연성 주철 기계적 특성

1. 연성 주철이란 무엇입니까??

공작 주철- 결절 또는 구형 흑연 다리미라고 불리는 종종 - 캐스트 아이언의 가족에게는 벨롱이 있지만 구형 흑연 포함.

회색 철과 달리, 스트레스 농축기와 Brittleness를 생성하는 플레이크와 같은 흑연이 포함되어 있습니다., 연성 철의 결절 흑연 흑연은 균열 개시에 저항하고 눈물 내 성 골절 거동을 촉진합니다..

1940 년대 초에 개발되었으며 International Nickel Company에서 상용화 1948,

연성 철은 결합하여 강력한 구성 요소에 혁명을 일으켰습니다 주파수, 높은 인장 강도 (최대 1000 전문 성적의 MPA), 그리고 주목할만한 연성 (신장만큼 20% 완전 페라이트 등급).

매트릭스는 완전 페라이트 (최대 연성)에서 완전한 진주성 강도에 이르기까지 엔지니어를 제외하고 스펙트럼에 걸쳐 속성을 조정하는 것까지 다양합니다. 400–1000 MPA UTS 그리고 10–20% 신장.

고유 한 결절 미세 구조와 조정 가능한 행렬 위상을 이해함으로써, 디자이너는 연성 철을 활용하여 엄격한 안전을 충족시킵니다, 장수, 그리고 비용 목표.

2. 미세 구조 및 화학

연성 주철은 탁월한 강도 조합을 도출합니다, 연성, 신중하게 조작 된 미세 구조로부터의 피로 저항.

특히 Graphite Morphology and Matrix Phase Composition — Mechanical Behavi로를 정의하십시오..

흑연 형태: 결절 대. 플레이크

그레이 아이언 플레이크 흑연과 달리, 날카로운 균열 강화 스트레스 농축기를 만듭니다, 연성 철은 거의 구형 흑연 결절을 형성합니다.

일반적인 결절 수는 100 에게 300 결절/mm², 위의 결절과 함께 80% 최적의 균열 방향 성능을 보장합니다.

연구에 따르면 결절 수는 200/mm² 이상으로 인장 강도를 최대까지 증가시킬 수 있습니다. 15% 더 낮은 결절 밀도에 비해 이중 충격 에너지 흡수.

주요 테이크 아웃: 구형 흑연은 균열 경로를 방해합니다, 취성 절단보다는 연성 골절 및 에너지 흡수 촉진.

매트릭스 위상: 페라이트, 펄라이트, 혼합 구조

이 결절을 둘러싼 철제 매트릭스는 기계적 특성을 추가로 재단합니다.:

• 완전 페라이트 매트릭스

• • 구성: ≥ 90% 페라이트
  • 속성: 까지까지 20%, 주변 350–450 MPa
  • 응용: 높은 연성이 필요한 구성 요소, 충격 흡수 하우징과 같은

• 진주 매트릭스

• • 구성: ≥ 90% 펄라이트
  • 속성: uts까지 650–800 MPa, 신장 제한 6–8%
  • 응용: 고속 기어 및 샤프트

• 혼합 페라이트 - 뇌

• • 구성: 균형 잡힌 단계 (예를 들어, 50:50)
  • 속성: uts 400–550 MPa 신장으로 10–15%
  • 응용: 강도와 인성을 결합한 일반 목적 주물

제조업체는 곰팡이 냉각 속도 (곰팡이 오한 또는 절연 섹션 사용)를 조정하여 페라이트 푸리 라이트 비율을 바꾸고 성능 목표를 달성합니다..

합금 요소 및 접종

정확한 합금 화학 및 접종 관행은 일관된 결절 형성 및 매트릭스 제어를 뒷받침합니다.:

• 탄소 (3.2–3.6%) 그리고 규소 (1.8–2.8%) 주파수 및 흑연 안정성의 기준을 설정하십시오.
• 마그네슘 (0.02–0.06%) 강력한 결합제 역할을합니다; 불충분 한 MG는 불규칙한 흑연 모양으로 이어집니다.
• 세륨 또는 희토류 (0.005–0.02%) 결절 형상을 추가로 정제하고 잔류 탄수화물을 줄입니다.

파운드리는이 요소들을 통해 이러한 요소를 소개합니다 접종원—FERROSILICON -Magnesium 합금에 추가되었습니다 0.2–0.4% 쏟아지기 직전에 체중.

적절한 접종은 흑연 변성 가능성을 낮 춥니 다, 균일 한 결절 구조를 보장합니다.

예를 들어, Mg 증가 0.03% 에게 0.05% 결절 수를 높일 수 있습니다 20%, 피로의 삶을 향상시킵니다 30% 회전 구성 요소에서.

3. 표준 분류 & 성적

ASTM A536 등급 지정

ASTM A536 표준은 3 번의 시스템을 사용합니다 (예를 들어, 65–45–12) 여기서 각 숫자는 기계적 벤치 마크를 나타냅니다:

• 65 최소 궁극적 인 인장 강도를 나타냅니다 (uts) ~의 650 MPA.
• 45 최소 항복 강도를 지정합니다 (0.2% 오프셋) ~의 450 MPA.
• 12 골절시 최소 신장을 나타냅니다 12 퍼센트.

A536 인장 강도로 3 개의 주요 등급을 정의합니다, 항복 강도, 그리고 신장:

• 65–45–12: UTS ≥ 650 MPA, YS ≥ 450 MPA, 신장 ≥ 12%
• 80–55–06: UTS ≥ 800 MPA, YS ≥ 550 MPA, 신장 ≥ 6%
• 100–70–03: UTS ≥ 1000 MPA, YS ≥ 700 MPA, 신장 ≥ 3%

en -gjs nomen 클래스

유럽에서, 안에 1563 GJS -400‑15 또는 GJS -600-3과 같은 레이블로 결절 아이언을 정의합니다.:

• GJS “그라이트 구형,"결절 흑연을 나타냅니다.
• 첫 번째 숫자 (예를 들어, 400) MPA의 uts와 같습니다 (GJS-400-15 → 400 MPA).
• 두 번째 숫자 (예를 들어, 15) 신장을 퍼센트합니다.

이 메트릭 시스템은 ASTM 등급과 밀접하게 일치합니다: GJS -400-15는 대략 ASTM A536 65–45–12에 해당합니다, GJS -600-3은 100–70–03과 일치합니다.

4. 기본 기계적 특성

이 섹션에서는 주요 측정 항목 (신생 및 항복 강도)을 검사합니다, 연성 및 충격 강인성, 경도 - 표준화 된 테스트가 각 속성을 어떻게 확인하는지 설명합니다.

인장 및 항복 강도

연성 철의 인장 강도는 광범위하게입니다 350 MPA 완전 페라이트 등급에서까지 1000 MPA 전문 분야에서, 고속 합금.

• 일반 목적 등급 ASTM A536 65–45–12와 같은 주변의 궁극적 인 인장 강도 650 MPA 그리고 근처의 항복 강도 450 MPA.
• 고속 등급 (80–55–06) 인장 강도를 높이십시오 800 MPA 수율로 550 MPA, 오류가 많은 변종이 쉽게 초과합니다 1000 MPA.

표준 인장 테스트가 이어집니다 ASTM E8, 일정한 크로스 헤드 속도와 개 본편 시편 지오메트리를 처방.

항복 강도 - 결정 0.2% 오프셋 - 영구 변형의 시작을 표시합니다, 안전 요인 및 하중 제한을 선택하는 디자이너를 안내합니다.

연성 및 충격 강인성

연성, 골절에서 신장으로 측정됩니다, 마다 다릅니다 6% 완전 펄 틱 아이언에서 오버 20% 완전 페라이트 등급.

대부분의 혼합 매트릭스 주물 (예를 들어, 50:50 페라이트 - 뇌), 엔지니어는 기대할 수 있습니다 12–15% 연장, 형성성과 강도 사이의 실질적인 균형을 인상합니다.

충격 강인함, Charpy V -Notch 테스트를 통해 평가됩니다 (ASTM E23), 일반적으로 그 사이에 있습니다 30 J. 그리고 60 J. 실온에서.

게다가, 페라이트 등급은 종종 흡수됩니다 70 J., 충격 하중 및 동적 응력에 따라 구성 요소에 이상적.

이 값은 연성 철의 갑작스, 치명적인 골절 위험을 줄입니다.

경도와 내마모성

경도는 인장 강도 및 내마모성과 밀접하게 관련이 있습니다..

연성 철의 브리넬 경도 번호 (Bnn) 보통 스팬 170–280 HB, 전형적인 등급이 클러스터링됩니다 190–230 HB.

게다가, 로크웰 경도 테스트 (예를 들어, HR B 스케일) 빨리 제공합니다, 열처리 및 매트릭스 조건의 현장 검증.

경험상, 모든 50 HB Brinell 경도의 증가는 a에 해당합니다 150–200 MPa 인장 강도 상승.

따라서, BHN 값을 초과하여 표면적으로 유도되거나 자발적 인 연성 다리미 300- 핵심 강인함을 희생하지 않고 연마 환경과 고전기 마모를 견딜 수 있습니다..

주요 속성 요약

재산	일반적인 범위	테스트 표준
궁극적 인 인장 강도	350–1000 MPa	ASTM E8
항복 강도 (0.2% 오프셋)	250–700 MPa	ASTM E8
골절에서의 신장	6–20%	ASTM E8
Charpy 충격 에너지	30–70 j (방 온도)	ASTM E23
브리넬 경도 (Bnn)	170–280	ASTM E10

5. 피로와 골절 거동

연성 철분은 구형 흑연 결절이 스트레스와 느린 균열 성장을 분배하기 때문에 피로가 뛰어납니다..

회전 벤딩 테스트에서, 65–45–12 표본이 살아남습니다 10cycles 스트레스 진폭에서 200 MPA, 비교 80 MPA 회색 철분.

균열 개시는 종종 표면 내포물에서 발생합니다, 그러나 결절 흑연은 전파를 지연시킵니다.

저금탄 강철과 비교합니다, 연성 철은 20-30%의 밀도로 동등한 고전자 피로 수명을 달성합니다., 주기적 응용 분야에서 체중 절약을 제공합니다.

6. 높은 온도 및 크리프 특성

구성 요소가 높은 온도에서 지속 된 하중에 직면 할 때, 연성 주철은 놀랍도록 탄력성이 있습니다.

엔지니어는 종종 배기 매니 폴드에 65–45–12와 같은 성적을 배치합니다, 터보 차저 하우징, 그리고 다른 핫 섹션 부품은 강도를 유지하고 시간 의존적 변형을 약 대략적으로 저항하기 때문에 300 ° C.

기계적 강도의 열 안정성

가열하자마자, 연성 철은 약간의 연화를 겪습니다.

혼합 페라이트 - 푸리 라이트 등급의 경우 (예를 들어, 65–45–12), 근처의 온도 인장 강도 650 MPA 약하 550–580 MPa ~에 250 ° C (≈ 85–90% 보유).

~에 300 ° C, UTS는 여전히 대략적으로 측정됩니다 500 MPA, 설계자가 고온 환경에서 예측 가능한 하중 베어링 용량에 의존 할 수 있도록합니다..

크리프 저항 및 수명 추정

크리프 - 슬로우, 일정한 하중 하에서 돌이킬 수없는 변형 - 핫 섹션 구성 요소에 중요한 비록.

65–45–12 연성 철분의 크리프 테스트는 1 차 및 2 차 크리프 동작을 보여줍니다. 250 ° C 스트레스 아래 200 MPA:

• 기본 크리프 (변형률 감소) 첫 번째에 걸쳐 있습니다 100–200 h.
• 반성 (정상 상태) 살금살금 기다 낮은 변형률로 진행됩니다 10⁻⁷ s⁻⁷od, 더 적은 것을 암시합니다 1% 추가 신장 이상 1 000 시간.

Larson – Miller 매개 변수를 통해 외삽, 엔지니어는 예측합니다 10 000 시간 에게 1% 크리프 스트레인 ~에 200 MPA/300 ° C, 많은 터보 차저 및 배기 매니 폴드에 대한 일치하는 서비스 요구 사항.

연성 철의 크리프 메커니즘

연성 철분의 크리프는 페라이트 매트릭스 내의 전위 활공과 페라이트 - 푸리 라이트 인터페이스에서 미끄러짐.

흑연 결절은 장애물로 작용합니다, 더 둔화 변형. 회색 철과 비교합니다, 연성 철이 시연됩니다 2–3 × 크리프 파열이 높을수록 동일한 스트레스 - 온도 조건에서 살아갑니다.

전형적인 고온 응용

• 배기 매니 폴드: 피크 표면 온도가 최대 600 ° C, 후원 구조는 200-300 ° C가 서비스 중입니다.
  앰비언트와 사이의 자전거를 견딜 수있는 연성 철의 능력 300 균열이없는 ° C는 이상적입니다.
• 터보 차저 하우징: 일정한 노출 350–450 ° C 배기 가스는 열 충격 저항과 크리프 안정성을 모두 요구합니다..
  80–55–06과 같은 등급 (800 mpa uts) 종종 여기서 봉사합니다, 더 높은 펄라이트 함량과 매트릭스 안정성 덕분에.

설계 영향

이 데이터가 주어졌습니다, 디자이너는해야합니다:

1. 작동 온도로 등급을 지정합니다: 페라이트 등급을 사용하십시오 250 ° C, 및 혼합 또는 진주 등급 (예를 들어, 80–55–06) 온도가 가까워지면 300 ° C.
2. 크리프 - 홀로 인용을 설명합니다: 포함하다 1–2% 서비스 수명에 대한 예상 변동을 보상하기 위해 장기 크리프 애플리케이션의 추가 섹션 두께.
3. 안전 요소를 적용하십시오: 설계 스트레스 마진을 증가시킵니다 20–30% 예상치 못한 열 스파이크를 방지하기 위해 정상 스페이트 크리프 스트레스 위.

7. 조작 & 열처리 효과

연성 주철의 미세 구조 및 조성이 기계적 특성의 단계를 설정하는 동안, 그만큼 제조 공정 그리고 캐스트 후 열처리 최종 성능을 결정하십시오.

제어함으로써 쏟아지는 매개 변수, 냉각 속도, 결절 수, 그리고 열 처리, 파운드리는 엄격한 응용 요구를 충족시키기 위해 연성 철을 맞춤형으로 재단합니다.

쏟아지는 관행 및 냉각 속도

파운드리는 온도에서 녹은 연성 철을 부어줍니다 1420 ° C 및 1480 ° C 과도한 산화없이 완전한 곰팡이 충전을 보장합니다.

쏟아진 후, 그만큼 냉각 속도, 곰팡이 재료에 영향을받습니다, 섹션 두께, 그리고 오한의 사용, 페라이트 - 뇌간 균형을 지시합니다.

예를 들어, 에이 15 mm 벽면 섹션은 냉각되었습니다 5 ° C/s 일반적으로 ~ 60% 펄 라이트를 생산합니다, 인장 강도 향상 550 MPA ~와 함께 8% 연장.

대조적으로, 같은 섹션이 냉각되었습니다 1 ° C/s ~ 80% 페라이트가 발생합니다, 달성 400 MPA UTS 및 15% 연장.

엔지니어는 이러한 냉각 효과를 활용하여 주물을 최적화합니다: 고조정 기어의 빠른 냉각, 충격 저항 하우징을위한 느린 냉각.

결절 수 및 접종 기술

흑연 결절 - 결절 흑연 대 백분율로 정의된다. 총 흑연 영역 - 분자는 접종에 따라 다릅니다.

Foundry 접종이 추가됩니다 0.2–0.4% 페로 실리콘 - 마그네슘 합금 국자에게, 생산 80–95% 결절 및 150–250 결절/mm².

임계 마모 표면의 경우, 사례 접종 ("표면 접종") 마지막 부어 스트림을 보강합니다, 표면 결절 밀도 상승 10–20% 핵심 미세 구조를 변경하지 않고.

이 듀얼 접근 방식은 두꺼운 부분에서 일관된 기계적 특성을 보장하고 가장 중요한 내마모성을 극대화합니다..

열처리 방법

열처리는 강력한 도구입니다 기계적 특성을 조정합니다 특정 엔지니어링 애플리케이션을위한 연성 주철. 일반적으로 사용되는 기술에는 포함됩니다:

• 가열 냉각: 일반적으로 870–950 ° C에서 수행됩니다, 이어서 느린 용광로 냉각, 어닐링은 진주 행렬을 페라이트 매트릭스로 변형시킵니다, 연성 및 충격 저항성을 크게 향상시킵니다.
  그것은 종종 강인함과 낮은 Brittleness가 필요한 구성 요소에 사용됩니다..
• 정상화: 공기 냉각으로 ~ 900 ° C에서 수행됩니다, 이 과정은 곡물 구조를 개선하고보다 균일 한 펄 틱 또는 혼합 매트릭스를 촉진합니다..
  강도와 가공성을 모두 향상시킵니다, 기어에 적합하게 만듭니다, 허브, 그리고 브래킷.
• 동부 템퍼링: 이 진행된 열처리는 연성 철을 변형시킵니다 오류가 많은 연성 철 (아디) 주조를 소금 목욕에 담아 (~ 250–400 ° C) 그리고 베이니트 매트릭스가 형성 될 때까지 고정.
  결과 구조는 우수한 강도를 나타냅니다 (최대 1,400 MPA) 합리적인 연성을 유지하면서 내마모성.

프로세스 제어 및 일관성

단단한 공정 제어 유지 - ± 10 ° C 이내에 쏟아지는 온도 모니터링, ± 0.02% 이내의 접종원 첨가 추적, 금형 온도 검증 - 배치 - 바치 반복성을 확보합니다.

현장 열전대 및 자동 접종 시스템은 운영자가 편차에 대한 경고, 결절과 같은 미세 구조적 이상 방지 아래 75% 또는 과도한 탄화물 형성.

이러한 품질 대조 조치는 기계적 특성 목표를 유지하고 스크랩 률을 최소화합니다..

8. 연성 철의 적용

자동차 산업

• 크랭크 샤프트 - 높은 피로 저항성과 인성으로 인해, 연성 철 크랭크 샤프트는 동적 하중에서 수백만주기를 견딜 수 있습니다..
• 차동 케이스 및 기어 - 합금의 내마모성 및 충격을 흡수하는 능력의 혜택.
• 스티어링 너클, 제어 암, 서스펜션 구성 요소 - 연성과 높은 인장 강도의 조합이 안전과 성능을 보장하는 경우.

펌프와 밸브

• 펌프 하우징 및 임펠러
• 물을위한 밸브 바디, 기름, 및 가스 시스템
• 시립 및 산업 응용 분야의 파이프 피팅 및 플랜지

바람과 재생 에너지

• 기어 박스 하우징
• 로터 허브
• 베어링 캐리어

농업 및 중장비

액슬 하우징과 같은 구성 요소, 브래킷, 그리고 트랙 롤러는 큰 하중 하에서 변형에 저항하는 능력과 복잡한 형태로의 제조 용이성을 위해 연성 철에서 주조됩니다..

기름, 가스, 그리고 해양 산업

• 파이프 라인 시스템
• 해외 플랫폼 구성 요소
• 해저 매니 폴드

9. 다른 재료와의 비교 분석

다음은 연성 주철의 성능 특성을 통합하는 포괄적 인 비교 테이블입니다., 회색 주철, 단조 강철, 그리고 austempered 연성 철 (아디) 전문 테이블로:

10. 결론

연성 주철은 비용 효율적인 캐스팅과 높은 기계적 성능의 교차로에 서 있습니다..

그것은 결절 흑연 구조는 강도를 부여합니다, 강인함, 그리고 피로 저항, 합금 및 처리는 특정 응용 분야에 미세 조정을 허용합니다.

표준 분류를 준수함으로써, 미세 구조 제어, 엄격한 품질 프로토콜을 구현합니다, 엔지니어는 연성 철을 활용하여 안전을 생산합니다, 튼튼한, 경제적 인 구성 요소.

혁신과 같은 아디 첨가제 제조가 등장합니다, 연성 주철은 계속 진화 할 것입니다, 현대 엔지니어링에서 초석 자료로 역할 강화.

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