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灰口鑄鐵

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灰口鑄鐵(英語:Grey cast iron),簡稱灰鑄鐵(英語:Gray iron),是鑄鐵材料中的一種。灰口鑄鐵中所含的碳具有片狀石墨的微觀結構[1]。由於片狀石墨的存在,其形成的斷口呈現灰色,因此得名。[2]按重量計算,灰口鑄鐵是最常見的鑄鐵和最廣泛使用的鑄造材料。[3]灰口鑄鐵一般用於更看重部件的剛度而非其抗拉強度的場合,例如內燃機氣缸體、外殼、閥體、電器箱和裝飾品。灰口鑄鐵具有較高的熱導率比熱容,常被用來製造鑄鐵炊具盤式制動器的轉子。[4]

結構

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灰口鑄鐵的微觀結構

典型的灰口鑄鐵含有2.5至4.0%的和1至3%的(質量分數)。按體積分數,石墨可能佔到灰口鑄鐵的6&至10%。與白口鑄鐵相比,矽元素對於製造灰口鑄鐵很重要,因為矽是鑄鐵中的「石墨穩定」元素,這意味着它有助於合金中的碳保持石墨結構而不是產生碳化三鐵。影響石墨化的另一個因素是凝固速度:凝固速度越小,碳擴散和積聚到石墨中的時間就越長。適中的冷卻速度形成的基體帶有更多的珠光體,而快速冷卻形成的基體中存在更多鐵素體。要獲得完全為的鐵素體基體,合金必須退火[2]快速冷卻可以部分或完全抑制石墨化,導致形成滲碳體,所得鑄鐵被稱為白口鑄鐵[5]

分類

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美國常用的灰口鑄鐵分類法是A48[3] 這一標準按照最小拉伸強度將灰口鑄鐵分級,比如拉伸強度為20psi的灰口鑄鐵被列為20級,此時的灰口鑄鐵等效碳較高,具有肥粒鐵基體,導致拉伸強度較低。但像40級的灰口鑄鐵,其中碳含量較低,呈現波來鐵基體,其拉伸強度就比較高。超過40級的灰口鑄鐵一般需要採用固溶強化或熱處理的辦法來改性基體。80級的灰口鑄鐵儘管具有最高的拉伸強度,但十分脆。[5]

在汽車工業中,使用SAE J431來代替ASTM標準。根據拉伸強度和布氏硬度的比值來分級。[3]

ASTM A48對灰口鑄鐵的分級[6]
級別 拉伸強度(ksi) 壓縮強度(ksi) 彈性模量,
E (Mpsi)
20 22 83 10
30 31 109 14
40 57 140 18
60 62.5 187.5 21
根據SAE J431,對灰口鑄鐵的分級[6]
級別 布氏硬度 t/h 描述
G1800 120–187 135 鐵素體-珠光體
G2500 170–229 135 鐵素體-珠光體
G3000 187–241 150 珠光體
G3500 207–255 165 珠光體
G4000 217–269 175 珠光體
t/h = 拉伸強度/硬度

優點與缺點

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由於所含的石墨可以潤滑切口和分裂切屑,灰口鑄鐵的成本相對較低且機械加工性英語Machinability良好,成為常見一種的工程合金。石墨薄片的自潤滑性英語Galling還使得其具有良好的耐磨性。石墨還賦予灰鑄鐵出色的阻尼能力英語Damping capacity,因為它可以吸收能量並將其轉化為熱量。[4] 但灰口鑄鐵即使在較高溫度下也無法鍛造、擠出或卷壓。

各種金屬的相對阻尼能力
材料 阻尼能力
灰口鑄鐵(高等效碳) 100–500
灰口鑄鐵(低等效碳) 20–100
Ductile iron 5–20
Malleable iron 8–15
白鐵 2–4
4
0.47
Natural log of the ratio of successive amplitudes

與不形成石墨顯微組織的其他鑄鐵相比,灰口鑄鐵在凝固過程中的收縮更小。矽在鑄造時促進了良好的耐腐蝕性並增加了流動性。[5]灰口鑄鐵通常被認為易於焊接。[7]與更現代的鐵合金相比,灰口鑄鐵具有較低的抗拉強度和延展性; 因此,它的抗衝擊強度幾乎不存在。[7]

參考文獻

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  1. ^ 术语在线-灰口铸铁. [2021-08-27]. (原始內容存檔於2021-08-26). 
  2. ^ 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. (原始內容存檔於2021-08-26). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Philip A. Schweitzer. Metallic materials. CRC Press. 2003: 72 [2021-08-26]. ISBN 9780203912423. (原始內容存檔於2021-01-21). 
  4. ^ 4.0 4.1 灰铸铁制动转子冶金简介 (PDF). SAE. [2011-05-24]. (原始內容存檔 (PDF)於2017-07-12). 
  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 [2021-08-26]. ISBN 9780471033066. (原始內容存檔於2021-08-26). 
  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 [2021-08-26], ISBN 9780071709972, (原始內容存檔於2021-08-26). 

擴展閱讀

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Stefanescu, Doru Michael. Science and engineering of casting solidification. Springer. 2002 [2021-08-27]. ISBN 978-0-306-46750-9. (原始內容存檔於2021-08-27).