灰口铸铁

灰口铸铁（英語：Grey cast iron），简称灰铸铁（英語：Gray iron），是铸铁材料中的一种。灰口铸铁中所含的碳具有片状石墨的微观结构^[1]。由于片状石墨的存在，其形成的断口呈现灰色，因此得名。^[2]按重量计算，灰口铸铁是最常见的铸铁和最广泛使用的铸造材料。^[3]灰口铸铁一般用于更看重部件的刚度而非其抗拉强度的场合，例如内燃机、气缸体、泵、外壳、阀体、电器箱和装饰品。灰口铸铁具有较高的热导率和比热容，常被用来制造铸铁炊具和盘式制动器的转子。^[4]

结构

灰口铸铁的微观结构

典型的灰口铸铁含有2.5至4.0%的碳和1至3％的硅（质量分数）。按体积分数，石墨可能占到灰口铸铁的6&至10%。与白口铸铁相比，硅元素对于制造灰口铸铁很重要，因为硅是铸铁中的“石墨稳定”元素，这意味着它有助于合金中的碳保持石墨结构而不是产生碳化三铁。影响石墨化的另一个因素是凝固速度：凝固速度越小，碳扩散和积聚到石墨中的时间就越长。适中的冷却速度形成的基体带有更多的珠光体，而快速冷却形成的基体中存在更多铁素体。要获得完全为的铁素体基体，合金必须退火。^[2]快速冷却可以部分或完全抑制石墨化，导致形成渗碳体，所得铸铁被称为白口铸铁。^[5]

分类

美国常用的灰口铸铁分类法是A48。^[3] 这一标准按照最小拉伸强度将灰口铸铁分级，比如拉伸强度为20psi的灰口铸铁被列为20级，此时的灰口铸铁等效碳较高，具有肥粒鐵基体，导致拉伸强度较低。但像40级的灰口铸铁,其中碳含量较低，呈现波來鐵基体，其拉伸强度就比较高。超过40级的灰口铸铁一般需要采用固溶强化或热处理的办法来改性基体。80级的灰口铸铁尽管具有最高的拉伸强度，但十分脆。^[5]

在汽车工业中，使用SAE J431来代替ASTM标准。根据拉伸强度和布氏硬度的比值来分级。^[3]

ASTM A48对灰口铸铁的分级^[6]

级别	拉伸强度（ksi）	压缩强度（ksi）	弹性模量, E (Mpsi)
20	22	83	10
30	31	109	14
40	57	140	18
60	62.5	187.5	21

根据SAE J431，对灰口铸铁的分级^[6]

级别	布氏硬度	t/h†	描述
G1800	120–187	135	铁素体-珠光体
G2500	170–229	135	铁素体-珠光体
G3000	187–241	150	珠光体
G3500	207–255	165	珠光体
G4000	217–269	175	珠光体
†t/h = 拉伸强度/硬度

优点与缺点

由于所含的石墨可以润滑切口和分裂切屑，灰口铸铁的成本相对较低且机械加工性（英语：Machinability）良好，成为常见一种的工程合金。石墨薄片的自润滑性（英语：Galling）还使得其具有良好的耐磨性。石墨还赋予灰铸铁出色的阻尼能力（英语：Damping capacity），因为它可以吸收能量并将其转化为热量。^[4] 但灰口铸铁即使在较高温度下也无法锻造、挤出或卷压。

各种金属的相对阻尼能力

材料	阻尼能力†
灰口铸铁（高等效碳）	100–500
灰口铸铁（低等效碳）	20–100
Ductile iron	5–20
Malleable iron	8–15
白铁	2–4
钢	4
铝	0.47
†Natural log of the ratio of successive amplitudes

与不形成石墨显微组织的其他铸铁相比，灰口铸铁在凝固过程中的收缩更小。硅在铸造时促进了良好的耐腐蚀性并增加了流动性。^[5]灰口铸铁通常被认为易于焊接。^[7]与更现代的铁合金相比，灰口铸铁具有较低的抗拉强度和延展性； 因此，它的抗冲击强度几乎不存在。^[7]

参考文献

1. 术语在线-灰口铸铁. [2021-08-27]. （原始内容存档于2021-08-26）.
2. William F. Smith and Javad Hashemi. Foundations of Materials Science and Engineering 4th. McGraw-Hill. 2006: 431–432 [2021-08-26]. ISBN 9780072921946. （原始内容存档于2021-08-26）.
3. Philip A. Schweitzer. Metallic materials. CRC Press. 2003: 72 [2021-08-26]. ISBN 9780203912423. （原始内容存档于2021-01-21）.
4. 灰铸铁制动转子冶金简介 (PDF). SAE. [2011-05-24]. （原始内容存档 (PDF)于2017-07-12）.
5. E. Paul Degarmo, J T. Black and Ronald A. Kohser. Materials and Processes in Manufacturing 9th. Wiley. 2003: 77 [2021-08-26]. ISBN 9780471033066. （原始内容存档于2021-08-26）.
6. Schweitzer 2003，第73頁 harvnb模板錯誤: 無指向目標: CITEREFSchweitzer2003 (幫助).
7. Miller, Mark R., Welding Licensing Exam Study Guide, McGraw-Hill Professional: 191, 2007 [2021-08-26], ISBN 9780071709972, （原始内容存档于2021-08-26）.

扩展阅读

Stefanescu, Doru Michael. Science and engineering of casting solidification. Springer. 2002 [2021-08-27]. ISBN 978-0-306-46750-9. （原始内容存档于2021-08-27）.