1. 介绍
合金钢铸件提供了独特的组合: 近网的几何自由 铸造 量身定制的机械性能 通过合金设计和热处理.
复杂形状的地方, 内部段落, 并需要零件合并以及强度, 韧性和温度或耐腐蚀性, 合金钢铸件通常是最经济，最合理的选择.
典型的高价值用户包括能量, 油 & 气体, 重型设备, 发电, 阀 & 泵, 和采矿.
2. 什么是合金钢铸件?
合金钢 铸件 是通过倒入熔融生产近网状零件的过程 合金 steel, 允许它固化, 然后清洁, 进行热处理并完成固化组件，使其符合所需的机械和化学特性.
与普通的碳钢铸件相反, 合金 钢制铸件有意添加合金元素 (Cr, 莫, 在, v, ETC。) 这使零件增强了可耐用性, 力量, 韧性, 佩戴阻力或温度升高的能力.
核心特征
- 物质基础: 铁碳基质 (钢) 由一个或多个合金元素修改.
- 制造路线: 典型的铸造序列 - 融化 (感应/EAF), 脱氧/degass, 倒入沙子/外壳/投资模具中, 固化, fettle/干净, 然后加热, 机器和测试.
- 属性调整: 最终的机械性能是通过化学成分的组合实现的, 凝固 (截面尺寸和冷却速率) 和铸造热处理 (归一化, 淬火 & 脾气, 压力浮雕).
为什么使用合金 (它改变了什么)
合金元素以受控量添加到裁缝性能:
| 元素 | 典型效果 |
| 铬 (Cr) | 提高可硬度, 拉伸强度和氧化/抗缩放性. |
| 钼 (莫) | 提高高温强度, 蠕变抗性和稳定. |
| 镍 (在) | 改善韧性, 低温冲击电阻和耐腐蚀性. |
| 钒, 的, NB | 形成碳化物/硝酸盐，可改善谷物并提高强度/疲劳寿命. |
| 锰 (Mn) | 提高可硬度和脱氧化; 在某些情况下，过多的MN可以扎根. |
| 硅 (和) | 脱氧剂和铁氧体增强剂. |
(范围取决于等级 - 例如, CR通常为0.5–3 wt％, MON 0.1–1.0 wt％, Ni 0.5–4 wt％在许多常见的铸造合金钢中; 这些都是说明性的, 不规格限制。)
3. 合金钢的铸造过程和铸造实践
合金钢铸造是一系列精确控制的操作, 从融化化学到最终检查的每个阶段 - 确定组件的性能, 可靠性, 和服务寿命.
以下是关键步骤和铸造最佳实践的细分.
3.1 熔融和合金 - 冶金基础
生产始于融化高质量的电荷材料 电弧炉 (EAF), 无芯感应炉, 或用于超干净的钢, 真空感应熔化 (vim).
合金钢的典型熔体温度从 1,490–1,600°C (2,714–2,912°F), 确保完全解散合金元素.
化学精度 至关重要. 使用 光学发射光谱 (OES), 铸造厂验证元素范围为±0.01–0.02％精度. 例如, 一个 42CRMO4 (AISI 4140) 铸造必须落在:
- c: 0.38–0.45％
- Cr: 0.90–1.20％
- 莫: 0.15–0.25％
脱气 对于结构完整性不可协调. 惰性气清 (氩气) 或真空脱气可减少溶解的气体，尤其是氢和氧气，可能导致孔隙率.
即使是微孔子也可以 将疲劳强度降低25–30％, 使脱气至关重要，对于高应力零件，例如涡轮转子或压力容器喷嘴.
3.2 模具设计和准备 - 定义形状和准确性
霉菌不仅定义几何形状，还可以控制凝固速率, 直接影响微观结构.
通用模具系统:
- 绿沙模: 经济, 适合大型铸件 (例如。, 泵外壳, 齿轮壳体). 公差: ±0.5–1.0毫米 / 100 毫米. 表面饰面: RA 6–12μm.
- 树脂键的沙子 (无烤): 较高的维度稳定性, 中等复合工业组件的理想.
- 熔模铸造 (陶瓷壳): 最适合复杂形状和紧密的公差 (±0.1 mm); 表面饰面至 RA1.6-3.2μm.
- 永久模具 & 离心铸件: 铸铁或H13钢, 为汽车和大批量应用提供高可重复性, 虽然由于霉菌提取限制而导致的几何形状有限.
开心制造: 冷盒, 热箱, 或3D打印的沙芯用于内部空腔.
3d打印的核心启用 传统工具无法实现几何形状, 减少交货时间, 并提高铸造产量.
3.3 倾泻和固化 - 管理冶金质量
熔融钢以预热的载体转移，并通过重力或辅助方法倒入模具中 (真空或低压倒) 用于复杂的零件.
固化控制:
- 薄部分 (<5 毫米): 需要快速冷却 (50–100°C/min) 生产细晶粒, 提高拉伸力量和影响韧性.
- 厚的部分 (>100 毫米): 需要慢, 均匀冷却 (5–10°C/min) 避免中心线收缩腔.
喂食和提醒 跟随 方向固化 原则. 立管固化 25慢–50％ 比相邻的铸造部分, 确保液体进料金属到达关键区域.
放热袖子 和 发冷 部署以操纵凝固模式.
仿真软件 (例如。, 岩浆, 校流) 是现代铸造厂的标准.
通过预测热点和湍流, 模拟可以从中降低废料费率 15–20％至下方 5% 在高规格项目中.
4. 铸造后处理
铸造后操作对于将AS铸造合金钢组件转换为成品至关重要, 符合严格维度的功能齐全的部分, 机械的, 和表面质量要求.
这个阶段解决了残余应力, 微结构优化, 表面饰面增强, 和消除缺陷.
热处理
热处理 是合金钢组件的最具影响力的后铸造步骤之一.
受控的热循环完善谷物结构, 缓解内部压力, 并实现力量的目标平衡, 延性, 和韧性.
- 标准化
-
- 温度: 850–950°C
- 目的: 优化在模具中缓慢冷却过程中形成的粗粒, 提高可加工性和机械一致性.
- 冷却: 空气冷却以避免过度硬度.
- 淬火和回火 (问&t)
-
- Quench Media: 水, 油, 或聚合物溶液.
- 回火范围: 500–650°C, 调整以平衡硬度和韧性.
- 例子: AISI 4340 合金钢铸件可以达到 1,300–1,400 MPa拉伸强度 Q之后&t.
- 缓解压力
-
- 执行 550–650°C 减轻固化和加工而没有显着改变硬度的残留应力.
- 对于大的必不可少的, 复杂的铸件 (例如。, 涡轮机壳) 防止服务期间失真.
表面清洁和整理
去除表面污染物, 规模, 多余的材料对于准备铸件以进行检查和涂层至关重要.
- 射击 / 砂砾爆破: 高速钢射击或磨碎的砂砾清除沙子, 陶瓷外壳残留物, 和比例, 达到均匀的表面.
- 腌制: 固执的氧化物层的基于酸的清洁, 特别是在不锈钢或高合金钢中.
- 研磨和填充: 拆除大门, 立管, 使用角磨或皮带砂光机闪光.
精密加工
加工将一般形状转换为完全适合其组装的组件.
- 数控加工: 公差像 ±0.01 mm 用于航空级组件.
- 工具: 碳化物或陶瓷工具管理硬度的硬度 25–35 HRC (退火状态) 并最小化工具磨损.
- 关键表面: 轴承孔, 密封面, 螺纹特征通常需要高精度和表面表面≤RA 1.6 μm.
非破坏性测试 (NDT) - 确保诚信而没有损害
NDT确保在组件进入服务之前检测到内部和表面缺陷.
- 超声测试 (UT): 识别内部缺陷，例如收缩腔, 包含, 或裂缝.
- 磁性粒子检查 (公吨): 在铁磁钢中检测到爆破表面的裂纹和近地表裂纹.
- 影像学测试 (RT): 提供完整的内部图像以识别孔隙度和收缩.
- 染料渗透剂测试 (pt): 揭示精细的表面裂缝, 特别是在非磁性合金钢中.
涂料和腐蚀保护
延长服务寿命, 特别是在侵略性环境中, 使用防护涂层.
- 绘画: 用于工业组件的环氧树脂或聚氨酯涂料.
- 热浸镀锌: 在室外结构中耐腐蚀性的锌涂层.
- 热喷涂涂料: 碳化钨或陶瓷层，可耐磨和耐侵蚀性.
5. 关键合金等级及其机械性能
| 合金等级 (ASTM / 我们) | 典型的组成 (%) | 抗拉强度 (MPA) | 屈服强度 (MPA) | 伸长 (%) | 硬度 (HRC) |
| ASTM A216 WCB(碳 / C-MN钢) | c: 0.25 最大限度, Mn: 0.60–1.00 | 485–655 | 250–415 | 22–30 | 125–180 hb (〜10–19 HRC) |
| AISI 4130 (美国G41300) | c: 0.28–0.33, Cr: 0.80–1.10, 莫: 0.15–0.25 | 655–950 | 415–655 | 18–25 | 22–35 |
| AISI 4140 (美国G41400) | c: 0.38–0.43, Cr: 0.80–1.10, 莫: 0.15–0.25 | 850–1,100 | 655–850 | 14–20 | 28–40 |
| AISI 4340 (美国G43400) | c: 0.38–0.43, 在: 1.65–2.00, Cr: 0.70–0.90, 莫: 0.20–0.30 | 1,100–1,400 | 850–1,200 | 10–16 | 35–50 |
| AISI 8620 (UNS G86200) | c: 0.18–0.23, 在: 0.70–0.90, Cr: 0.40–0.60, 莫: 0.15–0.25 | 620–900 | 415–655 | 20–30 | 20–35 |
| ASTM A148 gr. 105-85 | c: 0.30–0.50, Mn: 0.50–0.90, Cr & MO可选 | 725 最小 | 585 最小 | 14 最小 | 20–28 |
| ASTM A743 CA6NM(马氏体不锈钢) | c: ≤0.06, Cr: 11.5–14.0, 在: 3.5–4.5 | 655–795 | 450–655 | 15–20 | 20–28 |
| ASTM A743 CF8 / CF8M(奥氏体不锈钢) | c: ≤0.08, Cr: 18–21, 在: 8–11 (CF8) / 莫: 2–3 (CF8M) | 485–620 | 205–275 | 30–40 | ≤ 20 |
| ASTM A890 4A级 / 6一个(双工 / 超级助长) | c: ≤0.03, Cr: 22–25, 在: 5–7, 莫: 3–4, n: 0.14–0.30 | 620–850 | 450–550 | 18–25 | 25–32 |
笔记: 机械性能值反映了标准热处理后的典型范围; 实际性能可能随截面厚度而变化, 铸造过程, 和完成步骤.
6. 常见缺陷, 根本原因和缓解策略
| 缺点 | 根本原因 | 减轻 |
| 收缩孔隙度 | 喂养不足, 较差的立管放置 | 方向固化, 更大的立管, 发冷 |
| 气孔隙度 | 氢或氧气拾取, 湿沙, 脱氧不足 | 真空脱气, 氩气搅拌, 改善霉菌干燥 |
| 包含 | 矿渣, 再氧化, 熔融清洁不佳 | 适当的炉渣做法, 钢包掠夺, 通量 |
| 热眼泪 / 裂缝 | 收缩约束, 霉菌强度差 | 重新设计几何形状, 使用更多的延性合金或霉菌材料 |
| 冷关 | 低倒温临时, 门控不足 | 提高倾倒温度, 改善门控设计 |
| 隔离 / 乐队 | 缓慢冷却, 大部分 | 修改合金化学, 热处理, 部分设计 |
7. 合金钢铸造的优势
尺寸和重量范围
可扩展的铸造工艺允许从重量几克的小精度组件中生产合金钢铸件, 用于医疗器械和航空航天配件,
大量零件超过 50 吨, 例如水力发电涡轮运动员和重工机械.
机械性能
合金钢铁铸件提供优异的强度, 韧性, 与标准碳钢相比，耐磨性. 高强度等级如AISI 4340 可以达到上面的拉伸强度 1,400 MPA,
同时保持良好的延展性和影响抗性, 在苛刻的负载和恶劣的服务条件下实现可靠的性能.
设计灵活性
铸造过程允许复杂的几何形状和复杂的内部段落，而单独使用锻造或加工很难或不可能产生.
这种灵活性支持近网形制造, 减少对次级加工和组装的需求.
材料和财产定制
通过控制合金和热处理, 可以量身定制铸件以满足特定要求，例如耐腐蚀性, 硬度, 或可加工性.
例如, 双链不锈钢铸件平衡高强度，对氯化物诱导的腐蚀具有极高的抗性.
成本效率
合金钢铸件通常比中等到大批量的替代制造方法更经济.
产生近网状零件的能力可减少加工浪费 30%, 而与锻造相比，工具成本较低，使其对复杂的成本有吸引力, 风俗, 或更换组件.
增强的服务寿命
特种合金钢和高级热处理通过改善疲劳耐药性并降低磨损和腐蚀的敏感性，从而延长了铸件的寿命.
这对于在石油等环境中运行的零件至关重要 & 气体, 发电, 和化学处理.
全球标准和可靠性
合金钢铸件是根据公认的标准制造的 (ASTM, 在, ISO), 确保一致的质量, 互换性, 以及在国际市场上可靠的供应链.
8. 合金钢铸件的应用
发电
涡轮转子, 刀片, 肠衣
石油和天然气
阀体, 泵外壳, 压缩机组件
汽车和重型机械
齿轮, 曲轴, 悬架组件
航空航天和防御
起落架零件, 发动机安装座, 结构支架
化学和石化
泵, 阀, 反应堆
采矿和土壤
破碎机零件, 穿盘子, 传送带组件
海洋和海上
泵外壳, 阀体, 螺旋桨组件
9. 经济学, 采购和生命周期考虑
成本驱动器:
合金元素成本 (在, 莫, V可以主导材料成本), 铸造复杂性 (投资铸造与沙子铸造), 热处理, 并需要NDT/检查.
采购策略:
对于复杂的低到中等运行, 铸造通常比锻造便宜; 对于很大的简单零件, 锻造可能是竞争的.
长期供应商关系, 同意的检查门 (熔化, 倒, HT, 最终的) 并样本第一章批准降低了风险.
生命周期:
通过适当的热处理减少维护和停机时间的更高质量的铸件; 钢的废料和回收是成熟的，并在正确管理时会减少净环境影响.
10. 新兴趋势和技术
- 混合制造: 3D打印的沙子或蜡模式减少了工具的交付时间，并启用设计迭代而无需昂贵的图案工具.
- 增材制造 (是): 直接金属AM补充小型, 复杂的, 高价值零件, 印刷模具/核心加速铸造开发.
- 数字铸造厂: 传感器炉, 数字融化食谱, 和完整的可追溯性 (数字热记录) 提高质量和可调性.
- 模拟: 凝固, 收缩和流量模拟减少了开发周期和废料.
- 高级融化实践: 真空处理, 氩气搅拌并改善脱氧孔隙率和夹杂物.
11. 与其他制造方法进行比较
| 方面 | 合金钢铸造 | 合金钢锻造 | 加工 (从固体) | 增材制造 (是) |
| 几何的复杂性 | 高 - 能够复杂的内部通道和复杂形状 | 中等 - 受模具设计的限制, 首选简单的形状 | 中等 - 受工具访问和设置的限制 | 很高 - 几乎无限的设计自由 |
| 机械性能 | 好 - 取决于合金和热处理; 潜在的孔隙度 | 优秀 - 优质的谷物结构, 力量, 和韧性 | 优秀 - 一致, 取决于基本材料 | 可变 - 改进, 可能需要后处理 |
| 维度的准确性 | 中等 - 通常需要加工以保持紧密的公差 | 高 - 比铸造更好, 少于加工 | 很高 - 最佳表面表面和精度 | 温和 - 通过技术改进 |
| 物质利用 | 高 - 近网状形状最大程度地减少废物 | 高 - 很少浪费 | 低 - 大量废物 (筹码) | 很高 - 最小废物 |
| 生产量 | 适用于低到非常高的体积 | 最适合中度至高量 | 更适合低容量和原型 | 最适合低容量和复杂零件 |
成本效率 |
对复杂或大零件的成本效益 | 更高的工具成本，但对于大型运行效率 | 高材料和加工成本 | 高设备和材料成本 |
| 交货时间 | 中等 - 制造和铸造周期 | 由于锻造死亡而延长 | 简单零件的缩写; 较长的复合物 | 长 - 建立时间可能很慢 |
| 表面处理 | 温和 - 通常需要加工 | 好 - 比铸造更好 | 优秀 - 在所有方法中最好 | 中等 - 取决于过程和治疗后 |
| 设计灵活性 | 高 - 更容易修改霉菌设计 | 有限 - 昂贵的变化 | 很高 - CAD级别的简单更改 | 很高 - 直接来自数字模型 |
| 尺寸范围 | 非常宽 - 从克到多吨 | 宽 - 但受新闻尺寸的限制 | 宽 - 受加工工具的限制 | 有限 - 目前小到中零件 |
| 环境影响 | 中等 - 能量密集型, 但是低废料 | 中等 - 能量密集型, 但是低废料 | 较低 - 高废物废物 | 潜在降低废物但能源密集型 |
12. 结论
合金钢铸件是一条成熟而不断发展的制造路线 设计自由 和 冶金裁缝.
冶金时, 门控/提升, 热处理和检查被控制为系统, 铸造合金钢交付经济, 苛刻的工业服务组件强大的组件.
新兴的数字和添加剂技术减少了交货时间和废品，同时提高可追溯性 - 但铸造学科 (融化练习, 进食, NDT) 仍然是性能和可靠性的决定性因素.
常见问题解答
合金钢铸件与锻造合金钢有何不同?
通过将熔融金属倒入模具中，合金钢铸造成分, 启用复杂形状.
锻造合金钢是通过滚动或锻造形状的, 这限制了几何形状，但可以在特定方向上增强强度.
合金钢铸件的最大尺寸是多少?
大型铸件, 例如风力涡轮枢纽, 可以超过 5 直径和 50 重量吨, 使用带有树脂键模的沙子铸造产生.
是合金钢铸件可焊接?
是的, 但是焊接需要预热 (200高合金等级的–300°C) 防止氢引起的破裂, 然后进行焊后热处理以减轻压力.
合金钢铸件持续使用多长时间?
在中等环境中 (例如。, 汽车零部件), 服务寿命超过10 - 15年. 在受控条件下 (例如。, 航天), 进行适当的维护, 他们可以持续20-30年.
