铸铁简介：历史、类型、特性和用途
一种多功能金属，铸铁在商业和工业领域有许多独特的应用
铁在日常生活中的存在始于公元前 1200 年左右，包括从农具到战争武器的广泛用途。铁匠成为一个重要的职业，使用铁来改变它的特性并将材料塑造成工具。每个村镇都会有一个铁匠铺，那里生产镰刀、犁头、钉子、剑、烛台等等。
由于这种材料在社会和军事应用中的主导地位，铁的价值的发现导致了所谓的铁器时代。金属的另一个里程碑将随之而来——工业革命改变了金属生产和加工成产品的方式，包括铁。
铁的种类
生产的铁主要有两种类型：熟铁和铸铁。其中，铸铁包括自己的金属家族。
锻铁
铁匠生产和加工的第一种铁是锻铁。它实际上是纯元素铁 (Fe)，在用铁砧上的锤子锻造（加工）之前在熔炉中加热。锤击铁将大部分熔渣从材料中排出，并将铁颗粒焊接在一起。
在工业革命和相关的建筑活动加速期间，发现了锻铁的新用途。其高抗拉强度（在受拉时抗断裂）使其非常适合用于大型建筑项目（如桥梁和高层建筑）中的梁。然而，在 20 世纪初，随着钢铁产品的开发在建筑应用中具有优于铁的性能，为此目的使用锻铁在很大程度上被放弃了。
锻铁以装饰件而闻名。 15 世纪和 16 世纪的教堂包含由熟练工匠制作的精美锻铁件。在现代世界中，栏杆、门和长凳仍然是由锻铁制成的定制件。
铸铁
铸铁是通过熔炼含碳量大于 2% 的铁碳合金而生产的。熔炼后，将金属倒入模具中。锻铁和铸铁在生产上的主要区别在于铸铁不能用锤子和工具加工。成分也有差异——铸铁含有 2-4% 的碳和其他合金，以及 1-3% 的硅，这提高了熔融金属的铸造性能。也可能存在少量锰和一些杂质，如硫和磷。锻铁与铸铁的区别还体现在化学结构和物理性能的细节上。
尽管钢和铸铁都含有微量的碳并且看起来相似，但两种金属之间存在显着差异。钢的碳含量低于 2%，这使得最终产品能够以单一的微晶结构固化。铸铁的碳含量较高意味着它作为一种异质合金凝固，因此在材料中存在不止一种微晶结构。
高碳含量和硅的存在使铸铁具有出色的可铸性。采用不同的热处理和加工技术生产各种类型的铸铁，包括灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和压实石墨铸铁。
灰铁
灰口铁的特点是金属中石墨分子呈片状。当金属断裂时，沿着石墨薄片发生断裂，这使其在断裂金属的表面呈灰色。灰铁这个名字就是来源于这个特性。
通过调整冷却速度和成分，可以在生产过程中控制石墨片的尺寸和基体结构。灰口铸铁的延展性不如其他形式的铸铁，其抗拉强度也较低。但是，它是一种更好的热导体，并且具有更高的减振水平。它的阻尼能力是钢的 20-25 倍，优于所有其他铸铁。灰口铸铁也比其他铸铁更容易加工，其耐磨性能使其成为产量最高的铸铁产品之一。
我们的硬景观产品由灰铁制成。减振和耐磨性是使其成为许多街道应用的合适材料的特性。生灰铸铁还会产生一种铜绿，即使在户外也能保证其免受破坏性腐蚀。
白铁
在适当的碳含量和高冷却速度下，碳原子与铁结合形成碳化铁。这意味着固化材料中几乎没有游离石墨分子。当白铁被剪切时，由于没有石墨，断面呈白色。渗碳体微晶结构硬而脆，抗压强度高，耐磨性好。在某些特殊应用中，希望产品表面有白铁。这可以通过使用良好的热导体来制造模具的一部分来实现。这将快速从该特定区域从熔融金属中吸出热量，而铸件的其余部分则以较慢的速度冷却。
最受欢迎的白铁等级之一是镍硬铁。添加铬和镍合金使该产品在低冲击、滑动磨损应用中具有出色的性能。
白铁和镍硬铁属于称为 ASTM A532 的合金分类； 《耐磨铸铁标准规范》。
可锻铸铁
白铁可以通过热处理工艺进一步加工成可锻铸铁。加热和冷却的扩展程序导致碳化铁分子分解，将游离石墨分子释放到铁中。不同的冷却速度，以及合金的添加，可产生具有微晶结构的可锻铸铁。
球墨铸铁（球墨铸铁）
球墨铸铁或球墨铸铁通过在合金中添加镁来获得其特殊性能。镁的存在导致石墨形成球形，而不是灰铁的薄片。成分控制在制造过程中非常重要。少量杂质如硫和氧与镁发生反应，影响石墨分子的形状。通过操纵石墨球体周围的微晶结构形成不同等级的球墨铸铁。这是通过作为下游加工步骤的铸造工艺或热处理来实现的。
因为球墨铸铁在撞击时会变形，而不是破碎成碎片，所以我们使用这种材料制造铸铁系柱。球墨铸铁的抗冲击特性使其成为车辆交通附近护柱的良好铸铁。
压实石墨铁
压实石墨铁具有石墨结构和相关特性，是灰铁和白铁的混合物。微晶结构是在相互连接的石墨钝片周围形成的。合金，例如钛，用于抑制球状石墨的形成。与灰铸铁相比，压实石墨铸铁具有更高的抗拉强度和更好的延展性。可通过热处理或添加其他合金来调整微晶结构和性能。
铸铁成分总结
工程师手册制定的表格显示了各种铸铁的不同成分范围：
典型非合金铸铁的成分范围
百分比值 (%)
铁的类型
碳纤维
硅
锰
硫磺
磷
灰色
2.5 – 4.0
1.0 - 3.0
0.2 – 1.0
0.02 - 0.25
0.02 – 1.0
延展性
3.0 – 4.0
1.8 – 2.8
0.1 – 1.0
0.01 - 0.03
0.01 - 0.1
致密石墨
2.5 – 4.0
1.0 - 3.0
0.2 – 1.0
0.01 - 0.03
0.01 - 0.1
可锻（铸白色）
2.0 - 2.9
0.9 – 1.9
0.15 - 1.2
0.02 - 0.2
0.02 - 0.2
白色
1.8 - 3.6
0.5 – 1.9
0.25 - 0.8
0.06 - 0.2
0.06 - 0.2
铁的类型
碳纤维
灰色
2.5 – 4.0
延展性
3.0 – 4.0
致密石墨
2.5 – 4.0
可锻（铸白色）
2.0 - 2.9
白色
1.8 - 3.6
铁的类型
硅
灰色
1.0 - 3.0
延展性
1.8 – 2.8
致密石墨
1.0 - 3.0
可锻（铸白色）
0.9 – 1.9
白色
0.5 – 1.9
铁的类型
锰
灰色
0.2 – 1.0
延展性
0.1 – 1.0
致密石墨
0.2 – 1.0
可锻（铸白色）
0.15 - 1.2
白色
0.25 - 0.8
铁的类型
硫磺
灰色
0.02 - 0.25
延展性
0.01 - 0.03
致密石墨
0.01 - 0.03
可锻（铸白色）
0.02 - 0.2
白色
0.06 - 0.2
铁的类型
磷
灰色
0.02 – 1.0
延展性
0.01 - 0.1
致密石墨
0.01 - 0.1
可锻（铸白色）
0.02 - 0.2
白色
0.06 - 0.2
铸铁的力学性能
材料的机械性能表明它在特定应力下的响应方式，这有助于确定其对不同应用的适用性。规范由美国材料与试验协会 (ASTM) 等组织制定，以便用户可以放心地购买符合其应用要求的材料。最常用的灰口铸铁规格是ASTM A48。
为了根据其规格对铸造产品进行鉴定，标准做法是将测试棒与工程铸件一起铸造。然后将 ASTM 测试应用于此测试棒，并将结果用于验证整批铸件。
将铸铁零件焊接在一起时，规格也很重要。焊缝必须达到或超过被焊接材料的机械性能，否则可能会发生断裂和故障。
铸铁的一些常见机械性能包括：
- 硬度 - 材料的耐磨性和抗压痕性
- 韧性 - 材料吸收能量的能力
- 延展性 - 材料变形而不断裂的能力
- 弹性——材料变形后恢复其原始尺寸的能力
- 延展性 - 材料在压缩下变形而不破裂的能力
- 抗拉强度 - 材料在不撕裂的情况下可以承受的最大纵向应力
- 疲劳强度 - 材料在给定的循环次数内可以承受的最高应力而不断裂
该表总结了不同等级铸铁的一些关键机械性能。如需更多信息，请参阅“铁合金”，这是一份来自美国铸造协会的重要参考文件。
布氏硬度
抗拉强度
弹性模量
% 伸长率（英寸 50 毫米）
灰铁 25 级
187
29.9 ksi
16.1 微星
——
灰铁 40 级
235
41.9 ksi
18.2微星
——
球墨铸铁等级 60-40-18
130 – 170
60ksi
24.5 微星
——
球墨铸铁牌号 129-90-02
240 – 300
120ksi
25.5 微星
——
CGI 等级 250
最大 179 个
36.2 ksi 分钟
3
CGI 等级 450
207 - 269
65.2 ksi 分钟
1
布氏硬度
灰铁 25 级
187
灰铁 40 级
235
球墨铸铁等级 60-40-18
130 – 170
球墨铸铁牌号 129-90-02
240 – 300
CGI 等级 250
最大 179 个
CGI 等级 450
207 - 269
抗拉强度
灰铁 25 级
29.9 ksi
灰铁 40 级
41.9 ksi
球墨铸铁等级 60-40-18
60ksi
球墨铸铁牌号 129-90-02
120ksi
CGI 等级 250
36.2 ksi 分钟
CGI 等级 450
65.2 ksi 分钟
弹性模量
灰铁 25 级
16.1 微星
灰铁 40 级
18.2微星
球墨铸铁等级 60-40-18
24.5 微星
球墨铸铁牌号 129-90-02
25.5 微星
CGI 等级 250
CGI 等级 450
% 伸长率（英寸 50 毫米）
灰铁 25 级
——
灰铁 40 级
——
球墨铸铁等级 60-40-18
——
球墨铸铁牌号 129-90-02
——
CGI 等级 250
3
CGI 等级 450
1
铸铁的常见应用
不同类型铸铁的各种特性导致每种类型都适合特定的应用。
灰铁应用
灰口铸铁的关键特性之一是即使在润滑供应有限的情况下（例如发动机缸体的上气缸壁）也能抵抗磨损。灰口铸铁用于制造发动机缸体和气缸盖、歧管、燃气燃烧器、齿轮毛坯、外壳和外壳。
白铁应用
用于制造白口铁的冷却过程会产生一种非常耐磨损的脆性材料。因此，它被用于制造磨机衬板、抛丸器喷嘴、铁路闸瓦、渣浆泵壳体、轧机轧辊和破碎机。
镍硬铁专门用于搅拌机桨叶、螺旋钻和模具、球磨机的衬板、煤溜槽和拉丝的导丝器。
球墨铸铁应用
球墨铸铁本身可以分为不同的等级，每个等级都有自己的特性规格和最适合的应用。易于加工，具有良好的疲劳强度和屈服强度，同时耐磨。然而，它最著名的特征是延展性。球墨铸铁可用于制造转向节、犁铧、曲轴、重型齿轮、汽车和卡车悬架部件、液压部件和汽车门铰链。
可锻铸铁应用
不同等级的可锻铁对应不同的微晶结构。使可锻铸铁具有吸引力的具体属性是其保留和储存润滑剂的能力、非磨蚀性磨损颗粒以及捕获其他磨蚀性碎屑的多孔表面。可锻铸铁用于重型轴承表面、链条、链轮、连杆、传动系统和车轴部件、铁路机车车辆以及农业和建筑机械。
致密石墨铁应用
压实石墨铁开始在商业应用中广为人知。灰口铸铁和白口铸铁的特性相结合，形成了一种高强度和高导热性的产品——适用于柴油发动机缸体和框架、气缸套、火车制动盘、排气歧管和高压泵中的齿轮板。
加工和精加工
铸铁的硬度特性需要仔细选择机床材料。涂层硬质合金在生产加工环境中很有效，但随着技术的进步，新材料也在不断开发中。
铸铁产品的表面光洁度因用途而异。几个常见的应用：
- 电镀
- 热浸法
- 热喷涂
- 扩散涂层
- 转化涂层
- 搪瓷
- 液态有机涂料
- 干粉有机涂料
铸铁与未来
从 3000 多年前的早期使用开始，铁一直是人类社会不可或缺的一部分。从几个世纪以来，铁匠们用铁做铁，到工业时代发明铸铁，铁的生产已经走过了漫长的道路。
从那时起，除了装饰用途外，锻铁已基本过时。相比之下，铸铁在成分、微观结构和机械性能方面仍在进步——继续在现代世界中留下自己的印记。
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