Феррительные и неферрительные металлы: оптимизация дизайна литья для производительности и эффективности

Металлические характеристики и композиция для дизайна литья

Любой твердый металл, который можно расплавить, можно отлить. Литейные цехи — заводы, выполняющие эту литейную работу, разрабатывающие экспертизу с горстью металлов и методов, и проектирующие стандартные продукты для максимизации ценности и эффективности в производстве.

Металлы и литейные методы влияют друг на друга: лучший литейный выбор для продукта влияет на то, как его металл будет вести себя в расплавленном, остывающем и твердом состояниях. Для этих зависимостей специализации литейного цеха являются частью определения того, какие продукты они делают. Литейный цех, делающий детские игрушки прессованием, в целом не тот же литейный цех, который производит высококачественные детали двигателя.

Одним из главных различий в специализации является то, работают ли литейные цехи с феррительными металлами, неферрительными металлами или обоими. Определение феррительного металла — любой металл, содержащий железо; неферрительные металлы не содержат. Феррительная металлургия представляет примерно 90% мирового производства металла. Серый чугун — самый распространенный металл, отливаемый в литейных цехах. За пределами литейного цеха сталь — феррительный сплав, наиболее используемый в промышленности, строительстве и транспорте.

Литейные цехи, специализирующиеся на распространенных литейных методах, как песчаное литье, обычно работают в металлах, выбранных для конкретных качеств, таких как легкость плавления и заливки, захват деталей внутри формы, предсказуемое поведение при остывании и готовность к механической обработке или доводке.

Феррительные металлы и их свойства

Подпись атрибуты железа — это то, что оно плотное, прочное при смешивании с углеродом, обильное и легко рафинируемое, высоко склонное к коррозии и магнитное. Легирование железа с другими элементами в разных пропорциях может смягчить или устранить один или более из этих факторов.

Сотни феррительных сплавов хорошо известны. Они специфицируются пропорциями каждого элемента в их составе, а также инструкциями по их плавке и доводке. Феррительные сплавы с углеродом обычно называют железом или сталью и могут содержать любое количество других элементов, от алюминия до ванадия, на основе их спецификации. Эти металлы обычно выбирают для их механических свойств. Инженеры и дизайнеры могут быть заинтересованы в их пределе текучести, крутизне, вязкости, свариваемости, эластичности, сдвиге и термическом расширении, все описывают, как материал будет вести себя под конкретными стрессорами.

Эти отличительные аспекты железа могут быть изменены в сплавах, которые смешивают железо с другими элементами. Нержавеющая сталь — хороший пример, с некоторыми сплавами нержавеющей стали, которые и неметаллические, и некоррозионные. Общий способ сказать, является ли металл сталью — приложить магнит к нему, так как железо в сплаве заставит магнит прилипнуть; однако люди, пытавшиеся прикрепить магниты к своим нержавеющим холодильникам, знают, что это не безупречный тест. Хотя железо все еще присутствует в этом феррительном сплаве, высокий процент никеля меняет микроструктуру стали достаточно, чтобы предотвратить магнитную реакцию. Нержавеющая сталь может ржаветь, хотя она намного более коррозионностойкая, чем другие типы железных сплавов. Это из-за добавления хрома. Хром защищает от ржавчины через процесс, называемый пассивация, в котором верхние молекулы металла окисляются, но остаются прочно связанными с металлом ниже, формируя непроницаемую оболочку.

В феррительных металлах железо и сталь — самые распространенные литейные материалы.

Железо

Чугуны — категория железных сплавов с содержанием углерода больше 2%. Они относительно недорогие, плотные железа. Когда их нагревают и лить, у них гораздо более высокая текучесть при более низких температурах, чем у стали, означая, что они могут течь в и заполнять части сложной формы с большей эффективностью. Чугуны также усаживаются вдвое медленнее стали при остывании.

Базовые чугуны имеют хорошие компрессионные свойства, но они хрупкие: они будут ломаться до того, как согнутся или деформируются. Эта уязвимость может означать, что хрупкие марки чугуна не используются для дизайнов с выступами или изысканными деталями, или с очень острыми краями, так как эти особенности могут сколыхаться.

Серый чугун — самый распространенный тип чугуна, производимый в настоящее время, фигурирующий во всем от люков люков до дисковых тормозов на автомобилях. Он получает свое имя от цвета, который он принимает при разломе, который серый из-за наличия графита как углеродной добавки. Серый чугун 2,5–4% углерода по весу, и дополнительно содержит 1–3% кремния, который стабилизирует графит. Он имеет многие атрибуты базового чугуна, в том числе недорогой и высокая текучесть по сравнению со сталью при расплавленном состоянии, но присутствие графита позволяет железу быть несколько менее хрупким, позволяя более легкую механическую обработку. Серый чугун все еще негибок: он сгибается очень мало перед разломом.

Высокопрочный чугун — форма чугуна, в которой добавленный углерод — сферический (нодулярный) графит. Высокопрочный чугун обычно 3,2–3,6% углерода по весу, и имеет кремний и другие элементы. Более высокие уровни феррита означают, что он нарастает на режущих инструментах при механической обработке, поэтому он часто используется в преимущественно литейном производстве, где очень высокая текучесть делает его отличным выбором для тонко детализированной работы. Сферическая форма графита, дающая высокопрочному чугуну более высокое ударное сопротивление и предел прочности на разрыв, чем либо чугун, либо серый чугун, делая детализированные или острие дизайны выполнимыми. Высокопрочный чугун — относительно новичок в спецификации чугунов, так как он был впервые открыт в 1943 году.

Сталь

Стали всех сортов также иногда лить. В общем, сталь имеет содержание углерода менее 2,14% по весу, и часто легирована с другими элементами. Сталь имеет более сильные механические свойства, чем чугуны, но что выигрывается в крутизне, теряется в текучести. Расплавленная сталь должна быть намного горячее, чем расплавленное железо, чтобы течь в детализированные формы, и высокие температуры, необходимые для работы со сталью, сложны для управления и могут помешать дизайну и финишу объекта, выходящего из формы. Как и со всеми отливками, разные части детали могут остывать с разными скоростями, и этот дифференциал вызывает напряжение внутри продукта: потому что сталь усаживается более широко и быстро, чем чугуны, эти напряжения нуждаются в большем управлении в литой стали.

Эти проблемы означают, что сталь может быть намного более трудоемкой для хорошего литья. Она требует экспертного внимания на всех стадиях своего производства. Все же высокая механическая прочность конечного продукта может сделать стальной сплав явным выбором для некоторых применений, с механической обработкой, предоставляющей финальные финиши.

Другие железные сплавы

Другие сплавы железа существуют вне этих распространенных типов и используются в конкретных применениях, где их механические поведения полезны. Например, эльнивар — никель-железный сплав, который не расширяется и не сжимается в жаре, и используется в очень мелких деталях в часах и других точных приборах.

Неферрительные металлы и их применения

Эти металлы включают каждый металл и сплав, не содержащий железа. Короткий список распространенных неферрительных металлов включает:

• Драгоценные металлы как серебро, платина и золото
• Медь и ее сплавы как бронза и латунь
• Никель, Палладий, Платина
• Титан
• Алюминий
• Олово, Свинец
• Цинк

С таким широким спектром материалов в этой группировке, многие из механических свойств, рекомендующих железо, могут быть обнаружены в неферрительных металлах. Например, сплавы алюминия или титана могли бы быть заменены на сталь во многих случаях, если бы это не было затратно по стоимости. Магнитные способности железа могли бы быть эмулированы никелем, кобальтом или редкоземельными элементами, сплавленными с другими металлами.

Однако, потому что неферрительные металлы часто стоят дороже, они имеют тенденцию выбираться за их уникальные атрибуты, а не за способы, которыми они могут вести себя как сталь. Легкий вес, проводимость, коррозионная стойкость, неметаллические свойства, традиция или декоративная ценность — некоторые из причин выбора неферрительного металла. Некоторые металлы ценятся именно потому, что они редки: до широкого алюминиевого производства алюминий был роскошным металлом, используемым в высококлассной посуде.

Всевозможные специализированные материалы литьются. Однако в традиционных песчано-литейных литейных цехах есть три заметных неферрительных литейных металла.

Бронза и латунь

Бронза и латунь были первыми металлами, отлиты человечеством в Бронзовом веке, и эти медные сплавы все еще песчано-литы сегодня. Они плавится при гораздо более низких температурах, чем феррительные материалы, и они отливают детали хорошо, поэтому они часто используются в декоративных применениях, как статуи. Бронза и латунь мягче стали, но они коррозионностойки даже в присутствии соли, поэтому эти металлы используются в стандартных морских применениях, как фитинги на лодках. Латунь также устойчива к «галлингу», который является износом металла против самого себя, и поэтому латунь иногда лить для механических деталей, как морские пропеллеры — или механически обрабатывают для подшипников и молний. Оба сплава довольно дороги, так как они полагаются на медь, металл, также востребованный за свои электрические свойства.

Алюминий

Алюминий — металл с гораздо более низкой плотностью, чем железо, делая его витальным материалом в применениях, нуждающихся в прочности без веса, таких как аэрокосмическая индустрия. Он коррозионностойк, потому что алюминий, как нержавеющая сталь, реагирует на оксидизацию созданием металлического оксидного слоя, защищающего его.

Алюминий также имеет более низкую точку плавления, чем многие стали или железа, которые он может заменить, что делает его легче лить, чем сталь, нуждаясь в меньшем надзоре для сложных форм. Главный недостаток алюминия — расходы.

Рассмотрение литейных материалов

При проектировании литья, нахождение идеального металла для баланса ценности и формы — искусство и наука. Правильный металл для работы удовлетворит как эстетические, так и механические требования применения, и это повлияет на производственные методы, необходимые для перевода прототипа в конечный продукт.

Феррительные металлы — самый распространенный выбор для отливок, часто выбираемые за их рентабельность и механические свойства. Иногда это не прочность металла, диктующая выбор, а свойства такие как вес, коррозионная стойкость или неметалличность. Неферрительные сплавы как бронза и латунь также могут быть выбраны за традицию или за их красоту.

Консультация с инженером может помочь дизайнеру найти гармонию между различными аспектами их проекта, выбирая идеальный металл для чествования и применения и бюджета.

Для получения дополнительной информации о металлах или для запроса котировки для кастомного проекта, пожалуйста, свяжитесь с нами.