铸铁和钢都是主要由铁原子(在元素周期表中标记为 Fe)组成的黑色金属。元素铁在地球上含量丰富,但通常以氧化形式存在,需要经过深加工(称为熔炼)才能提取。
纯铁具有高磁性,常用于制造电磁设备的磁芯。然而,其质地柔软且容易变形,限制了其在工业制造中的直接使用。因此,它通常与其他元素(尤其是碳)形成合金,以增强其性能。例如,铸铁和钢是广泛使用的源自这种改进的铁合金的金属材料。
虽然铸铁和钢具有相似的外观,但每种都具有对于特定应用至关重要的独特特性。本文对这两种金属进行了深入比较,以帮助您为您的项目选择合适的金属。
铸铁是铁碳合金的一种,含碳量相对较高,在2%到4%之间。它是通过首先在高炉中熔炼铁矿石来生产生铁而制成的。然后,将生铁与大量废铁一起熔化,并将熔融金属倒入模具中凝固。 “铸铁”这个名字来源于用于塑造它的铸造工艺。
除碳含量外,通常还含有 1% 至 3% 的硅,以及微量的锰、磷和硫。碳和硅是影响铸铁组织和性能的关键元素。源自碳含量的石墨的形态和分布对于决定铸铁的类型和特性至关重要。根据碳的形态和显微组织,铸铁可进一步分为:
钢是铁的合金,碳含量各不相同,但通常低于 2%。钢是通过将熔融生铁在转炉(BOF)或电弧炉(EAF)中精炼以降低碳含量并去除杂质,然后将其浇注到模具中并冷却以形成固态钢而制成的。
在此过程中添加附加元素并调整碳含量,以生产具有特定性能的不同等级的钢。例如,钢通常容易腐蚀和生锈,但不锈钢却成为例外,由于其低碳含量和最低10.5%的铬含量,表现出显着的耐腐蚀和生锈能力。
根据成分和用途的不同,钢可分为多种类型。以下是一些常见的钢材类型:
为了区分这两种金属,我们先通过下表进行初步比较。
项目 | 铸铁 | 钢 |
碳含量 | 2%~4% | 低于2% |
熔点 | 2102~2372 华氏度 | 2500~2750 华氏度 |
铸造性 | 收缩率低、流动性好,易于铸造 | 由于流动性低且收缩率较大,不易铸造 |
力量 | 更高的抗压强度 | 更高的抗拉强度;卓越的冲击强度 |
耐磨性 | 好的 | 不如铸铁那么耐磨 |
耐腐蚀 | 更耐腐蚀,但往往仅限于表面防锈 | 与碳钢相比较差,但不锈钢具有优异的防锈性能 |
机械加工性 | 更容易加工 | 更耗时且更难使用工具 |
焊接性 | 焊接困难 | 更好的可焊性,从差到非常好 |
成本 | 由于生产钢铁所需的材料成本、能源和劳动力较低,因此通常更便宜 | 购买成本更高,并且需要更多的时间和精力来铸造 |
上表提供了铸铁和钢之间的一般比较。您可以关注第一栏列出的主要项目。下面,我们就带您一一深入了解。
这两种金属之间的主要区别在于它们的碳含量。铸铁的碳含量通常超过 2%,而钢的碳含量低于 2%。通常,较高的碳含量会导致较高的硬度和脆性。
此外,铸铁中的硅含量显着影响其性能,提供更好的流动性并减少铸造过程中的收缩。相比之下,钢通常含有其他合金元素,如铬、镍和钼,以增强其强度、韧性和耐腐蚀性。
铸铁的熔点通常为 1150°C 至 1300°C(2100°F 至 2370°F),而钢的熔点通常为 1370°C 至 1510°C(2500°F 至 2800°F) )。
铸铁较低的熔点使其在熔融状态下具有更好的流动性,更容易填充复杂的模具形状并形成致密的铸件。此外,其熔点较低导致冷却速度相对较慢,这为铸件内的液态金属提供了更多时间来填充因收缩而产生的空隙。因此,这可以最大限度地减少铸造过程中孔隙和裂纹的形成,从而提高铸件的密度。相反,钢的较高熔点使其能够在机械加工和高温热处理过程中保持强度和韧性。
如上所述,铸铁的熔点较低,且含有一定的硅;它在冷却过程中表现出优异的流动性和较小的收缩——因为石墨在凝固过程中沉淀,部分补偿了体积收缩。因此,与钢相比,铸铁具有优异的铸造性能。
相比之下,钢的流动性较差,对模具材料的反应性更强,在冷却过程中收缩更大,并且在整个铸造过程中需要更多的关注和检查。
铸铁和钢都因其耐用性而受到高度重视,但它们在各种强度方面却存在显着差异。让我们探讨一下它们的拉伸、压缩和冲击强度的差异。
抗拉强度:铸铁具有相对较低的抗拉强度。这是由于其结构中存在片状石墨或球状石墨,容易成为应力集中点,使其在拉力作用下容易断裂。相反,钢的显微组织更加均匀,通过合金化和热处理可以大大提高其抗拉强度。
抗压强度:一般来说,铸铁比钢具有更高的抗压强度。在压应力作用下,铸铁中的石墨结构不会造成应力集中,反而有助于分散应力,从而产生较高的抗压强度。相反,钢在抗压强度和抗拉强度方面表现出相当的性能,并且抗压强度范围更广。
冲击强度:两者都表现出良好的冲击强度,但钢通常优于铸铁,特别是在承受突然冲击和动态载荷的能力方面。这归因于钢的延展性和均匀的微观结构,使其能够吸收大量的能量而不会在冲击载荷下破裂。此外,钢在冲击载荷过程中会发生加工硬化,这进一步增强了其强度。另一方面,铸铁的脆性使其在冲击下容易断裂。然而,球墨铸铁(铸铁的一种变体)拥有更高的冲击强度,明显超过灰铸铁。即便如此,球墨铸铁仍无法与钢的冲击强度相媲美。
铸铁通常比钢(碳钢)表现出更好的抗机械磨损能力。这归因于其硬度和独特的石墨结构,可充当天然润滑剂。然而,铸铁的脆性限制了其在动态磨损环境中的应用。因此,它最适合制造静态和低冲击耐磨部件,例如机械床架、滑动轴承和摩擦衬片。
钢具有高韧性,在动态磨损环境下仍能保持良好的耐磨性,不易断裂。它适合制造动态和高冲击的耐磨部件,如齿轮、切削刀具和高磨损零件。
当暴露于氧气和湿气中时,这两种金属仍然容易腐蚀或生锈。然而,铁会产生铜绿,有助于防止深度腐蚀,保持金属的完整性。
为了防止腐蚀,一种方法是使用油漆或粉末涂料来提供额外的保护。或者,可以在钢中掺入铬、镍、钼等合金元素,以增强钢的耐腐蚀性能,使其适应不同的腐蚀环境。
铸铁具有良好的切削加工性。石墨的存在可作为天然润滑剂,减少刀具磨损并延长刀具寿命。此外,铸铁(尤其是灰口铸铁)的脆性使得切屑在加工过程中很容易碎裂成小块。这可以防止它们粘附在切削刀具上,从而使加工过程更加顺畅。
相比之下,钢的切削加工性根据其成分的不同而有很大差异。硬化钢或高碳钢带来了挑战,因为它们更耐加工并且会加速刀具磨损。另一方面,低碳钢虽然较软,但在加工过程中会变得粘连,使其处理起来具有挑战性。因此,仔细考虑加工技术和刀具选择对于成功的钢材加工至关重要。
与铸铁相比,钢具有明显更好的焊接性。由于铸铁含碳量高、脆性大,因此在焊接时很容易产生裂纹。此外,熔融铸铁很容易吸收空气中的氮气和氧气,导致形成气孔。
钢材的低碳含量使其在焊接过程中易于控制,适合多种焊接方法,包括电弧焊(SMAW)、气体保护焊(GMAW、TIG)、激光焊等。
铸铁往往比钢便宜,主要是因为与钢铁生产中使用的较高等级的铁和合金相比,其原材料(如铁矿石)更容易获得且更便宜。此外,铸铁的生产过程比钢的生产过程更简单且能耗更低。
通过上面的详细介绍和比较,您现在应该对这两种金属的区别有了全面的了解。为了帮助您选择最适合您需求的金属,您可以快速参考下表,了解它们的独特优势、局限性和主要应用。
优点 | 局限性 | 应用领域 | |
投掷铁 | ▪ Cheaper and easier to cast than steel ▪ High compressive strength ▪ Excellent wear resistance ▪ Good machinability, especially softer cast irons like gray iron ▪ Offers high hardness ▪ Good properties for a low cost ▪ Good anti-vibration property | ▪ Low tensile strength ▪ High brittleness | ▪ Pipes and fittings in water and sewage systems ▪ Automotive components like engine blocks, cylinder heads, brake discs, etc ▪ Manhole covers, street furniture, residential fence gates, decorative light posts, fireplace elements, and other furnishings in construction ▪ Cast iron frying pans and other cookware ▪ Bases and frames for heavy machinery |
钢 | ▪ Higher tensile strength ▪ Higher toughness/ductility ▪ Excellent impact resistance ▪ Better weldability | ▪ More expensive ▪ Prone to corrosion and rust, especially low carbon steel | ▪ Structural beams, rebar, and building frameworks ▪ Automotive body panels, chassis components, and safety components ▪ Rail car wheels, frames, and bolsters ▪ Mining machinery, construction equipment, and heavy trucks ▪ Heavy duty pumps, valves, and fittings ▪ Turbines and other components in power station assemblies |
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什么是管道线? 管螺纹是螺丝线程专为连接管道和配件而设计。它们允许将管道拧紧在一起,形成一个紧密的压力密封,用于流体或气体。管道线程有两种基本类型: 锥形线直径逐渐减小,形成锥状形状。 平行(直)线沿其长度保持恒定直径。 锥形管螺纹对于实现泄漏密接头尤为重要。当雄性和雌性锥形线被拧紧时,它们会互相楔入并形成压缩拟合度。这种锥形楔子会产生密封和强大的机械固定。但是,即使是经济良好的金属线的间隙也很小,因此通常将密封剂(例如水管工的PTFE胶带或管道涂料)应用于螺纹上,以填充任何空隙并确保完全无泄漏的连接。 另一方面,平行(直(直)管道线不提供密封;他们拧在一起而无需楔入。直线螺纹通常用扁平的洗衣机,O形环或垫圈密封,以防止泄漏。两种类型的线程都是常见的,但是选择取决于应用程序的密封需求。例如,花园软管使用带有橡胶洗衣机的直线来密封,而钢制管道则使用带胶带的锥形线。 什么是Tap Drill图表? Tap Drill图表是一张表格,可以告诉您在敲击线程之前要使用哪个钻头。钻得太大的孔,螺纹将很浅,容易泄漏。钻得太小,在切割过深的螺纹时,水龙头可能会结合甚至破裂。遵循图表可为您提供最佳的线程参与度,通常约为75%,这可以使强度与轻松敲击。换句话说,大约四分之三的全螺纹高度形成,在敲击过程中产生强烈的固定,没有过多的扭矩。在下一部分中,我们将重点介绍北美最常见的管道螺纹标准:NPT:NPT,并为NPT管道TAPS提供全面的Tap Drill图表。 了解NPT(国家管道锥度)线程 NPT代表国家管道锥线。它是美国和加拿大用于管道,空气软管,燃油管线和许多其他应用的标准锥形管线。如果您曾经将PTFE(Teflon)胶带包裹在管道或安装中,那么您很可能已经使用了NPT线。这些线的比例为1:16,这意味着每16英寸长的直径增加1英寸(每英尺约0.75英寸)。相对于管道的中心线,这对应于1.79°半角度。这似乎似乎很小,但是足以确保雄性NPT拟合被拧入女性端口,它们越远,螺纹楔子更紧密,从而产生了自封的干扰。 NPT使用与标准的美国螺纹相同的60°螺纹轮廓,但具有扁平的波峰和根源,以增加强度。在ANSI/ASME B1.20.1中定义了所有临界维度和公差,包括每英寸线(TPI),音高直径限制和线程接合长度。管道尺寸由名义内径(例如½“或¾”)命名,但该数字不能反映实际的外径。例如,¾“ NPT管道的测量约为1.050”。此外,由于诸如BSPT和NP之类的标准共享标称大小,但使用不同的音高或线程表单,因此您必须指定名义大小(以匹配OD)和TPI(以匹配线程螺距)以选择正确的点击或拟合。 为了给出正式的NPT几何感,以½英寸的NPT线程为例:它具有14个TPI和16个锥度的1个。螺纹形式是扁平的60°“ V”,其半角度的圆锥形为1°47'24''(1.7899°),与中心线同样应用于男性和女性线。当您手动安装配件时,大约3-4个线(“ L1尺度长度”)的尺寸很小;然后,使用扳手添加另外1.5-3个“扳手化妆”线以完成密封。 您经常会看到商店的速记,例如“ MIP/FIP”或“ MNPT/FNPT”(雄性/雌性铁管或NPT),以区分外部线和内部线,而ANSI则将其称为外部或内部NPT,但昵称使其很快识别出哪个在商店地面上。 NPT线程如何工作 因为雄性和女性线都是锥形的,因此拧紧它们会产生楔子效果。螺纹侧面互相挤压,形成一个机械强度且非常紧密的关节。您会注意到,只需几回合后,正确收紧的NPT关节就会感到贴合 - 这是锥度完成工作的锥度。不过,NPT线程并不是完全防漏的。螺纹之间存在很小的螺旋间隙,如果您不使用密封剂,则可能会泄漏。这就是为什么安装程序在组装前将雄性螺纹包裹在液体/粘贴密封剂上的雄性线:它可以润滑螺纹并填充微间隙,从而确保气体或水密密封。在燃油气或液压系统中,切碎的胶带可以堵塞阀,技术人员通常更喜欢糊密封剂。 NPT线程的应用 NPT线程在日常和工业环境中无处不在。住宅水和天然气管道依赖于NPT配件来可靠泄漏。气动工具和空气压缩机在软管,阀门和快速连接耦合器上使用NPT连接器。在汽车和重型机械中,NPT配件可为传感器(例如油压发件人)和流体线(制动或冷却液系统)提供,并为其简单起见以及广泛的现成零件而珍贵。由于符合ANSI的水龙头,死亡和配件都遵循相同的规格,因此您可以不用担心混合品牌。这种通用的兼容性使NPT成为北美的首选管道。 NPT Tap Drill图表 当在孔中创建内部NPT螺纹(例如,敲击管道装件或储罐中的一个孔中的孔)时,您必须首先钻一个适当的尺寸孔。由于NPT螺纹是锥形的,因此钻孔通常比水龙头的最大直径小一点,以使水龙头随着锥度的前进而切割锥度。下面是通用管道尺寸的全面NPT Tap钻图: 名义管尺寸(英寸)每英寸线(TPI)点击钻(英寸)抽气钻(mm)线程参与(%)1/16270.2426.15〜75%1/8270.3328.43〜75%1/4180.4375(7/16英寸)11.11〜75%3/8180.5625(9/16英寸)14.29〜75%1/2140.7031(45/64英寸)17.86〜75%3/4140.9063(29/32“)23.02〜75%111½1.1406(1-9/64英寸)28.97〜75%1¼11½1.4844(1-31/64英寸)37.70〜75%1½11½1.7188(1-23/32英寸)43.66〜75%211½2.2188(2-7/32英寸)56.36〜75%2½82.6250(2-5/8“)66.67〜75%383.2500(3-1/4英寸)82.55〜75%3½83.7500(3-3/4英寸)95.25〜75%484.2500(4-1/4英寸)107.95〜75% 笔记: 上面列出的Tap Drill尺寸假定直接敲击而无需转换。线程参与度(%)表示已达到的全线深度的百分比 - 典型的管道螺纹典型,平衡关节强度和敲击扭矩。括号中的钻头大小是标准字母或折射尺寸的标准尺寸(例如1/8-27 NPT使用字母Q钻,0.332“)。 管道水龙头是锥形的,因此您必须深入到足够深的深处以形成正确的螺纹锥度。制造商通常会指定所需的卷入线数,也可以使用NPT插头量表进行验证。定期退缩以清除芯片并在挖掘金属时使用切割液 - 水管水龙头由于直径较大和锥度而去除大量材料。 如果有锥形介孔器,您可以先用1:16锥形铰刀在攻击之前将钻孔钻孔。这会减少敲击扭矩,并可以在孔的末端稍微增加螺纹互动。但是,大多数字段和DIY应用都使用上面显示的直钻和tap方法,该方法提供了足够紧密的接头。 将NPT与其他线程类型进行比较 NPTF(国家管道锥度燃料) 这是一个干密封的锥形管螺纹,通常称为dryseal NPT或管道螺纹燃料。它具有与标准NPT相同的锥度(1:16)和线螺距,也具有60°螺纹角度。关键区别在于螺纹的顶峰和根设计:NPTF线在波峰和根上的间隙为零,从而形成了一种干扰拟合,可将金属对金属固定而无需任何密封剂。这使得NPTF非常适合对超透露率敏感的应用,即使是微小的泄漏或密封剂污染也是不可接受的。尽管NPTF和NPT具有尺寸并将其物理贴合,但仅交配NPTF雄性和女性会产生干密封。 NPTF由ANSI/ASME B1.20.3定义,而标准NPT则使用B1.20.1。 典型用途:高压液压系统;燃料系统;和其他流体功率应用(例如,制动系统组件或燃油轨配件)。 NPS(国家管道直线) 该螺纹标准具有与相应的NPT大小相同的螺纹角,形状和音高,但它是直(平行)而不是锥形的。虽然NPS线将拧到相同尺寸和TPI的NPT拟合上,但其缺乏锥度会阻止楔形密封件,并且可能会泄漏。 NPS线用于机械连接或由O形圈或垫圈等单独元素提供密封的地方。 典型用途:电导管螺纹(通常称为NPSM),消防软管耦合或大型直径水管工会以及燃气灯笼或老式的管道工会,密封垫圈或垫圈会产生密封。 […]
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