A看看今天的《铸铁》

试着想象一种金属，它有钢棒的强度，但它可以以两倍的速度加工成成品，而且工具磨损更少。重量轻10%，可以不渗碳进行热处理，不会变形。它有阻尼特性，使齿轮组更安静，每磅的成本大约与钢巴斯托克相同。它是什么?如果你还没有猜到，上面描述的高科技金属就是今天的铸铁。

铸铁常被认为是一种廉价、肮脏、易碎的金属而不被重视，但由于其可切削性、重量轻、强度高、耐磨性和阻尼性能，铸铁如今受到了越来越多的关注。由于对生产工艺的更好理解和改进，如今的工程铸铁与20年前相比有了很大的不同。美国生产的连续铸造球墨铸铁棒与低成本的外国棒材竞争非常有利，因为它能够以超过每分钟1200表面英尺(sfm)的速度加工标准硬质合金刀片。球墨铸铁的力学性能与钢非常相似，是机械师和设计工程师的理想材料。

在当今的竞争环境中，不断有降低价格和提高生产率的压力。设计工程师需要制造更持久的部件，但使用更坚固、更耐磨的材料往往意味着制造成本的增加。连续铸铁棒料是钢的极好替代品，在机械性能(如耐久性)和可加工性之间提供了良好的平衡。

连铸工艺

韦尔斯制造公司于20世纪60年代首次将灰铸铁和球墨铸铁的连续铸造工艺引入美国。原来的机器被用来制造高质量的灰铸铁，可以与砂型铸件竞争。然而，过去20年的增长主要是，而且在未来将继续是，转向主要由碳钢棒加工的球墨铸铁应用。

连续铸造工艺使用水冷石墨模具安装在棒材铸造坩埚的底部(上图)。铁流进模具，形成棒状的表皮。棒材以一系列笔画的形式穿过模具，长度为1至2英寸，笔画之间的停顿让铁水进入模具并形成“边缘”;当棒子退出模具，唯一的部分已经凝固是外边缘。大部分棒材由熔化的铁芯组成，铁芯重新加热边缘，使其高于临界温度。当棒材延伸到离模具更远的地方，它最终凝固，产生均匀化的组织。

连铸铁棒可制成多种形状。铸铁barstock下卖Dura-Bar商品名称有直径达20英寸的圆条、直径达18.5 × 22英寸的矩形和方形，以及特殊的挤压形状。

一些定义

铸铁是一种高碳、高硅的铁合金的总称。在强度、耐磨性、热处理反应和可加工性方面，它与钢相似，受铁溶液中碳含量的影响。强度和耐磨性随复合碳添加量的增加而增加;一般来说，可加工性下降。

铸铁的独特之处在于在室温下加入的碳超过了它在铁中的溶解度。在凝固过程中，随着熔融金属冷却和碳在铁中的溶解度限制降低，多余的碳以石墨的固体颗粒的形式析出。铸铁铸件实际上是石墨沉淀和固体金属基体的复合材料。

石墨颗粒的大小和形状是由硅作为孕育剂来控制的，它使石墨形成核，并迫使它从铁水中溶解出来。灰铸铁的特征是片状石墨，而球墨铸铁的特征是球墨石墨，如下一页的显微照片所示。

铸铁被归类为自由加工，因为石墨作为碎屑剂的作用类似于硫化物、磷化物和铅在加硫、再磷化和含铅钢中的作用。球墨铸铁是含铅钢的天然替代品，因为它没有毒性，而且没有碎片处理危害环境的危险。石墨还有助于从插入/工件界面散热，减少切削过程中插入的摩擦。它还使铸铁比钢轻10%，并为齿轮和其他部件提供卓越的阻尼系数。

铸铁的金属基体与钢相似。它的组成取决于剩余的碳量，这也是通过适当的接种控制的。碳与铁结合形成铁碳化物，这是一种非常硬而脆的成分。当铁冷却时，碳化物在板中形成，与铁氧体板交替形成一种称为珠光体的结构。珠光体比纯碳化铁软得多，但耐磨性强，强度高，有一定的延展性，易于加工。

球墨铸铁的牌号由基体组织的球墨石墨组成，其范围从所有的铁素体到所有的珠光体，以及两者之间的不同比例。随着珠光体含量的增加，强度和硬度增加，伸长率和加工性降低。球墨铸铁的牌号由其机械性能来确定:拉伸强度和屈服强度(以每平方英寸数千磅(psi)为单位)以及伸长率。例如，80-55-06球铁的最小抗拉强度为80000 psi，最小屈服强度为55000 psi，最小伸长率为6%。

切削加工性能影响因素

材料越硬，加工就越困难，直到最近，工业对加工球墨铸铁的了解基本上都是这样的。对不同牌号的球墨铸铁和灰铸铁以及使用不同加工工艺组合的类似牌号进行的刀具寿命试验确定了影响球墨铸铁切削性能的若干因素。

基体熔料中的生铁和切片钢、用于形核石墨的硅孕育剂的种类和数量以及用于稳定珠光体的合金都在一定程度上影响了加工性能。在连铸过程中，棒材凝固缘的厚度和同心度是影响因素，并确保所有工艺都处于受控状态，使快速冷却过程中的微观硬点得以溶解。在铸造厂适当地控制这些因素可以使连续铸铁棒用户在不损失刀具寿命的情况下，将车削速度从600 sfm提高到1200 sfm。

油井生产Co .)Dura-BarDiv.(伍德斯托克，伊利诺斯州)进行了一些实验，以评估主要加工变量对刀具寿命的影响，部分基于在一个独立的机械车间进行的测试。建立了加工珠光体灰铸铁的刀具寿命基准。基准也建立了三个等级的球墨铸铁:65-45-12，硬度范围从140到187 BHN, 80-55-06，硬度范围从207到229 BHN, 100-70-02，硬度范围从241到302 BHN。然后，实验试图确定是否可以在不改变材料的基本冶金和机械性能的情况下提高刀具寿命。

在工具寿命测试中，将直径为2.375英寸的连续铸铁棒以450 sfm的速度加工成直径为1.125英寸、长度为1.125英寸的段塞，切削深度为0.125英寸，进刀转速为0.015英寸。每个插入件产生的段塞或“部件”的数量被监控和记录。在加工过程中记录的载荷仪表读数和零件表面光洁度用来确定插入件何时磨损。

在测试工艺参数的同时，利用专门设计的凝固建模软件程序研究了铸坯工艺参数对棒材凝固和冷却行为的影响。用计算机模拟连铸过程来预测连铸棒的边缘在模具内形成的位置和时间，以及当它离开模具时的厚度。一旦建立模具冷却水的流动和温度关系，就使用显微组织评价来确保所有由冷却内部快速冷却产生的微观碳化物被消除。

在优化每个加工和铸造变量后，刀具寿命测量结果表明，珠光体灰铁棒和65-45-12球墨铸铁的每个镶块加工零件的寿命提高了30%。部分珠光体球墨铸铁80-55-06的刀具寿命提高了80%，大部分珠光体球墨铸铁100-70-02的刀具寿命提高了近两倍。(上)组织、硬度和力学性能相似，过程中唯一的变化是炉料中使用的原材料、使石墨成核的孕育合金和模/冷关系中珠光体稳定剂的类型和数量。

提高车削速度

一旦确定了最佳刀具寿命，下一步就是确定在车床上加工棒材而不经历刀具快速磨损的最大速度。一般建议铸铁上的硬质合金涂层刀片的速度小于800 sfm，尽管机械车间报告了粗加工连续铸造棒高达1400 sfm和加工2100 sfm。

阿拉巴马大学伯明翰分校(University of Alabama At Birmingham)建立了一项刀具磨损试验，以研究在以给定速度使用硬质合金刀片加工一定数量的材料后，刀片的侧面磨损量。由此得到的曲线与计算出的代表材料在该速度下磨损率的斜率呈线性关系。绘制一定速度范围内的磨损率曲线，可以得到磨损率曲线，该曲线的形状有助于确定在操作人员经历快速工具故障之前，材料的加工速度。

刀具磨损曲线有助于解释为什么刀具插入器制造商推荐800 sfm作为铸铁的最大加工速度。它们也有助于解释人们普遍不愿在高速下用机器铸铁。在800 sfm以下，材料热量的变化甚至材料等级的变化对刀具磨损率没有太大的影响。(右)然而，随着切削速度的提高，这些变化就变得至关重要，必须加以控制。它成为铸造的责任，以确保所有的过程是监控和控制，以便客户将能够在不损害刀具寿命的情况下尽可能快地加工。

与刀具寿命试验中使用的试验类似，还用于确定加工和铸造变量对刀具磨损率的影响。同样，实验的目标是优化这些变量，在不改变金属的基本机械或冶金性能的情况下，生产更多的可加工牌号。通过控制影响切削性能的关键加工变量，刀具磨损率在650 sfm时从103 mils/in3下降到小于73 mils/in3。

加工零件的最终成本取决于原材料的价格和加工它的成本。简单的机加工成本可以用每小时美元的机加工速度除以每小时生产的零件数量来计算。材料成本就是原材料的重量乘以每磅的成本。重要的是要了解原材料和加工成本在最终零件成本中的比例，以了解总零件成本节约。

初始投资成本:			可加工性增加20%后的成本:
加工成本: (50美元/小时)/(5 /人力资源部分)= 10美元/部分 材料成本: (0.5美元/磅)x(10磅金属)= 5美元/部分 总成本= $15/部分			加工成本: (50美元/小时)/(6部分/小时)= 8.33美元/部分 材料成本: (0.5美元/磅)x(10磅金属)= 5美元/部分 总成本= 13.33美元/部分

例如，假设一个车间每小时加工5个零件，该车间的操作率为50美元/小时，每个零件使用5美元的材料。材料和加工的初始成本是每件15美元，其中加工成本占67%，材料成本占33%。如果每小时可以加工一个额外的零件——加工性提高了20%——由于生产率的提高，这个零件的成本将下降到13.33美元。计算结果列在前一页的上端

最后，根据应用的材料性能要求，选择“最佳”等级的连续铸铁棒料来替代碳钢。由于含有石墨球，球墨铸铁的抗拉强度略低于基体相似的碳钢。然而，在连续铸铁棒料的性能适合应用的情况下，提高加工速度和给定时间内生产的零件数量的能力所带来的成本节约潜力，使其日益成为钢的替代品。

例如，上图所示的液压衬套由1144钢转换为65-45-12球墨铸铁杆座，成本降低了30%。球墨铸铁条每磅的成本略高于钢条，但用户可以将转弯速度从650 sfm提高到1400 sfm。循环时间减少了2分钟，而刀具寿命没有任何差异。客户无需更改任何其他加工参数。如果你有类似的部分，它将为你探索如何转换到今天的铸铁可以帮助你的底线。