铸钢生产:性能和成分

在铸造厂进行测试和检验

铸钢是一种含碳量最大约为0.75%. 铸钢件是用液态钢填充模具内的空隙而制成的固体金属物体. 它们可用于许多可作为锻造金属生产的碳素钢和合金钢中. 铸钢的机械性能一般低于锻钢, 但化学成分相同. 铸钢以其在更少的步骤中形成复杂形状的能力弥补了这一缺点.

铸造厂的铸钢件
铸钢件是用液态钢填充模具内的空隙而制成的固体金属物体.

铸钢性能

可以生产出具有广泛性能的铸钢. 铸钢的物理性能因化学成分和热处理而发生显著变化. 选择它们是为了匹配预期应用程序的性能需求.

  • 硬度
    耐磨性:一种材料耐磨损的能力. 含碳量决定了钢可获得的最大硬度或淬透性.
  • 强度
    使材料变形所需的力的大小. 含碳量和硬度越高,钢的强度就越高.
  • 延性
    金属在拉应力作用下的变形能力. 较低的含碳量和较低的硬度使钢具有较高的延性.
  • 韧性
    承受压力的能力. 增加延展性通常与更好的韧性有关. 韧性可以通过添加合金金属和热处理来调整.
  • 耐磨性
    阻力:一种材料对摩擦和使用的阻力. 铸钢的耐磨性与成分相似的锻钢的耐磨性相似. 添加合金元素如钼和铬可以提高耐磨性.
  • 耐蚀性
    抗氧化能力:一种材料抗氧化和生锈的能力. 铸钢与熟钢具有类似的耐蚀性. 铬和镍含量较高的高合金钢具有很强的抗氧化性.
  • 切削加工性能
    通过机械加工(切割)去除材料而使铸钢件改变形状的容易程度, 磨, 或钻井). 可加工性受硬度、强度、导热系数和热膨胀的影响.
  • 可焊性
    铸件焊接无缺陷的能力. 焊接性主要取决于铸钢件的化学成分和热处理.
  • 耐高温特性
    在高于环境温度下工作的钢容易因氧化而导致机械性能退化和早期失效, 氢损伤, 亚硫酸盐扩展, 碳化物不稳定性.
  • 低温性能
    铸钢在低温下的韧性严重降低. 合金化和特殊热处理可以提高铸件的承受载荷和应力的能力.

铸钢的化学成分

铸钢的化学成分对其性能有重要影响,经常被用来对钢进行分类或指定标准名称. 铸钢可分为两大类——碳铸钢和合金铸钢.

碳素铸钢

就像锻钢一样, 碳铸钢 可以根据含碳量来分类吗. 低碳铸钢(0.2%碳)相对较软,不易热处理. 中碳铸钢(0.2–0.5%碳)稍硬,经热处理可加强. 高碳铸钢(0.5%碳)用于要求最大硬度和耐磨性时.

合金铸钢

合金铸钢可分为低合金和高合金两种. 低合金铸钢(合金含量≤8%)的性能与普通碳钢相似, 但具有较高的淬透性. High-alloy cast steel (> 8% alloy content) is designed to produce a specific property, 如耐腐蚀, 耐热性, 或耐磨性.

Common high-alloy steels include 不锈钢 (> 10.5%铬)和哈德菲尔德锰钢(11-15%锰). 铬的添加, 当暴露在氧气中时,是什么形成氧化铬的钝化层, 给了 不锈钢 优异的耐腐蚀性能. 哈德菲尔德钢中的锰含量提供了高强度和耐磨性.

ASTM 化学要求 抗拉要求
钢的等级 抗拉强度 屈服点 伸长率2英寸. 面积减少
最大% /范围 最小值. ksi [Mpa] /量程 最小值. %
Astm a27 / a27m
ASTM A27, N-1级 0.25 0.75 0.80 0.06 0.05 N/A N/A N/A N/A
ASTM A27, N-2级 0.35 0.60 0.80 0.06 0.05 N/A N/A N/A N/A
ASTM A27, U60-30级 0.25 0.75 0.80 0.06 0.05 60 [415] 30 [205] 22 30
ASTM A27, 60-30级 0.30 0.60 0.80 0.06 0.05 60 [415] 30 [205] 24 35
ASTM A27,等级65-35 0.30 0.70 0.80 0.06 0.05 65 [450] 35 [240] 24 35
ASTM A27,等级70-36 0.35 0.70 0.80 0.06 0.05 70 [485] 36 [250] 22 30
ASTM A27, 70-40级 0.25 1.20 0.80 0.06 0.05 70 [485] 40 [275] 22 30
Astm a148 / a148m
ASTM A148, 80-40级 N/A N/A N/A 0.06 0.05 80 [550] 40 [275] 18 30
ASTM A148, 80-50级 N/A N/A N/A 0.06 0.05 80 [550] 50 [345] 22 35
ASTM A148,等级90-60 N/A N/A N/A 0.06 0.05 90 [620] 60 [415] 20 40
Astm a216 / a216m
ASTM A216, WCA级 0.25 0.70 0.60 0.045 0.04 60-85 [415-585] 30 [205] 24 35
ASTM A216, WCB级 0.30 1.00 0.60 0.045 0.04 70-95 [485-655] 36 [250] 22 35
ASTM A216, WCC级 0.25 1.20 0.60 0.045 0.04 70-95 [485-655] 40 [275] 22 35

铸钢等级

钢的成绩 都是由标准组织创建的,比如 ASTM国际, 美国钢铁协会,以及 汽车工程师学会 按特定的化学成分和相应的物理性能对钢进行分类. 铸造厂可以开发自己的内部钢材等级,以满足用户对特定性能的需求或标准化特定的生产等级.

锻钢的规格经常被用来按其主要合金元素对不同的铸造合金进行分类. 然而,铸钢不一定遵循锻钢的成分. 铸钢中硅和锰的含量往往高于熟钢. 除了硅和锰含量较高外,合金铸钢也有使用 、钛和锆,用于铸造过程中的脱氧. 铝因其功效和相对较低的成本而主要用作脱氧剂.

铸钢生产

铸钢的实践可以追溯到18世纪50年代末,比英国的 铸造 其他金属. 钢的熔点高, 而且缺乏熔化和加工金属的技术, 延缓了铸钢业的发展. 熔炉技术的进步克服了这些挑战.

熔炉是内衬耐火材料的容器,里面装着“炉料”,这是要熔化的材料, 并为熔化提供能量. 现代钢铸造厂使用的炉有两种类型:电弧炉和感应炉.

电弧炉

电弧炉通过石墨电极之间的电弧熔化被称为“热”的金属批次. 电荷直接在电极之间传递, 将其暴露于持续放电产生的热能中.

用电弧炉生产铸钢件
The electric arc furnace melts batches of metal using graphite electrodes; the charge passes directly between the electrodes, 把它暴露在热能中.

电弧炉遵循一个tap-to-tap的操作循环:

  1. 装炉
    将钢屑和合金加载到熔炉中.
  1. 融化
    钢是通过向熔炉内部提供能量来熔化的. 电能是通过石墨电极提供的,通常是炼钢作业中最大的能源. 化学能是通过氧燃料燃烧器和氧枪提供的.
  1. 精炼
    在熔化过程中,注入氧气以除去杂质和其他溶解气体.
  1. De-slagging
    多余的矿渣,通常含有不需要的杂质,从浴池中除去之前,水龙头. 除渣也可以在浇注前在钢包内进行.
  1. 敲击(或敲击出)
    通过倾斜熔炉并将金属倒入一个转移容器(如钢包)中从熔炉中取出金属.
  1. 炉回车场
    为下一个加料周期完成敲出和准备.

在这一过程的不同阶段,常常要采取连续的附加步骤,以进一步脱氧钢材,并在浇筑前除去金属中的渣. 钢的化学成分可能需要调整,以考虑合金损耗在一个延长的攻丝.

感应炉

感应炉是一种通过感应传递热能的电炉. 铜线圈包围着不导电的电荷容器, 交流电通过线圈在电荷中产生电磁感应.

感应炉能熔化大多数金属, 而且它们可以以最小的熔体损失操作. 缺点是这种金属几乎不可能提炼. 与电弧炉不同,钢是不能转化的.

用于铸钢件的感应炉
感应炉是一种通过感应传递热能的电炉, 并且可以以最小的熔体损失操作.

现代铸钢厂经常使用 回收钢材 废钢降低铸造生产的成本和对环境的影响. 过时的汽车, 机械部件, 类似的项目是分开的, 大小的, 然后作为废料运到铸造厂. 这是结合内部废料产生的 铸造 加工并与各种合金元素相结合以装熔炉.

热处理

铸件凝固后, 从模具中取出, 和清洁, 铸钢的物理性能是通过适当的措施发展起来的 热处理.

  • 退火
    将铸钢件加热到特定温度, 持有一段时间, 然后慢慢冷却.
  • 正常化
    类似于退火,但铸钢件是在露天冷却,有时用风扇. 这有助于铸件达到更高的强度.
  • 淬火
    类似于正常化,但冷却的速度要快得多,使用强制空气. 水或油被用作淬火介质.
  • 缓和(或缓解压力)
    用于减轻铸件内部应力的技术. 这些应力可能出现在铸造过程中, 或在强化或硬化热处理过程中,如正火或淬火. 应力消除包括将铸件加热到远低于退火温度, 保持这个温度, 然后慢慢冷却.

铸钢检验

铸钢件经常要经过检查,以验证特定的物理性能,如尺寸精度, 铸件表面光洁度, 内部健全. 此外,化学成分也必须检查. 添加到材料中的微量合金元素对化学成分有很大的影响. 铸钢合金易受其化学成分变化的影响, 因此,在铸造之前,需要进行化学分析来验证确切的化学成分. 一小部分样本 熔融金属 倒入模具中进行分析.

尺寸精度

进行尺寸检查,以确保生产的铸件符合客户的尺寸要求和公差,包括 加工. 有时可能需要破坏样品铸件来测量内部尺寸.

表面光洁度

铸件表面光洁度检验是为了探索铸件的美观外观. 他们寻找铸件表面和次表面上可能不明显的缺陷. 铸钢件的表面光洁度可能受到型模类型的影响, 型砂, 模具涂层的使用, 以及铸件的重量和清洗方法.

铸钢表面光洁度检验
表面光洁度检查是在铸钢件的表面和次表面寻找缺陷.

内部质量

所有 铸件 是否存在某种程度的缺陷, 而稳健性规格则决定了可接受的缺陷阈值. 最大允许缺陷水平的过度规范将导致更高的报废率和更高的铸造成本. 最大允许缺陷水平的规格不足会导致失效.

铸钢件中常见的三种内部缺陷是:

  1. 孔隙度
    铸钢件中的空隙,其特征是光滑、有光泽的内墙. 气孔通常是铸造过程中气体的析出或气体的滞留造成的.
  1. 夹杂物
    铸件中有异物. 夹杂物可以是金属的、金属间化合物的或非金属的. 夹杂物可能来自模具内部(碎片), 沙子, 或芯材), 或者可以在浇铸过程中进入模具.
  1. 收缩
    低密度的空缺或区域,通常在铸件内部. 这是由于在凝固过程中,材料的熔融岛没有足够的原料金属来供应. 缩孔的特征是内部表面粗糙结晶.

化学分析

铸钢的化学分析通常采用湿化学分析方法或光谱化学方法. 湿化学分析最常用于测定小样品的成分, 或验证bwin体育分析后生产. 与之相反, 用光谱仪分析非常适合在繁忙的铸造生产环境中对较大样品的化学成分进行常规和快速的测定. 铸造厂 能否在热和产物层面进行化学分析.

热分析

热分析过程中, 一小块液态铸钢样品从熔炉中舀出来, 允许固化, 然后用光谱化学分析法对其化学成分进行分析. 如果合金元素的组成不正确, 在浇铸之前,可以在熔炉或钢包中进行快速调整. 一旦正确的, 热分析通常被认为是对整个金属热组成的精确表示. 然而, 由于合金元素的分离,化学成分会发生变化, 以及排出钢铁的热量所需要的时间. 某些元素在浇注过程中可能发生氧化.

用钢包浇铸钢液样
热分析过程中, 从熔炉中舀出一种液态铸钢样品, 允许固化, 然后用光谱化学分析法对其化学成分进行分析.

bwin体育分析

bwin体育分析用于特定的化学分析验证, 由于浇注的单个铸件的成分可能不完全符合适用的规范. 即使在热分析正确的情况下,这种情况也会发生. 行业实践和标准确实允许热分析和bwin体育分析之间存在一些差异.

铸钢试验

通过改变铸钢的成分和热处理,可以获得碳素钢和合金钢铸件的各种力学性能. 铸造厂bwin体育完成之前,使用专门的测试方法检查机械性能.

当涉及到铸钢测试时, 在工业中有两种类型的检测:破坏性检测和非破坏性检测. 破坏性的测试 需要破坏一个测试铸件,以直观地确定一个零件的内部稳固性. 这种方法只提供被测件的状态信息, 并不能保证其他部分是健全的. 非破坏性测试 用于在不损坏铸件本身的情况下验证铸件的内部和外部的稳固性. 一旦铸造通过了测试,它就可以用于预期的应用程序.

拉伸性能

铸钢件的拉伸性能是铸件在缓慢加载条件下承受载荷能力的一个指标. 拉伸性能测量使用一个代表性的铸造样品,受控制的拉伸载荷-施加在拉杆两端的拉力-直到失效. 失效后,检测拉伸性能.

拉伸性能

属性

描述

抗拉强度

在拉力或拉伸载荷下,使铸件断裂所需的应力.

屈服强度

在拉伸时,铸件开始屈服或拉伸并表现出塑性变形的点.

延伸率(%)

延展性的量度,或铸件的塑性变形能力.

面积减少(%)

铸件延性的二次测量.

演示了拉杆原始截面积的差异, 和受拉破坏后最小横截面面积.

弯曲性能

弯曲性能通过使用一个矩形代表性的样品弯曲到一个特定的角度来识别铸件的延性. 观察产生的弯曲杆,以检查不良的开裂.

冲击性能

冲击性能是一种韧性的测量,由测试打破标准缺口样品所需的能量得出. 打碎样品所需的能量越多,铸造材料就越坚硬.

硬度

硬度是用压痕试验衡量铸件抗渗透能力的一种指标. 它是表明铸钢耐磨性和耐磨性的一种性能. 硬度测试 还能提供轻松吗, 在生产环境中测试抗拉强度指标的常规方法. 硬度标度测试结果通常与抗拉强度特性密切相关.

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