铸铁简介:历史,类型,性能和用途

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铸铁是一种用途广泛的金属,在商业和工业领域有许多独特的应用

铸造厂的铸铁件
铸铁由于高碳含量和硅的结合,具有优良的浇注性能.

铁在日常生活中的出现大约始于公元前1200年, 涵盖了从农具到战争武器的广泛用途. 铁匠成为了一个重要的职业, 用铁加工,改变铁的性质,使其成为工具. 每个村庄和城镇都会有一个铁匠铺, 在镰刀, 锄, 指甲, 剑, 烛台持有者, 生产出了更多.

铁的价值的发现导致了著名的铁器时代, 由于这种材料在社会和军事应用中占主导地位. 金属的另一个里程碑是——工业革命改变了金属的生产和加工方式, 包括铁.

铁的种类

生产的铁主要有两种: 熟铁和铸铁. 在这些金属中,铸铁包括自己的金属家族.

铁艺

由铁匠生产和加工的第一种铁是熟铁. 它实际上是纯元素铁(Fe),在熔炉中加热,然后用铁锤在铁砧上锻造(加工). 锤击铁会排出大部分的渣,并将铁颗粒焊接在一起.

在工业革命和相关的建筑活动加速期间, 人们发现了熟铁的一种新用途. 它的高抗拉强度(在拉力下抗断裂)使它成为桥梁和高层建筑等大型建筑工程梁的理想使用. 然而, 在20世纪早期,锻铁在这方面的使用基本被废弃 开发的bwin体育具有优于铁的建筑应用性能.

锻铁因其装饰性物品而闻名. 15世纪和16世纪的教堂里有技艺精湛的工匠制作的精致锻铁制品. 在现代世界,栏杆、门和长凳仍然是由锻铁制成的定制件.

铸铁

铸铁是通过熔炼碳含量大于2%的铁-碳合金生产的. 熔炼后的金属是 倒进模具里. 熟铁和铸铁在生产上的主要区别在于,铸铁不需要使用锤子和工具. 在成分上也有差异,铸铁含有2-4%的碳和其他合金, 1-3%的硅, 哪一项改善了熔融金属的铸造性能. 少量的锰和一些杂质,如硫和磷也可能存在. 熟铁和铸铁的区别还体现在化学结构和物理性能的细节上.

虽然两 钢和铸铁 含有碳的痕迹,外观相似, 这两种金属之间有显著的差别. 钢铁的碳含量不到2%, 是什么使最终bwin体育凝固成单一的微晶结构. 铸铁的含碳量较高,意味着它凝固为非均相合金, 因此在材料中有多个微晶结构.

这是高碳含量的结合, 还有硅的存在, 这使铸铁具有优良的性能 铸造性能. 不同类型的铸铁采用不同的热处理和加工工艺生产, 包括灰铸铁, 白口铸铁, 可锻铸铁, 球墨铸铁, 还有压实的石墨铁.

铸铁桥
铸铁的设计细节是通过熔炼金属并将其倒入模具而产生的.
灰口铸铁

灰铁的特征是金属中石墨分子的片状. 当金属断裂时, 断裂是沿着石墨片发生的, 是什么导致了断裂金属表面的灰色. 灰铁的名字就来源于这一特点.

在生产过程中,可以通过调节冷却速率和成分来控制石墨片的尺寸和基体结构. 灰铸铁的球墨性不如其他形式的铸铁,抗拉强度也较低. 然而,它是一个更好的热导体,并具有更高的振动阻尼水平. 它的阻尼能力是钢的20-25倍,优于所有其他铸铁. 灰铸铁也比其他铸铁更容易加工, 其耐磨性使其成为体积最高的铸铁bwin体育之一.

bwin体育的 Hardscapebwin体育由灰铁制成. 减震和耐磨性使其成为许多街道应用的合适材料. 生灰铁还会产生一种铜绿,使其即使在户外也不会受到破坏性腐蚀. 

白口铸铁

碳含量合适,冷却速度高, 碳原子与铁结合形成碳化铁. 这意味着凝固材料中几乎没有游离石墨分子. 当白铁被剪切时,由于缺少石墨,断裂的表面呈现白色. 渗碳体微晶结构硬而脆,抗压强度高,耐磨性好. 在某些特殊的应用中, bwin体育表面最好有白铁. 这可以通过使用良好的导热材料来制作模具的一部分. 这将从熔融金属的特定区域迅速吸收热量, 而铸件的其他部分则以较慢的速度冷却.

白口铁中最受欢迎的一种是镍硬铁. 铬和镍合金的加入使该bwin体育具有优异的低冲击性能, 滑动磨损应用.

白口铸铁s and ni-hard irons fall under a classification of alloys referred to as ASTM A532; the “耐磨铸铁的标准规范”.

可锻铸铁

白口铁可进一步加工成可锻铸铁 热处理. 加热和冷却的扩展程序, 结果导致碳化物铁分子的分解, 将游离石墨分子释放到铁中. 不同的冷却速率, 以及合金的添加, 生产具有微晶结构的可锻铸铁.

球墨铸铁(球铁)

球墨铸铁即球墨铁,是通过向合金中添加镁而获得其特殊性能的. 镁的存在使石墨形成球状,与灰铁的薄片相反. 成分控制在生产过程中非常重要. 少量的杂质如硫和氧会与镁发生反应, 影响石墨分子的形状. 通过操纵石墨球体周围的微晶结构,可形成不同等级的球墨铁. 这是通过铸造过程实现的, 或通过热处理, 作为下游处理步骤.

因为球墨铸铁受到冲击会变形, 而不是碎成碎片, bwin体育用这种材料制作bwin体育铸铁护柱. 球墨铸铁的冲击特性使其成为一种良好的铸铁,用于车辆交通附近的护柱.

压实石墨铁

压实的石墨铁具有石墨结构和灰铁和白铁的混合物的相关特性. 微晶结构是在相互连接的钝石墨片周围形成的. 一种合金,如钛,被用来抑制球墨的形成. 与灰铸铁相比,致密石墨铸铁具有更高的抗拉强度和更好的延性. 微晶结构和性能可通过热处理或添加其他合金进行调整.

铸铁成分概述

开发的表 工程师手册》 显示不同类型铸铁的不同成分范围:

典型纯合金铸铁的成分范围
以百分比表示的值(%)

铁的种类

灰色的

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

韧性

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

压实石墨

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

延展性(铸白色)

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

0.02 – 0.2

白色

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

0.06 – 0.2

铁的种类

灰色的

2.5 – 4.0

韧性

3.0 – 4.0

压实石墨

2.5 – 4.0

延展性(铸白色)

2.0 – 2.9

白色

1.8 – 3.6

铁的种类

灰色的

1.0 – 3.0

韧性

1.8 – 2.8

压实石墨

1.0 – 3.0

延展性(铸白色)

0.9 – 1.9

白色

0.5 – 1.9

铁的种类

灰色的

0.2 – 1.0

韧性

0.1 – 1.0

压实石墨

0.2 – 1.0

延展性(铸白色)

0.15 – 1.2

白色

0.25 – 0.8

铁的种类

灰色的

0.02 – 0.25

韧性

0.01 – 0.03

压实石墨

0.01 – 0.03

延展性(铸白色)

0.02 – 0.2

白色

0.06 – 0.2

铁的种类

灰色的

0.02 – 1.0

韧性

0.01 – 0.1

压实石墨

0.01 – 0.1

延展性(铸白色)

0.02 – 0.2

白色

0.06 – 0.2

铸铁的机械性能

材料的力学性能表明它在特定应力下的反应, 这有助于确定它对不同应用程序的适用性. 规格是由诸如美国测试和材料协会(ASTM)这样的组织制定的,这样用户就可以放心地购买材料,因为它们满足了应用的要求. 最常用的灰铸铁规格是ASTM A48.

为了使铸造bwin体育符合其规格, 一个标准的做法是铸造一个测试棒连同工程铸件. 然后将ASTM测试应用于该测试棒,结果用于整批铸件的合格评定.

当铸铁件焊接在一起时,规格也很重要. 焊缝必须达到或超过被焊接材料的机械性能,否则, 可能会发生骨折和失效.

焊接铸铁
当焊接, 焊缝达到或超过材料的力学性能以防止断裂和失效是至关重要的.

铸铁的一些常见机械性能包括:

  • 硬度 -材料的耐磨性和压痕性
  • 韧性-材料吸收能量的能力
  • 延性-材料的变形而不断裂的能力
  • 弹性-材料在变形后恢复到原来尺寸的能力
  • 延展性-材料在压缩下变形而不破裂的能力
  • 抗拉强度-材料在不撕裂的情况下所能承受的最大纵向应力
  • 疲劳强度-材料在一定循环次数下不断裂所能承受的最高应力

下表总结了不同等级铸铁的一些关键机械性能. 更多信息, 参见“铁合金”, 一份来自美国铸造协会的重要参考文件.

布氏硬度

抗拉强度

弹性模量

%伸长率(50毫米)

灰铁25级

187

29.9 ksi

16.1 Msi

灰铁40级

235

41.9 ksi

18.2 Msi

球墨铸铁等级60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

球墨铸铁等级129-90-02

240 – 300

120年ksi

25.5 Msi

CGI等级250

179 max

36.2 ksi min

3

CGI等级450

207 – 269

65.2 ksi min

1

布氏硬度

灰铁25级

187

灰铁40级

235

球墨铸铁等级60-40-18

130 – 170

球墨铸铁等级129-90-02

240 – 300

CGI等级250

179 max

CGI等级450

207 – 269

抗拉强度

灰铁25级

29.9 ksi

灰铁40级

41.9 ksi

球墨铸铁等级60-40-18

60 ksi

球墨铸铁等级129-90-02

120年ksi

CGI等级250

36.2 ksi min

CGI等级450

65.2 ksi min

弹性模量

灰铁25级

16.1 Msi

灰铁40级

18.2 Msi

球墨铸铁等级60-40-18

24.5 Msi

球墨铸铁等级129-90-02

25.5 Msi

CGI等级250

CGI等级450

%伸长率(50毫米)

灰铁25级

灰铁40级

球墨铸铁等级60-40-18

球墨铸铁等级129-90-02

CGI等级250

3

CGI等级450

1

铸铁的常见应用

不同类型的铸铁具有不同的性能,因此每种类型都适合于特定的应用.

灰铸铁应用

灰铁的一个关键特性是它的抗磨损能力,即使在润滑供应有限的情况下.g. 发动机缸体上气缸壁). 灰铸铁用于制造发动机缸体和汽缸盖, 集合管, 气体燃烧器, 齿轮空白, 附件, 和外壳.

白口铁应用

用于制造白口铁的冷却过程会产生一种非常耐磨损的脆性材料. 因为这个原因, 它被用来制造轧机衬里, 抛丸喷嘴, 铁路刹车片, 泥浆泵壳体, 轧辊, 和破碎机.

镍硬铁是专门用于搅拌桨, 螺旋和死亡, 球磨机衬板, 煤炭降落伞, 以及用于拉丝的导丝器.

红色浆体泵房铸件
耐磨白口铁用于生产浆体泵壳体等各种机械零件.

球墨铸铁的应用

球墨铸铁本身可以分成不同的等级, 每个都有自己的属性规格和最适合的应用. 它易于加工,具有良好的疲劳和屈服强度,同时具有耐磨性能. 然而,它最著名的特点是延展性. 球墨铸铁可用于制造转向节, 犁的股票, 曲轴, 重型齿轮, 汽车和卡车悬挂部件, 液压元件, 和汽车门铰链.

可锻铸铁的应用

不同等级的可锻铸铁对应不同的微晶结构. 使可锻铸铁具有吸引力的特殊属性是其保留和储存润滑油的能力, 非磨粒磨损, 多孔的表面可以捕获其他磨料碎片. 可锻铸铁用于重型轴承表面, 链, 链轮, 连杆, 驱动列车和车轴部件, 铁路车辆, 还有农业和建筑机械.

可锻铸铁列车和车轴部件
可锻铸铁用于重型轴承表面,如传动系统和轴组件.

压实石墨铁的应用

压实石墨铁开始在商业应用中发挥作用. 灰铁和白铁的结合特性创造了高强度和高导热bwin体育,适用于柴油发动机缸体和框架, 气缸套, 火车用制动盘, 废气再循环系统, 以及高压泵的齿轮板.

机加工和精加工

铸铁的硬度特性要求慎重选择机床材料. 涂层碳化物在生产加工环境中是有效的, 但是随着技术的进步,新的材料也在不断地被开发出来.

铸铁bwin体育的表面光洁度根据用途的不同有很大差异. 一些常见的应用:

  • 电镀
  • 热浸镀
  • 热喷涂
  • 扩散层
  • 转化膜
  • 陶瓷上釉药
  • 液态有机涂料
  • 干粉有机涂料

铸铁与未来

早在3000多年前,铁就已经成为人类社会不可或缺的一部分. 从几个世纪的铁匠炼铁到工业时代铸铁的发明,铁的生产已经走过了漫长的道路.

从那以后,除了装饰用途外,锻铁基本上已经过时了. 与之相反, 铸铁在成分方面仍在进步, 微观结构, 机械性能——继续在现代世界中留下印记.

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