我之前写过好几篇关于材料的日记,其实我之所以写,都是源于一个问题:机械设计中,常用材料有哪些?
只是后来我发现,这个话题太大了,一篇文章说不清楚,于是我把它拆分成了若干个小问题。
所以就有了不锈钢,铝合金,塑料等文章(哈哈,我对你够坦白吧,你对我也要坦白一点哦)。
但是在工程设计中,使用的材料远不止这些。
工程材料的大致分类
比如还有碳钢,工具钢,铜及铜合金……当然还有今天要分享的铸铁。
铸件之铸铁:铸铁只是铸件中的一种。
01
灰铸铁FC和球铸铁FCD的区别
在机械设计中,对于机器大支撑平台,或者模块基座,常用铸铁来做。
因为它们有很好的减振性能,同时也容易制造和加工,当然成本也可接受。
例如,常用FCD450来做机器平台基座,也常用FC200或者FC250来做模组底座。
那么FCD450和FC200,FC250有什么区别?
这里,直接给出结果。
灰口铸铁和球墨铸铁的元素含量,微观结构,机械性能,及使用特性对比。
灰铸铁FC和球铸铁FCD的选择指南,及其各牌号的机械性能。
FCD450 VS FC200
球墨铸铁FCD和灰口铸铁FC机械性能对比:灰铸铁无屈服点和伸长率,且其强度比球墨铸铁低。
球墨铸铁FCD,灰口铸铁FC的强度硬度对比图。其实我想问ke/mm^2是什么单位,但是我觉得可以猜一猜。
球墨铸铁FCD和灰口铸铁FC的强度,优势和劣势对比。
FCD和FC的可加工性对比,一目了然。
其实,任何领域都有它的底层概念,了解这些概念,并把它和相关概念联系起来,或者区分开来,就不会被别人随便忽悠。
如果不了解这些概念,就随口说出一些自己也不知道是什么的东西,久而久之就会在头脑中留下一堆含糊的概念,大脑就会变得混乱。
等等,你要给我洗脑吗,这和铸铁有什么关系?
哈哈,开个玩笑。
说到铸铁,我们也需要先明白一个概念,什么是铸铁?
其实,铸铁是一种铁合金,其制备方法是将铁加热至液化,再添加合金成分,然后将其倒入模具中,使其冷却并固化。
上面提到的FCD就是球墨铸铁,FC是灰口铸铁,当然,只有台湾和日本采用这个符号,而大陆用HT表示灰铁,用QT表示球铁。
FCD450=QT450-10,FC200=HT200,FC250=HT250。
不同国家灰铁和球铁名称
不同国家灰铁和球铁的不同代号
02
灰口铸铁和球墨铸铁对比
更一般地说,球墨铸铁和灰口铸铁有如下的区别:
灰铁和球铁对比
球铁和灰铁在机加工,振动衰减,机械性能,成本等方面的对比。
形成过程:灰铸铁和球墨铸铁都是通过在液化铁中添加碳来制备的,但对于球墨铸铁,还需要添加镁等元素。
石墨结构:灰铁中的石墨呈棒状或无规则片状,而球墨铸铁中的石墨则呈球状。
灰口铸铁和球墨铸铁的微观结构对比:灰口铸铁石墨呈片状,球墨铸铁石墨呈球状。
灰口铸铁和球墨铸铁的微观结构和特性对比:灰口铸铁因石墨起润滑作用而容易加工,球墨铸铁因石墨呈球状,阻止裂纹扩展,提高了强度和韧性。
延展性:由于球墨铸铁中石墨呈球状,其分子的不连续性较小,具有延展性(延展性是金属被拉成金属丝的能力),而灰铁则没有可识别的伸长率,无延展性。
拉伸强度和屈服强度:灰铸铁的抗拉强度普遍偏小,比如FC150约为150Mpa-250Mpa,并且它没有屈服强度。相反,球墨铸铁抗拉强度高很多,比如FCD400的最小抗拉强度为400Mpa,其最小屈服强度为250Mpa。
耐冲击性:球墨铸铁比灰铁具有更强的耐冲击性。
灰铁,球铁,以及钢的韧性对比:钢最好,球铁次之,灰铁最差。
振动抑制:灰口铸铁比球墨铸铁有更好的抗振动性能,因此灰铁用于铣床机备中。
球墨铸铁和灰口铸铁及钢的振动抑制作用对比:灰铁好于球铁,球铁好于钢。
球墨铸铁由于其更好的强度和延展性,被认为是灰口铸铁的升级版。但是,它不能完全替代灰铁,灰铁仍然是制造许多工具和机械零件的首选。
03
铸铁分类及对比
基于所添加的合金元素的不同,铸铁凝固和所用热处理的不同,铸铁的微观结构可能会发生变化,产生不同种类的铸铁。
不同铸铁的微观组织和工艺过程
铸铁的分类:球铁,灰铁,白铁,可锻铁,压造铁等。
6大铸铁类型及其特性和应用:灰铸铁,球铸铁,压造铸铁,白铸铁,可锻铸铁,合金铸铁等。
灰铸铁,白铸铁,球铸铁的对比。
铸铁和铸钢性能及价格对比
灰铸铁Gray Cast Iron=Grey Cast Iron
从历史上看,第一类铸铁是灰口铸铁,它是最便宜的铸铁,也是使用最广泛的铸铁,占铸铁的80%左右。
在灰铁中,碳以石墨薄片形式存在,材料受力过大时会产生裂纹,裂纹会跟随这些石墨薄片延伸,直到断裂,断面为灰色,所以叫灰口铸铁。
灰铸铁微观结构
石墨薄片具有良好的阻尼特性和可切削性,因为石墨起断屑器的作用,并润滑切削刀具。
但是,石墨片的无规律分布,也变成了应力集中器,这导致灰铁韧性差,抗冲击性低,抗拉强度低。因此,一般使用时,建议作用的拉应力不超过抗拉强度的四分之一。
熔融的灰铁具有很好的流动性,并且在其凝固过程中会形成石墨而膨胀,所以灰铁成为生产无收缩而复杂铸件(例如发动机缸体)的理想选择。
基于此,灰口铸铁的工程重点在于可铸性,而不是机械性能。
灰铁非常耐磨,也有很高的熔化温度,并且在阻尼振动方面表现出色,所以这在减振和耐热性最重要的建筑,重型机械和车辆零件中非常有用。
球墨铸铁Ductile Cast Iron
球墨铸铁也是一种铁合金。
生产球墨铸铁时,会将少量的镁或者铈添加到铁水中,镁与铁水中的氧和硫反应,生成球状石墨,这就是球墨铸铁的由来。
当裂纹通过球墨铸铁传播时,裂纹会遇到一块球形石墨,并且裂纹尖端将被圆化,从而阻碍了裂纹的生长,这使其比灰口铁具有更大的延展性,甚至有接近于普通钢的机械性能。
在球墨铸铁中,石墨呈球形颗粒,这些颗粒降低了应力集中,从使其更坚固,更易延展。
和可锻铸铁(见下文)一样,球墨铸铁也具有柔韧性,并表现出线性应力应变关系,它可以铸造成各种尺寸和厚度,所以应用也十分广泛。
球墨铸铁的强度使其特别适合结构应用,例如桥梁,或者脆性灰铁零件可能会失效的机械构件中。
其典型应用还包括下水道盖,汽车和柴油曲轴,活塞和汽缸盖,电机框架,采矿飞轮等。
可锻铸铁Malleable Cast Iron
可锻铸铁是通过对白色铸铁进行热处理而制成的,其中的石墨以不规则形状的球形颗粒存在。
可锻铸铁微观结构,石墨以不规则形状存在。在室温下,可锻铸铁显微组织由铁素体基质中的回火碳结核组成,从而提高了延展性,石墨结节也可用于润滑切削,所以可锻铸铁也有很高的机加工性。
这使得可锻铸铁的特征类似于低碳钢,非常适合要求韧性和可加工性,以及有一定延展性或可塑性的零件应用。
但是,由于可锻铸铁在冷却时,会产生明显的收缩,成本增加,较少生产。
白铸铁White Cast Iron
在白铸铁中,碳以碳化物的形式存在。
当白铸铁断裂时,由于存在碳化物杂质,因此会看到白色裂纹。
白铸铁的微观结构:存在于白铸铁中的碳沉淀并形成大颗粒,从而增加了白铸铁的硬度。
不同碳化物的存在,使白铸铁极其坚硬和耐磨,但也非常脆,不容易加工。
因为它具有良好的耐磨性和成本效益,可用于耐磨性很重要,且不需要延展性的应用中,例如水泥搅拌机,球磨机的衬里,泵的磨损表面等。
压实石墨铸铁Compacted Graphite(CG) Iron
虽然灰铸铁和球墨铸铁已经存在了多个世纪,但压实石墨铸铁是一种较新的产品,于1950年左右首次生产。
就微观结构而言,压实铸铁中石墨以圆形蠕虫状结构存在(可以通过添加类似于球墨铸铁的微量元素,例如镁,铈和钛来实现),它有效地结合了灰铸铁和球铸铁的圆形边缘,这种蠕虫状石墨,以及不规则的凹凸表面,会导致石墨与铁基体之间形成牢固的附着力,并抑制裂纹的产生和扩展。
压实石墨铸铁的性能介于灰铸铁和球铸铁之间。
与球墨铸铁相比,压实石墨铸铁具有更高的导热性,并可以更好地降低热冲击性,这种特性使得压实石墨铸铁非常适合于柴油发动机,与传统的灰铁柴油发动机相比,其重量更轻。
合金铸铁Alloyed Cast Iron
这类铸铁分为两种类型:耐腐蚀和耐高温型。
耐腐蚀合金铸铁用于生产在海水,酸井油,商业有机和无机酸碱等环境中运行的工程零件。
高温合金铸铁可抵抗负载下的断裂,环境大气中的氧化,高达600°C引起的组织生长和不稳定性等。
合金铸铁能够铸造成复杂形状,并且可以加工,这使其可应用于化学加工厂,石油精炼,食品处理和船舶服务等领域。
合金铸铁的分类:大体分为有石墨和无石墨类型,添加不同的合金元素,可以实现不同的微观组织和性能。例如高铬铸铁实现耐磨,耐腐蚀,抗热等性能。
合金铸铁强度硬度图
04
铸铁应用举例
最后欣赏一些铸铁的应用吧,不想打字了,直接贴图。
汽车零件应用
机床应用
农机应用
阀应用
阀应用
泵应用
泵应用
其他应用
灰口铸铁零件
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球墨铸铁零件
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