1. 介绍
碳钢铸造 是一个基本的制造过程，涉及将熔融碳钢塑造成所需的形式.
作为工程和工业应用中最广泛使用的材料之一, 碳钢提供了独特的强度组合, 成本效益, 和多功能性.
从汽车到石油和天然气, 铸碳钢组件在全球经济中起关键作用, 支持基础架构, 机动性, 和机械.
2. 什么是碳钢铸造?
碳钢 铸件 是一个精确且具有成本效益的制造过程 熔融碳钢 - 一种合金 铁 (95–99％) 和 碳 (0.05–2.1％), 带有小元素，例如 锰, 硅, 硫, 和 磷 - 倒入模具中以形成固体组件.
一旦金属填充腔并冷却, 模具被删除, 产生 近网状 与预期几何相匹配的部分.
设定碳钢铸造的是什么是其经济产生复杂几何形状的能力，例如薄壁 (降至〜3毫米), 内部频道, 或复杂的外部轮廓 - 这将很困难, 昂贵的, 或有时无法使用诸如锻造之类的锻过程实现, 滚动, 或加工.
与锻炼不同, 它表现出机械变形的定向晶粒流, 铸碳钢通常形成 各向同性晶粒结构, 在整个部分提供均匀的机械性能.
为什么碳钢是铸造的理想选择
碳钢具有多种冶金特征，使其特别适合铸造:
- 低熔点: 〜1,370–1,530°C - 低于许多合金钢, 允许更轻松的熔化和倒入
- 良好的流动性: 使金属填充详细的霉菌腔
- 稳定的固化行为: 最大程度地减少内部收缩缺陷并提高尺寸精度
常见的碳钢合金用于铸造:
| 标准 | 年级 | 典型的应用 |
| ASTM A216 | WCB, WCC | 阀, 法兰, 和压力容器 |
| ASTM A352 | LCB, LCC | 低温压力零件 |
| 从 1.0619 | GS-C25 | 结构组件和机械 |
| 他SC42, SC46 | 碳钢 | 汽车, 泵, 和通用工程 |
3. 碳钢铸造工艺
可以使用各种方法铸造碳钢, 每个提供基于复杂性的不同优势, 尺寸, 宽容, 和最后一部分的表面完成要求.
碳钢最常用的铸造过程包括 沙子铸造, 投资铸造, 壳模, 和 丢失的泡沫铸件.
沙子铸造
砂铸造是铸造碳钢的最传统和广泛使用的方法, 特别适合大型, 重的, 和几何简单的组件.
它涉及在图案周围用压实的沙子创建一个空腔, 倒入哪个熔融金属.
由于其灵活性, 负担能力, 和短工具交货时间, 砂铸仍然是原型制作和低的首选选择- 进行中体积生产.
关键功能:
- 使用围绕图案形成的可消耗性沙子
- 低成本效益- 进行中体积生产
- 适用于大型和重型零件
- 公差: ±1.5–3 mm (取决于尺寸)
- 表面饰面: 更粗糙 (RA〜12.5-25μm), 可能需要加工
典型的应用:
泵外壳, 阀体, 机器框架, 工业部件
熔模铸造 (迷失的蜡像)
熔模铸造 是一种使用蜡模式的高精度铸造技术, 涂有陶瓷以创建详细的模具.
一旦蜡被融化, 将熔融碳钢倒入腔.
此方法是生产具有复杂形状的小型至中等大小的零件的理想选择, 薄壁, 以及需要最少加工的细节. 它提供了出色的表面饰面和尺寸精度.
关键功能:
- 蜡图涂在陶瓷浆中以形成模具
- 产生复杂的几何形状和薄壁 (薄到2–3毫米)
- 公差: ±0.1-0.3毫米
- 出色的表面饰面: RA〜3.2-6.3μm
- 比铸造更昂贵，但所需的后加工更少
典型的应用:
汽车支架, 涡轮组件, 工具部件, 国防硬件
壳模
壳模 是沙子铸造的精致版本, 使用涂有热固性树脂的细二氧化硅砂形成薄, 刚性模具壳.
该过程为传统的沙子铸造提供了提高的尺寸准确性和表面表面，并且特别有效地生产了中等至高量的中型碳钢零件，具有更紧密的公差.
它在绩效和成本方面弥合了沙子铸造与投资铸造之间的差距.
关键功能:
- 良好的维度准确性和表面饰面
- 公差: ±0.5–1 mm
- 适用于中等至高量生产
- 由于近网的质量，降低加工成本
典型的应用:
齿轮外壳, 发动机组件, 精密工业部件
消失模铸造
丢失的泡沫铸件 使用由扩展的聚苯乙烯泡沫制成的图案, 当将熔融金属倒入模具中时蒸发, 形成最终形状而无需核心或分开线.
该技术在生产复合物方面表现出色, 合并设计的加工最小.
它非常适合大型零件，并提供了重要的设计自由, 减少组装要求, 和良好的维度一致性.
关键功能:
- 非常适合复杂, 合并设计
- 消除了对核心或分开线的需求
- 良好的维度控制
- 公差: ±0.5–1 mm
- 减少组装和焊接需求
典型的应用:
歧管, 结构铸件, 汽车块, 压缩机零件
碳钢铸造的过程选择注意事项
选择正确的铸造过程取决于多种技术和经济因素, 包括 零件大小, 尺寸公差, 表面饰面, 复杂, 和 生产量.
| 标准 | 沙子铸造 | 熔模铸造 | 壳模 | 消失模铸造 |
| 典型零件尺寸范围 | 中 (0.5 公斤 - >5,000 公斤) | 小到中等 (50 G - 50 公斤) | 小到中等 (0.5 - 30 公斤) | 中等到大 (1 - 1,000 公斤) |
| 维度的准确性 | 低至中等 (±1.5–3毫米 / 100 毫米) | 高的 (±0.1-0.5毫米 / 100 毫米) | 中度至高 (±0.5–1.0毫米 / 100 毫米) | 中度至高 (±0.5–1.5毫米 / 100 毫米) |
| 表面处理 (RA) | 12.5–25 µm | 3.2–6.3 µm | 6.3–12.5 µm | 6.3–12.5 µm |
| 壁厚能力 | ≥5–8毫米 (可能需要发冷) | ≥2–3毫米 (非常薄的功能) | ≥3–5毫米 | ≥3–6毫米 |
| 设计复杂性 | 一般 (有限的内部细节) | 很高 (非常适合复杂的设计) | 中度至高 | 高的 (合并结构, 不需要核心) |
| 工具成本 | 低的 (〜$ 500– $ 5,000) | 高的 (〜$ 5,000– $ 50,000) | 中等的 (〜$ 3,000– $ 20,000) | 中等的 (〜$ 4,000– $ 25,000) |
| 每零件的生产成本 | 低卷 | 低体积, 成本效益的规模 | 中等的 | 中等的 |
| 生产量适用性 | 中至高 (1–50000 PC/年) | 中至高 (>10000 推荐PC/年) | 高的 (>30000 PC/年) | 中等的 (100–10,000 PC/年) |
| 交货时间 (工具 + 第一部分) | 〜2–4周 | 〜4–8周 | 〜3–6周 | 〜4–7周 |
| 施工后的加工需求 | 高的 | 低至中等 | 低至中等 | 一般 |
| 物质产量/浪费 | 一般 (需要门控, 立管) | 低的 (精密霉菌尺寸, 最小的过量) | 低至中等 | 低的 (霉菌蒸发, 最小金属损失) |
| 申请示例 | 变速箱, 配重, 发动机块 | 航空托架, 阀, 手术工具 | 泵外壳, 歧管, 齿轮盖 | 发动机块, 悬架零件, 结构部件 |
4. 铸造后热处理和表面处理
一旦从模具中取出碳钢铸件, 他们经常经历 后施工治疗 增强机械性能, 缓解内部压力, 并改善表面特征.
这些治疗对于实现所需的 表现, 可靠性, 和长寿 最后一部分.
碳钢铸件的热处理
热处理可修改铸件的微观结构以改进 力量, 延性, 韧性, 和 可加工性.
治疗的选择取决于碳含量和钢的特定等级.
常见的热处理方法包括:
| 治疗 | 目的 | 典型的温度范围 |
| 退火 | 完善谷物结构, 缓解内部压力, 改善延展性 | 790–900°C |
| 标准化 | 提高力量和硬度, 促进统一的微观结构 | 850–950°C |
| 淬火 & 回火 | 增加硬度和拉伸力量，同时保持韧性 | 淬火: 800–870°C; 回火: 500–700°C |
| 缓解压力 | 减少铸造和加工所带来的残余应力 | 550–650°C |
笔记: 热处理不当会导致不良阶段 (例如。, 马氏体或珠光体不平衡), 破裂, 或尺寸不稳定.
所以, 严格的过程控制和温度监测至关重要.
碳钢铸件的表面处理
表面处理增强了 外貌, 耐腐蚀性, 和 佩戴性能 碳钢铸件, 特别是在苛刻的环境中.
典型的表面整理过程包括:
| 方法 | 功能 | 申请示例 |
| 射击 | 删除规模, 沙, 和氧化物; 准备涂层的表面 | 绘画的标准准备, 粉末涂料 |
| 腌制 & 钝化 | 去除表面氧化物和生锈; 改善耐腐蚀性 | 用于腐蚀服务应用 |
| 磷酸盐涂层 | 为绘画提供了一个基础，并改善了耐腐蚀性 | 汽车, 军事设备 |
| 锌电镀 (镀锌) | 通过牺牲涂层保护免受腐蚀 | 户外或海洋硬件 |
| 粉末涂料 / 绘画 | 增强外观, 天气保护 | 农业设备, 结构部件 |
| 加工 & 研磨 | 实现尺寸公差和表面饰面 | 轴承表面, 密封面 |
与质量控制集成
施肥后治疗通常是 非破坏性测试 (NDT) 或者 维度检查 确保处理的零件符合机械和表面质量规格.
类似的技术 磁性粒子检查 (MPI) 或者 超声测试 (UT) 帮助检测热处理期间可能出现的隐藏裂缝或地下缺陷.
铸造后治疗的主要好处
- 增强 机械性能: 力量, 韧性, 和抗疲劳性
- 改进 维稳定性 和可加工性
- 增加 表面耐用性 和 耐腐蚀性
- 准备下游处理 (例如。, 焊接, 涂层, 集会)
5. 碳钢铸造的机械和物理特性
了解碳钢铸件的机械和物理特性对于选择正确的材料和铸造过程至关重要，以满足各种工业应用的功能需求.
| 性能特性 | 低碳 (0.1–0.25％c) | 中碳 (0.3–0.6％c) | 高碳 (0.6–1.0％c, 问&t) |
| 抗拉强度 (MPA) | 350 - 550 | 550 - 850 | 850 - 1,200 |
| 屈服强度 (MPA) | 250 - 400 | 400 - 700 | 700 - 1,000 |
| 伸长 (%) | 25 - 30 | 15 - 25 | 5 - 15 |
| 硬度 (HB) | 150 - 200 | 200 - 300 | 300 - 400 |
| 影响韧性 (j, Charpy V-Notch) | 40 - 60 | 20 - 40 | 10 - 30 |
| 密度 (g/cm³) | 〜7.85 | 〜7.85 | 〜7.85 |
| 融化范围 (°C) | 1,420 - 1,530 | 1,370 - 1,480 | 1,370 - 1,480 |
| 导热率 (w/m·k) | 50 - 60 | 45 - 55 | 45 - 50 |
| 热膨胀系数 (×10⁻⁶ /°C) | 11 - 13 | 11 - 13 | 11 - 13 |
可加工性和可焊性
- 可加工性: 低碳钢 (可加工性指数80–100 vs. 100 为了 1215 钢); 高碳钢 (40–60) 由于硬度.
- 可焊性: 低碳钢 (出色的, 无需预热); 中碳 (需要200–300°C预热); 高碳 (贫穷的, 容易破裂).
热和耐磨性
- 耐热性: 氧化速率 <0.1 毫米/年最多400°C; 高于500°C以上的快速氧化 (限制在高热应用中的使用).
- 戴阻力: 高碳Q&T钢 (350 HB) 比延性铁具有2×更好的磨料耐药性 (250 HB).
6. 碳钢铸件的应用
碳钢铸件由于其 多功能性, 力量, 和成本效益.
它们的能力被铸成复杂的形状，同时保持出色的机械性能，使其非常适合重型和结构应用中的关键组件.
汽车和运输
- 发动机组件: 曲轴, 凸轮轴, 气缸盖, 和连杆, 受益于高拉伸强度和抗疲劳性.
- 传输部件: 齿轮, 住房, 以及需要耐磨性和尺寸精度的轴.
- 底盘组件: 耐用性和韧性必不可少的支架和悬架零件.
建筑和基础设施
- 结构元素: 铸造框架, 支持, 以及建筑物和桥梁中使用的连接器.
- 重型机械零件: 挖掘机桶, 起重机组件, 以及需要高冲击电阻的装载机臂.
- 紧固件和配件: 耐用的, 用于组装大型结构的高强度组件.
油 & 气体和石化
- 阀门和泵外壳: 暴露于高压和磨损的组件.
- 管配件和法兰: 碳钢的强度和可加工性允许可靠的密封和连接.
- 钻井设备: 为极端环境设计的坚固零件.
农业和采矿设备
- 耕种, 刀片, 和耕作设备: 耐磨零件用于土壤参与.
- 采矿机械组件: 压碎机, 传送带零件, 以及需要韧性和耐磨性的住房单元.
- 拖拉机和重型设备零件: 帧和发动机组件承受重载.
海洋和工业机械
- 螺旋桨轴和房屋: 需要在强度和中等耐腐蚀性的地方使用的碳钢铸件.
- 泵和压缩机零件: 在连续操作下提供耐用性的铸件.
- 工业阀和配件: 制造厂中的流体控制系统必不可少的.
7. 使用碳钢铸件的优点
由于机械性能的独特组合，碳钢铸件在制造中受到广泛青睐, 成本效率, 和多功能性.
成本效益
由于负担得起的原材料和有效的近网状铸造，碳钢铸件提供了经济的解决方案, 减少加工和浪费.
高强度重量比
他们提供了出色的拉伸力和韧性, 提供耐用的零件，能够承受重负荷而没有过多的重量.
设计灵活性
铸造过程可以使复杂的形状, 薄壁, 以及其他制造方法难以实现的内部功能.
出色的可加工性和可焊性
大多数碳钢铸件易于机械加工，可以可靠地焊接, 促进后施工和维修.
回收
碳钢可回收高度可回收, 支持可持续制造，并在重新推销后最少质量损失.
耐热性
碳钢铸件具有良好的耐磨性和导热性, 适用于暴露于磨损和中热的组件.
8. 碳钢铸造的局限性
- 腐蚀灵敏度: 未涂层的碳钢腐蚀在淡水为0.1-0.3毫米/年, 0.3–0.5毫米/年的海水 - 刺激性环境的涂料.
- 表面处理和后处理: 表面表面饰面 (RA 12.5–25μm用于沙子铸造) 通常需要加工 (费用 +10–20％) 用于密封表面.
- 尺寸公差: 比不锈钢或延性铁壳铸件宽; 砂光零件需要±0.5 mm vs. 壳延性延性铁的±0.2 mm. 对于精确申请可能需要其他加工
9. 碳钢铸造的挑战和质量控制
碳钢铸造面临独特的挑战, 通过严格的过程控件解决:
- 收缩和孔隙率: 固化期间熔融钢收缩3-5％, 冒着空腔的风险.
通过立管设计缓解 (10–15％的零件数量) 和真空脱气 (将氢还原为 <0.003 cm³/100g). - 氧化和夹杂物: 氧与铁反应形成氧化物, 削弱铸件.
解决方案包括惰性气屏蔽 (氩气) 在倒入和钢包中精炼以消除夹杂物. - 破裂: 不均匀冷却的热应力会引起热眼泪.
控制冷却速率 (5–10°C/min) 和模具涂料 (基于石墨的) 减轻压力, 确保 <0.1% 大量生产的缺陷率.
10. 与其他铸造材料进行比较
| 特征 | 碳钢铸造 | 合金钢铸造 | 不锈钢铸造 | 延性铁 铸件 |
| 典型的碳含量 | 0.1% - 1.0% | 0.1% - 1.0% + 合金元素 (Cr, 在, 莫, v) | ≤ 0.1% 高Cr (10.5%–30％) | 3.0% - 4.0% 碳, 加上毫克的结节性 |
| 抗拉强度 (MPA) | 350 - 1,200 | 500 - 1,500 | 400 - 1,200 | 400 - 900 |
| 屈服强度 (MPA) | 250 - 900 | 350 - 1,200 | 250 - 1,000 | 250 - 700 |
| 伸长 (%) | 5 - 30 | 4 - 20 | 20 - 40 | 10 - 25 |
| 硬度 (HB) | 120 - 300 | 200 - 400 | 150 - 300 | 180 - 280 |
| 熔点 (°C) | 1,370 - 1,530 | 1,370 - 1,600 | 1,400 - 1,530 | 1,150 - 1,400 |
| 耐腐蚀性 | 低的, 需要涂料或处理 | 一般, 取决于合金 | 高的, 由于铬含量 | 一般, 容易生锈而没有保护 |
| 戴阻力 | 一般, 通过热处理改进 | 高的, 特别是合金添加 | 一般 | 很高, 极好的耐磨性 |
| 可加工性 | 良好, 易于机械和焊接 | 中度至低, 取决于合金含量 | 由于硬度而中度至困难 | 良好, 比许多钢 |
| 密度 (g/cm³) | 〜7.85 | 〜7.75 - 8.05 | 〜7.7 - 8.0 | 〜7.1 - 7.3 |
| 典型的应用 | 汽车零件, 施工机械, 管道 | 航空航天组件, 重型机械 | 医疗设备, 食品加工, 化学设备 | 管道, 汽车组件, 农业机械 |
11. 结论
碳钢铸造 仍然是工业制造的基石, 提供无与伦比的多功能性, 机械性能, 和经济价值.
具有广泛的成绩, 铸造方法, 和后处理选项, 它可以量身定制以满足几乎每个主要行业的各种工程要求.
随着3D印刷图案和高级模拟等技术的继续发展, 碳钢铸件的精度和效率有望提高, 加强其在下一代制造中的作用.
常见问题解答
碳钢铸造与延性铁铸造相比如何?
碳钢提供更高的拉伸强度 (600–1,200 MPA vs. 400–800 MPa用于延性铁) 但价格昂贵20-30％.
延性铁在耐涂料的腐蚀性中脱颖而出, 碳钢需要在恶劣的环境中提供更多保护.
可以焊接碳钢铸件吗?
是的. 低碳铸钢 (≤0.25％c) 最少的预热很容易焊接.
中/高碳等级需要预热 (200–300°C) 防止破裂, 通过焊后热处理以减轻压力.
碳钢铸件的最高服务温度是多少?
中碳铸钢保留 80% 500°C的室温强度.
高于600°C, 氧化和谷物生长降低了性能, 比不锈钢限制用于低温应用.
如何检查碳钢铸件的质量?
非破坏性测试 (超声波, 影像学) 检测内部缺陷; 拉伸测试确保力量达到标准 (例如。, ASTM A216); 金属学分析验证晶粒结构和包含含量.
碳钢铸件的典型交货时间是什么?
沙子铸造: 2–4周 (工具 + 生产). 熔模铸造: 4–8周 (蜡模式的更长的工具).
高体积生产 (10,000+ 部分) 将人均交货时间降低到1-2周.
WCB和LCC碳钢有什么区别?
WCB (ASTM A216) 是中碳 (0.25–0.35％c) 用于高温服务; LCC (ASTM A352) 是低碳 (≤0.15％c) 对于低温 (-46°C) 申请, 具有更好的韧性.
