灰口铸铁

灰口铸铁(英語:Grey cast iron),简称灰铸铁(英語:Gray iron),是铸铁材料中的一种。灰口铸铁中所含的碳具有片状石墨的微观结构[1]。由于片状石墨的存在,其形成的断口呈现灰色,因此得名。[2]按重量计算,灰口铸铁是最常见的铸铁和最广泛使用的铸造材料。[3]灰口铸铁一般用于更看重部件的刚度而非其抗拉强度的场合,例如内燃机气缸体、外壳、阀体、电器箱和装饰品。灰口铸铁具有较高的热导率比热容,常被用来制造铸铁炊具盘式制动器的转子。[4]

的顯微組織

肥粒鐵(α-Fe)
針狀肥粒鐵(acicular α-Fe)
沃斯田鐵(γ-Fe)
麻田散鐵
波來鐵(88%肥粒鐵,12%碳化三铁)
變韌鐵
粒滴斑鐵(波來鐵及渗碳体的共晶
    混合物,含碳量4.3%)
雪明碳鐵(Fe3C)
β铁(β-Fe)

坩埚钢英语Crucible steel
碳鋼(含量≤2.1%)
彈簧鋼英语Spring steel(低或無合金
合金鋼(含有碳以外的元素)

麻田散鐵時效鋼(含鎳)
不鏽鋼(含鉻量≥10.5%)
耐候钢
工具鋼英语Tool steel(工具用的合金鋼)
其他含鐵材料

鑄鐵(含碳量>2.1%)

白鑄鐵
灰口铸铁
可鍛鑄鐵
球墨鑄鐵
蠕墨铸铁
锻铁(含有熔渣)

结构编辑

 
灰口铸铁的微观结构

典型的灰口铸铁含有2.5至4.0%的和1至3%的(质量分数)。按体积分数,石墨可能占到灰口铸铁的6&至10%。与白口铸铁相比,硅元素对于制造灰口铸铁很重要,因为硅是铸铁中的“石墨稳定”元素,这意味着它有助于合金中的碳保持石墨结构而不是产生碳化三铁。影响石墨化的另一个因素是凝固速度:凝固速度越小,碳扩散和积聚到石墨中的时间就越长。适中的冷却速度形成的基体带有更多的珠光体,而快速冷却形成的基体中存在更多铁素体。要获得完全为的铁素体基体,合金必须退火[2]快速冷却可以部分或完全抑制石墨化,导致形成渗碳体,所得铸铁被称为白口铸铁[5]

分类编辑

美国常用的灰口铸铁分类法是A48[3] 这一标准按照最小拉伸强度将灰口铸铁分级,比如拉伸强度为20psi的灰口铸铁被列为20级,此时的灰口铸铁等效碳较高,具有铁素体基体,导致拉伸强度较低。但像40级的灰口铸铁,其中碳含量较低,呈现珠光体基体,其拉伸强度就比较高。超过40级的灰口铸铁一般需要采用固溶强化或热处理的办法来改性基体。80级的灰口铸铁尽管具有最高的拉伸强度,但十分脆。[5]

在汽车工业中,使用SAE J431来代替ASTM标准。根据拉伸强度和布氏硬度的比值来分级。[3]

ASTM A48对灰口铸铁的分级[6]
级别 拉伸强度(ksi) 压缩强度(ksi) 弹性模量,
E (Mpsi)
20 22 83 10
30 31 109 14
40 57 140 18
60 62.5 187.5 21
根据SAE J431,对灰口铸铁的分级[6]
级别 布氏硬度 t/h 描述
G1800 120–187 135 铁素体-珠光体
G2500 170–229 135 铁素体-珠光体
G3000 187–241 150 珠光体
G3500 207–255 165 珠光体
G4000 217–269 175 珠光体
t/h = 拉伸强度/硬度

优点与缺点编辑

由于所含的石墨可以润滑切口和分裂切屑,灰口铸铁的成本相对较低且机械加工性英语Machinability良好,成为常见一种的工程合金。石墨薄片的自润滑性英语Galling还使得其具有良好的耐磨性。石墨还赋予灰铸铁出色的阻尼能力英语Damping capacity,因为它可以吸收能量并将其转化为热量。[4] 但灰口铸铁即使在较高温度下也无法锻造、挤出或卷压。

各种金属的相对阻尼能力
材料 阻尼能力
灰口铸铁(高等效碳) 100–500
灰口铸铁(低等效碳) 20–100
Ductile iron 5–20
Malleable iron 8–15
白铁 2–4
4
0.47
Natural log of the ratio of successive amplitudes

与不形成石墨显微组织的其他铸铁相比,灰口铸铁在凝固过程中的收缩更小。硅在铸造时促进了良好的耐腐蚀性并增加了流动性。[5]灰口铸铁通常被认为易于焊接。[7]与更现代的铁合金相比,灰口铸铁具有较低的抗拉强度和延展性; 因此,它的抗冲击强度几乎不存在。[7]

参考文献编辑

  1. ^ 术语在线-灰口铸铁. [2021-08-27]. 
  2. ^ 2.0 2.1 William F. Smith and Javad Hashemi. Foundations of Materials Science and Engineering 4th. McGraw-Hill. 2006: 431–432. ISBN 9780072921946. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Philip A. Schweitzer. Metallic materials. CRC Press. 2003: 72. ISBN 9780203912423. 
  4. ^ 4.0 4.1 灰铸铁制动转子冶金简介 (PDF). SAE. [2011-05-24]. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 E. Paul Degarmo, J T. Black and Ronald A. Kohser. Materials and Processes in Manufacturing 9th. Wiley. 2003: 77. ISBN 9780471033066. 
  6. ^ 6.0 6.1 Schweitzer 2003,第73頁.
  7. ^ 7.0 7.1 Miller, Mark R., Welding Licensing Exam Study Guide, McGraw-Hill Professional: 191, 2007, ISBN 9780071709972. 

扩展阅读编辑

Stefanescu, Doru Michael. Science and engineering of casting solidification. Springer. 2002. ISBN 978-0-306-46750-9.