铸钢与铸铁: 关键差异, 特性 & 应用领域

1. 介绍

铸钢和铸铁都是通过熔化和铸造过程生产的亚铁金属.

尽管它们共享基本元素 - 铁 - 他们的属性, 申请, 由于碳含量和合金元素的变化，性能特征明显不同.

在铸钢和铸铁之间选择对工程师至关重要, 制造商, 和设计师，因为它直接影响力量, 可加工性, 耐腐蚀性, 以及组件的总体生命周期成本.

本文探讨了冶金, 机械行为, 生产方法, 以及铸钢和铸铁深度的最终使用适用性.

2. 什么是铸铁?

铸铁 是一组具有A的铁碳合金 碳含量通常在 2.0% 和 4.0%, 以及不同水平的硅 (1.0–3.0％), 锰, 硫, 和磷.

这种高碳含量与钢与钢铁区分开来，并使铸铁具有独特的物理和机械性能.

它是工程和制造业中最古老，最广泛的亚铁金属之一, 以其重视 出色的铸造性, 振动阻尼, 和 抗压强度.

历史背景

铸铁的使用可以追溯到中国公元前5世纪, 从15世纪开始广泛采用的工业采用.

它彻底改变了建筑, 机械, 和运输, 进入从桥梁和管道到发动机和炊具的一切.

铸铁的关键类型

铸铁的关键特征

• 高碳含量: 增强可铸性和耐磨性，但降低了延展性.
• 出色的铸造性: 低熔点 (≈1150–1200°C) 良好的流动性允许复杂, 大的, 和复杂的形状容易铸造.
• 良好的阻尼能力: 特别是在灰铁中, 吸收振动很好, 使其非常适合机械基础.
• 脆性: 大多数形式, 特别是灰色和白色铸铁, 拉伸或冲击负荷下的断裂.
• 导热率: 对热分布有效, 使其成为发动机零件和炊具的好材料.
• 耐腐蚀性: 中度无涂料, 虽然通过某些合金元素或表面处理得到改善.

3. 什么是铸钢?

铸钢 是一类具有A的铁碳合金 碳含量通常从 0.1% 到 0.5%, 通过熔化并将熔融钢铸成模具产生以形成特定的形状.

与铸铁不同, 铸钢的碳含量较低, 这显着导致 较高的延展性, 韧性, 和可焊性.

它特别喜欢涉及的申请 动态负载, 冲击阻力, 和 戴阻力.

历史背景

锻炼钢的历史可以追溯到古代, 铸钢 随着钢制过程（例如Bessemer和开放式方法）的进步，在19世纪已广泛使用.

今天, 铸钢是结构中的重要材料, 汽车, 矿业, 以及由于其强度和多功能性而导致的施加压力申请.

铸钢的关键类型

铸钢的关键特征

• 较低的碳含量: 通常为0.1–0.5％, 与铸铁相比，导致延展性和可焊性优势.
• 高力量 & 韧性: 铸钢提供 优秀的机械性能, 包括高拉伸强度和对冲击负荷的抵抗力.
• 热处理: 与铸铁不同, 铸钢可以进行热处理 (淬灭, 纠正, 归一化) 增强硬度, 韧性, 并戴阻力.
• 可焊性: 非常适合制造, 维修, 并加入 - 可能需要修改或维护的组件的理想组件.
• 可加工性: 通常很好, 尽管合金组成和热处理状态有所不同.
• 耐腐蚀性: 取决于合金元素的变化很大. 不锈钢等级高度耐腐蚀.

4. 比较表: 铸钢与铸铁

5. 常见的铸造方法: 铸钢与铸铁

铸造方法选择是成本控制的关键, 尺寸精度, 机械性能, 和生产量表.

铸钢和铸铁分享几种铸造技术, 但是，由于熔点的差异，每种材料都构成了独特的挑战, 固化行为, 和合金反应性.

铸钢的铸造方法

铸钢砂铸造

沙子铸造 是生产铸钢零件的最广泛使用的方法, 特别是对于中型到大型组件.

图案 (木头, 金属, 或树脂) 用于塑造沙子中的腔 - 绿色 (粘土) 或化学键合.

因为铸钢需要高倾倒温度 (1,450–1,600°C), 模具材料和门控系统必须设计以处理热冲击, 侵蚀, 和收缩.

普通零件: 变速箱, 阀体, 结构支架.

铸钢投资铸造 (失去蜡)

熔模铸造 擅长生产带有薄壁和紧密公差的错综复杂的形状. 蜡图涂有陶瓷浆料, 形成后来发射和发射的外壳.

这种高精度的过程非常适合铸钢，因为它能够最大程度地减少加工, 特别是对于复杂的航空航天, 医疗的, 或能量成分.

普通零件: 涡轮刀片, 医疗仪器, 军事组件.

铸钢壳模具铸造

外壳成型 使用加热的金属图案来治愈树脂涂层的沙壳. 与传统的沙子铸造相比.

用于钢, 当需要具有高重复性的中复杂性成分时，该过程特别有效.

普通零件: 发动机安装座, 液压支架, 轴承帽.

铸钢离心铸造

在 离心铸件, 将熔融钢倒入旋转模具中.

高速旋转将金属向外散布在模具墙上, 增加密度并减少缺陷，例如夹杂物或气孔孔。.

对于圆柱形或管状零件特别有用, 该方法产生的成分具有细粒度, 高度均匀的结构.

普通零件: 钢管, 袖子, 和石油戒指 & 煤气或铁路应用.

铸钢连续铸造 (用于半成品产品)

虽然不用于近网或成品零件, 在钢铁行业中，连续铸造对于生产钢坯至关重要, 开花, 和板.

将熔融钢倒入水冷模具中, 凝固时被抽出. 这些表格以后通过锻造处理, 加工, 或滚动.

产品: 酒吧库存, 结构梁, 板钢.

铸铁的铸造方法

铸铁绿沙铸造

由于其低成本，绿沙铸造仍然是铸铁的主要方法, 回收, 和适应性.

“绿色”是指沙子中的水分含量, 与膨润土粘土粘合.

铸铁的出色流动性和较低的熔点 (1,100–1,250°C) 使其非常适合此过程.

普通零件: 人孔盖, 发动机块, 压缩机外壳.

铸铁无烘烤 (树脂键) 沙子铸造

在无烘烤成型中, 沙子与树脂和催化剂混合，可在室温下固化, 形成强大, 刚性模具.

对于需要更好的尺寸准确性和比绿沙可以提供的更光滑的表面的大型铸铁零件，此过程是优选的.

普通零件: 大型机器基地, 工业住房, 叶轮.

铸铁外壳模具铸造

壳模的使用量较少，但在需要更紧密的公差或更光滑的饰面时仍然有益. 树脂涂层的沙子形成薄, 围绕图案的半刚性外壳.

因为铸铁流很好, 此过程可确保最小的闪烁和细边的定义.

普通零件: 齿轮外壳, 阀体, 装饰铁件.

铸铁离心铸件

广泛用于延性铁管和气缸衬里, 离心铸造利用旋转力在模具中分布熔融金属.

用于铸铁, 这增强了结节形成 (在延性等级), 降低孔隙率, 并促进谷物精致.

普通零件: 管道部分, 飞轮, 和制动鼓.

铸铁失去泡沫铸件

丢失的泡沫铸件 使用嵌入未粘附的砂中的聚苯乙烯图案. 当熔融铸铁倒入, 泡沫蒸发, 由于铁的反应性较低而形成最小的气体夹层形状.

此方法对于不隔离线或核心而擅长复杂的几何形状.

普通零件: 发动机歧管, 泵外壳, 装饰性铸件.

铸造特征的关键差异

6. 热处理和可焊性: 铸钢与铸铁

热处理 可焊性是影响性能的关键因素, 服务寿命, 和铸件的可修复性.

铸钢和铸铁之间的根本冶金差异直接影响每种材料对热处理和焊接的反应方式.

铸钢

热处理:

铸钢通常包含较低的碳 (0.1–0.5％) 并且更适合各种热处理以量身定制其机械性能. 常见的热处理包括:

• 退火: 软钢, 减少残余应力, 并提高可加工性.
• 标准化: 通过在临界温度以上加热来完善晶粒结构 (〜870–950°C) 其次是空气冷却; 增强力量和韧性.
• 淬火和回火: 快速冷却 (淬火) 从奥斯丁化温度 (〜900–1,000°C) 形成马氏体, 然后恢复以平衡硬度和延展性.
  此过程对于耐磨损或高强度铸钢零件至关重要.

这些热处理允许铸钢获得广泛的机械性能, 包括高拉伸强度 (400–800 MPA), 改善影响韧性, 和控制硬度.

可焊性:

铸钢的碳含量相对较低和均匀的微观结构使其高度可焊接. 它可以使用常规技术（例如:

• 屏蔽金属电弧焊接 (Smaw)
• 气钨电弧焊接 (GTAW)
• 磁通量弧形焊接 (fcaw)

然而, 必须注意控制预热和焊接后的热处理以避免破裂, 特别是在合金的铸钢或厚部分中.

焊接金属可以与基本材料特性紧密匹配, 允许有效的维修和加入.

铸铁

热处理:

铸铁, 具有高碳含量 (2.0–4.0％) 石墨片或结节的存在, 对热处理的反应不同:

• 退火: 通常应用于可延展的铁以降低硬度并改善延展性.
• 标准化: 使用有限, 主要是在白色铸铁中修改微观结构.
• 缓解压力: 减轻残留应力，但不会显着改变硬度或力量.

与铸钢不同, 由于存在石墨，铸铁无法通过淬火有效地硬化, 抑制马氏体转变.

所以, 其机械性能在铸造和冷却后基本固定.

可焊性:

焊接铸铁构成了重大挑战:

• 石墨片的存在 (特别是在灰色铸铁中) 促进焊接过程中的裂纹启动和传播.
• 高碳等效导致脆弱和热破裂的风险.
• 焊缝和倒金之间的热膨胀不匹配会导致残余应力.

焊接铸铁通常需要:

• 专业技术，例如预热 (200–400°C), 缓慢冷却, 并使用基于镍的填充金属.
• 焊接后的固定或压力缓解以最大程度地减少开裂.

8. 耐腐蚀性和表面饰面: 铸钢与铸铁

腐蚀性环境中的物质行为以及铸造或加工后可实现的表面质量是组件耐用性的关键因素, 表现, 和美学.

铸铁和铸铁, 虽然两种铁质材料, 由于其成分，腐蚀性和铸造后的表面特征显着差异, 微观结构, 和碳含量.

耐腐蚀性

铸钢

铸钢通常有 较低的固有腐蚀性 比铸铁更具反应性, 均匀的微观结构和较低的碳含量.

然而, 它提供 更大的多功能性 通过合金和表面处理控制腐蚀.

特征:

• 非合金碳钢铸件 容易发生 均匀生锈 当暴露于水分或氧气时.
• 合金的铸钢 (例如。, 与铬一起, 镍, 或钼) 可以抵抗各种环境:

• • 不锈钢铸件 (≥10.5％Cr) 表现出强耐腐蚀性, 即使在酸性或海洋环境中.

• 兼容 涂料 (镀锌, 绘画, 环氧树脂) 以增强保护.

铸铁

尽管更脆弱, 铸铁经常显示 停滞或轻度腐蚀性环境中更好的耐腐蚀性, 很大程度上是由于 保护性氧化物层 由石墨内容和表面纹理形成.

特征:

• 灰色铸铁 形式 稳定的, 钝化氧化物层 这会减慢腐蚀 - 一个自限制的过程.
• 石墨矩阵 充当阴极, 使铸铁不容易易于深层蚀，但更容易受到均匀的表面氧化的影响.
• 延性铁 提供比灰铁更好的腐蚀性能, 尤其是涂料或环氧衬里.

铸造和加工后的表面饰面

铸钢

• 由于它的 密集且均匀的谷物结构, 铸钢可以实现 表面饰面更光滑 手术后和抛光.
• 播种表面 往往比铸铁还要粗糙，但可以通过投资或永久模具铸造来改善.
• 需要组件的理想选择 紧密的公差或关键的密封表面.

典型的饰面 (铸造):

• 沙子铸造: RA 12.5-25 µm
• 熔模铸造: RA 1.6-6.3 µm

铸铁

• 铸铁具有 出色的铸造性, 通常会导致 更好的表面复制 从模具.
• 然而, 这 石墨的存在 可以创建一个 略微多孔的表面纹理, 特别是在灰铁中.
• 可加工性是优越的 由于石墨充当芯片断路器和润滑剂, 导致良好的手术后完成.

典型的饰面 (铸造):

• 绿沙铸: RA 6.3-12.5 µm
• 壳模: RA 3.2-6.3 µm

9. 铸钢与铸铁的优点和局限性

选择之间 铸钢 vs 铸铁 取决于机械性能的平衡, 成本, 制造业, 耐腐蚀性, 和特定于应用程序的需求.

两种材料都提供了影响设计和采购决策的独特优势和权衡.

铸钢

优点

1. 高延展性 & 韧性
   铸钢表现出极好的冲击力和拉伸强度, 使其适用于动态和高负载应用程序.
2. 卓越的可焊性
   其低碳含量和均匀结构可轻松焊接和维修.
3. 宽合金选择
   可以将铬合金, 镍, 钼, ETC。, 增强耐腐蚀性, 硬度, 或耐热性.
4. 热处理性
   可以通过热处理定制机械性能 (例如。, 淬火, 回火, 退火).
5. 良好的疲劳阻力
   循环载荷和冲击条件的理想选择 (例如。, 结构或汽车零件).

限制

1. 降低可铸性
   更高的收缩和流动性较差，使铸造复杂或薄壁的形状更加困难.
2. 成本更高
   在能源使用方面更昂贵, 霉菌的复杂性, 和合金元素.
3. 表面处理
   通常比铸铁以铸造形式粗糙，可能需要额外的加工.
4. 容易发生的腐蚀 (如果不合同)
   需要涂料或合金以在腐蚀环境中应用.

铸铁

优点

1. 出色的铸造性
   在模具中容易流动; 复杂的理想选择, 薄壁, 或复杂的形状.
2. 卓越的可加工性
   石墨微结构充当润滑剂, 改善可加工性和工具寿命.
3. 良好的振动阻尼
   噪声和振动控制至关重要的机器底座和发动机块的理想.
4. 性价比高
   较低的熔点和减少能源密集型处理降低了整体成本.
5. 自然腐蚀性 (在停滞的条件下)
   特别是灰铁, 哪个形成保护性氧化物层.

限制

1. 脆性断裂
   低延展性和影响不良的阻力使其不适合动态载荷或高压力应用.
2. 可焊性差
   由于石墨片和高碳含量，难以焊接; 维修通常不切实际.
3. 降低拉伸强度
   无法在承载或结构应用中匹配铸钢.
4. 有限的热处理选择
   大多限于压力缓解或退火; 机械性能不太可调.

10. 铸钢与铸铁的常见应用

之间的选择 铸钢 和 铸铁 通常是由性能需求驱动的, 环境条件, 和经济限制.

铸铁应用

铸铁的出色流动性, 可铸性, 和阻尼特性使其非常适合具有复杂几何形状的组件, 静态负载, 和噪声/振动灵敏度.

铸钢应用

铸钢在需要高强度的行业中受到青睐, 冲击阻力, 和结构完整性, 特别是在动态或极端服务条件下.

11. 结论

两种铸铁与铸钢在现代工程中的重要作用.

铸铁非常适合需要出色的可铸性的应用, 可加工性, 和振动阻尼, 而铸钢在高影响力中表现出色, 高强度, 和容易发生的环境.

物质选择应基于性能要求, 工作条件, 和生命周期成本以实现最佳功能和耐用性.

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常见问题解答

铸铁比铸钢强?

不. 铸钢具有较高的拉伸强度 (400–1000 MPA) 比延性铁 (400–800 MPA) 远远超过灰铁 (200–400 MPA).

可以焊接铸铁吗?

可以用预热焊接延性铁 (200–300°C) 但是失去10-20％的延展性. 灰铁很难由于脆性而焊接. 铸钢焊缝, 匹配的碱金属强度.

这更可加工?

灰铁是最可加工的 (石墨充当润滑剂), 然后是延性铁. 铸钢更难机械, 需要碳化物工具.

为什么将铸铁用于发动机块?

它的振动阻尼减少了噪音, 低成本西装批量生产, 流动性使复杂的水夹克和石油画廊.

什么时候需要不锈钢?

在腐蚀性环境中 (海水, 化学物质) 或高纯度应用 (药物, 食品加工) 生锈或污染是不可接受的.