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、泵、外壳、阀体、电器箱和装饰品。灰口铸铁具有较高的热导率和比热容，常被用来制造铸铁炊具和盘式制动器的转子。[4]
结构
典型的灰口铸铁含有2.5至4.0%的碳和1至3％的硅（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
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，具有肥粒鐵基体，导致拉伸强度较低。但像40级的灰口铸铁,其中碳含量较低，呈现波來鐵基体，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]
| 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 |
| 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
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良好，成为常见一种的工程合金。石墨薄片的自润滑性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，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。
| 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 |
| 钢 | 4 |
| 铝 | 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
- ^ 术语在线-灰口铸铁. [2021-08-27]. （原始内容存档于2021-08-26）.
- ^ 2.0 2.1 William F. Smith and Javad Hashemi. Foundations of Materials Science and Engineering 4th. McGraw-Hill. 2006: 431–432 [2021-08-26]. ISBN 9780072921946. （原始内容存档于2021-08-26）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 Philip A. Schweitzer. Metallic materials. CRC Press. 2003: 72 [2021-08-26]. ISBN 9780203912423. （原始内容存档于2021-01-21）.
- ^ 4.0 4.1 灰铸铁制动转子冶金简介 (PDF). SAE. [2011-05-24]. （原始内容存档 (PDF)于2017-07-12）.
- ^ 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 [2021-08-26]. ISBN 9780471033066. （原始内容存档于2021-08-26）.
- ^ 6.0 6.1 Schweitzer 2003，第73頁.
- ^ 7.0 7.1 Miller, Mark R., Welding Licensing Exam Study Guide, McGraw-Hill Professional: 191, 2007 [2021-08-26], ISBN 9780071709972, （原始内容存档于2021-08-26）.
扩展阅读
Stefanescu, Doru Michael. Science and engineering of casting solidification. Springer. 2002 [2021-08-27]. ISBN 978-0-306-46750-9. （原始内容存档于2021-08-27）.