连杆等高循环应用.

弹性和阻尼能力的模量

与灰铁不同 100 - 120 GPA 模量, 延性铁的模量措施 170 - 200 GPA, 大致匹配低合金钢.

这种高刚度, 结合阻尼容量 0.005 到 0.010 (对数减小),

确保延性铸铁零件在衰减振动时抗稳定性 - 发动机组件和机械基底座的脱皮.

热膨胀的导热率和系数

延性铁的热导率与灰铁和钢相似, 在发动机块和制动鼓中实现有效的热量耗散.

其热膨胀系数 (〜 12 ×10⁻⁶/°C) 与钢紧密对齐, 简化多物质设计.

5. 腐蚀行为和环境抵抗力

被动膜和表面氧化

延性铁形成 氧化铁 (fe₃o₄/fe₂o₃) 胶卷暴露于氧气时. 这种被动层在温和的环境中进一步减慢了氧化.

合金添加类似 0.5 - 1.5% 在 或者 0.2 - 0.5% Cr 通过稳定被动膜来改善腐蚀性.

与灰铁不同（可能会产生斑点）不同，DI的矩阵可以更好地抵抗局部攻击, 特别是当涂层时.

比较腐蚀率与. 灰铁和钢

在每种情况下, 延性铸铁的腐蚀速率大致保持 50% 灰铁和 30–40％ 碳钢.

申请 环氧或聚氨酯涂料 将DI的腐蚀减少到 < 0.01 毫米/年在激进的环境中.

埋葬或淹没时, 设计师雇用 锌或铝制牺牲阳极 保护未涂层的延性延性铸铁管道和配件.

腐蚀控制: 涂料, 阴极保护, 和材料选择

• 涂料: 高构建环氧树脂 (200 µm) 或燃烧火焰 锌/铝 层延长海洋或化学加工厂的使用寿命.
• 阴极保护: 印象深刻的电流或牺牲阳极保持地下或水下装置中的延性铸铁管的完整性.
• 材料选择: 在高度腐蚀条件下 (ph < 3 或氯化物 > 10 000 ppm), 工程师指定 撒下的人变成了 或者 不锈钢 而不是标准等级.

6. 延性铸铁的制造工艺

成型方法: 沙子铸造, 外壳成型, 和投资铸造

• 绿沙铸 仍然是主要方法. 铸造厂将二氧化硅砂与粘土或化学粘合剂包装成周围的烧瓶.
  砂霉可容纳立管, 内核, 以及针对DI流动性量身定制的门控系统. 典型的最小截面厚度悬停在周围 6 - 8 毫米 避免收缩缺陷.
• 外壳成型 使用加热的树脂涂层的砂混合物，围绕加热的金属图案压.
  这个过程产生 RA = 1–3 µm的表面饰面 和公差± 0.3 毫米, 以〜的费用溢价 20 % 在绿沙上.
• 投资铸造 (失去蜡) 促进薄部分 (下去 3 毫米) 和复杂的几何形状，公差± 0.1 毫米.
  然而, 延性铸铁投资铸造司令部 2–3× 砂质等效物的成本, 限制使用小体积或错综复杂的零件.

热处理: 退火, 标准化, 东部回火 (阿迪)

热处理裁缝DI的矩阵和机械性能:

• 退火: 缓慢冷却 900 °C 沿室温产生完全铁质的基质, 最大化延展性 (〜 18 % 伸长) 和可加工性 (400 MPA UTS).
• 标准化: 加热 900 - 920 °C 然后进行空气冷却产生平衡的铁素体 - pearlitic微观结构, 提供UTS≈ 450 MPA和 12 % 伸长.
• 东部回火 (阿迪): 延性铸铁铸造在解决方案 900 °C 溶解碳化物, 然后淬灭 250 - 375 °C 为了 1 - 4 小时.
  这会产生一个 贝恩氏铁矿 + 富含碳的奥斯丁岩 结构.
  ADI等级从 400 MPA到 1 400 MPA UTS, 介于两者之间 2 - 12 %, 和出色的疲劳性能 (耐力限制到 400 MPA).

后处理: 加工, 表面饰面, 涂层

• 加工: 延性铸铁机与碳钢类似. 典型的转向速度 65-45-12 悬停在 150–250 m/i 使用碳化物工具.
  钻速范围 50–100 m/i. 冷却液润滑可防止建筑边缘. DI缺乏薄片石墨减少工具碎屑.
• 表面饰面:

• • 射击 与钢砂 (20–40网格) 去除沙子并提供哑光效果 (RA 2 - 5 µm).
  • 研磨/抛光 成就RA < 0.8 密封表面的µm.

• 涂层:

• • 环氧/粉末涂料: 沉积50-200 µm胶片，以防止在海洋或工业环境中.
  • 金属化 (锌或铝): 热喷雾应用 100 - 150 µm埋葬或淹没零件的牺牲层.

7. 什么是延性铁 (阿迪)

奥斯特延延延性铁 (阿迪) 代表了延性铸铁的专业亚类，提供了特殊的强度组合, 延性, 和抗疲劳性.

与常规的延性铁不同 - 通常具有铁素体 - 斑岩或完全珠光体基质,

ADI独特的微观结构包括罚款 贝恩氏铁矿板 沉浸在一个矩阵中 富含碳的奥斯丁岩.

该微观结构来自三步的热处理过程: 解决方案, 淬灭到中等温度, 和austempering.

完成后, 延型延性铁的拉伸强度高至 1 400 MPA (在阿迪 900-650 年级) 在保留伸长率的同时 2 - 5% 范围.

运动延延延延铁: 解决方案, 淬火, 和austempering

延性延性铁加工的关键步骤包括:

1. 解决方案: 加热延性铁铸件 880 - 920 °C 溶解碳化物并使碳均匀1-2小时.
2. 淬火: 转移到盐浴处 250 - 375 °C. 这种中等温度可防止马氏体.
3. 东部回火: 保持直到矩阵转变为 贝恩氏铁矿 加 富含碳的奥斯丁岩-通常 1–4小时, 取决于截面的厚度.
4. 冷却: 空气或机油淬火到室温, 锁定Bainitic微观结构.

延型延性铁微结构: 贝恩氏铁矿和富含碳的奥氏体

ADI的微观结构包括:

• Bainitic铁氧体针: 极高的α-铁铁矿叶片，在奥斯丁岩边界有核.
• 保留奥斯丁岩: 在室温下保持稳定的富含碳富含碳, 吸收压力并增加韧性.

这种组合赋予 “转换训练” 影响: 在施加的压力下, 保留奥斯丁岩转换为马氏体, 局部增强矩阵.

机械优势: 高强度 - 牙才能平衡, 疲劳性抗性

与类似成分的归一化延性铁相比, 奥斯特延延延型铁达到 50% 更高的UTS 在保留的同时 2 - 5% 伸长.

它的疲劳耐力通常超过 400 MPA, 在反向弯曲的情况下胜过灰铁和许多合金钢.

奥斯特延性铁的典型应用

工程师使用高磨损耐药性的无能力延展性铁, 高力量, 和可靠的疲劳生活:

• 汽车: 齿轮, 曲轴, 凸轮轴, 和轴承笼.
• 农业机械: 链轮, 穿盘子, 和滚筒轴.
• 油 & 气体: 井下工具, 泵轴, 和需要腐蚀疲劳抗性的阀成分.
• 采矿设备: 炉子, 破碎机卷, 和磨坊衬里受磨碎的灰尘.

8. 延性铸铁的施用

汽车组件: 曲轴, 齿轮, 悬架零件

汽车制造商利用延性延性铸铁的高疲劳强度 (≥ 250 MPA) 和中型发动机的曲轴和凸轮轴阻尼.

延性铁齿轮耐用冲击负载，同时降低噪音. 控制臂和转向指关节受益于DI的僵硬 (E≈ 180 GPA) 和冲击阻力.

管道和液体处理: 管道, 法兰, 泵外壳, 阀体

延性铸铁管系统 (EN-GJS-400-15) 在压力下携带饮用水或废水 25 酒吧.

延性铁阀和法兰抵抗环状压力潮. 碱性或中性pH下的腐蚀速率保持最小, 在许多路由应用中，与不锈钢相比，使DI具有成本效益.

农业和建筑设备: 链轮, 滚筒, 帧

现场设备组件定期面对磨料和高机械应力.

延性铸铁链轮和滚筒轴达到 穿着超越寿命 1 000 小时 在严重的环境中,

而框架和结构铸件则最大程度地减少焊接成本并改善疲劳寿命.

能源部门: 风力涡轮机的外壳, 变速箱外壳, 油田组件

延性铸铁的高阻尼会在风力涡轮机变速箱中抑制扭转振动, 提高可靠性.

由ADI制成的变速箱套管减轻了重量 10% 与钢和下转子惯性相比.

在油田, 井下工具和阀体耐用腐蚀性盐水，而耐循环压力至 50 MPA.

消费者用具和工具

延性铸铁提供热量和烹饪耐用性 (荷兰烤箱, 铸铁煎锅).

延性铁插座扳手和管子扭曲的身体会吸收震动而不会破裂, 延长工具寿命.

9. 延性铸铁的核心优缺点

优点

平衡的力量和韧性:

延性铁可提供拉伸强度 400–1 000 MPA 和伸长 2–18％, 达到优势强度比率.

在汽车应用中, 例如, 曲轴的重量可能会下降 20–30％ 与钢铁相比.

出色的磨损和抗疲劳性:

球体石墨结节最小化应力浓度, 使疲劳限制到 300 MPA.

这使得延性铁非常适合齿轮, 悬架组件, 和其他零件下的循环加载.

卓越的可铸性:

具有相对较低的液体的 1 150–1 200 °C 和良好的流动性, 延性铁形成错综复杂的几何形状，最小收缩 (0.8–1.0％).

铸造和加工成本运行 30降低–50％ 比可比的钢.

腐蚀和热稳定性:

石墨结节提供了自然障碍抗腐蚀的屏障. 表面处理后, 延性铸铁配件通常在土壤或水环境中持续一个世纪.

它可以承受温度 300 °C 较低的热膨胀系数.

成本效益:

原材料便宜, 熔化需要相对较低的能量.

现代等级（例如适应性延性铁） - 热处理后的高强度钢性能, 提供大量的总体成本节省.

缺点

紧密的过程控制:

实现统一结节需要精确控制 mg/什么 水平和最小硫/氧气. 质量保证增加了生产的复杂性和成本.

有限的高温性能:

多于 350 °C, 力量急剧下降，石墨变形导致蠕变.

延性铁不适合排气歧管或其他持续的高热组件.

加工挑战:

高碳含量需要预热或焊接后退火以防止破裂.

石墨快速穿工具, 需要碳化物切割机和专门的加工策略.

较低的刚度:

周围有弹性的模量 160–170 GPA (与钢的≈ 210 GPA), 延性铸铁在负载下变形更多. 设计师通常需要更厚的部分来补偿.

环境影响:

熔化和结节消耗大量能量，可以产生污染物.

废物处置必须符合监管标准. 在海洋或酸性环境中, 延性铸铁需要其他防护涂料.

10. 与其他材料进行比较

当工程师评估延性铸铁时 (从) 对于特定应用, 他们经常权衡其特性与灰色铸铁的特性, 可延展的铁, 钢合金, 铝, 和青铜.

灰色铸铁与. 延性铁

可延展的铁与. 延性铁

钢合金与. 延性铁

延性铁与. 铝和青铜

何时支持延性铸铁

• 循环或高负载组件: DI的拉伸力量的结合 (≥ 500 MPA), 疲劳耐力 (≥ 200 MPA), 和阻尼使其非常适合 曲轴, 齿轮, 和悬架武器.
• 近网状复杂性: 沙子或外壳铸铁铸铁可将加工津贴减少 30–50％ 与钢相比, 降低整体零件成本.
• 成本敏感的中等体积生产: 当钢铁托运或加工铝产生过多的成本, 延性铁可以平衡性能和经济.
• 腐蚀性或耐磨损配件: 配合涂料或合金, 在侵略性环境中，延性铸铁管道和泵外壳持续数十年.

当其他材料占上风

• 超轻量级要求: 在航空机身皮肤中, 电动车身, 或便携式电子产品, 铝或镁合金可节省无与伦比的重量.
• 极端腐蚀性环境: 飞溅区, 氯化过程线,
  或酸性排水通常需要不锈钢 (例如。, 316, 双工) 其被动膜超过了DI的涂层或合金的障碍物.
• 高温服务 (> 350 °C): 在涡轮机组件或排气歧管中,
  基于镍的超合金或耐热钢 (例如。, 17-4 ph) 维持延性铸铁会遭受蠕变的力量.
• 最大的韧性和焊接性: 锻造时，结构性钢梁和镀板管道仍然是首选, 焊接, 或冷形成需要一致的, 可记录的性能.

11. 结论

延性铸铁以多才多艺脱颖而出, 具有成本效益的工程材料.

它是 球形石墨 微观结构提供了一种罕见的混合 高拉伸强度, 实质性延展性, 和 极好的疲劳生活.

制造商可以施放近网的形状, 最小化随后的加工, 并通过热处理量身定制特性, 最值得注意的是以甲性延性铁的形式 (阿迪).

尽管腐蚀脆弱性适中, 延性铁的可回收性, 阻尼能力,

以及广泛的标准化等级使其在汽车中必不可少, 管道, 农业, 活力, 和消费市场.

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常见问题解答

是什么区别延性铸铁与灰色铸铁?

延性铸铁 (从) 包含 球体 (结节) 石墨 而不是在灰铁中发现的石墨.

那些球形结节钝裂纹繁殖, 产生明显更高的拉伸强度 (400–900 MPA) 和伸长 (3–18 %) 与灰铁的200-300 MPa相比 < 2 % 伸长.

哪些加工考虑适用于延性铁?

延性铸铁机与碳钢类似，但需要 碳化物工具 由于其高碳结节.

推荐的切割速度范围从 150–250 m/i, 饲料为0.1-0.3 mm/rev.

适当的冷却剂使用可防止内部边缘. 高硬度或ADI等级可能需要较慢的速度或陶瓷工具，以避免过早磨损.

延性铁如何与替代材料相比?

• 延性铁与. 灰铁: 延性铸铁原材料费用〜10–20 % 更高.
  然而, 减小的壁厚和加工津贴通常会产生总零件成本20-30 % 较低的关键力量应用.
• 钢与. 延性铁: 延性铁铸件经常花费20-50 % 小于等效的钢结构或重安装的组件.
• 铝/青铜与. 延性铁: 延性铁比青铜更便宜 (2–3×成本更高) 和, 虽然比铝重,
  提供更大的力量, 疲劳生活, 当体重不是主要问题时，材料成本较低.