黑色金属和有色金属

用于铸件设计的金属特性和成分

任何可以熔化的固体金属都可以铸造。铸造厂是从事这种铸造工作的工厂，它们利用多种金属和方法开发专业知识，并设计标准产品以最大限度地提高生产价值和效率。

金属和铸造方法相互影响：产品的最佳铸造选择取决于其金属在熔融、冷却和固态下的表现。对于这些依赖关系，铸造厂的专业是确定他们生产哪种产品的一部分。做压铸儿童玩具的铸造厂通常不是生产高质量发动机零件的铸造厂。

专业化的主要区别之一是铸造厂是使用黑色金属、有色金属还是两者兼而有之。黑色金属的定义是任何含铁的金属；有色金属没有。黑色冶金约占全球金属产量的 90%。灰口铁是铸造厂中最常见的金属铸件。在铸造厂之外，钢铁是工业、建筑和交通运输中使用最多的黑色合金。

专注于砂型铸造等常见铸造方法的铸造厂通常使用具有特定品质的金属，例如易于熔化和浇注、模具内的细节捕捉、冷却时的可预测行为以及加工或精加工的准备情况。

黑色金属及其特性

铁的标志性属性是密度大、与碳混合时强度高、丰富且易于精炼、极易腐蚀和磁性。将铁与不同比例的其他元素合金化可以减轻或消除这些因素中的一种或多种。

数百种铁合金是众所周知的。它们由构成中每种元素的比例以及它们的熔化和整理方向指定。含碳的铁合金通常被命名为铁或钢，并且可以根据其规格包含任意数量的其他元素，从铝到钒。通常选择这些金属是因为它们的机械性能。工程师和设计师可能会对它们的屈服强度、韧性、延展性、可焊性、弹性、剪切和热膨胀感兴趣，所有这些都描述了材料在特定压力源下的表现。

铁的这些独特方面可以在合金中改变，合金将铁与其他元素混合。不锈钢就是一个很好的例子，一些不锈钢合金既无磁性又无腐蚀性。判断金属是否为钢的常用方法是将磁铁放在金属上，因为合金中的铁会导致磁铁粘住；然而，尝试将磁铁贴在不锈钢冰箱上的人都知道这不是万无一失的测试。虽然铁仍然存在于这种铁合金中，但高比例的镍会改变钢的微观结构，足以防止磁反应。不锈钢会生锈，尽管它比其他类型的铁合金更耐腐蚀。这是由于添加了铬。铬通过一种叫做钝化的过程来防止生锈，在这个过程中，金属的顶部分子会氧化，但会与下面的金属保持牢固的结合，形成一个不可穿透的外壳。

在黑色金属中，钢铁是最常见的铸造材料。

铁

铸铁 是含碳量大于 2% 的一类铁合金。它们是相对便宜的、致密的熨斗。当它们被加热和铸造时，它们在比钢更低的温度下具有更高的流动性，这意味着它们可以更高效地流入和填充复杂模具的部件。铸铁在冷却时的收缩率也只有钢的一半。

基本铸铁具有良好的压缩性能，但它们很脆：它们在弯曲或变形之前就会断裂。这种脆弱性可能意味着脆性等级的铸铁不适用于具有挤压或精细细节或边缘非常锋利的设计，因为这些特征可能会碎裂。

灰铁 是目前生产的最常见的铸铁类型，从井盖到汽车的盘式制动器等各种产品都有其特色。它的名字来源于它在断裂时的颜色，由于石墨作为碳添加剂的存在，它是灰色的。灰口铁的碳含量为 2.5-4%（重量），另外还含有 1-3% 的硅，可以稳定石墨。它具有基本铸铁的许多特性，与钢相比，它在熔融时价格低廉且流动性高，但石墨的存在使铁的脆性降低了一些，从而更容易加工。灰铁仍然不灵活：折断前几乎不会弯曲。

球墨铸铁 是一种铸铁，其中添加的碳是球形（球状）石墨。球墨铸铁通常含有 3.2-3.6% 重量的碳，并含有硅和其他元素。较高的铁素体水平意味着它会在加工过程中积聚在切削工具上，因此它通常用于主要的铸造制造，其中非常高的流动性使其成为精细加工的绝佳选择。石墨的球状形状使球墨铸铁具有比铸铁或灰口铸铁更高的抗冲击性和抗拉强度，使详细或边缘设计成为可能。球墨铸铁是铁杆规格中相对较新的一种，它于 1943 年首次被发现。

钢

钢 有时也会铸造各种类型的。一般来说，钢的碳含量低于 2.14%（重量），并且经常与其他元素形成合金。钢比铸铁具有更强的机械性能，但在韧性方面获得的东西却在流动性方面失去了。钢水需要比铁水热得多才能流入详细的模具，而与钢一起工作所需的高温难以管理，并且可能会阻碍从模具中出来的物体的设计和完成。与所有铸件一样，零件的不同部分可以以不同的速度冷却，这种差异会在产品内部产生应力：因为钢比铸铁收缩更广泛、更迅速，因此铸钢需要更好地管理这些应力。

这些挑战意味着钢铁可以更加劳动密集型铸造。它在生产的所有阶段都需要专家的关注。尽管如此，最终产品的高机械强度可以使钢合金成为某些应用的明确选择，加工提供最终阶段的光洁度。

其他铁合金

其他铁合金存在于这些常见类型之外，并用于其机械行为有用的特定应用中。例如，elinvar 是一种镍铁合金，受热不膨胀和收缩，用于钟表和其他精密器件中的非常小的零件。

有色金属及其用途

这些金属包括所有不含铁的金属和合金。常见有色金属的简短列表包括：

• 贵金属，如银、铂金和黄金
• 铜及其合金，如青铜和黄铜
• 镍、钯、铂
• 钛
• 铝
• 锡，铅
• 锌

由于该组中的材料范围如此广泛，因此可以在有色金属中发现许多推荐铁的机械性能。例如，在许多情况下，铝或钛合金可以代替钢，如果这样做成本不高的话。铁的磁性可以用镍、钴或稀土元素与其他金属合金来模拟。

然而，由于有色金属通常成本更高，因此选择它们往往是因为它们的独特属性，而不是它们可以像钢一样的行为方式。较轻的重量、导电性、耐腐蚀性、非磁性、传统或装饰价值是选择有色金属的一些原因。一些金属之所以受到重视，正是因为它们稀有：在铝制造广泛普及之前，铝是一种用于高端餐具的奢侈金属。

铸造各种特殊材料。然而，在传统的砂型铸造铸造厂中，有色铸造金属有三种值得注意。

青铜和黄铜

青铜和黄铜是青铜时代人类最早铸造的金属，这些铜合金今天仍然是砂铸的。它们在比黑色金属材料低得多的温度下熔化，并且它们可以很好地铸造细节，因此它们通常用于雕像等装饰应用。青铜和黄铜比钢软，但即使在有盐存在的情况下也能耐腐蚀，因此这些金属用于标准的海洋应用，如船上的配件。黄铜还可以抵抗“磨损”，这是金属对自身的磨损，因此黄铜有时被铸造用于机械部件，如船用螺旋桨，或加工成轴承和拉链。这两种合金都非常昂贵，因为它们依赖于铜，而铜的电气性能也很受欢迎。

铝

铝是一种密度比铁低得多的金属，使其成为航空航天工业等需要强度但没有重量的应用中的重要材料。它是耐腐蚀的，因为铝和不锈钢一样，会通过形成保护它的金属氧化物外壳对氧化作出反应。

铝的熔点也比它可能替代的许多钢或铁的熔点低，这使得它比钢更容易铸造，对复杂形状的监督也更少。铝的最大缺点是费用。

考虑铸造材料

在设计铸件时，寻找完美的金属来平衡价值和形式是一门艺术和科学。适合工作的金属将满足应用程序的美学和机械要求，这将影响将原型制作成最终产品所需的生产方法。

黑色金属是铸件最常见的选择，通常因其成本效益和机械性能而被选中。有时，决定选择的不是金属的强度，而是重量、耐腐蚀性或非磁性等特性。青铜和黄铜等有色合金也可以选择传统或美观。

咨询工程师可以帮助设计师找到项目不同方面之间的协调，选择完美的金属来满足应用和预算。

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