1. 介绍
灰铁, 或灰铸铁 - 通过其片状石墨微观结构而区分 - 成本效益, 振动阻尼, 和 出色的可加工性.
起源于19世纪初的蒸汽机缸, 从那以后，灰色铸铁从汽车制动鼓到工业机器底座已有动力应用.
今天, 它仍然是跨越的基础材料 汽车, 重型机械, 管道, 和 国内的 该部门由于其独特的财产融合.
2. 什么是灰色铸铁?
灰色铸铁 是一种铸铁，很容易被其断裂表面的灰色识别, 这是由于其微观结构中存在石墨片.
这些石墨片具有灰铁具有特征性的特性, 包括出色的阻尼容量, 良好的可加工性, 成本相对较低.
它是铸铁最常用的形式，在传统和现代制造业中都起着基本作用.
分类和灰色铸铁等级
ASTM A48分类 (我们. 标准)
ASTM A48标准将灰色铸铁分为最小拉伸强度, 在KSI中测量 (1 ksi = 6.89 MPA).
| ASTM等级 | 最小拉伸强度 (MPA) | 典型的微观结构 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 班级 20 | 138 MPA | 主要是铁素体 | 配重, 装饰铸件 |
| 班级 30 | 207 MPA | 铁素体 - pearlitic | 发动机块, 泵外壳 |
| 班级 40 | 276 MPA | 主要是珠光体 | 制动鼓, 飞轮, 机床 |
| 班级 50 | 345 MPA | 细珠形, 低铁氧体 | 气缸衬里, 高负载支架 |
在 1561 分类 (欧洲标准)
欧洲标准EN 1561 使用“ en-gjl”前缀 (gjl =用薄片结构的石墨铸铁, 或“层状石墨铸铁”) 其次是MPA中的拉伸强度.
| 等级 | 最小. 抗拉强度 (MPA) | 硬度 (BNN) | 典型的应用 |
|---|---|---|---|
| EN-GJL-15 | 150 | 〜150 | 装饰零件, 灯盖 |
| EN-GJL-200 | 200 | 〜160–170 | 齿轮外壳, 传输案例 |
| EN-GJL-250 | 250 | 〜180–200 | 气缸块, 大型铸件 |
| EN-GJL-300 | 300 | 〜220–240 | 制动转子, 重型住房 |
典型的化学成分范围 (% 按重量)
| 元素 | 典型范围 (%) | 灰铁的功能 |
|---|---|---|
| 碳 (c) | 2.5 - 4.0 | 促进石墨片状形成; 提高可铸性 |
| 硅 (和) | 1.8 - 3.0 | 石墨化器; 辅助碳沉淀并提高流动性 |
| 锰 (Mn) | 0.2 - 1.0 | 增强矩阵; 促进珠光体形成 |
| 磷 (p) | ≤ 0.12 (最大限度 0.5) | 提高流动性; 过多的量导致脆弱性 (稳定) |
| 硫 (s) | ≤ 0.12 | 通常不希望; 形成硫化铁夹杂物 |
| 铁 (铁) | 平衡 | 基质碱金属 |
4. 身体的 & 机械性能
灰铸铁由于其石墨薄片微观结构嵌入了亚铁矩阵中，其物理和机械性能的独特组合.
这些特性使其非常适合多种结构和热应用, 特别是在振动阻尼的地方, 导热率, 铸造性是必不可少的.
机械性能
灰铸铁的机械行为受到石墨形态的严重影响, 矩阵类型 (铁素体, 珍珠质, 或混合), 和截面厚度.
| 财产 | 典型的价值范围 | 笔记 |
|---|---|---|
| 抗拉强度 | 150–350 MPA | 随成绩而变化 (例如。, ASTM A48类 20 上课 50) |
| 抗压强度 | 3–4×拉伸强度 | 由于石墨方向高而高 |
| 硬度 | 130–250 BHN | 随着珠光含量的增加而增加 |
| 伸长 | 〜0.5–1％ | 由于薄片尖端的应力浓度非常低 |
| 弹性模量 | 70–100 GPA | 由于石墨薄片破坏应力转移而低于钢 |
笔记: 与钢不同, 灰铁几乎没有延展性，并且在拉伸负荷下以脆弱的方式失败.
物理特性
| 财产 | 典型的价值 | 意义 |
|---|---|---|
| 密度 | 6.9–7.2 g/cm³ | 略低于钢 (〜7.85 g/cm³) |
| 导热率 | 35–55 w/m·k | 比延性或可延展的铁高得多; 散热的理想 |
| 比热容量 | 〜460 j/kg·k | 与其他亚铁金属相媲美 |
| 扩展系数 | 〜10.5–11.5×10⁻⁶ /k | 缓和; 对于关键尺寸的热应用很重要 |
| 阻尼能力 | 10×钢 | 出色的振动和吸收噪声 |
| 熔点 | 1140–1200°C | 低于钢; 增强性能 |
独特的功能优势
- 卓越阻尼能力: 多亏了石墨薄片产生的内部摩擦, 灰铁吸收振动远胜过钢或延性铁.
这使其非常适合发动机块, 机床床, 和制动组件. - 良好的导热率: 它有效传输热量的能力使灰色铸铁成为炊具的首选材料, 散热器组件, 和制动光盘.
- 出色的可加工性: 石墨的存在充当内置润滑剂, 降低工具磨损并实现更高的切割速度.
珍珠质等级更难，但比许多钢质更可加工.
5. 铸造灰铁的适合性
灰色铸铁是铸造行业中最容易铸造的金属之一, 以其出色的流动性而闻名, 低熔化温度, 和最小的收缩.
这些特征使其非常适合生产复杂的几何形状, 大型铸件, 和具有可靠尺寸精度和表面饰面的大量零件.
出色的流动性
灰色铸铁表现出异常的熔融流量，因为其倒入相对较低 (通常在1,150–1,250°C之间) 和石墨内容.
这种流动性使其可以轻松填充复杂的模具和薄壁的部分 (薄到3-5毫米), 降低冷关或误导的风险.
低收缩率
线性固化收缩率通常在0.8–1.0％的范围内, 灰色铸铁保持较高的尺寸稳定性.
可以在图案设计中准确补偿这种可预测的收缩, 最小化缺陷和加工津贴.
石墨薄片结构可增强可铸性
灰铁中的薄片不仅有助于其机械阻尼和可加工性，而且还有助于固化过程中的进食, 降低内部收缩孔隙度的可能性.
它充当天然的微晶体器, 改善整体铸造健全性.
高热电导率
高热电导率 (通常50–60 W/m·K) 在凝固过程中促进快速散热, 有助于控制微观结构并降低热开裂风险.
这在大型铸件或高速生产环境中尤其有利.
出色的铸造后可加工性
由于石墨片的润滑作用和相对较低的硬度 (Brinell 150–250 HB), 它可以轻松加工而不需要大量的整理过程.
这降低了后处理成本并增强了生产吞吐量.
适合灰铁的铸造方法
| 铸造方法 | 申请 | 优势 | 考虑因素 |
|---|---|---|---|
| 绿沙铸 | 发动机块, 住房, 括号 | 成本效益, 可重复使用的沙子, 适应大量 | 需要控制水分和霉菌均匀性 |
| 树脂键入的沙子铸造 | 机床, 泵外壳, 阀体 | 高维精度和表面饰面 | 更高的工具成本, 适合低到中等体积 |
| 壳模 | 精确工业组件 | 优异的尺寸耐受性和表面质量 | 更昂贵, 但是减少了加工需求 |
| 永久模具铸件 | 重复的几何形状，例如飞轮或滑轮 | 适度的生产效果，表面表面精细 | 由于固体金属模具限制，限于更简单的形状 |
| 离心铸件 | 管道, 袖子, 转子 | 产生密集, 无缺陷的圆柱零件 | 需要专门的设备和平衡的几何形状 |
6. 热处理 & 加工
灰铁很少经历淬火和调节周期; 反而, 铸造厂适用:
- 退火/压力缓解: 650–700°C持续1-2小时可减少残余应力并提高可加工性.
- 标准化: 微型矩阵 (铁矿与. 珠光体) 针对目标硬度.
在加工期间, 工程师喜欢:
- 碳化物工具 以中等速度 (50–80 m/me).
- 严格的工人 抵消低拉伸强度.
- 使用冷却液 避免内置边缘; 石墨片促进碎屑破裂.
后手机, 灰色铸铁成就 表面饰面 低至RA 1.6 µm，最少的次级操作.
7. 优点和缺点
优势:
- 振动阻尼: 到 90 % 比钢更好, 减少噪音和疲劳.
- 可加工性: 石墨片充当碎屑破碎机, 降低工具磨损.
- 成本效率: > 80 % 比钢回收的含量和熔融能量较低.
缺点:
- 低拉伸延展性: < 2 % 伸长限制冲击加载的使用.
- 各向异性: 薄片取向产生方向强度变化 (〜 20 %).
- 脆性: 与延性铁相比，较低的冲击电阻.
8. 申请 & 表现
灰色铸铁的财产协同作用驱动其使用:
- 汽车: 发动机块, 气缸盖, 制动鼓 - 杠杆电导率 (〜 45 w/m·k) 用于散热.
- 重型机械: 齿轮外壳, 机床底座 - 利用振动阻尼以延长轴承寿命.
- 建造 & 管道: 人孔盖, 阀体 - 中性水中耐腐蚀性和低成本的耐腐蚀性.
- 国内商品: 炊具, 辐射器 - 均匀分布和耐用性.
9. 与替代材料进行比较
长期以来，灰色铸铁一直是工程和制造业的基础材料, 但是它经常与甘油类铁等替代品竞争, 钢, 铝合金, 和复合材料.
这些材料中的每一个都带来了独特的好处和权衡, 使材料选择高度依赖于应用.
以下是一个比较概述，突出显示了灰铁对其公共替代品的立场.
比较表: 灰色铸铁与. 替代材料
| 财产 / 材料 | 灰色铸铁 | 延性铁 | 碳钢 | 铝合金 | 复合材料 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm³) | 7.1 - 7.3 | 7.0 - 7.2 | 7.8 - 7.9 | 2.6 - 2.8 | 1.5 - 2.0 (各种) |
| 抗拉强度 (MPA) | 150 - 400 | 400 - 700 | 400 - 900 | 100 - 400 | 50 - 500+ (取决于纤维) |
| 伸长 (%) | <1% (脆) | 5 - 18% | 10 - 25% | 2 - 12% | 1 - 10% |
| 导热率 | 高的 (50 - 60 w/m·k) | 缓和 (35 - 50 w/m·k) | 低 - 中等 (20 - 40 w/m·k) | 高的 (120 - 180 w/m·k) | 低 - 中等 (0.2 - 30 w/m·k) |
| 阻尼能力 | 出色的 | 好的 | 贫穷的 | 非常贫穷 | 多变的 |
| 可铸性 | 出色的 (复杂形状, 低成本) | 好的 | 缓和 (需要更多的努力) | 中等事物 (取决于合金) | 贫穷的 (通常模制, 不演员) |
| 可加工性 | 出色的 (由于石墨片) | 好的 | 中等事物 | 出色的 | 贫穷 |
| 耐腐蚀性 | 贫穷而没有涂层 | 贫穷 | 中等事物 (合金) | 好的 (特别是6xxx和5xxx系列) | 出色的 (使用设计) |
| 成本 | 低的 | 缓和 | 中高 | 中高 | 高的 (特别是对于高级复合材料) |
延性铁与. 灰色铸铁
- 延性铁 提供更高的延展性和强度, 使其适用于承受压力或动态负载应用.
然而, 灰色铸铁在阻尼和成本效益方面仍然优于它, 特别是在静态结构部分.
碳钢 vs. 灰色铸铁
- 钢提供优质的拉伸性能和延展性, 但是更昂贵，更难加工.
对于需要振动控制的零件，优选灰铁 (例如。, 机器基础, 住房).
铝合金与. 灰色铸铁
- 铝 明显更轻，并提供出色的耐腐蚀性, 使其非常适合运输和热敏感组件.
灰铁, 另一方面, 在需要刚性和振动吸收的应用中表现出色.
复合材料与. 灰色铸铁
- 虽然高级复合材料可以超过灰铁的强度与重量比和耐腐蚀性, 它们更加昂贵且难以大规模制造.
10. 结论
灰铁忍受 基石材料 由于它的 经济生产, 内置阻尼, 和 易于加工.
通过掌握其 共晶石墨形成, 铸造实践, 和 设计指南, 工程师可以继续利用灰色铸铁以获得可靠, 从发动机的心脏到重型机械的基础，跨行业的具有成本效益的解决方案.
随着新兴的合金修饰和混合制造技术的发展, 灰色铸铁将保持其在塑造明天工程组件中的作用.
