灰口鑄鐵
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、泵、外殼、閥體、電器箱和裝飾品。灰口鑄鐵具有較高的熱導率和比熱容，常被用來製造鑄鐵炊具和盤式制動器的轉子。[4]
結構
典型的灰口鑄鐵含有2.5至4.0%的碳和1至3％的硅（質量分數）。按體積分數，石墨可能占到灰口鑄鐵的6&至10%。與白口鑄鐵相比，硅元素對於製造灰口鑄鐵很重要，因為硅是鑄鐵中的「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
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]
| 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 |
| 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
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良好，成為常見一種的工程合金。石墨薄片的自潤滑性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，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。
| 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 |
| 鋼 | 4 |
| 鋁 | 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。硅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
- ^ 术语在线-灰口铸铁. [2021-08-27]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於2021-08-26）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 Philip A. Schweitzer. Metallic materials. CRC Press. 2003: 72 [2021-08-26]. ISBN 9780203912423. （原始內容存檔於2021-01-21）.
- ^ 4.0 4.1 灰铸铁制动转子冶金简介 (PDF). SAE. [2011-05-24]. （原始內容存檔 (PDF)於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. （原始內容存檔於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, （原始內容存檔於2021-08-26）.
擴展閱讀
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）.