铸钢生产：性能和成分

代工厂的测试和检验

铸钢是一种含碳量最高约为 0.75% 的铁合金。铸钢件是通过用液态钢填充模具内的空隙而产生的固体金属物体。它们可用于许多可以作为锻造金属生产的相同碳钢和合金钢。铸钢的机械性能一般低于锻钢，但化学成分相同。铸钢可以在更少的步骤中形成复杂的形状，从而弥补了这一缺点。

铸钢的性能

可以生产具有多种性能的铸钢。铸钢的物理性能因化学成分和热处理而发生显着变化。选择它们是为了满足预期应用的性能要求。

硬度
材料承受磨损的能力。碳含量决定了钢中可获得的最大硬度或淬透性。

实力
使材料变形所需的力。碳含量和硬度越高，钢的强度就越高。

延展性
金属在拉应力下变形的能力。较低的碳含量和较低的硬度使钢具有较高的延展性。

韧性
承受压力的能力。增加的延展性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
材料对摩擦和使用的抵抗力。铸钢表现出与相似成分的锻钢相似的耐磨性。添加钼和铬等合金元素可以提高耐磨性。

耐腐蚀
材料对氧化和生锈的抵抗力。铸钢表现出与锻钢相似的耐腐蚀性。铬和镍含量较高的高合金钢具有很强的抗氧化性。

可加工性
铸钢件通过机加工（切割、磨削或钻孔）去除材料来改变形状的难易程度。可加工性受硬度、强度、导热性和热膨胀的影响。

可焊性
铸钢件焊接无缺陷的能力。可焊性主要取决于铸钢件的化学成分和热处理。

高温特性
在高于环境温度下运行的钢会因氧化、氢损伤、亚硫酸盐结垢和碳化物不稳定性而导致机械性能下降和早期失效。

低温特性
铸钢的韧性在低温下严重降低。合金化和特殊热处理可以提高铸件承受载荷和应力的能力。

铸钢化学成分

铸钢的化学成分对性能特性有重要影响，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

与锻钢一样，碳素铸钢也可以根据其碳含量进行分类。低碳铸钢（0.2% 碳）相对较软，不易热处理。中碳铸钢（0.2-0.5% 碳）稍硬，可通过热处理强化。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或高合金。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（合金含量> 8%）旨在产生特定性能，例如耐腐蚀性、耐热性或耐磨性。

常见的高合金钢包括不锈钢（> 10.5% 铬）和 Hadfield 的锰钢（11-15% 锰）。添加铬，当暴露于氧气时会形成氧化铬的钝化层，使不锈钢具有出色的耐腐蚀性。哈德菲尔德钢中的锰含量提供了高强度和耐磨性。

ASTM	化学要求					拉伸要求
钢级	碳	锰	硅	硫磺	磷	抗拉强度	屈服点	2 英寸伸长率	面积缩小
	最大百分比/范围					最小。 ksi [Mpa] / 范围		最小。 %
	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 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27，70-40 级	0.25	1.20	0.80	0.06	0.05	70 [485]	40 [275]	22	30
ASTM A27，70-40 级	ASTM A148 / A148M
ASTM A148，80-40 级	不适用	不适用	不适用	0.06	0.05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148，80-50 级	不适用	不适用	不适用	0.06	0.05	80 [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 A148，90-60 级	ASTM A216 / A216M
ASTM A216，WCA 级	0.25	0.70	0.60	0.045	0.04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216，WCB 级	0.30	1.00	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216，WCC 级	0.25	1.20	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

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铸钢牌号

ASTM International、美国钢铁协会和汽车工程师协会等标准组织已经制定了钢级，用于对具有特定化学成分和物理特性的钢进行分类。铸造厂可以开发自己的内部钢种，以满足用户对特定性能的需求或标准化特定生产等级。

锻钢的规格通常用于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。与锻造钢相比，铸钢中的硅和锰含量通常更高。除了主要含有较高水平的硅和锰外，合金铸钢还在铸造过程中使用铝、钛和锆进行脱氧。铝因其效果好、成本相对较低而主要用作脱氧剂。

铸钢生产

铸钢的实践可以追溯到 1750 年代后期，比其他金属的铸造要晚得多。钢的高熔点，以及缺乏可用于熔化和加工金属的技术，延缓了铸钢行业的发展。熔炉技术的进步克服了这些挑战。

熔炉是内衬耐火材料的容器，其中包含“装料”，即要熔化的材料，并为熔化提供能量。现代钢铁铸造厂使用两种炉型：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”的成批金属。电荷直接在电极之间通过，将其暴露在持续放电产生的热能中。

电弧炉遵循一个出炉的操作周期：

炉装料
将大量废钢和合金添加到熔炉中。

熔化
通过向炉内提供能量来熔化钢。电能通过石墨电极提供，通常是炼钢操作的最大贡献者。化学能通过氧燃料燃烧器和氧气枪提供。

精炼
在熔化过程中注入氧气以去除杂质和其他溶解气体。

除渣
多余的炉渣通常包含不希望的杂质，在出钢之前从熔池中去除。除渣也可以在浇注前在钢包内进行。

轻敲（或轻敲）
通过倾斜熔炉并将金属倒入钢包等转运容器中，将金属从熔炉中取出。

转炉
已完成出钢并为下一个装炉周期做好准备。

在此过程的各个阶段，通常会采取连续的附加步骤，以进一步对钢进行脱氧，并在浇注前从金属中去除炉渣。可能需要调整钢的化学成分，以解决延长出钢期间合金损耗的问题。

感应炉

感应炉是一种通过感应传递热能的电炉。铜线圈环绕在不导电的电荷容器周围，交流电流通过线圈在电荷内产生电磁感应。

感应炉能够熔化大多数金属，并且可以以最小的熔体损失运行。缺点是金属的精炼很少。与电弧炉不同，钢不能转化。

现代钢铁铸造厂经常利用回收的废钢来降低铸造生产的成本和环境影响。过时的汽车、机械部件和类似物品被分离、确定尺寸并作为废料运送到铸造厂。这与铸造过程中产生的内部废料相结合，并与各种合金元素结合到熔炉中。

热处理

铸件在凝固、脱模、清理后，通过适当的热处理使铸钢的物理性能显着提高。

退火
将铸钢件加热到特定温度，保持特定时间，然后缓慢冷却。

规范化
类似于退火，但铸钢件在露天冷却，有时使用风扇。这有助于铸件获得更高的强度。

淬火
类似于正火，但使用强制空气以更快的速度进行冷却。水或油用作淬火介质。

回火（或消除应力）
用于减轻铸件内部应力的技术。这些应力可能出现在铸造过程中，或者在强化或硬化热处理过程中，例如正火或淬火。应力消除涉及将铸件加热到远低于退火温度的温度，将其保持在该温度，然后缓慢冷却。

铸钢检验

铸钢件通常需要接受检查，以验证特定的物理性能，例如尺寸精度、铸件表面光洁度条件和内部健全性。此外，还必须检查化学成分。添加到材料中的少量合金元素会极大地影响化学成分。铸钢合金易受其化学成分变化的影响，因此需要在铸造前进行化学分析以验证确切的化学成分。将少量熔融金属样品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，包括加工余量。有时可能需要破坏样品铸件以测量内部尺寸。

表面光洁度条件

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亚表面寻找在视觉上可能不明显的缺陷。铸钢件的表面光洁度可能会受到花纹类型、型砂和模具涂层的影响，以及铸件的重量和清洁方法的影响。

内部健全

所有铸件都存在一定程度的缺陷，健全性规范决定了可接受的缺陷阈值。超过规定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。低于规定的最大允许缺陷等级可能导致失败。

铸钢件常见的三种内部缺陷是：

孔隙率
铸钢件中的空隙以光滑、有光泽的内壁为特征。气孔通常是铸造过程中气体逸出或夹带气体的结果。

内含物
铸件中有异物。夹杂物可以是金属的、金属间的或非金属的。夹杂物可能来自模具内部（碎屑、沙子或芯材），也可能在铸件浇注过程中进入模具。

收缩率
通常在铸件内部的空位或低密度区域。它是由在凝固过程中没有足够的原料金属供应的材料熔岛引起的。缩孔的特点是具有粗糙的结晶内表面。

化学分析

铸钢的化学分析通常采用湿化学分析法或光谱化学法。湿化学分析最常用于确定小样本的成分，或验证生产后的产品分析。相比之下，光谱仪分析非常适合在繁忙的生产铸造环境中对较大样品的化学成分进行常规和快速测定。铸造厂可以在热量和产品层面进行化学分析。

热分析

在热分析过程中，从熔炉中取出少量液态铸钢样品，使其凝固，然后使用光谱化学分析分析化学成分。如果合金元素的成分不正确，可以在铸造前在熔炉或钢包中进行快速调整。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示。然而，由于合金元素的偏析以及钢的热量倒出所需的时间，预计化学成分会发生变化。在浇注过程中可能会发生某些元素的氧化。

产品分析

产品分析用于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。即使产品是从热分析正确的钢炉中浇注的，也会发生这种情况。行业惯例和标准确实允许热量分析和产品分析之间存在一些差异。

铸钢检测

通过改变铸钢的成分和热处理，碳钢和合金钢铸件可以获得各种机械性能。铸造厂利用专门的测试方法在产品完成之前检查机械性能。

当谈到铸钢测试时，工业中使用两种类型的测试：破坏性和非破坏性测试。 破坏性测试 需要破坏测试铸件以直观地确定零件的内部健全性。此方法仅提供有关被测乐曲状况的信息，并不能确保其他乐曲完好无损。 无损检测 用于在不损坏铸件本身的情况下验证铸件内部和外部的健全性。一旦铸件通过测试，就可以用于预期用途。