ASTM A352铸造钢

1. 介绍

在零绩效至关重要的工程环境中, 物料可靠性不可能损害.

ASTM A352是ASTM International开发的广泛认可的规范 铸碳和低合金钢 打算 荷斯特零件 那是在进行的 低温服务条件.

这些钢对于液化天然气等行业至关重要, 低温学, 石油和天然气, 和发电, 在冷应力下机械完整性不可谈判的地方.

本文提供了ASTM A352的全面分析, 探索其冶金原理, 机械要求, 申请, 和制造含义

支持工程师, 指定器, 和采购专业人员做出明智的物质选择.

2. ASTM A352的范围和目的

ASTM A352覆盖 压力零件的铸件 设计用于操作 低温 下降到-50°F (-46°C) 甚至更低, 取决于等级.

它确保铸钢保持延展性, 韧性, 并在暴露于这些苛刻的环境时抵抗脆性骨折.

与ASTM A216不同 (用于通用铸碳钢) 或A351 (用于耐腐蚀的奥氏体不锈钢铸件), A352是针对低温应用量身定制的.

它经常通过ASME SA352进行双重认证, 使其适合压力容器和管道代码合规性.

3. ASTM A352等级的分类

ASTM A352包括一系列 铸碳和低合金钢等级 专门设计的 低温服务 在富压力的组件中.

分类基于 化学组成, 机械性能, 和 服务条件.

这些等级大致分为 碳钢, 低合金钢, 和 马氏体不锈钢, 每个量身定制以满足特定的运营需求.

以下是最常见的ASTM A352等级的详细分类:

UNS编号映射

每个ASTM A352等级也有相应的 统一编号系统 (我们) 支持可追溯性和合金标准化的名称:

• LCA - US J03000
• LCB - 美国J03001
• LCC - 美国J03002
• Ca6nm - 美国J91540

与锻造等效物进行比较

而ASTM A352政府 投掷 产品, 它的许多成绩可以与 锻炼规格 用于类似应用. 例如:

• A352 LCC 大致相似 ASTM A350 LF2 (锻造碳钢)
• Ca6nm 冶金与锻造非常相似 13-4 不锈钢 (AISI 410 与ni)

4. 化学要求

该表总结了典型的最大和最小成分范围:

合金元素对低温韧性的影响

• 碳 (0.24–0.32％): 力量与韧性之间的平衡; 碳过多 (> 0.32%) 可以增加硬度并在-50°F和以下降低夏比能量.
• 锰 (0.60–1.10％): 促进熔化过程中的脱氧化，并有助于固定溶液加强.
  MN还有助于在热处理期间精炼珠光体/珠光性有限晶体混合物, 改善韧性.
• 镍 (1.00–2.00％) (仅LCB-CR): 镍可显着增强 曲线移动 (NDT班次) 在夏比过渡区, 允许钢在较低温度下保持延性行为.
• 铬 (0.25–0.50％) 和钼 (0.25–0.50％): 这些元素结合形成 碳化物 (cr₇c₃, MOUITC) 在热处理过程中阻碍谷物的生长并改善 坚固性,
  从而提高拉伸强度和低温韧性.
• 钒 (0.05–0.15％): 通过形成精细的VC沉淀物充当有效的谷物炼油厂, 在铸造和热处理期间，哪个固定奥斯丁岩晶界.
  更细的晶粒尺寸 (ASTM 6–8) 在低温温度下直接与较高的夏比V-Notch能量相关.

5. 物理特性

密度和热导率

• 密度: 大约 7.80 g/cm³ (0.283 lb/in³) 对于所有A352等级, 由于合金添加 (莫, 在, Cr, v) 相对较小 (≤ 3% 全部的).
• 导热率:

• • 铸造: 〜 30 w/m·k 在 20 °C.
  • 归一化/纠正: 略微减少 (〜 28 w/m·k) 由于晶粒结构和钢化碳.
  • 低温作用: 在-100°C, 电导率适度上升 (到〜 35 w/m·k) 因为声子散射减少,
    这对于需要快速传热的应用可能是有益的 (例如。, 低温阀).

热膨胀系数 (CTE) 在低温温度下

• CTE (20 °C至-100°C): 〜 12 ×10⁻⁶ /°C
• CTE (-100°C至-196°C): 〜 11 ×10⁻⁶ /°C

与奥斯特尼西不锈钢相比 (≈ 16 ×10⁻⁶ /°C), A352铸钢表现出较低的热膨胀, 当用具有相似CTE的材料螺栓或密封时，这是有利的 (例如。, 碳钢).

与设计人员交配时仍必须考虑差异的扩展 铝 或者 铜 合金, 特别是在低温应用中.

6. ASTM A352铸造钢的机械性能

ASTM A352铸造钢专门针对需要高强度和优异韧性在低或低温温度下的应用. 基于化学组成和热处理过程的等级之间的机械性能略有不同. 以下是几个常用A352等级的比较.

典型的机械性能按等级

有关特殊成绩的注释

• Ca6nm: 广泛用于水力发电涡轮机, 阀体, 和泵壳 极佳的气蚀性, 可焊性, 和 影响韧性 在亚零温度下.
• CA15: 具有良好的硬度和耐腐蚀性，但冲击力与CA6NM更低, 使其更适合 中等压力环境.
• CF8M (316 相等的): 虽然通常不是A352的一部分, 它经常被铸造 ASTM A743 并使用 腐蚀性但非低温 状况.
• CD4MCuN: 耐腐蚀性平衡的双面不锈度, 力量, 和影响性能; 诸如侵略性环境的理想 氯化物溶液.

7. ASTM A352铸造钢的铸造和制造过程

铸造过程概述

ASTM A352铸造钢通常是使用 沙子铸造 或者 投资铸造, 选择取决于复杂性, 尺寸, 并需要该部分的公差.

• 沙子铸造: 这仍然是产生大阀体的最常见方法, 泵外壳, 和法兰在ASTM A352下指定.
  它为复杂的形状和较厚的部分提供了具有成本效益的灵活性.
  然而, 它需要对模具材料和倒数参数的细致控制，以最大程度地减少孔隙和收缩等缺陷.
• 投资铸造: 对于较小, 更复杂的组件需要优质的表面饰面和尺寸精度, 投资铸造有时会使用.
  此方法产生的铸造缺陷少并减少了加工津贴, 尽管费用更高.

热处理

后期, ASTM A352钢很严格 标准化和降温 增强机械性能:

• 标准化: 通常执行 900–950°C, 正常化的谷物结构, 缓解内部压力, 并改善韧性.
• 回火: 在 600–700°C, 回火平衡强度和延展性，同时降低脆性.
• 严格监测和记录热处理周期，以确保符合ASTM规格并在整个铸件中实现均匀的机械性能.

加工和整理

由于复杂的几何形状, 铸造ASTM A352组件通常需要 加工 达到最终维度和公差. 这包括:

• CNC加工 用于阀座, 法兰, 和关键的密封表面.
• 表面处理 例如打磨和抛光以增强耐腐蚀性和密封性能.
• 加工参数是根据钢等级和硬度优化的，以最大程度地减少工具磨损和表面缺陷.

8. ASTM A352铸钢的优点和局限性

ASTM A352铸造钢被广泛用于强度的关键应用中, 韧性, 对低温饱满的抵抗是必不可少的.

ASTM A352 Cast Steels的优点

优越的低温韧性

ASTM A352等级 - 尤其是LCA, LCB, 和LCC - 专门为低温和零下服务设计.

最低夏比V-核电撞击能源要求 27 j在-46°C, 这些材料确保结构完整性并降低极端条件下脆性断裂的风险.

出色的压力保留

由于其机械强度和延展性, A352铸钢非常适合 荷斯特零件, 例如阀门, 泵, 和法兰.

CA6NM等成绩也提供了增强的产量强度 (>550 MPA), 支持高压系统设计.

良好的铸造性

A352规范涵盖 投掷 钢组件, 允许复杂的几何形状和近网形制造.

这种灵活性减少了对广泛加工的需求，并可以产生复杂的内部通道或外壳，而这些通道或房屋本来不切实际地对伪造或机器不切实际.

各行业的多功能性

A352铸件用于不同行业 - 包括油 & 气体, 石化, 发电,

和低温学 - 其机械可靠性, 维度的准确性, 和低温或高压条件下的性能.

腐蚀和耐磨性 (在合金成绩中)

合金等级喜欢 Ca6nm 结合 耐腐蚀性 和 中等硬度 (200–260 HBW),

使它们适合在 湿的, 酸性, 或盐水环境, 例如海底设备或化学植物.

基于标准的保证

受 ASTM标准, 这些铸件受到严格的质量控制 - 覆盖热处理, 化学组成, 和机械测试 - 确保 全球可靠性和可追溯性.

ASTM A352铸造钢的局限性

铸造缺陷和可变性

与任何铸造过程一样, 收缩腔, 孔隙率, 或者 包含 可能发生. 这些缺陷, 如果未识别和纠正, 可以妥协机械性能.

高级检查方法 放射线照相和超声测试 关键零件通常需要.

与锻造材料相比，韧性较低

尽管延展性良好, 铸造钢通常展出 降低断裂韧性 由于晶粒结构和潜在的铸造缺陷而不是锻造或锻造的等效物.

这可能会限制它们在超关键疲劳环境中的使用.

热处理敏感性

恰当的 标准化和降温 对于实现所需的机械性能至关重要.

热处理不足或不平坦的热处理可能导致 残余应力, 失真, 甚至 微裂纹 - 特别是在厚或复杂的铸件中.

可焊性问题

一些成绩, 特别是合金钢 (例如。, Ca6nm), 可能需要 严格的焊接程序, 包括 预热, 焊后热处理 (PWHT),

和 填充金属的选择 避免耐腐蚀性或降解.

碳等级的耐腐蚀性有限

LCA等成绩, LCB, LCC的固有腐蚀性有限.

他们经常需要 涂料, 衬垫, 或者 外部保护 当在侵略性环境中使用或长期服务.

合金版本的成本注意事项

CA6NM或LC3等高合金等级涉及 成本增加 由于合金元素 (Cr, 在, 莫) 以及更多苛刻的铸造和热处理过程.

9. 申请和案例研究

低温血管和液化天然气存储

• LCB和LCC阀体:

• • 液化天然气 基础设施要求保持延展的阀 -162°C (-260°F).
    虽然LCC的-100°F CVN额定值不能确保在-260°F下完全延展性, 它在脆性 - 脱氧过渡上方提供了安全余量.
  • 案例研究: 北欧的LNG终端取代了A216 WCB阀体 (在冷却测试中破裂) 与A352 LCC铸件.
    后安装, 在 500 热周期.

油 & 气体: 阀, 法兰, 和耦合

• 酸味服务 (h₂的环境):

• • lcb-cr 铸件与 1.5% 在, 0.35% Cr, 和 0.30% MO表现出改善的抵抗力 硫化应力破裂 (SSC).
  • 案例研究: 北海的离岸井口组件从 13% CR不锈钢至LCB-CR，以进行一些低压组件,
    降低材料成本 20% 不牺牲酸气的合规性 (NACE MR0175).

发电: 蒸汽和锅炉组件

• 进食水泵外壳:

• • 操作 -20°C 和低压蒸汽, LCB铸件取代了较旧的A216 WCB法兰房屋.
    导致a 30% 减轻体重 并改善了由于微观结构而导致的疲劳寿命.
  • 案例研究: 日本联合循环发电厂报告了零圈接头或核心移位缺陷，在实施A352 LCB涡轮出血阀体的细致门控和寒冷练习后.

石化反应器和压力容器

• 亚冷液体乙烯泵:

• • 乙烯植物存储并泵送乙烯 -104°C.
    LCC泵舱套管确保在-73°C认证上方足够的边距, 保持夏比能量 20 j 在 -104°C 在第三方检查期间.
  • 案例研究: 美国. 墨西哥湾海岸乙烯综合体部署LCC反应堆喷嘴.
    超过 150,000 服务时间没有脆性骨折, 即使在维护期间，也需要计划外的热身到-50°C.

10. 与其他标准的比较

在选择关键应用的材料时, 了解ASTM A352铸钢与其他相关标准相比是必不可少的.

11. 新兴趋势和未来发展

高级冶金: 干净的钢制和谷物精炼

• 与niobium进行微合同 (NB) 和钛 (的):

• • NB和TI形式 (NB,的)c 与单独的V相比，沉淀出更有效的固定晶粒边界, 导致 ASTM 9–10 谷物尺寸，即使在大型铸件中.
  • 改善低温韧性 (CVN≥ 30 j在-100°F的LCC) 在原型试验中展示.

• 真空弧删除 (我们的):

• • 用于关键的核或深层铸造, VAR消除了溶解的气体并将包含含量减少到 < 1 ppm - 带有CVN的近乎流动性的组成部分 > 45 J at -150°F (-100°C).

增材制造 (是) 对于低温钢组件

• 电子梁熔化 (EBM) 和 选择性激光熔化 (SLM) 镍 - 铁 - 奇异粉末允许近乎净形的产生小型,
  复杂的组件 (例如。, 低温传感器外壳) 传统上是由A352铸件制成的.
• 混合铸造 - am: 使用 是生产模具 随着共形冷却通道，加速周期时间并改善铸件中的微结构均匀性.
  铸造试验显示，孔隙率降低并改善了CVN 15 %.

数字铸造: 模拟和质量控制

• 计算流体动力学 (参见):

• • 虚拟门控设计以优化金属流量, 减少与湍流相关的缺陷.
  • 预测 固化收缩 和 孔隙率 使用 有限元分析 (fea).

• 实时监控:

• • 嵌入 热电偶 和 压力传感器 在模具中提供有关倒入温度和压力的瞬时反馈, 允许闭环控制即时纠正异常.

• 机器学习 (ML) 用于缺陷预测:

• • 经过历史铸造数据培训的ML算法预测铸件有缺陷 (> 90% 准确性) 基于实时传感器输入 (温度梯度, 门控压力, 炉排放).

极端环境的新颖涂料和表面处理

• 纳米复合涂料:

• • ti-al-n 和 CRN 应用于A352铸件内部通道的PVD涂料证明了 300 % 含有颗粒物的低温气体流中的较长侵蚀寿命.

• 自我修复环氧衬里:

• • 合并 微囊化剂 在微裂缝形成时释放聚合物, 无手动维护的低温管道中密封针孔.

• 钻石状的碳 (DLC):

• • 泵叶轮表面上的DLC涂层减少液化天然气泵中的摩擦和气蚀, 扩展MTBF 40%.

12. 结论

ASTM A352是工程师设计组件的重要材料规范，暴露于低温和高压服务.

无论是在低温液化天然气终端还是北极近海平台, 像LCC这样的A352等级, LCB, 和CA6NM提供了力量, 韧性, 以及现代基础设施要求的可靠性.

通过了解其冶金差异, 制造要求, 和应用程序相关性, 行业专业人员可以自信地选择并指定正确的铸造等级, 长期表现.

 

常见问题解答

什么是ASTM A352用于?

ASTM A352主要用于制造铸钢组件，例如阀门, 泵, 和为低温或低温服务设计的压力容器.

它的高韧性和强度使其非常适合苛刻的工业环境，例如化学加工和发电.

可以焊接ASTM A352铸件吗?

是的, ASTM A352铸造钢可以焊接.

适当的预热, 通气间温度控制, 建议进行焊后热处理以保持机械性能并避免破裂.

ASTM A352铸造钢耐腐蚀性是否存在?

ASTM A352钢提供中等耐腐蚀性, 可以通过表面处理或涂层改进, 取决于服务环境.