铸铁(冶金)

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May 17, 2022

铸铁,在冶金学中,是含量大于2%的铁和碳的合金。在铸铁中过饱和的碳可以石墨或 Fe3C 渗碳体的形式沉淀。它们与其他铁合金的不同之处在于其出色的流动性。铸铁有几种分类,但最广泛使用的,根据证人的断裂相,定义了两类:白口铸铁,带白口,由铁和渗碳体制成;灰口铸铁,带灰口,由的铁和石墨。

特征

铸铁都是合金。它们与其他合金的区别在于其优异的流动性(该术语结合了熔融合金的热惯性和流动性,通过三角形截面的螺旋试管以标准化方式测量)。铸铁的熔点范围从 1135 到 1350°C,主要取决于它所含的碳和硅的百分比。当它熔化时,它的最大碳含量取决于它的温度。在凝固时,金属基体中以石墨形式沉淀的碳量取决于存在的其他元素(主要是硅)和冷却速度。它可以是用铁矿石制造钢的前体。 VS'是从高炉中出来的合金,将被精炼成钢(通过脱碳)。它被称为生铁,以区别于铸造铁,通常由冲天炉熔化产生,具有确定的成分,用于生产铸件。

故事

战国时期(公元前4世纪),中国发现了铸铁。在欧洲,正是在 19 世纪,通过“间接过程”(在高炉中生产铁并获得铸铁作为中间产品)的推广,铸铁在经济中占据了重要地位。铸铁是在木炭高炉中生产的。亚伯拉罕·达比,最初是麦芽烘焙师(用于制作啤酒),成功地使用可乐(“coak”,后来写成“coke”,从英文到cook)生产铸铁。 1709 年,他使用低硫煤在他位于 Coalbrookdale 的工厂制造了第一个焦炭铸铁。但该产品据称质量低于燃木铸铁,历经五十年,才确立自己的地位,成为工业化的主要产品之一。 1777 年至 1779 年间,亚伯拉罕·达比三世在 Coalbrookdale 建造了铁桥,这是历史上第一座完全由铸铁制成的大型金属桥。尽管如此,燃木铸铁的生产仍在继续,部分原因是生产国(法国、德国)实行保护主义,部分原因是这种铸铁的质量和某些铁匠的不情愿。尽管如此,燃木铸铁的生产仍在继续,部分原因是生产国(法国、德国)实行保护主义,部分原因是这种铸铁的质量和某些铁匠的不情愿。尽管如此,燃木铸铁的生产仍在继续,部分原因是生产国(法国、德国)实行保护主义,部分原因是这种铸铁的质量和某些铁匠的不情愿。

字体组合

从化学的角度来看,铸铁是含有共晶相的铁碳合金,称为莱氏体。因此,在亚稳态铁碳相图上,这是一个碳含量超过 2.11% 的铁碳合金的问题(但该图在合金元素存在的情况下不再有效)。不同的铸铁通过它们的碳百分比来区分。在纯铁和碳合金的情况下(理论上,因为铸铁总是含有大量的硅和锰),注意以下阈值: 亚共晶铸铁:从 2.11% 到 4.3% 的碳;共晶铸铁:含碳 4.3%;这种铸铁的最低熔化温度为 1,148 °C;过共晶铸铁:4.3 至 6.67% 的碳。钢在亚稳态铁-渗碳体铁-碳图中结晶(如图所示),尽管热力学稳定的是石墨:渗碳体应分解为 Fe3C → 3Feα + C(石墨),但碳原子的迁移率不足以实现这一点发生。对于碳含量较高的铸铁,情况有所不同,因此可以在稳定的铁碳图:铁石墨中结晶。这两张图的区别首先在于冷却速度:当冷却速度快时,溶解在γ铁中的碳来不及远距离迁移并在现场形成Fe3C碳化物,即渗碳体;而如果冷却速度足够慢,碳可以“聚在一起”形成石墨。在稳定铁碳图上,共晶为4.25%的碳,在1153℃的温度下熔化。因此有两种类型的铸铁:白口铸铁,渗碳体;灰铸铁,石墨铸铁。白口铸铁和灰口铸铁(或黑色)铸铁之间的区别可以追溯到 18 世纪。获得灰口铸铁或白口铸铁取决于它们的成分和冷却速度 添加合金元素可以根据稳定图(石墨)或亚稳态图(渗碳体)促进铸铁的凝固。我们发现特别是作为元素合金硅会根据稳定图促进铸铁凝固,或锰会促进珍珠岩(铁素体和渗碳体薄片)的形成。然而,如果锰含量在 0.5% 到 1.5% 之间,硅含量在 0.5% 到 3% 之间,磷含量在 0.05% 到 2.5% 之间,那么铸铁不被认为是合金化的,如果除了上述元素之外,它含有足够数量的至少一种添加元素,例如:镍、铜(超过 0.30%);铬(0.20%以上);钛、钼、钒、铝(大于 0.10%)。同样,含有超过 3% 的硅或超过 1.5% 的锰的铸铁被认为是特殊的(尤其是具有增强铁素体基体的 GS 铸铁的情况)。5% 如果除上述元素外,铸铁还含有足量的至少一种添加元素,例如:镍、铜(超过 0.30%),则称该铸铁是合金化的;铬(0.20%以上);钛、钼、钒、铝(大于 0.10%)。同样,含有超过 3% 的硅或超过 1.5% 的锰的铸铁被认为是特殊的(尤其是具有增强铁素体基体的 GS 铸铁的情况)。5% 如果除上述元素外,铸铁还含有足量的至少一种添加元素,例如:镍、铜(超过 0.30%),则称该铸铁是合金化的;铬(0.20%以上);钛、钼、钒、铝(大于 0.10%)。同样,含有超过 3% 的硅或超过 1.5% 的锰的铸铁被认为是特殊的(尤其是具有增强铁素体基体的 GS 铸铁的情况)。对于具有增强铁素体基体的 GS 铸铁尤其如此)。对于具有增强铁素体基体的 GS 铸铁尤其如此)。

白口铸铁

白口铸铁是珍珠岩和渗碳体 (Fe3C) 的溶液。这种渗碳体的存在使白口铸铁变得坚硬且易碎。这种铸铁是通过低铸造温度、快速冷却、高含量的珠状元素(如锰、铜等)或低含量的石墨化元素(如硅)获得的。白色字体由珍珠岩和莱氏体制成。白口铸铁具有良好的流动性和明亮的白色外观,主要用于外观件、易损件(如犁刀尖)和艺术铸造。硬质合金的存在使其非常耐磨,但也使其很难加工。高炉铸铁用于转炉精炼(在 20 世纪末几乎占了生产的所有铸铁),虽然在技术上是“白口铸铁”,但从未被称为。这种熔化的“生铁”仅在其化学成分和温度方面有价值。铸件的分类,包括它们的冷却和可能的处理,因此通常与钢的制造无关。根据合金元素的含量,可以获得珠光体或马氏体白色铸件。白口铸铁的主要品质是: 优异的耐磨性和冷热磨损性 良好的外观 良好的流动性 他们的主要缺点是:难加工(布氏硬度:350~500HB)易碎零件

灰色字体

以石墨形式存在碳的铸铁系列。碳的石墨结构是通过对铸铁进行非常缓慢的冷却,或添加硅等石墨化成分而获得的。名称灰铸铁是由于断口的外观是灰色的,而白口铸铁的断口颜色为白色。也有外观为灰色和白色的字体,这些是truitated字体(类似于皮肤)。虽然根据稳定图(铁-石墨)开始冷却,但当温度下降时,石墨化因素不再有任何影响,冷却根据亚稳态图进行。最终,微观结构可能包含铁素体、珍珠岩、层状或球状形式的渗碳体和石墨。这些相中的每一个的比例取决于合金的成分和冷却速率。

GL铸铁(层状石墨)

它是最常见的灰色字体。石墨以薄片的形式存在。正是这种石墨层状形状(缺口效应)使 GL 铸铁变脆。另一方面,石墨改善了铸铁的摩擦特性,因此促进了机械加工。 GL 铸铁的主要品质是: 易于加工;非常好的抗腐蚀和热变形能力;很好地吸收振动;尺寸稳定性(实现静音且几何形状稳定的机床);优良的流动性;金属价格低;主要缺点:相对于钢和GS铸铁比较脆弱主要用途:所有机械零件(不同强度等级);机床框架,良好的抗振性;管道和管道(可以通过离心铸造铸造大管)。

GS铸铁(球墨铸铁,也称球墨铸铁)

GS 字体自 1948 年以来一直在开发中。铸铁,其中石墨以球状体(球体)的形式存在。这种特殊的显微组织是通过在铸造前不久将镁添加到铸铁中获得的(如果铸铁保持熔融,大约十分钟后就会失去 GS 铸铁的特定特征):这是球化处理。镁蒸发但会导致石墨以结核形式快速结晶。这种微观结构使其具有接近钢的机械特性。事实上,石墨的球形赋予铸铁良好的延展性。

获取GS字体

在球墨铸铁凝固过程中,液体中会出现球状体。碳结节会生长,耗尽它们周围液体中的碳。随着凝固的进行,这些球体被奥氏体鞘包围。碳必须在奥氏体包壳内扩散,然后在碳球体上结晶,因此碳在奥氏体内的扩散成为控制结核生长的主要机制。通过进行热分析(温度随时间变化),我们也可以观察到这种现象。事实上,在冷却过程中,由于缺乏液相和固相之间的平衡(由石墨和液体之间失去接触表示),。一旦凝固完成,碳继续在奥氏体中扩散。事实上,碳在奥氏体中的溶解度随温度降低。共析转变发生在一个温度范围内。此时,奥氏体转变为铁素体,我们观察到越来越多的碳原子向结核扩散。这是因为碳在铁素体(晶体结构:立方中心)中的溶解度比在奥氏体(面心立方结构)中的溶解度低。这种凝固然后冷却的过程导致在由浸在铁素体基体中的碳结节组成的平衡。当然,这只有在碳有时间在奥氏体/铁素体中扩散时才会发生。如果凝固和冷却速度快于碳的扩散速度,则碳以渗碳体(亚稳态图)的形式而不是石墨(稳态图)的形式获得,并且还观察到奥氏体的转变。珠光体而不是铁氧体。球体由异质种子形成,外来颗粒允许石墨结晶。有不同的元素可以促进球形石墨的形成:铈、锂、钡、锶和许多其他元素。然而在工业上,通过以铁合金 (FeSiMg) 的形式插入镁来使用镁。球化剂对硫和氧都是贪婪的,它们的作用只有在与氧和硫反应后残留过量的情况下才能发挥作用。此外,这些元素在液体浴的温度下是短暂和易挥发的,因此只能在很短的时间内(几分钟)感觉到它们的作用。尽管如此,建议不要将这些元素过多地放入熔池中,因为根据亚稳态图,这些元素中的一些(特别是镁)有利于铸铁的凝固,因此会导致形成碳化物和风险残留量过高也是得到退化石墨的原因。还有一些元素可以防止以球体形式形成石墨:铋(含量大于 20 ppm)、钛(含量大于 400 ppm)、铅(含量大于 20 ppm)。对于球化处理,有几种可能的工业方法插入镁铁合金: 柱塞法:在棒的末端放置一个带开口的耐火钟罩,将封闭在其中的铁合金插入其中。然后将钟罩插入装有液态金属的耐火袋中。夹心法:将镁合金放入位于治疗袋底部的空腔中。然后用废铁或什至用铁硅颗粒覆盖铁合金,从而可以隔离与液态金属直接接触的镁合金。 In-Mold工艺:球化处理在模具内进行。这种方法更适合所有参数固定的批量生产。

球墨铸铁的组织

铸铁的结构取决于添加元素和冷却速度,这些参数很大程度上取决于零件的厚度。这种结构强烈影响机械特性。有以下区别: 具有铁素体基体的铸铁:它是通过长时间冷却或通过添加硅等铁素体元素获得的。具有珠光体基体的铸铁:更常见的是,它通常不完整,在石墨周围形成铁素体晕圈(所谓的“牛眼”结构)。具有奥氏体基体的铸铁:使用会降低奥氏体 → 铁素体转变点的元素获得,从而使奥氏体在室温下稳定。这种类型的铸铁是通过添加锰或镍等元素(例如:GS Ni-Resist 铸铁)。具有马氏体基体的铸铁:通过淬火和回火的热处理获得。贝氏体基体铸铁或 ADI。具有强化铁素体基体的铸铁:这些是具有高硅含量 (> 3%) 且完全为铁素体基体的铸铁。硅通过将自身嵌入固溶体中来增加铁氧体的机械阻力。这些铸铁的特殊性在于,对于与普通铸铁相当的机械强度,断裂伸长率和弹性极限较高。这些不同的显微组织可以通过调整球墨铸铁的成分(也可在冷却)。尤其发现以下合金元素: 铜:它通过延迟碳在奥氏体镍中的扩散来促进珍珠岩的生长:它通过降低共析温度来稳定奥氏体。它也非常有利于珍珠岩。钼:它通过提高共析温度来稳定铁素体,并在金属基体内形成碳化物。锰:通过降低共析温度促进珍珠岩和稳定奥氏体。它通过降低共析温度促进珍珠岩并稳定奥氏体。它通过降低共析温度促进珍珠岩并稳定奥氏体。

球墨铸铁用石墨的分类

为了表征铸铁的微观结构,可以测量多种性能,特别是石墨的形态特征。事实上,为了能够对石墨颗粒进行分类并确定一个石墨颗粒是否为结节状,我们依靠标准 NF-EN-945(允许对石墨进行目视分类)或标准 NF A04-197 使其成为可能使用图像分析软件,通过计算它们的形态特征来对每个颗粒进行分类。根据这两个标准,石墨颗粒可分为6类:I型、II型、III型、IV型、V型、VI型。如果石墨颗粒为 V 型或 VI 型,则称它们为结核。一旦粒子被分类,然后我们可以计算我们字体的结节度。根据 EN-1563 标准,为了使 GS 铸铁的机械性能符合标准中的规定,我们的球化率必须大于 80%。球化率等于 V 型和 VI 型石墨颗粒的表面百分比。: G 铸铁的主要品质 抗延展性 良好的流动性 可焊性 球墨铸铁与钢相比的优势特别是更高的机械阻力/重量比使生产更轻的零件成为可能,更好的机械加工性,几乎完全回收的可能性(铸铁零件是可回收产品),熔化的能源成本更低,以及铸铁无毒的事实。主要用途 机械零件:外壳、连接轭、悬臂... 汽车工业:接地连接零件(例如:悬臂) 管道、供水

GV铸铁(蠕墨铸铁)

铸铁,其中石墨处于薄片和球体之间的形式(没有石墨的缺口效应)。这种特殊的微观结构是通过在硫含量非常低的铸铁中添加含量低于球墨铸铁(通常约为 0.020%,而 FGS 的最小值为 0.035%)的镁来获得的。也可以通过从球墨铸铁开始并通过添加非常低剂量的钛来阻止石墨种子的转变来获得这种类型的铸铁,这使得可以为铸件授权更大的范围. 镁含量然而,这种方法今天几乎不再使用,因为添加钛导致形成非常高硬度的碳氮化钛,这严重惩罚了加工。蠕墨铸铁的显微组织结合了片状铸铁的优点(流动性、吸振性)而没有缺点(脆性)和 GS 铸铁的优点(机械阻力)。主要的缺点是难以获得所需的结构和检查该结构是否已获得。机械性能: 主要用途 工业车辆发动机缸体:卡车、汽车获得所需的结构并检查该结构是否已获得。机械性能: 主要用途 工业车辆发动机缸体:卡车、汽车获得所需的结构并检查该结构是否已获得。机械性能: 主要用途 工业车辆发动机缸体:卡车、汽车

标准名称

欧洲标准EN 1560表示:前缀EN-GJ,表示是关于铸铁的;铸铁家族:L:片状石墨铸铁(灰铸铁),S:球墨铸铁(灰铸铁),MB:黑芯铸铁,可锻黑色铸铁,MW:白心铸铁,白色可锻铸铁,N:不含石墨的铸铁,V:蠕墨铸铁,Y:特殊结构的铸铁;抗拉强度Rm,MPa;可能是断裂伸长率 A%。旧的法国标准 NF A 02-001 表明: 铸铁的性质: FB:白口铸铁或渗碳铸铁,具有马氏体基体,FGL:具有层状石墨的铸铁,或片状石墨灰铸铁,FGS:球墨铸铁,或球墨灰铸铁,MB:白心可锻铸铁,MN:黑心可锻铸铁(铁素体结构);断裂强度 Rm,单位 MPa;可能是断裂伸长率 A 的百分比。例如: EN-GJL-150(以前的 FGL 150):具有抗拉强度 Rm 150 MPa 的层状石墨铸铁 EN-GJS-700-2(以前的 FGS 700-2):球墨铸铁抗拉强度为 Rm 700 MPa 且伸长率为 2% 的铁

用途

铸铁用于所有类型的机械零件。大多数零件是通过将液态金属倒入硅质砂模中获得的(参见铸造)。铸铁,尤其是 FGS 铸铁,被汽车工业广泛用于制造发动机缸体、盘式制动器卡钳和轭、制动鼓甚至飞轮、悬架部件、凸轮轴、曲轴等,通过模制和部分加工. FGL 铸铁用于制造制动盘、配重(叉车),用于生产加热元件,尤其是高端加热元件。 FGL 铸铁对于壁炉板和壁炉嵌件的生产至关重要。FGS 铸铁特别用于道路部件,例如格栅和排水检修孔(下水道格栅)。 FGS 和 FGL 铸铁用于生产街道设施,例如长凳和工程扶手(Guimard 地铁入口),以及用于装饰建筑物,例如窗台、门户花环、网格钉。在那里,FGS 因其可焊性而受到赞赏。 FGL 铸铁用于制造管道和软管。几年内不包括城市燃气管道,因为它太脆弱,无法满足重型车辆交通的需求,尤其是在道路工程中使用振动压缩机时。FGL 铸铁是制造机床框架的首选,因为它具有非常好的吸振能力。

执行

铸件可以通过以下方式实现: 造型:通过砂型铸造、金属壳等获得形状的印记 离心:制造管道,连铸:通过模具制造连续型材(在铸铁的情况下,连铸是水平的。连铸可以得到组织精细的铸铁,应用领域有液压工业(液压分配器等)、玻璃工业、简单机械零件等。

毒理学和职业健康

铸铁和钢铸造厂 (2017, vol. 100F) 已被公认为肺癌的低/中风险因素。

铸铁一词的其他用途

术语铸铁有时用于表示其他合金,所有这些用法都是不正确的 [参考文献。所需]:术语铸铝(铜、锌等)有时用于指代通过铸造制成的零件(合金);参见铸造用铝合金;有时使用术语“铸铁”,特别是用于园艺用品或烧烤,实际上是指灰口铸铁;由于铁合金不能既是铸铁又是钢,因此提到钢是为了避免与铝铸件混淆,但实际上,这种参考比灰铸铁这个名称在商业上更有价值;有时使用术语铸造不锈钢或铸造不锈钢,特别是在配件和厨房用具中。这个词是故意误导的,因为没有标准的不锈钢铸铁(氧化对铸铁几乎没有问题)。该名称最多表示镀铬铝合金,实际上并未提供有关所用材料的任何信息,通常用于与不锈钢混淆。

注释和参考

笔记

参考

也看看

废铁 含镍合金的铸铁或含镍铸铁,特别是耐镍铸铁结构 材料科学门户 化学门户 工业生产门户 冶金门户