1. Вступ
Кастинг з вуглецевої сталі є фундаментальним виробничим процесом, який передбачає формування розплавленої вуглецевої сталі у потрібні форми, використовуючи форми.
Як один із найбільш широко використовуваних матеріалів в інженерних та промислових додатках, Вуглецева сталь пропонує унікальне поєднання міцності, економічна ефективність, і універсальність.
Від автомобільного до нафти та газу, Компоненти з лиття вуглецевої сталі відіграють вирішальну роль у світовій економіці, Підтримка інфраструктури, мобільність, і техніка.
2. Що таке лиття вуглецевої сталі?
Вуглецева сталь кастинг є точним і економічно ефективним виробничим процесом, в якому Розплавлена вуглецева сталь- сплав прасувати (95–99%) і вуглець (0.05–2,1%), з незначними елементами, такими як марганець, кремнію, сірка, і фосфор—Политься у форму, утворюючи тверді компоненти.
Як тільки метал заповнює порожнину і охолоджує, цвіль видаляється, виробництво a майже сітчаста форма частина, яка тісно відповідає передбачуваній геометрії.
Те, що відрізняє відливання вуглецевої сталі, - це його здатність економічно виробляти складні геометрії - такі як тонкі стіни (до ~ 3 мм), внутрішні канали, або заплутані зовнішні контури - це було б важко, дорогий, або іноді неможливо досягти використання кованих процесів, таких як кування, прокатка, або обробка.
На відміну від кованої сталі, що демонструє спрямований потік зерна від механічної деформації, литна вуглецева сталь, як правило, утворює Ізотропна структура зерна, забезпечення рівномірних механічних властивостей по всій частині.
Чому вуглецева сталь ідеально підходить для лиття
Вуглецева сталь має кілька металургійних рис, які роблять її особливо придатною для лиття:
- Низька температура плавлення: ~ 1,370–1,530 ° C - нижче, ніж багато сплавів, дозволяючи легше плавлення та наливання
- Хороша плинність: Дозволяє металу заповнювати детальні порожнини цвілі
- Стабільна поведінка затвердіння: Мінімізує внутрішні дефекти усадки та покращує розмірну точність
Загальні сплави з вуглецевої сталі для лиття:
| Стандартний | Сорт | Типові програми |
| ASTM A216 | WCB, WCC | Клапани, фланці, і посудини тиску |
| ASTM A352 | LCB, LCC | Низькотемпературні частини тиску |
| З 1.0619 | GS-C25 | Структурні компоненти та машини |
| Він sc42, SC46 | Вуглецева сталь | Автомобільний, насос, і загальна інженерія |
3. Процеси лиття вуглецевої сталі
Вуглецеву сталь можна відливати за допомогою різних методів, Кожна пропонування чітких переваг на основі складності, розмір, толерантність, і вимоги до поверхневої обробки кінцевої частини.
Найпоширеніші процеси лиття для вуглецевої сталі включають пісочний кастинг, інвестиційне кастинг, Кастинг цвілі з оболонки, і Загублений кастинг піни.
Пісочний кастинг
Кастинг піску - це найбільш традиційний і широко використовуваний метод лиття вуглецевої сталі, особливо підходить для великих, важкий, і геометрично прості компоненти.
Він передбачає створення порожнини у ущільненому піску навколо візерунка, в який виливається розплавлений метал.
Завдяки своїй гнучкості, доступність, і короткий час інструментів, Кастинг піску залишається кращим варіантом для прототипування та низького- до виробництва середнього обсягу.
Основні особливості:
- Використовує витратні пісочні форми, утворені навколо візерунків
- Економічно вигідний для низького- до виробництва середнього обсягу
- Підходить для великих та важких деталей
- Допуски: ± 1,5–3 мм (залежно від розміру)
- Поверхнева обробка: Грубіший (Ra ~ 12,5-25 мкм), може зажадати обробки
Типові програми:
Насосні корпуси, Тіла клапана, машинні рами, промислові частини
Інвестиційне кастинг (Кастинг загубленого воску)
Лиття по моделлю це високоточна техніка лиття, яка використовує восковий малюнок, яка покрита керамікою для створення детальної форми.
Як тільки віск розтопиться, Розплавлена вуглецева сталь наливається в порожнину.
Цей метод ідеально підходить для виробництва частин розміру малого та середнього рівня з хитромудрими формами, тонкі стіни, і тонкі деталі, які потребують мінімальної обробки. Він пропонує чудову поверхневу обробку та розмірну точність.
Основні особливості:
- Воскові візерунки покриті керамічною суспензією для формування форм
- Виробляє складні геометрії та тонкі стінки (як худий, як 2–3 мм)
- Допуски: ± 0,1–0,3 мм
- Відмінна обробка поверхні: РА ~ 3,2-6,3 мкм
- Дорожче, ніж кастинг піску, але потрібно менше після обробки
Типові програми:
Автомобільні кронштейни, компоненти турбіни, деталі інструменту, захисне обладнання
Кастинг цвілі з оболонки
Кастинг цвілі з оболонки - це вдосконалена версія кастингу піску, Використання тонкого кремнеземного піску, покритого термореактивною смолою для утворення тонких, жорсткі оболонки цвілі.
Процес забезпечує вдосконалену розмірну точність та обробку поверхні над традиційним литтям піску і особливо ефективно для отримання помірних до високих обсягів частин вуглецевої сталі середнього розміру з більш жорсткими допусками.
Він подолає розрив між кастингом піску та інвестиційним кастингом з точки зору ефективності та витрат.
Основні особливості:
- Хороша розмірна точність та обробка поверхні
- Допуски: ± 0,5–1 мм
- Підходить для виробництва середнього та великого обсягу
- Нижні витрати на обробку через якість майже мережі
Типові програми:
Корпуси передач, компоненти двигуна, точні промислові частини
Загублений кастинг піни
Загублений кастинг піни Використовує візерунки, виготовлені з розширеної піни полістиролу, що випаровується, коли розплавлений метал виливається у форму, формування кінцевої форми без необхідності ядер або ліній розлуки.
Ця методика переважає у виробництві комплексу, консолідовані конструкції з мінімальною обробкою.
Він добре підходить для середньої та великої частини та забезпечує значну свободу дизайну, зменшені вимоги до складання, і хороша розмірна консистенція.
Основні особливості:
- Відмінно підходить для комплексу, консолідовані конструкції
- Усуває потребу в ядрах або лініях розлуки
- Хороший розмірний контроль
- Допуски: ± 0,5–1 мм
- Зменшує потреби складання та зварювання
Типові програми:
Колектори, Структурні кастинги, Автомобільні блоки, частини компресора
Вибір процесів для лиття вуглецевої сталі
Вибір правильного процесу лиття залежить від різних технічних та економічних факторів, включаючи Розмір частини, розмірна толерантність, поверхнева обробка, складність, і обсяг виробництва.
| Критерії | Пісочний кастинг | Інвестиційне кастинг | Кастинг цвілі з оболонки | Загублений кастинг піни |
| Типовий діапазон розмірів деталей | Середній до дуже великого (0.5 кг - >5,000 кг) | Малий та середній (50 G - 50 кг) | Малий та середній (0.5 - 30 кг) | Середній до великого (1 - 1,000 кг) |
| Розмірна точність | Низький до помірного (± 1,5–3 мм на 100 мм) | Високий (± 0,1–0,5 мм на 100 мм) | Помірний до високого (± 0,5–1,0 мм на 100 мм) | Помірний до високого (± 0,5–1,5 мм на 100 мм) |
| Поверхнева обробка (Рак) | 12.5–25 мкм | 3.2–6,3 мкм | 6.3–12,5 мкм | 6.3–12,5 мкм |
| Здатність товщини стіни | ≥5–8 мм (може знадобитися озноб) | ≥2–3 мм (Можливі дуже тонкі особливості) | ≥3–5 мм | ≥3–6 мм |
| Складність проектування | Помірний (обмежена внутрішня деталь) | Дуже високий (Відмінно підходить для складних конструкцій) | Помірний до високого | Високий (консолідовані структури, Не потрібні ядра) |
| Вартість інструментів | Низький (~ 500 - 5000 доларів) | Високий (~ 5000 - 50 000 доларів) | Середній (~ 3000 - 20 000 доларів) | Середній (~ 4000 - 25 000 доларів) |
| Вартість виробництва за частину | Низький при невеликих обсягах | Високий при низьких обсягах, економічно вигідно в масштабі | Середній | Середній |
| Придатність обсягу виробництва | Середній до високого (1–50000 ПК/рік) | Середній до високого (>10000 ПК/рік рекомендується) | Високий (>30000 ПК/рік) | Середній (100–10 000 ПК/рік) |
| Час (Інструментарія + Перша частина) | ~ 2–4 тижні | ~ 4–8 тижнів | ~ 3–6 тижнів | ~ 4–7 тижнів |
| Потрібна обробка після кістки | Високий | Низький до помірного | Низький до помірного | Помірний |
| Урожай матеріалу/відходи | Помірний (Потрібен обертання, стояки) | Низький (точний розмір цвілі, мінімальний надлишок) | Низький до помірного | Низький (цвіль випарюється, Мінімальна втрата металу) |
| Приклади застосування | Коробки передач, Противага, блоки двигуна | Аерокосмічні кронштейни, клапани, Хірургічні інструменти | Насосні корпуси, колектори, Обкладинки передач | Блоки двигуна, частини підвіски, структурні частини |
4. Після кістерів теплової обробки та поверхневої обробки
Як тільки виливки з вуглецевої сталі будуть вилучені з їхніх форм, Вони часто піддаються після відсічення методів лікування Для посилення механічних властивостей, полегшити внутрішні напруги, та покращити характеристики поверхні.
Ці методи лікування є критичними для досягнення бажаного виконання, надійність, і довговічність заключної частини.
Термічна обробка для виливки вуглецевої сталі
Термічна обробка модифікує мікроструктуру лиття для поліпшення міцність, пластичність, міцність, і обробка.
Вибір обробки залежить від вмісту вуглецю та конкретного ступеня сталі.
Поширені методи термічної обробки включають:
| Лікування | Мета | Типовий діапазон температури |
| Відпал | Уточнює структура зерна, звільняє внутрішній стрес, покращує пластичність | 790–900 ° C |
| Нормалізація | Покращує силу та твердість, сприяє рівномірній мікроструктурі | 850–950 ° C |
| Гасіння & Загартовування | Збільшує твердість і міцність на розрив, зберігаючи міцність | Гасіння: 800–870 ° C; Загартовування: 500–700 ° C |
| Зняття стресу | Зменшує залишкові напруги від лиття та обробки | 550–650 ° C |
Примітка: Неправильна термічна обробка може призвести до небажаних фаз (Напр., Мартенсит або перліт -дисбаланс), розтріскування, або розмірна нестабільність.
Отже, Суворий контроль процесу та моніторинг температури є важливими.
Поверхнева обробка для виливки вуглецевої сталі
Поверхневі обробки посилюють зовнішність, Корозійна стійкість, і Носити продуктивність виливки з вуглецевої сталі, особливо в вимогливих умовах.
Типові процеси обробки поверхні включають:
| Метод | Функціонування | Приклади застосування |
| Вибух | Видаляє масштаб, пісок, і оксиди; готує поверхню до покриття | Стандартна підготовка до фарбування, порошкове покриття |
| Марита & Пасивація | Видаляє оксиди поверхні та іржу; покращує резистентність до корозії | Використовується в програмах корозійних послуг |
| Фосфатне покриття | Забезпечує основу для фарбування та покращує резистентність до корозії | Автомобільний, військова техніка |
| Цинкове покриття (Гальванування) | Захищає від корозії за допомогою жертовного покриття | Зовнішнє або морське обладнання |
| Порошкове покриття / Малювання | Посилює зовнішній вигляд, захист від погоди | Сільськогосподарське обладнання, структурні частини |
| Обробка & Шліфування | Досягає розмірних допусків та обробки поверхні | Підшипники, герметичні обличчя |
Інтеграція з контролем якості
Після кісточки часто стежать Неруйнівне тестування (NDT) або розмірні перевірки Для забезпечення обробленої частини відповідає специфікаціям механічної та поверхневої якості.
Такі методи Огляд магнітних частинок (MPI) або Ультразвукове тестування (ЮТ) допомогти виявити приховані тріщини або підземні недоліки, які можуть виникати під час термічної обробки.
Основні переваги після відсічення методів лікування
- Посилений механічні властивості: міцність, міцність, і стійкість до втоми
- Вдосконалений розмірна стабільність і обробка
- Збільшений поверхнева міцність і Корозійна стійкість
- Підготовка до обробки нижче за течією (Напр., зварювання, покриття, складання)
5. Механічні та фізичні властивості лиття вуглецевої сталі
Розуміння механічних та фізичних властивостей лиття вуглецевої сталі є критично важливим для вибору правильного матеріалу та процесу лиття для задоволення функціональних потреб різних промислових застосувань.
| Власність | Низьковуглецевий (0.1–0,25% c) | Середній вуглець (0.3–0,6% c) | Високовуглецевий (0.6–1,0% c, Q&Т) |
| Сила на розрив (MPA) | 350 - 550 | 550 - 850 | 850 - 1,200 |
| Похідна сила (MPA) | 250 - 400 | 400 - 700 | 700 - 1,000 |
| Подовження (%) | 25 - 30 | 15 - 25 | 5 - 15 |
| Твердість (HB) | 150 - 200 | 200 - 300 | 300 - 400 |
| Вплив міцність (J, Charpy v-notch) | 40 - 60 | 20 - 40 | 10 - 30 |
| Щільність (g/cm³) | ~ 7,85 | ~ 7,85 | ~ 7,85 |
| Діапазон плавлення (° C) | 1,420 - 1,530 | 1,370 - 1,480 | 1,370 - 1,480 |
| Теплопровідність (З/м · k) | 50 - 60 | 45 - 55 | 45 - 50 |
| Коефіцієнт теплового розширення (× 10⁻⁶ /° C) | 11 - 13 | 11 - 13 | 11 - 13 |
Обробка та зварюваність
- Обробка: Низьковуглецева сталь (Індекс обробки 80–100 проти. 100 для 1215 сталь); високовуглецева сталь (40–60) Через твердість.
- Зварюваність: Низьковуглецева сталь (відмінний, Не потрібно попереднього нагрівання); середній вуглець (вимагає попереднього нагрівання 200–300 ° C); високовуглецевий (бідний, схильний до розтріскування).
Нагрівати та зношуватися
- Теплостійкість: Швидкість окислення <0.1 мм/рік до 400 ° C; Швидке окислення вище 500 ° C (Обмеження використання у додатках з високим нагріванням).
- Опір зносу: Високий вуглець Q&Т (350 HB) має 2 × кращу стійкість до абразивного зносу, ніж пластичне залізо (250 HB).
6. Застосування виливки з вуглецевої сталі
Вуглецеві сталь широко використовуються в різних галузях промисловості завдяки їх універсальність, міцність, і економічна ефективність.
Їх здатність бути кинутим у складні форми, зберігаючи чудові механічні властивості, робить їх ідеальними для критичних компонентів у важких та структурних додатках.
Автомобільний та транспорт
- Компоненти двигуна: колінчасті вали, розподільні вали, головки циліндрів, і з'єднання стрижнів, користь від високої сили на розрив та стійкості до втоми.
- Деталі передачі: шестерні, корпус, і вали, які потребують стійкості до зносу та розмірної точності.
- Компоненти шасі: дужки та деталі підвіски, де міцність і міцність є важливими.
Будівництво та інфраструктура
- Структурні елементи: кадр, підтримує, та роз'єми, що використовуються в будівлях та мостах.
- Важкі деталі машини: відра екскаватора, компоненти крана, і руки навантажувача, що потребують високого ударного опору.
- Кріплення та фурнітура: довговічний, високоміцні компоненти для складання великих конструкцій.
Нафта & Газ і нафтохімічний
- Клапани та насосні корпуси: компоненти, що піддаються високому тиску та зносу.
- Трубопроводи та фланці: Сила та обробка вуглецевої сталі дозволяють забезпечити надійну ущільнювач та з'єднання.
- Бурове обладнання: міцні деталі, призначені для екстремальних середовищ.
Сільськогосподарське та гірниче обладнання
- Ораки, леза, і обладнання ґрунту: Носисткі деталі для залучення ґрунту.
- Компоненти гірничих машин: дробарка, деталі конвеєра, і житлові одиниці, які потребують стійкості та стирання.
- Деталі трактора та важкого обладнання: Рамки та компоненти двигуна, що піддаються великому навантаженню.
Морська та промислова техніка
- Вали гвинта та корпуси: Втрата виливки з вуглецевої сталі, що використовуються, де потрібні міцність та помірна корозійна стійкість.
- Насос і компресорні деталі: Кастинги, що пропонують довговічність під безперервною експлуатацією.
- Промислові клапани та фурнітура: необхідні для систем управління рідиною у виробничих установах.
7. Переваги використання виливки з вуглецевої сталі
Вуглецеві сталь широко сприяють виробництву завдяки унікальній комбінації механічних показників, Ефективність витрат, і універсальність.
Економічна ефективність
Кастинки з вуглецевої сталі забезпечують економічне рішення завдяки доступній сировині та ефективному кастингу майже мережі, Зменшення обробки та відходів.
Високе співвідношення сили до ваги
Вони пропонують відмінну міцність на розрив і міцність, Постійні довговічні деталі, здатні витримувати великі навантаження без надмірної ваги.
Гнучкість дизайну
Процес лиття дозволяє складні форми, тонкі стіни, та внутрішні особливості, які важко досягти за допомогою інших методів виготовлення.
Відмінна обробка та зварюваність
Більшість виливків з вуглецевої сталі прості в машині і можуть бути надійно зварені, полегшення операцій та ремонту після кістерів.
Переробка
Вуглецева сталь підлягає вторинній переробці, Підтримка стійкого виробництва з мінімальними втратами якості після переробки.
Термостійкість
Вуглецеві сталь забезпечують хорошу стійкість до зносу та теплопровідність, підходить для компонентів, що піддаються стирання та помірного тепла.
8. Обмеження лиття вуглецевої сталі
- Чутливість до корозії: Вуглецева сталь не покривається на рівні 0,1–0,3 мм/рік у прісній воді, 0.3–0,5 мм/рік у морській воді - покриття для суворого середовища для суворого середовища.
- Поверхнева обробка та післяобробка: Заклишена поверхнева обробка (РА 12,5–25 мкм для лиття піску) часто потрібна обробка (вартість +10–20%) Для герметичних поверхонь.
- Розмірні допуски: Ширше, ніж виливки з нержавіючої сталі або пластичних залізних оболонок; Частини з піском потребують ± 0,5 мм проти. ± 0,2 мм для пластичного заліза. Може знадобитися додаткова обробка для точних додатків
9. Виклики та контроль якості лиття вуглецевої сталі
Кастинг з вуглецевої сталі стикається з унікальними проблемами, розглянуто за допомогою суворого управління процесом:
- Усадка та пористість: Розплавлена сталь скорочується на 3–5% під час затвердіння, Ризикуючи порожнинами.
Пом'якшений дизайном Riser (10–15% обсягу частини) і вакуумний дегаз (зменшення водню до <0.003 CM³/100g). - Окислення та включення: Кисень реагує із залізом, утворюючи оксиди, ослаблення кастингу.
Рішення включають екранування інертного газу (аргон) під час наливання та вдосконалення ковшків для видалення включення. - Розтріскування: Тепловий стрес від нерівномірного охолодження викликає гарячі сльози.
Контрольовані швидкості охолодження (5–10 ° C/хв) і цвілі покриття (графітова на основі графіту) зменшити стрес, забезпечення <0.1% Швидкість дефектів у виробництві з великим обсягом.
10. Порівняння з іншими кастинними матеріалами
| Означати | Кастинг з вуглецевої сталі | Кастинг з легкої сталі | Кастинг з нержавіючої сталі | Пластичне залізо Кастинг |
| Типовий вміст вуглецю | 0.1% - 1.0% | 0.1% - 1.0% + Легальні елементи (Cr, У, Mo, V) | ≤ 0.1% з високою КР (10.5%–30%) | 3.0% - 4.0% вуглець, плюс мг для вузла |
| Сила на розрив (MPA) | 350 - 1,200 | 500 - 1,500 | 400 - 1,200 | 400 - 900 |
| Похідна сила (MPA) | 250 - 900 | 350 - 1,200 | 250 - 1,000 | 250 - 700 |
| Подовження (%) | 5 - 30 | 4 - 20 | 20 - 40 | 10 - 25 |
| Твердість (HB) | 120 - 300 | 200 - 400 | 150 - 300 | 180 - 280 |
| Точка плавлення (° C) | 1,370 - 1,530 | 1,370 - 1,600 | 1,400 - 1,530 | 1,150 - 1,400 |
| Корозійна стійкість | Низький, Потрібні покриття або лікування | Помірний, залежить від сплаву | Високий, Через вміст хрому | Помірний, схильний до іржі без захисту |
| Опір зносу | Помірний, вдосконалено за допомогою термічної обробки | Високий, Особливо з доповненнями сплавів | Помірний | Дуже високий, Відмінна стійкість до стирання |
| Обробка | Добрий, Легко в машині та зварювання | Помірний до низького, залежить від вмісту сплаву | Помірний до важкого через твердість | Добрий, простіше, ніж багато сталей |
| Щільність (g/cm³) | ~ 7,85 | ~ 7,75 - 8.05 | ~ 7,7 - 8.0 | ~ 7.1 - 7.3 |
| Типові програми | Автомобільні деталі, будівельна техніка, трубопроводи | Аерокосмічні компоненти, Важка машина | Медичні пристрої, переробка харчових продуктів, хімічне обладнання | Труби, Автомобільні компоненти, Сільськогосподарська техніка |
11. Висновок
Кастинг з вуглецевої сталі залишається наріжним каменем промислового виробництва, Пропонуючи неперевершену універсальність, механічні показники, та економічна цінність.
З широким спектром оцінок, Методи лиття, та варіанти післяобробки, Він може бути розроблений для задоволення різноманітних інженерних вимог майже у кожній великій галузі.
Оскільки такі технології, як 3D -друковані візерунки та розширене моделювання, продовжують розвиватися, Очікується, що точність та ефективність лиття вуглецевої сталі покращиться, Підсилюючи свою роль у виробництві нового покоління.
Поширені запитання
Як порівнюється лиття вуглецевої сталі з пластичним литтям заліза?
Вуглецева сталь пропонує більш високу міцність на розрив (600–1200 МПа проти. 400–800 МПа для пластичного заліза) але на 20–30% дорожче.
Пластичне залізо перевершує резистентність до корозії з покриттями, в той час як вуглецева сталь потребує більшого захисту в суворих умовах.
Чи можна зварювати виливки з вуглецевої сталі?
Так. Низьковуглецева сталь (≤0,25% c) зварні шви легко з мінімальним попереднім нагріванням.
Середні/високовуглецеві оцінки потребують попереднього нагрівання (200–300 ° C) щоб запобігти розтріскуванню, з післяопредною термічною обробкою для зняття стресу.
Яка максимальна температура обслуговування для лиття вуглецевої сталі?
Стіл середнього вуглецю зберігається 80% міцності на кімнату температури при 500 ° C.
Вище 600 ° C, Окислення та зростання зерна знижують продуктивність, обмежуючи використання для нижчих температурних застосувань, ніж нержавіюча сталь.
Як перевіряють виливки з вуглецевої сталі на наявність якості?
Неруйнівне тестування (ультразвуковий, рентгенографічний) виявляє внутрішні дефекти; Тестування на розтяг забезпечує міцність стандартів (Напр., ASTM A216); та металографічний аналіз перевіряє структуру зерна та вміст включення.
Який типовий час виконання виливки вуглецевої сталі?
Пісочний кастинг: 2–4 тижні (інструментарія + виробництво). Лиття по моделлю: 4–8 тижнів (Більш довгий інструмент для воску).
Виробництво (10,000+ частини) скорочує час відведення до 1–2 тижнів.
Яка різниця між WCB та вуглецевою сталь LCC?
WCB (ASTM A216) є середньовуглецевим (0.25–0,35% c) для високотемпературної послуги; LCC (ASTM A352) є низьковуглецем (≤0,15% c) для низької температури (-46° C) заявки, з кращою міцністю.
