铸钢生产:性能和成分

在铸造厂进行测试和检验

铸钢是一种含铁合金,最大含碳量约为0.75%。铸钢件是用钢液填充模具内的空隙而制成的固体金属物体。它们可以在许多同样的碳钢和合金钢中使用,而这些钢可以制成变形金属。铸钢的机械性能一般比锻钢低,但化学成分相同。铸钢弥补了这一缺点,它能在更少的步骤中形成复杂的形状。

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

铸钢可以生产具有多种性能的钢。铸钢的物理性能随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要求。

  • 硬度
    材料承受磨损的能力。碳含量决定了钢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
    金属在拉伸应力下变形的能力。低碳和低硬度的钢具有较高的延展性。
  • 韧性
    承受压力的能力。延展性的增加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
    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相似。添加钼和铬等合金元素可提高耐磨性。
  • 耐蚀性
    抗氧化性材料的抗氧化和抗锈性铸钢与锻钢具有相似的耐腐蚀性能。铬和镍含量高的高合金钢具有很高的抗氧化性。
  • 可加工性
    铸件通过机械加工(切割、磨削或钻孔)去除材料而改变形状的轻松程度。可加工性受硬度、强度、导热系数和热膨胀的影响。
  • 焊接性
    钢铸件无缺陷焊接的能力。焊接性主要取决于钢铸件的化学成分和热处理。
  • 耐高温特性
    由于氧化、氢损伤、亚硫酸盐结垢和碳化物不稳定性,在高于环境温度的环境下工作的钢容易发生机械性能下降和早期失效。
  • 低温性能
    铸钢的韧性在低温时严重降低。合金化和专门的热处理可以提高铸件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,通常用于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。

碳铸钢

锻钢,碳铸钢可根据其碳含量进行分类。低碳铸钢(含碳0.2%)相对较软,不易热处理。中碳铸钢(含碳量为0.2–0.5%)稍硬,可通过热处理进行强化。当需要最大硬度和耐磨性时,使用高碳铸钢(0.5%碳)。

合金铸钢

合金铸钢分为低合金和高合金两种。低合金铸钢(合金含量≤8%)与普通碳钢相似,但淬透性更高。高合金铸钢(> 8%合金含量)设计用于产生特定的性能,如耐腐蚀、耐热或耐磨。

常见的高合金钢包括不锈钢(> 10.5%铬)和哈德菲尔德锰钢(11-15%锰)。当铬暴露在氧气中时,它会形成氧化铬的钝化层不锈钢优秀的耐蚀性。哈德菲尔德钢中的锰含量提供了高强度和耐磨损的艰苦工作。

美国材料试验学会 化学要求 抗拉要求
钢种 抗拉强度 屈服点 伸长2英寸。 断面收缩率
最大百分比/范围 最小ksi[Mpa]/量程 分钟。%
ASTM A27/A27M
ASTM A27, N-1级 0.25 0.75 0.80 0.06 0.05 不适用 不适用 不适用 不适用
ASTM A27, N-2级 0.35 0.60 0.80 0.06 0.05 不适用 不适用 不适用 不适用
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 A27,65-35级 0.30 0.70 0.80 0.06 0.05 65 [450] 35 [240] 24 35
ASTM A27, 70-36级 0.35 0.70 0.80 0.06 0.05 70年[485] 36 [250] 22 30
ASTM A27, 70-40级 0.25 1.20 0.80 0.06 0.05 70年[485] 40 [275] 22 30
Astm a148 / a148m
ASTM A148, 80-40级 不适用 不适用 不适用 0.06 0.05 80年[550] 40 [275] 18 30
ASTM A148, 80-50级 不适用 不适用 不适用 0.06 0.05 80年[550] 50 [345] 22 35
ASTM A148, 90-60级 不适用 不适用 不适用 0.06 0.05 90 [620] 60 [415] 20 40
Astm a216 / a216m
ASTM A216, WCA等级 0.25 0.70 0.60 0.045 0.04 60 - 85 (415 - 585) 30 [205] 24 35
ASTM A216, WCB等级 0.30 1.00 0.60 0.045 0.04 70 - 95 (485 - 655) 36 [250] 22 35
ASTM A216, WCC等级 0.25 1.20 0.60 0.045 0.04 70 - 95 (485 - 655) 40 [275] 22 35

铸钢的成绩

钢种由标准组织如ASTM国际,美国钢铁协会,汽车工程师学会用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等级的钢,以满足用户对特定性能的需求或使特定的生产等级标准化。

锻造钢的规格常常用来按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成分。铸钢中硅和锰的含量往往高于锻钢。除了高含量的硅和锰外,合金钢也使用、钛和锆,用于铸造过程中的脱氧。由于铝的有效性和相对较低的成本,它主要被用作除氧剂。

铸钢生产

铸钢的实践可以追溯到17世纪50年代末,比20世纪80年代要晚得多铸造其他金属。钢铁的高熔点,以及缺乏可用的金属熔炼和加工技术,延误了铸钢工业的发展。这些挑战被炉窑技术的进步所克服。

熔炉是一种内衬耐火材料的容器,它包含“炉料”,这是要熔化的材料,并为熔化提供能量。现代铸钢厂使用两种炉型: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“热源”的金属。电荷直接在电极之间传递,使其暴露在持续放电产生的热能中。

利用电弧炉生产铸钢件
电弧炉使用石墨电极熔化成批的金属;电荷直接在电极之间通过,使其暴露于热能中。

电弧炉遵循一接一接的操作循环:

  1. 炉料
    炉子中加入了大量的废钢和合金。
  1. 融化
    通过向熔炉内部提供能量来熔化钢。电能通过石墨电极提供,通常是炼钢操作中最大的贡献者。化学能通过氧燃料燃烧器和氧枪提供。
  1. 精炼
    在熔化过程中注入氧气以去除杂质和其他溶解的气体。
  1. De-slagging
    多余的渣通常含有不需要的杂质,在流出前要从浴槽中除去。还可以在浇注前在钢包内进行除渣。
  1. 敲(或敲出)
    将炉体倾斜,将金属倒入如钢包这样的转运容器中,即可将金属从炉中取出。
  1. 炉回车场
    为下一个炉料循环完成分料和准备工作。

在这一过程的各个阶段,通常会采取连续的附加步骤,进一步脱氧钢,并在浇注前清除金属中的渣。钢的化学成分可能需要调整,以考虑在长出螺纹过程中合金的损耗。

感应炉

感应炉是通过感应传递热能的电炉。一个铜线圈包围着不导电的电荷容器,交流电流通过线圈在电荷中产生电磁感应。

感应炉能够熔化大多数金属,并且能够以最小的熔体损失运行。缺点是金属几乎不可能精炼。与电弧炉不同的是,钢不能被转化。

感应炉用于铸钢
感应炉是一种通过感应来传递热能的电炉,它能以最小的熔体损耗运行。

现代钢铁厂经常使用回收钢材降低了铸造生产的成本和对环境的影响。废弃的汽车、机械部件和类似的物品被分离、调整大小,然后作为废料运往铸造厂。这是结合内部废料产生铸造加工并结合各种合金元素,给熔炼炉装料。

热处理

在铸件凝固,从模具中取出并清洗后,铸钢的物理性能得到了适当的发展热处理

  • 退火
    将铸钢件加热到特定温度,保持一段特定时间,然后慢慢冷却。
  • 正常化
    类似于退火,但铸铁件是在露天冷却的,有时用风扇。这有助于铸件获得更高的强度。
  • 淬火
    类似于正火,但冷却速度要快得多,使用强制空气。水或油用作淬火介质。
  • 回火(或缓解压力)
    消除铸件内部应力的技术。这些应力可能出现在铸造过程中,或在正火或淬火等强化或硬化热处理过程中。应力消除包括将铸件加热到远低于退火温度的温度,保持该温度,然后缓慢冷却。

铸钢检验

钢铸件经常要接受检查,以验证具体的物理性能,如尺寸精度、铸件表面光洁度和内部完好性。此外,还必须检查化学成分。加入材料中的微量合金元素对材料的化学成分有显著影响。铸钢合金易受其化学成分变化的影响,因此在铸造前需要进行化学分析以验证准确的化学成分。一小部分熔融金属将其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,包括公差机械加工. 有时可能需要破坏样品铸件以测量内部尺寸。

表面光洁度的条件

铸件表面光洁度检查用于探索铸件的美学外观。他们在铸件的表面和次表面上寻找肉眼看不到的缺陷。铸钢件的表面光洁度可能会受到所用图案类型、型砂和模具涂层以及铸件重量和清洁方法的影响。

铸钢表面光洁度检查
表面光洁度检查查找铸钢件表面和次表面的缺陷。

内部质量

所有铸件存在某种程度的缺陷,并且健全规范确定可接受的缺陷阈值。超标的最大允许缺陷水平将导致更高的废品率和更高的铸造成本。对最大允许缺陷水平的不规范可能导致失败。

铸钢件常见的三种内部缺陷是:

  1. 孔隙度
    铸件内的空隙,其特点是内壁光滑、有光泽。气孔通常是铸造过程中气体逸出或气体圈闭的结果。
  1. 夹杂物
    铸件中有异物。夹杂物可以是金属的、金属间化合物或非金属的。夹杂物可能来自模具内部(碎片、沙子或芯材),也可能在浇注铸件时进入模具。
  1. 收缩
    通常在铸件内部的空位或低密度区域。这是由于在凝固过程中没有足够的金属原料来供应材料的熔融岛造成的。缩孔的特点是内部表面呈粗糙的结晶状。

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确定小样品的组成,或验证产品分析后的生产。相比之下,在繁忙的铸造生产环境中,用分光计分析非常适合常规和快速测定较大样品的化学成分。铸造厂能够进行热量和产品水平的化学分析。

热分析

在热分析过程中,从炉中舀出一小块铸钢液样本,使其凝固,然后使用光谱化学分析进行化学成分分析。如果合金元素的成分不正确,可以在浇铸前在熔炉或钢包中快速调整。一旦正确,热分析通常被认为是对整个金属热成分的准确表征。然而,由于合金元素的分离,以及钢材散热所需的时间,化学成分可能会发生变化。在浇注过程中,某些元素可能会发生氧化。

液态铸钢样品用钢包浇注
在热分析过程中,将液态铸钢样品从熔炉中舀出,使其凝固,然后使用光谱化学分析法分析其化学成分。

产品分析

产品分析是为了进行特定的化学分析验证,因为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,产品从热钢中倒出,也会发生这种情况。行业实践和标准确实允许热分析和产品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。铸造厂在产品完工之前,利用专门的测试方法检查机械性能。

就铸钢测试而言,工业上使用的测试有两种:破坏性测试和非破坏性测试。破坏性的测试要求销毁测试铸件,以目视确定零件的内部坚固性。该方法仅提供有关被测工件状况的信息,不能确保其他工件完好。无损检测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可靠性。铸件一旦通过测试,就可以用于预期的用途。

拉伸性能

钢铸件的拉伸性能是铸件在缓慢加载条件下承受载荷的能力的指示。拉伸性能是用一个有代表性的铸型样品来测量的,该铸型样品在受控的拉伸载荷(施加在拉伸杆两端的拉力)作用下直到断裂。破坏时,测试拉伸性能。

拉伸性能

属性

描述

抗拉强度

在张力或拉伸载荷下使铸件断裂所需的应力。

屈服强度

铸件在拉伸时开始屈服或拉伸并显示塑性变形的点。

伸长率(%)

延展性的度量,或铸件塑性变形的能力。

面积减少(%)

铸件延展性的二次测量。

展示了受拉杆的原始横截面面积与受拉破坏后的最小横截面面积之间的差异。

弯曲性能

弯曲特性通过使用围绕销弯曲到特定角度的矩形代表性样品来识别铸件的延展性。观察产生的弯曲钢筋,以检查是否存在不良开裂。

冲击性能

冲击性能是通过测试打破标准缺口样品所需的能量来衡量韧性的一种方法。破碎试样所需的能量越多,铸件材料就越坚硬。

硬度

硬度是用压痕试验来衡量铸件的抗渗透能力。这是表明铸钢耐磨性和耐磨性的一种性能。硬度测试也可以提供一个简单的,常规的方法来测试生产环境中的抗拉强度指标。硬度标度测试结果通常与抗拉强度性能密切相关。

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