铸铁入门:历史,类型,属性和用途

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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

在铸造厂铸造铸铁件
铸铁由于其高含碳量和硅的结合而具有优良的铸造性能。

铁在日常生活中的存在始于大约公元前1200年,包括从农具到战争武器的广泛用途。铁匠成为了一种重要的职业,他们利用铁来改变它的属性,并将其塑造成工具。每个村庄和城镇都会有一个铁匠铺,在那里生产镰刀、犁头、钉子、剑、烛台等等。

铁的价值的发现导致了铁器时代的到来,这是由于这种材料在社会和军事应用方面的主导地位。金属的另一个里程碑紧随其后——工业革命改变了金属的生产方式,并将其加工成包括铁在内的产品。

类型的铁

产生的铁主要有两种:熟铁和铸铁.其中,铸铁还包括它自己的金属家族。

铁艺

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),先在炉中加热,然后用铁锤在铁砧上锻造。锤打铁会将大部分的渣从材料中排出,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,发现了熟铁的新用途。它的高抗拉强度(在张力下抗断裂)使它成为桥梁和高层建筑等大型建筑项目的理想使用梁。然而,铸铁用于此目的的使用在20世纪初基本上被放弃了开发的产品具有比铁更好的性能,适用于建筑应用。

熟铁已成为著名的装饰品。15和16世纪的教堂都有技艺精湛的工匠制作的精致铁器。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

铸铁是通过熔炼含碳量大于2%的铁碳合金制成的。经过熔炼,金属是倒进模具.熟铁和铸铁在生产上的主要区别是,铸铁不使用锤子和工具。在成分上也存在差异,铸铁含有2-4%的碳和其他合金,以及1-3%的硅,这提高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。熟铁和铸铁之间的区别还体现在化学结构和物理性能的细节上。

虽然两钢和铸铁含碳量与表面相似,但两种金属之间存在显著差异。钢的碳含量低于2%,这使得最终产品能够凝固成单一的微晶结构。高碳含量的铸铁意味着它凝固为非均相合金,因此在材料中存在不止一种微晶结构。

正是由于高碳含量和硅的存在,铸铁才具有优异的性能铸造性能.各种类型的铸铁采用不同的热处理和加工工艺,包括灰铸铁、白铁、可锻铸铁、球墨铸铁和压实石墨铸铁。

铸铁桥
铸铁的设计细节是通过熔炼金属并将其倒入模具中而产生的。
灰口铸铁

灰铸铁的特征是金属中石墨分子的鳞片形状。当金属断裂时,断裂发生在石墨薄片上,这使断裂金属的表面呈灰色。灰铁这个名字就来源于这个特点。

在生产过程中,可以通过调整冷却速度和成分来控制石墨片的尺寸和基体结构。灰铸铁不像其他形式的铸铁那样具有延展性,抗拉强度也较低。然而,它是一个更好的热导体,具有较高的振动阻尼水平。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大的铸铁产品之一。

我们的硬质景观产品由灰铁制成.减震和耐磨性能使其成为许多街道应用的合适材料。生铁还会产生一种古铜色,即使在户外也能防止破坏性腐蚀。

白口铸铁

当碳含量合适、冷却速度快时,碳原子与铁结合形成铁碳化物。这意味着固化材料中几乎没有游离石墨分子。当白铁被剪切时,由于没有石墨,断裂面呈现白色。渗碳体微晶组织硬脆,抗压强度高,耐磨性好。在某些特殊应用中,希望产品表面有白铁。这可以通过使用良好的热导体来实现。这将从特定的区域迅速吸收熔化的金属的热量,而铸件的其余部分冷却的速度较慢。

最常用的白铁等级之一是镍硬铁。铬和镍合金的添加使该产品具有良好的性能,低冲击,滑动磨损应用。

白铁和镍硬铁属于合金的分类,参照ASTM A532;“耐磨铸铁的标准规范”。

可锻铸铁

白铁可以进一步加工成可锻铸铁热处理.加热和冷却的延长程序,导致铁碳化物分子的分解,释放自由石墨分子到铁中。不同的冷却速度和合金的加入,可以产生具有微晶结构的可锻铸铁。

球铁(球墨铸铁)

球墨铸铁球墨铸铁是通过向合金中加入镁而获得其特殊性能的。镁的存在使石墨形成球状,而不是灰铁薄片。在生产过程中,成分控制是非常重要的。少量的杂质,如硫和氧与镁发生反应,影响石墨分子的形状。通过控制石墨球墨周围的微晶结构,可以得到不同牌号的球墨铸铁。这是通过铸造过程,或通过热处理,作为下游加工步骤来实现的。

因为球墨铸铁在冲击下会变形,而不是碎裂成碎片,我们用这种材料来制造铸铁护柱.球墨铸铁的冲击特性使其成为车辆附近系柱的良好铸铁。

压实石墨铁

压实石墨铁具有石墨结构和灰白色铁的混合性质。微晶结构是在相互连接的钝片状石墨周围形成的。一种合金,如钛,被用来抑制球状石墨的形成。与灰铸铁相比,压实石墨铸铁具有较高的抗拉强度和较好的塑性。微晶结构和性能可以通过热处理或添加其他合金来调整。

铸铁成分总结

由…开发的表工程师手册》显示不同类型铸铁的不同成分范围:

典型的非合金铸铁的成分范围
值以百分比(%)表示

类型的铁

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

可塑的(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

类型的铁

灰色的

2.5 - 4.0

韧性

3.0 - 4.0

压实石墨

2.5 - 4.0

可塑的(白色)

2.0 - 2.9

白色

1.8 - 3.6

类型的铁

灰色的

1.0 - 3.0

韧性

1.8 - 2.8

压实石墨

1.0 - 3.0

可塑的(白色)

0.9 - 1.9

白色

0.5 - 1.9

类型的铁

灰色的

0.2 - 1.0

韧性

0.1 - 1.0

压实石墨

0.2 - 1.0

可塑的(白色)

0.15 - 1.2

白色

0.25 - 0.8

类型的铁

灰色的

0.02 - 0.25

韧性

0.01 - 0.03

压实石墨

0.01 - 0.03

可塑的(白色)

0.02 - 0.2

白色

0.06 - 0.2

类型的铁

灰色的

0.02 - 1.0

韧性

0.01 - 0.1

压实石墨

0.01 - 0.1

可塑的(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了它在特定应力下的反应,这有助于确定它对不同应用的适用性。规格由诸如美国测试和材料协会(ASTM)这样的组织设定,以便用户可以放心地购买满足其应用要求的材料。最常用的灰铸铁规格是ASTM A48。

为了根据铸件的规格确定铸件的质量,标准做法是在工程铸件中同时铸造一个测试棒。ASTM测试然后应用到这个测试棒和结果是用来合格的整个批次的铸件。

当铸铁件焊接在一起时,规格也很重要。焊缝必须满足或超过被焊接材料的力学性能,否则,就会发生断裂和失效。

焊接铸铁
焊接时,焊缝满足或超过材料的机械性能,以防止断裂和失效是至关重要的。

铸铁的一些常见力学性能包括:

  • 硬度-材料的耐磨性和抗压痕性
  • 韧性-材料吸收能量的能力
  • 延展性-材料变形而不断裂的能力
  • 弹性-材料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-一种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-材料在给定循环次数下所能承受的最高应力

本表格总结了不同牌号铸铁的一些关键力学性能。欲了解更多信息,请参阅“铁合金”,这是美国铸造协会的一份很好的参考文件。

布氏硬度

抗拉强度

弹性模量

伸长率(50毫米)

灰铸铁25级

187

29.9 ksi

16.1 Msi

- - - - - -

灰铸铁40级

235

41.9 ksi

18.2 Msi

- - - - - -

球墨铸铁60-40-18级

130 - 170

60 ksi

24.5 Msi

- - - - - -

球墨铸铁牌号129-90-02

240 - 300

120年ksi

25.5 Msi

- - - - - -

CGI 250级

179 max

36.2 ksi敏

3.

CGI 450级

207 - 269

65.2 ksi敏

1

布氏硬度

灰铸铁25级

187

灰铸铁40级

235

球墨铸铁60-40-18级

130 - 170

球墨铸铁牌号129-90-02

240 - 300

CGI 250级

179 max

CGI 450级

207 - 269

抗拉强度

灰铸铁25级

29.9 ksi

灰铸铁40级

41.9 ksi

球墨铸铁60-40-18级

60 ksi

球墨铸铁牌号129-90-02

120年ksi

CGI 250级

36.2 ksi敏

CGI 450级

65.2 ksi敏

弹性模量

灰铸铁25级

16.1 Msi

灰铸铁40级

18.2 Msi

球墨铸铁60-40-18级

24.5 Msi

球墨铸铁牌号129-90-02

25.5 Msi

CGI 250级

CGI 450级

伸长率(50毫米)

灰铸铁25级

- - - - - -

灰铸铁40级

- - - - - -

球墨铸铁60-40-18级

- - - - - -

球墨铸铁牌号129-90-02

- - - - - -

CGI 250级

3.

CGI 450级

1

铸铁的常见应用

不同类型的铸铁具有不同的性能,因此每种类型的铸铁适合于特定的应用场合。

灰口铸铁的应用程序

灰铸铁的一个关键特征是,即使在润滑供应有限(如发动机缸体的上缸壁)的情况下,它仍能抵抗磨损。灰铸铁用于制造发动机缸体、气缸盖、歧管、燃气燃烧器、齿轮坯、外壳和外壳。

白色铁的应用

用来制造白铁的冷却过程会产生一种非常耐磨损的脆性材料。由于这个原因,它被用来制造轧机衬,喷丸喷嘴,铁路制动蹄,泥浆泵壳,轧机轧辊和破碎机。

Ni-Hard Iron Ni-Hard Iron Ni-Hard Iron Ni-Hard Iron Ni-Hard Iron Ni-Hard Iron

红色泥浆泵室铸件
耐磨白铁用于生产泥浆泵外壳等各种机械部件。

球墨铸铁的应用程序

球墨铸铁本身可以分解成不同的牌号,每一种牌号都有自己的性能规格和最适合的用途。易于加工,具有良好的疲劳强度和屈服强度,同时具有耐磨性能。然而,它最著名的特征是延展性。球墨铸铁可用于制造转向节、犁头、曲轴、重型齿轮、汽车和卡车悬挂组件、液压组件和汽车门铰链。

可锻铸铁的应用

不同牌号的可锻铸铁对应着不同的微晶结构。使可锻铸铁具有吸引力的特殊属性是其保留和储存润滑剂的能力,非研磨性磨损颗粒,以及吸附其他研磨性碎片的多孔表面。可锻铸铁用于重型轴承表面、链条、链轮、连杆、传动列车和轴部件、铁路机车车辆、农业和工程机械。

可锻铸铁制火车和车轴部件
可锻铸铁用于重型轴承表面,如传动系和轴组件。

压实石墨铁的应用

压实石墨铁开始在商业应用中崭露头角。灰铸铁和白铁的结合创造了高强度和高导热产品-适用于柴油发动机缸体和框架,缸套,火车刹车盘,排气歧管,和高压泵的齿轮盘。

加工和整理

铸铁的硬度特性要求机床材料的精心选择。涂层碳化物在生产加工环境中是有效的,但随着技术的改进,更新的材料正在不断开发。

铸铁制品的表面光洁度因使用的不同而有很大的不同。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
  • 液体有机涂层
  • 干粉有机涂料

铸就未来

从3000多年前的早期使用开始,铁一直是人类社会不可分割的一部分。从几个世纪前的铁匠制铁到工业时代发明铸铁,铁的生产已经取得了长足的进步。

从那以后,除了用于装饰外,熟铁基本上已经过时了。相比之下,铸铁在成分、显微组织和机械性能方面仍在进步,继续在现代世界留下自己的印记。

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