内容表
展示
1. 介绍
铸铝和铸铁是工业中使用最广泛的两种铸造材料.
两者都提供了生产复杂净形状组件的途径, 但它们在密度上有根本的不同, 刚性, 强度模式, 热行为, 铸造方法, 耐腐蚀性和生命周期成本.
在它们之间进行选择是权衡重量, 刚性, 戴阻力, 可加工性, 成本和运营环境.
本文比较了两者的技术轴并提供了可操作的数据和选择指南.
2. 什么是铸铝?
铸造铝 指通过浇注熔融铝而生产的部件 (或铝合金) 放入模具中并使其凝固成最终或接近最终的几何形状.
因为铝的熔点相对较低, 合金形式具有良好的流动性, 和低密度, 铸铝是复杂几何形状的首选, 轻的, 导热性或耐腐蚀性很重要.
铝铸造路线包括高压压铸, 低压重力永久型铸造, 沙子铸造, 和投资 (失去蜡) 铸件; 每条路线对壁厚都有不同的限制, 表面饰面, 尺寸精度和机械性能.
特征
- 轻的: 密度 ≈ 2.6–2.8 克/立方厘米 (通常 2.70 g/cm³).
- 低弹性模量: 杨氏模量 ≈ 69–72 GPa (≈ 69 典型GPa).
- 良好的导热率: 合金各不相同，但通常 100–200 W·m⁻1·K⁻1; 纯铝约为 237 W·m⁻1·K⁻1.
- 良好的耐腐蚀性: 形成稳定的氧化膜; 通过阳极氧化或涂层改善行为.
- 延性断裂行为: 许多铸造铝合金都具有相当的延展性 (取决于合金和热处理).
- 易于加工: 对于许多合金来说，切削力相对较低且具有良好的切削加工性.
- 可回收: 铝具有高度可回收性，与初级生产相比，重熔能耗相对较低.
常见铝合金 (典型的演员家庭)
| 合金族 (典型名称) | 代表成绩 / 商品名称 | 关键合金元素 (wt％) | 热处理? | 典型的应用 |
| al-是的 (通用) | A356 / 铝硅7 | 并且 ≈ 6–8; 镁 ≈ 0.2–0.5 | 经常 (T6可用) | 结构外壳, 泵主体, 通用汽车铸件 |
| 铝-硅-镁 (结构, 热处理) | A356-T6, A357 | 并且 ≈ 6–7; 镁 ≈ 0.3–0.6 | 是的 (T5/T6) | 悬架组件, 车轮, 传输外壳 |
| 压铸铝-硅-铜 / al-是的 | A380, ADC12, A383 | 并且 ≈ 8–13; 铜 ≈ 1–4; 铁控 | 有限的 (大部分为铸态或半时效状态) | 薄壁外壳, 连接器, 消费者外壳 |
Al -Andi (引擎 & 高T合金) |
合金 319 | 还有~6-8; 铜 ~3–4; 镁小 | 是的 (解决方案 + 老化) | 气缸盖, 活塞 (带衬垫), 发动机硬件 |
| 高硅 / 过共晶合金 | al-是的 (10-20% 是) | 还有10-20; 微量镁/铜 | 有些 (有限的) | 活塞, 磨损表面, 低膨胀组件 |
| 铝-硅-锡 / 轴承合金 | Al-Si-Sn 轴承变体 | 请适度; sn (±铅) 作为固体润滑剂 | 通常没有 (软铸态) | 滑动轴承, 衬套, 滑动面 |
| 特种高强度铸铝 | Al-Zn-Mg 变体 (限制演员使用) | Zn, 毫克, 添加少量铜 | 是的 (可时效硬化) | 高强度结构件 (利基/航空航天) |
3. 什么是铸铁?
铸铁 是一类铁碳合金，通过将熔融金属倒入模具中并使其凝固而制成.
铸铁与钢的区别在于它们的相对 高碳含量 (通常 >2.0 wt％c) 和存在 石墨碳 在铸态微观结构中.
碳通常以石墨形式存在 (有多种形态) 或碳化铁 (水泥岩) 取决于合金化学成分和凝固条件.
石墨及其周围的基质控制着机械行为, 各种铸铁类型的切削加工性和应用空间.
铸铁是重型机械的主力, 耐磨和振动敏感的应用，因为它们可以经济地铸造大型或复杂的形状, 提供出色的阻尼, 并可通过化学和铸后热处理进行定制 (例如。, 东部回火) 广泛的属性.
关键功能
- 石墨形态控制性能. 形状, 石墨的尺寸和分布 (薄片, 球状的, 压实的) 主导拉伸延展性, 韧性, 刚度和可加工性:
-
- 片状 (灰色的) 石墨 产生良好的机械加工性和阻尼，但抗拉强度和缺口敏感性较低.
- 球体 (球状/延展性) 石墨 产生更高的拉伸强度和延展性.
- 压缩石墨 (CGI) 处于中等水平——比灰铸铁具有更好的强度和抗热疲劳性能，同时保持良好的阻尼.
- 出色的振动阻尼. 石墨球/石墨片中断弹性波传播, 因此铸铁是机床框架的首选, 发动机缸体和外壳的阻尼可抑制噪音和振动.
- 良好的抗压强度和耐磨性. 尤其是珠光体铸铁和白口铸铁; 适用于重载轴承, 滚轮和易损件.
- 在张力下相对较脆 (一些成绩). 灰铸铁对缺口敏感且延伸率低; 球墨铸铁显着提高了韧性，但其性能仍与钢不同.
- 对于大型/复杂铸件来说经济实惠. 砂型铸造和壳型铸造已成熟; 收缩, 补给和定向凝固采用标准铸造技术进行管理.
- 通过后固化处理实现宽设计范围. 通过热处理 (标准化, 退火, 东部回火) 和合金 (在, Cr, 莫),
铸铁可以从非常硬的耐磨等级到坚韧的结构等级进行定制 (例如。, ADI—等温淬火球墨铸铁). - 许多牌号都具有良好的热稳定性. 一些铸铁在高温下比铝合金更能保持尺寸稳定性和强度.
常见铸铁类型
以下是主要铸铁系列的实用摘要, 典型化学趋势, 微观结构和代表性性能 / 申请.
| 类型 | 典型成分 (大约. wt％) | 主要微观结构特征 | 代表性机械行为 | 典型的应用 |
| 灰色铸铁 (广济林 / 根据 ASTM A48 分类) | C ~3.0–3.8; 和~1.5–3.0; 锰≤0.5; s & P控制 | 石墨片 铁素体/珠光体基体 | 拉伸强度广泛 ~150–350 兆帕 (因班级而异); 低伸长 (<1–3％); 出色的阻尼; 中等硬度 | 发动机块, 制动鼓, 泵外壳, 机器基础 |
| 公爵 (结节) 铁 (GJS / ASTM A536) | C ~3.2–3.8; 和~1.8–2.8; 镁~0.03–0.06 (球化), 痕量Ce/RE | 球状石墨球 铁素体/珠光体 | 高拉伸强度和延展性; 常见的成绩如 60–40–18 (60 UTS 行动 ≈ 414 MPA, 40 ksi YS ≈ 276 MPA, 18% 伸长) | 齿轮外壳, 曲轴, 安全关键的结构铸件 |
| 压实石墨铁 (CGI) (联合企业) | C ~3.2–3.6; 和~1.8–2.6; 微量镁/稀土 | 袖珍的 (蠕虫状的) 石墨 — 介于薄片和球体之间 | 比灰铸铁更好的抗拉强度和抗热疲劳性能, 具有良好的阻尼; UTS处于中等范围 | 柴油发动机块, 排气组件, 重型气缸体 |
| 白铁 | C ~2.6–3.6; 硅低 (<1.0); 高冷却速率 | 水泥岩 / 莱氏体 (碳化物) — 基本上不含石墨 | 非常高的硬度 (往往HB几百), 优异的耐磨粒磨损性能; 低韧性 | 破碎机, 穿盘子, 喷丸衬里, 严重磨损环境 |
可锻铸铁 |
最初白铁成分; 热处理 | 然后铸成白铁 退火 将碳淬火成不规则的聚集体 (回火碳) | 与改进的延展性/韧性相结合. 灰铁; 中等力量 | 需要延展性的小型铸件 (配件, 括号) |
| 奥斯特延延延性铁 (阿迪) | 球墨铸铁底座 + 控制等温淬火热处理 | 奥铁素体基体中的球状石墨 (贝氏体铁素体 + 稳定奥氏体) | 卓越的强度与延展性比: 悉尼科技大学从 〜600 至 >1000 MPA 具有有用的伸长率 (3–10% 取决于年级); 极好的抗疲劳性 | 高性能传动系统, 悬架组件, 重型机械 |
| 合金铸铁 (例如。, 镍抗蚀剂, 高铬铁杆) | 含大量 Ni 的碱基, Cr, 钼添加物 | 专为耐热/腐蚀而定制的基体; 石墨可能存在或被抑制 | 特殊的耐腐蚀/抗氧化性能, 或高温强度 | 用于腐蚀性流体的泵组件, 阀体, 高温易损件 |
4. 机械性能比较
数字以实际情况呈现, 代工级 典型的范围 (不保证最小值/最大值) 因为实际值很大程度上取决于精确的化学成分, 铸造路线, 截面大小, 和热处理.
典型的机械性能范围 - 代表性铸铝与铸铁牌号
| 材料 / 年级 (典型名称) | 密度 (g·cm⁻³) | 杨氏模量 (GPA) | 抗拉强度, UTS (MPA) | 产生强度 (MPA) | 伸长 (一个, %) | 硬度 (布里尔, HB) | 典型的应用 |
| A356-T6 (铝-硅-镁, 热处理铸铝) | 2.68–2.72 | 68–72 | 200 - 320 | 150 - 260 | 5 - 12 | 60 - 110 | 结构外壳, 轮毂, 传输外壳 |
| A380 / ADC12 (普通压铸铝硅系列, 铸造) | 2.70–2.78 | 68–72 | 160 - 280 | 100 - 220 | 1 - 6 | 70 - 130 | 薄壁外壳, 消费零件, 连接器 (压铸) |
| 过共晶铝硅 (活塞 / 低膨胀合金) | 2.70–2.78 | 68–72 | 150 - 260 | 100 - 220 | 1 - 6 | 80 - 140 | 活塞, 滑动组件, 低膨胀零件 |
| 灰色铸铁 (典型的 ASTM A48 等级 30) | 6.9–7.3 | 100–140 | 约207 (约30ksi) | - (无明显产量) | <1 - 3 | 140 - 260 | 发动机块, 机器框架, 制动鼓 |
| 灰色铸铁 (ASTM A48 级 40) | 6.9–7.3 | 100–140 | 约276 (约40ksi) | - | <1 - 3 | 160 - 260 | 重型外壳, 泵主体 |
| 公爵 (结节) 铁 — 60–40–18 (ASTM A536) | 7.0–7.3 | 160–180 | 约414 (60 KSI) | 约276 (40 KSI) | 〜18 | 160 - 260 | 齿轮外壳, 曲柄组件, 结构铸件 |
| 压实石墨铁 (CGI) (典型范围) | 7.0–7.3 | 140–170 | 350 - 500 | 200 - 380 | 2 - 8 | 180 - 300 | 柴油发动机块, 排气组件 (高耐热疲劳性) |
| 白色的 / 高铬耐磨铁 (磨损等级) | 7.0–7.3 | 160–200 | 低张力 / 脆 | - | <1 - 2 | >300 - 700 | 破碎机, 耐磨衬里, 喷丸组件 |
5. 热和铸造工艺注意事项
熔化和凝固行为
- 熔点 / 液体: 铝合金熔化在 〜550–650°C 范围 (纯铝 660.3 °C).
铸铁在较高温度下凝固 (~1150–1250 °C 取决于成分) 并根据成分和冷却速率形成石墨或渗碳体. - 导热率: 铝合金通常导热 明显更好 比铸铁 (通常高 2–4 倍), 影响模具冷却, 凝固速度和激冷行为.
- 凝固收缩: 铝合金的典型线性收缩率 ~1.3–1.6%; 灰铸铁收缩率较小 (〜0.5–1.0％), 虽然微- 和宏观收缩取决于截面厚度和进给.
铸造方法 & 典型用途
- 投掷 铝: 通常由 压铸 (高压), 永久模具, 低压, 和 沙子铸造.
压铸具有出色的表面光洁度和薄壁能力; 砂型铸造手柄大, 重的, 或模具成本较低的复杂零件. - 铸铁: 通常 沙子铸造 (绿砂, 壳) 和 迷失的泡沫/壳 对于复杂的形状.
球墨铸铁件通常采用砂型铸造. 铸铁能够很好地承受大截面和重型铸件.
尺寸公差 & 表面饰面
- 压铸铝: 铸造路线的最佳尺寸能力 - 许多尺寸的典型公差范围为 ±0.1–0.5 mm (取决于尺寸), 表面光洁度Ra常 0.8–3.2 µm 铸造.
- 永久模压铝: 公差 ±0.25–1.0 毫米, 表面光洁度优于砂型铸造.
- 砂铸铁: 较粗的公差, 通常为 ±0.5–3.0 毫米，具体取决于尺寸和表面处理; 表面粗糙度, 拉经常 6–25 µm 除非机加工，否则为铸态.
- 壁厚能力: 压铸铝可以生产薄壁 (<2 毫米) 经济上;
铸铁通常需要较厚的截面以避免缺陷并减少收缩, 尽管现代成型可以实现小零件的中等薄截面.
机械加工性和二次加工
- 铝 轻松以更高的速度和更低的力进行机器加工; 刀具寿命好; 压铸件的加工余量适中.
- 铸铁 加工方式不同——灰铸铁相对容易加工，因为石墨充当断屑器和润滑剂;
球墨铸铁更硬，需要不同的工具; 铸铁切削通常会产生脆性切屑，需要适当的刀具牌号.
6. 耐腐蚀及使用环境
- 铸造铝: 由于稳定的氧化膜，自然耐腐蚀; 在大气中表现良好, 如果选择适当的合金/涂层，则可用于轻度腐蚀和海洋环境.
阳极氧化和油漆系统进一步提高表面耐久性和外观. - 铸铁: 黑色金属材料容易生锈 (氧化) 在潮湿的环境中; 需要保护涂料 (油漆, 电镀), 阴极保护或合金化以提高耐腐蚀性.
在某些应用中 (发动机块), 由于防油和受控环境，铸铁的性能令人满意. - 高温性能: 铸铁 (特别是灰色和延展性) 在高温下比铝更好地保持强度.
当温度升高到约 150–200 °C 以上时，铝的强度迅速下降, 限制其在热发动机或暴露于废气的部件中的使用，除非使用特殊合金或冷却.
7. 铸铝与铸铁的优点
铸铝优点
- 减轻重量: 同等体积下比铸铁轻约 62.5% — 对于运输的燃油经济性至关重要.
- 高热电导率: 更好的散热 (对热交换器有帮助, 经过适当设计后的汽车气缸盖).
- 良好的耐腐蚀性 铸造; 可选择阳极氧化以增强保护和美观.
- 薄壁和复杂薄特征能力 (尤其是铸造) — 实现上游部件整合并节省成本.
- 良好的可回收性和较低的与质量相关的运输成本.
铸铁优点
- 更高的刚度和阻尼: 适用于需要刚性和振动控制的结构 (机床基库, 泵外壳).
- 卓越的耐磨性和摩擦学性能: 珠光体铸铁和白口铸铁在磨蚀/磨损环境中表现出色.
- 高温下具有更高的抗压强度和热稳定性 — 用于重型发动机缸体, 气缸衬里, 和制动盘.
- 通常每公斤原材料成本较低 以及非常大截面的稳健铸造性能.
8. 铸铝与铸铁的局限性
铸铝限制
- 较低的刚度: 需要更大的横截面或肋材来实现等效刚度 - 可以减少一些重量优势.
- 高温强度较低: 铝在高温下比铁更快地失去屈服强度.
- 耐磨性较差: 普通铸铝更软; 需要表面处理 (努力阳极氧化, 涂料) 适用于磨损严重的表面.
- 孔隙率和与气体相关的缺陷: 如果不控制熔体和铸造实践，铝很容易出现气孔和收缩缺陷.
铸铁的局限性
- 重的: 较高的密度会增加零件质量 - 对于重量敏感的应用不利.
- 脆性拉伸行为: 灰铸铁的拉伸延展性较低，在冲击下容易发生脆性断裂; 设计必须考虑缺口敏感性.
- 如果不加保护就会腐蚀: 需要涂层或腐蚀管理.
- 较低的导热率 比铝 (散热较慢); 可能需要冷却设计调整.
9. 铸铝与铸铁: 差异比较
| 属性 | 铸造铝 (例如。, A356-T6, A380) | 铸铁 (灰色的, 公爵) | 实际意义 |
| 密度 | ~2.6–2.8 克·厘米⁻³ | ~6.8–7.3 克·厘米⁻³ | 铝的重量减轻约 60–63% — 对于重量敏感型设计来说具有巨大优势. |
| 弹性模量 (e) | ≈ 69–72 GPa | 约 100–170 GPa | 铁的硬度是铁的 1.5–2.5 倍; 铝需要更多材料/肋材来匹配刚度. |
| 抗拉强度 (典型的) | A356-T6: ~200–320 兆帕; A380: 〜160–280 兆帕 | 灰色的: ~150–300 兆帕; 公爵: ~350–700 兆帕 | 球墨铸铁的强度和延展性优于铝; 一些铝合金接近较低端的铁强度. |
| 产生强度 | ~150–260 兆帕 (A356-T6) | 灰色的: 没有明确的收益; 公爵: 〜200–300 兆帕 | 当需要明显的屈服行为和更高的静态强度时，请使用球墨铸铁. |
| 伸长 (延性) | 〜5–12% (A356-T6) 或 1–6% (压铸) | 灰色的: <1–3％; 公爵: 〜10–20% | 球墨铸铁和热处理铝具有良好的延展性; 灰铸铁在张力下很脆. |
| 硬度 / 穿 | HB ≈ 60–130 (合金相关) | HB ≈ 140–260 (灰色的); >300 (白色/珠光体) | 铁, 特别是珠光体/白色等级, 最适合磨料磨损. 铝需要涂层/嵌件以防止磨损. |
| 导热率 | ~80–180 W·m⁻1·K⁻1 (合金相关) | ~30–60 W·m⁻1·K⁻1 | 散热部件首选铝 (散热器, 住房). |
| 热稳定性 / 高T强度 | 强度在高于 ~150–200 °C 时迅速下降 | 更好的高温强度保持率 | 使用铁来承受高温负载. |
| 减震 / 振动 | 一般 | 出色的 (特别是灰铁) | 机器框架首选铁, 减振很重要的底座和部件. |
| 可铸性 / 薄壁能力 | 出色的 (压铸; 薄壁 <2 毫米可能) | 有限——更适合较厚的部分 | 铝使整合成为可能, 轻质薄壁零件; 熨烫更适合重型部件. |
表面饰面 & 公差 (铸造) |
压铸: 精加工, 严格的公差 | 砂铸: 更粗糙, 更宽的公差 | 压铸减少后加工; 砂铸铁通常需要更多的机械加工. |
| 可加工性 | 简单的, 高去除率; 刀具磨损低 | 灰铸铁加工性能良好 (石墨有助于切屑形成); 球墨铸铁对工具的硬度更高 | 铝可缩短加工周期时间; 铁可能需要更坚固的工具，但灰铁可以干净地切割. |
| 耐腐蚀性 | 良好 (保护性氧化物); 通过阳极氧化/涂层进一步改进 | 在没有保护的情况下，在潮湿/氯化环境中表现不佳 | 铝通常需要较少的腐蚀保护; 铁必须涂漆/电镀或合金化. |
| 回收 | 出色的; 每公斤重熔能量低于初级能量 | 出色的; 高度可回收 | 两者都有很高的废品价值; 与初级生产相比，每公斤大型铝节省的能源. |
| 典型的成本考虑因素 | 更高的美元/千克但更低的质量可能会降低系统成本; 压铸模具高 | 更低的美元/公斤; 砂型铸造模具低，产量小 | 根据零件质量选择, 体积和所需的整理. |
| 典型的应用 | 汽车住房, 散热器, 轻巧的结构部分 | 发动机块, 机器基础, 穿零件, 重型外壳 | 将材料与功能优先级相匹配——重量与刚度/磨损. |
选型指导 (实用的经验法则)
- 选用铸铝时: 质量减少, 散热, 耐腐蚀性和薄壁特征整合是主要驱动因素 (例如。, 汽车车身零部件, 散热器, 轻质外壳).
使用铝压铸件进行大批量和薄壁加工, 功能丰富的零件; 当需要更高的结构性能和后热处理时使用A356-T6. - 选用铸铁时: 刚性, 减震, 耐磨性或升高的工作温度至关重要 (例如。, 机床基库, 制动组件, 重型外壳, 磨粒磨损衬里).
对于需要韧性和一定拉伸延展性的结构件选择球墨铸铁.
阻尼和切削加工时使用灰铸铁 (用于重型加工操作) 很重要，拉伸延展性不太重要. - 当有疑问时, 评估系统级权衡: 较重的铁部件每公斤可能更便宜，但会增加下游成本 (燃料消耗, 处理, 安装);
反过来, 铝可以减少系统质量，但可能需要更大的部分或插入件才能实现刚度/磨损寿命目标 - 运行零件级质量, 刚度和成本比较.
10. 结论
铸铝与铸铁是互补材料, 每个都在其独特属性符合应用程序要求的场景中表现出色.
铝铸件在轻量化方面占据主导地位, 高效率部门 (汽车电动汽车, 航天, 消费电子产品) 由于其强度重量比, 导热率, 和复杂的铸造性. </跨度>
铸铁在重型领域仍然具有不可替代的地位, 成本敏感型应用 (机床, 建筑管道, 传统发动机) 由于其耐磨性, 振动阻尼, 且成本低。</跨度>
常见问题解答
相同体积的铸铝件比铸铁件轻多少?
典型密度: 铝 ~2.7 g/cm3 vs 铸铁 ~7.2 g/cm3. 对于相同的组分体积, 铝是 关于 62.5% 打火机 (IE。, 同体积铝质量= 37.5% 铸铁质量).
铝可以代替发动机缸体中的铸铁吗?
铝广泛用于现代发动机缸体和气缸盖以减轻重量.
更换铁需要仔细设计刚度, 热膨胀, 气缸套策略 (例如。, 铸入式衬里, 铁袖) 并注意疲劳和磨损.
适用于高负载或高温应用, 铸铁或特殊铝合金/设计可能是首选.
哪个更便宜: 铸铝或铸铁?
上一个 每公斤 基础, 铁往往更便宜; 在一个 每个部分 答案取决于数量, 工具 (压铸模具价格昂贵), 加工时间, 和重量驱动的系统成本 (例如。, 车辆燃料消耗).
用于大量的, 尽管材料成本较高，但压铸铝可能很经济.
哪种材料更耐磨?
铸铁 (特别是珠光体或白口铁) 与铸铝相比，通常表现出优异的耐磨性.
铝可以进行表面处理或涂层以适应磨损应用，但在不增加工艺的情况下很少能与硬化铁相媲美.
铸铝会生锈吗?
铝不像铁那样生锈; 它形成氧化层，保护其免受进一步腐蚀. 在某些条件下 (氯化物暴露, 电耦合) 铝会腐蚀，可能需要涂层或阴极保护.
