铸造不锈钢的性能

1. 介绍

铸造不锈钢兼具耐腐蚀性, 良好的机械强度和复杂形状的铸造性.

它们用于腐蚀的地方, 温度, 或卫生要求排除了普通碳钢，并且用锻板制造复杂的几何形状成本高昂或不可能.

性能取决于合金系列 (奥氏体, 双工, 铁素体, 马氏体, 沉淀硬化), 铸造方法, 热处理和质量控制.

正确的规格和工艺控制对于避免脆化相和铸造缺陷至关重要，这些缺陷会抵消金属的固有优势.

2. 核心定义 & 铸造不锈钢的分类

核心定义——“铸造不锈钢”的含义

投掷 不锈钢 指将熔融合金倒入模具中并使其凝固而制成的含铬铁合金, 然后根据需要进行精加工和热处理.

使它们成为“不锈钢”的决定性特征是足够的铬含量 (通常还有其他合金元素) 形成并维持连续的, 自修复氧化铬 (cr₂o₃) 显着减少全面腐蚀的薄膜.

铸件用于复杂几何形状的地方, 整体特征 (段落, 发号施令, 肋骨), 或者铸造的经济优势超过锻造制造的优势.

逐个家庭的总结 (桌子)

命名约定 & 普通铸造牌号 (实用说明)

• 铸造不锈钢牌号经常使用 铸造名称 而不是锻造数字 (例如: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 许多规格的等效项).
  这些铸造代号和合金名称因标准系统而异 (ASTM, 在, 他, ETC。).
• “CF” / “CA” / “光盘” 在某些标准中，前缀通常用于表示铸造奥氏体/铁素体/双相钢组; 制造商也可以使用专有名称.
  始终指定 化学范围 和 机械/热处理要求 在采购文件中以避免歧义.

3. 冶金与显微组织

合金系列及其定义特征

• 奥氏体 (例如。, 304, 316, CF8/CF3 等效铸件): 面心立方 (FCC) 镍稳定铁基体 (或氮气).
  优异的韧性和延展性, 出色的耐一般腐蚀性能; 容易受到氯化物点蚀和应力腐蚀开裂的影响 (SCC) 在某些环境下.
• 双工 (例如。, 2205-类型转换等效项): 大致相等的铁氧体 (以身体为中心的立方体, BCC) + 奥氏体相.
  高力量, 由于贫铬区形成较少，因此比奥氏体钢具有优异的抗点蚀/缝隙性能和更好的抗应力腐蚀开裂性能; 需要控制冷却以避免脆性相.
• 铁素体: 大部分是 BCC 铬稳定的; 在某些环境下具有更好的应力腐蚀性能, 与奥氏体相比，低温韧性较低.
• 马氏体: 可热处理, 可以做得非常坚固和坚硬, 与奥氏体和双相钢相比，具有中等耐腐蚀性; 用于耐磨铸件.
• 沉淀硬化 (ph): 可时效硬化的合金 (镍基或不锈钢 PH 牌号), 提供高强度和合理的耐腐蚀性.

关键的微观结构问题

• 碳化物沉淀 (m₂₃c₆, 中号₆C) 和 西格玛 (一个) 阶段 当铸件在 600–900 °C 范围内保持太长时间时会形成 (或通过它慢慢冷却).
  这些易碎的, 富铬相会消耗基体中的铬并降低韧性和耐腐蚀性.
• 金属间化合物和夹杂物 (例如。, 硅化物, 硫化物) 可以充当裂纹引发剂.
• 隔离 (化学不均匀性) 是铸造所固有的，必须通过熔化和凝固控制以及有时的均质化热处理来最小化.

4. 铸造不锈钢的物理性能

以上数值为代表性工程范围. 请务必查阅指定等级的供应商数据, 铸造路线及热处理状态.

5. 电气 & 铸造不锈钢的磁性

• 电阻率: 奥氏体铸造不锈钢 (CF8, CF3M) 有高电阻率 (700–750 nΩ·m（25°C）)—比铸碳钢高3倍 (200 NΩ·m).
  这使得它们适合电气绝缘应用 (例如。, 变压器外壳).
• 磁性: 奥氏体等级 (CF8, CF3M) 是 非磁性 (相对磁导率μ≤1.005) 由于其 FCC 结构——对于医疗设备至关重要 (例如。, MRI 兼容组件) 或电子外壳.
  铁素体 (CB30) 和马氏体 (CA15) 牌号是铁磁性的, 限制其在磁敏感环境中的使用.

6. 铸造工艺及其对性能的影响

不锈钢的常见铸造路线:

• 沙子铸造 (绿沙, 树脂砂): 灵活适用于大型或复杂零件.
  如果不加以控制，微观结构会更粗，孔隙率更高的风险. 适用于多种泵体和大型阀门.
• 投资 (失去蜡) 铸件: 出色的表面光洁度和尺寸精度; 通常用于较小的, 需要严格公差的复杂零件.
• 离心铸件: 发出声音, 细晶粒圆柱形零件 (管道, 袖子) 通过定向凝固最大限度地减少内部缺陷.
• 外壳和真空铸造: 提高关键应用的清洁度并减少气体滞留.

工艺影响:

• 冷却速度 影响枝晶间距; 更快的冷却 (投资, 离心) → 更精细的微观结构 → 通常更好的机械性能.
• 熔体清洁度和浇注实践 确定直接影响疲劳和密封性的夹杂物和双膜水平.
• 定向凝固和冒口设计 最大限度地减少缩孔.

7. 铸造不锈钢的机械性能

强度和延展性

• 奥氏体铸件: 良好的延展性和韧性; UTS 通常为数百 MPa; 延展性高 (在没有缺陷的情况下，铸造 316L 的伸长率通常为 20–40%).
• 双相铸件: 由于铁氧体，产量和 UTS 更高 + 奥氏体; 典型 UTS ~600–900 MPa，通常屈服 >350 MPA.
• 马氏体/PH铸件: 可以达到非常高的 UTS 和硬度，但延展性降低.

疲劳

• 疲劳寿命为 非常敏感 铸造缺陷: 孔隙率, 包含, 表面粗糙度和收缩是常见的裂纹引发因素.
  适用于旋转或循环负载, 低孔隙率工艺, 射击, 时髦的 (热等静止), 和表面加工通常用于提高疲劳性能.

蠕变和高温

• 一些不锈钢牌号 (特别是高合金和双相钢) 在高温下保持强度; 然而，长期蠕变性能需要与合金和预期寿命相匹配.
  热暴露下的碳化物/σ相沉淀会严重降低蠕变和韧性.

8. 热处理, 微观结构控制和相稳定性

解决方案退火 (典型的)

• 目的: 溶解不需要的沉淀物并恢复均匀的奥氏体/铁素体基体; 通过将铬返回固溶体来恢复耐腐蚀性.
• 典型制度: 加热至适当的溶液温度 (对于许多奥氏体不锈钢通常为 1,040–1,100 °C), 坚持同质化, 然后 快速淬火 保留已溶解的元素. 确切的温度​​/时间取决于等级和截面厚度.
• 警告: 坩埚和截面尺寸限制可实现的淬火速率; 重型部件可能需要特殊程序.

老化和沉淀

• 双工 和 马氏体 等级可能会老化以进行财产控制; 老化/时间-温度窗口必须避免西格玛和其他有害阶段.
• 过度老化 或不适当的热历史会产生碳化物和西格玛，从而脆化并降低耐腐蚀性.

避免西格玛相和铬消耗

• 控制冷却 通过脆弱的温度范围, 避免长时间保持在 ~600–900 °C 之间, 并在需要时使用焊后或固溶退火.
  材料选择和热处理设计是主要防御.

9. 耐腐蚀——铸造不锈钢的核心优势

耐腐蚀是工程师选择铸造不锈钢的主要原因.

与许多依赖大体积涂层或牺牲保护的结构金属不同, 不锈钢因其化学性质和表面反应性而获得持久的耐环境性.

不锈钢如何抗腐蚀——钝化膜概念

• 被动防护: 合金中的铬与氧反应形成薄层, 连续氧化铬层 (cr₂o₃).
  这种薄膜只有纳米厚，但却非常有效: 它减少离子传输, 阻止阳极溶解, 而且——最重要的是——是 自愈 当损坏时，只要有氧气可用.
• 合金协同作用: 镍, 钼和氮稳定基体并提高钝化膜的抗局部击穿能力 (特别是在氯化物环境中).
  因此，钝化膜的稳定性是化学的结果, 表面状况, 和当地环境.

对于铸造不锈钢来说重要的腐蚀形式

了解可能的失效模式侧重于材料选择和设计:

• 一般的 (制服) 腐蚀: 在大多数工业环境中，适当合金化的不锈钢很少见——钝化膜使均匀损耗保持在非常低的水平.
• 点腐蚀: 本地化, 当钝化膜局部破裂时，通常会产生小而深的凹坑 (氯化物是经典的引发剂). 点蚀可能很严重，因为小缺陷会很快渗透.
• 缝隙腐蚀: 发生在氧气耗尽的屏蔽间隙内; 氧气梯度促进局部酸化和氯化物浓度, 破坏缝隙内的被动性.
• 应力腐蚀开裂 (SCC): 需要易受影响的合金的脆性开裂机制 (在氯化物环境中通常为奥氏体不锈钢), 拉伸应力, 以及特定的环境 (温暖的, 含氯的). 鳞状细胞癌可能会突然出现并造成灾难性的后果.
• 微生物影响的腐蚀 (MIC): 生物膜和微生物代谢 (例如。, 硫酸盐还原菌) 可以产生腐蚀不锈钢铸件的局部化学物质, 特别是在停滞或低流量的缝隙中.
• 侵蚀腐蚀: 机械磨损和化学侵蚀的结合, 通常，高速或冲击会剥离保护膜并暴露新鲜金属.

合金化的作用——具体说明什么以及为什么

某些元素强烈影响局部耐腐蚀性:

• 铬 (Cr): 被动性的基础; 最低含量定义了“不锈钢”行为.
• 钼 (莫): 在提高抗点蚀和抗裂隙方面非常有效——对于海水和氯化物服务至关重要.
• 氮 (n): 强化奥氏体，大大提高抗点蚀能力 (高效的小添加).
• 镍 (在): 稳定奥氏体并支持韧性和延展性.
• 铜, 钨, 铌/钛: 用于特殊环境的专用合金.

一个有用的比较指标是耐点蚀当量数 (木头):

PREN=%Cr+3.3×%Mo+16×%N

典型的PREN (圆形的, 代表):

• 304 / CF8 ≈ 〜19 (耐点蚀性低)
• 316 / CF8M ≈ 〜24 (缓和)
• 双工 2205 / CD3MN ≈ 〜35 (高的)
• 超级杀伤力 (例如。, 高钼 / 254SMO 等效项) ≈ 〜40–45 (非常高)

实用规则: 更高的 PREN → 更强的抗氯化物引起的点蚀/缝隙腐蚀的能力. 选择与暴露严重程度成比例的 PREN.

环境驱动因素——不锈钢失效的原因

• 氯化物 (海浪, 除冰盐, 含氯工艺流) 是主要的外部威胁——它们促进点蚀, 缝隙腐蚀和SCC.
• 温度: 温度升高会加速化学侵蚀和应力腐蚀开裂 (SCC) 敏感性; 氯化物的组合 + 高温特别具有攻击性.
• 停滞 & 缝隙: 低氧和密闭空间会集中侵蚀性离子并破坏局部钝性.
• 机械应力: 拉伸应力 (残留或应用) 对于 SCC 来说是必要的. 设计和应力消除可降低风险.
• 微生物生命: 生物膜改变局部化学; MIC 在湿环境中尤其重要, 冲洗不良的系统.

设计 & 最大限度提高耐腐蚀性的规范策略

1. 正确的等级选择: 将 PREN/化学与暴露相匹配 — 例如, 316 对于中等氯化物, 双工 / 适用于海水或富含氯化物的工艺流的高钼牌号.
2. 控制热历史: 需要固溶退火 + 淬火（如有指示）; 指定双相钢种 σ 形成窗口中的最大冷却时间.
3. 表面质量: 指定表面光洁度, 用于卫生级或高点蚀风险部件的电解抛光或机械抛光; 更光滑的表面减少凹坑的产生.
4. 细节处理避免缝隙: 消除紧密缝隙的设计, 提供排水并允许检查通道. 使用垫片, 在不可避免的接头处选择密封剂和正确的紧固件.
5. 焊接练习: 使用匹配/过度合金填充金属, 控制热量输入, 并根据需要指定 PWHT 或钝化. 保护焊缝免受焊后敏化.
6. 介电隔离: 将不锈钢零件与异种金属电气隔离，以防止电化学加速腐蚀.
7. 涂料 & 衬里: 当环境甚至超过高合金能力时, 使用聚合物/陶瓷衬里或包层作为第一线 (或作为备份) — 但在没有检查规定的情况下，不要仅依靠涂层来实现关键遏制.
8. 避免在 SCC 敏感环境中产生拉应力: 减少设计压力, 应用压缩表面处理 (射击), 并控制运行负载.

10. 制造, 加入, 和维修

焊接

• 铸造不锈钢一般是 可焊接, 但需要注意:

• • 将填充金属与基础合金相匹配或选择更耐腐蚀的填充物以避免电偶效应.
  • 对某些马氏体牌号进行预热和道间控制，以管理硬度和开裂风险.
  • 焊后固溶退火 奥氏体和双相填料通常需要恢复耐腐蚀性并减少残余应力.
  • 避免缓慢冷却，以免产生 σ 相.

加工

• 可加工性各不相同: 奥氏体不锈钢加工硬化，需要锋利的工具和适当的速度; 由于强度较高，双相钢在某些情况下切割效果更好. 使用适当的冷却液和切削参数.

表面饰面

• 酸洗和钝化可恢复氧化铬并去除游离铁污染物.
  电化学抛光或机械精加工可提高清洁度, 减少缝隙位置并提高耐腐蚀性.

11. 经济的, 生命周期和可持续性考虑

• 成本: 铸造不锈钢原材料成本高于碳钢和铝, 并且铸造需要更高的熔化温度和耐火材料成本.
  然而, 腐蚀性环境中的使用寿命延长和维护减少可以证明溢价是合理的.
• 生命周期: 在腐蚀环境下使用寿命长, 更低的更换频率和可回收性 (不锈钢废料价值高) 提高生命周期经济性.
• 可持续性: 不锈钢合金含有具有重要战略意义的元素 (Cr, 在, 莫); 负责任的采购和回收至关重要.
  初始生产的能量很高, 但回收不锈钢可显着减少隐含能源.

12. 比较分析: 铸造不锈钢与. 竞争对手

13. 结论

铸造不锈钢在结构和耐腐蚀铸造材料中占有独特且重要的战略地位.

单个属性并不能定义其值, 而是通过耐腐蚀性的协同组合, 机械强度, 耐热性, 合金设计的多功能性, 以及与复杂铸件几何形状的兼容性.

当评估绩效时, 可靠性, 和生命周期指标, 铸造不锈钢始终被证明是适合苛刻工业环境的高性能解决方案.

全面的, 铸造不锈钢以其高完整性而脱颖而出, 多才多艺的, 为需要耐腐蚀的行业提供可靠的材料选择, 机械耐久性, 和精密铸造性.

 

常见问题解答

铸造不锈钢与锻造不锈钢一样耐腐蚀?

可以, 但前提是铸造化学, 金相组织和热处理符合相同标准.

铸件有更多的机会发生偏析和沉淀; 通常需要固溶退火和快速淬火来恢复完全的耐腐蚀性.

如何避免铸件中的西格玛相?

避免在 ~600–900 °C 之间长时间保持; 设计固溶退火和淬火热处理, 并选择不易出现西格玛的合金 (例如。, 平衡双链化学) 敌对热历史.

我应该选择哪种铸造不锈钢用于海水应用?

高PREN双相合金或特定的超级奥氏体 (高钼, n) 通常是首选. 316/316在飞溅区或含氧海水高速流动的地方，L 可能不够.

铸造不锈钢部件是否可以现场焊接?

是的, 但焊接可能会局部改变冶金平衡. 可能需要进行焊后热处理或钝化以恢复焊缝附近的耐腐蚀性.

哪种铸造方法可以为关键零件提供最佳的完整性?

离心铸件 (用于圆柱形零件), 熔模/精密铸造 (用于小型复杂零件) 真空或受控气氛模具铸造与 HIP 相结合，可提供最高的完整性和最低的孔隙率.

铸造不锈钢是否适合高温应用?

奥氏体等级 (CF8, CF3M) 可用温度高达 870°C; 双工成绩 (2205) 高达 315°C.

对于温度 >870°C, 使用耐热铸造不锈钢 (例如。, HK40, 和 25% Cr, 20% 在) 或镍合金.