钢和其他钢合金的热性能和常见应用

前言

钢铁是目前世界上最受欢迎的金属，促使钢铁公司继续大规模生产以应用于许多行业。钢的流行可归因于这样一个事实，即它还产生数千种不同的成分，这些成分表现出独特的特性组合，使制造商能够选择最合适的合金进行制造。

合金是指由两种或多种金属元素结合而成的金属，而钢可以描述为铁和碳的合金。在钢的情况下，可以生产不同的合金以提高整体硬度和耐腐蚀性。由于钢的多功能性及其与许多不同元素结合的能力，已经创建了 3500 多种不同等级的金属，并根据它们的不同特性进行分类。该等级基于存在的碳量、加工金属的方法以及可能在金属混合物中富集的其他合金。

图 1：用于乳制品安全的冷冻食品

钢的导热系数

热导率描述了热能通过材料传输的速度钢材的热物理参数，以瓦特/米/开尔文 (W/(mK)) 为单位测量。与低导热率的材料相比，高导热率的材料可以更快、更有效地传递热量。钢是所有金属中导热率值最低的材料之一，并且传递热量非常温和，非常适合在汽车或客机底盘等低温环境中使用。大多数金属表现出高导热性，并富含许多负责传导热量的快速互连电子。钢的热导率约为45W/(mK)，与铜的398W/(mK)和铝的235W/(mK)的热导率值相比是极低的。

图 2：客机中钢材的位置图：钢材非常适合用于低温暴露区域，例如底盘内部和周围

钢种

钢的多功能性以及它的一些关键热性能使这些金属在多个行业中占据主导地位。钢通常用于生产乳制品加工设备、医疗器械和卧室用品。根据钢材的具体类型，其应用可能会越来越具体和专业化。钢材一般分为四大类：不锈钢、合金钢、工具钢和碳钢。

不锈钢

不锈钢是一种含碳量高的合金。这些钢是最常用的，约占钢铁产值的90%。根据碳含量，不锈钢可进一步分为三类。低碳钢（高达0.3% 的碳）具有低硬度和高延伸率，是应用最广泛的合金。对于机械点焊、结构管材（工字梁、槽钢和型材线）、建筑、桥梁部件和乳品罐的生产公司而言，低碳钢是一种用途广泛且极具成本效益的选择。中不锈钢（含碳0.3-0.6%）比低碳钢具有更高的硬度和耐磨性，常用于高铁轨道、火车车轮、齿轮和机械零件. 高不锈钢（大于0.

不锈钢代表平均热导率最高的等级，为 45W/(m/K)。含碳量超过0.1%（取决于长度）的钢可以通过热处理来硬化，以增加金属的硬度。最常见的热处理包括固溶、硬化和渗碳。

图3：碳（低碳）钢棒

合金钢和工具钢

该合金仅包含其他元素，包括镍、铜、铬和/或铝。添加这种金属对钢的硬度和其他重要性能（如伸长率、耐腐蚀性和机械加工性）有重大影响。工具钢是另一大类金属，因其富含钨、钼、钴和钒，可以显着提高耐热性和耐用性，因此可以制作出色的切削和钻孔设备。

碳素钢

碳钢具有15W/(mK)的低导热率，这促使它比其他类型的钢保留更多的热能，从而更好地稳定环境湿度。由于碳钢在低温下仍能保持稳定的性能，因此常用于乳制品加工或低温冲击下的烤箱和输送机等应用中。碳钢是在 19 世纪初发现的，但花了 80 多年的时间才开发出一种可靠的工业方法来生产这些金属。碳钢有150多个牌号，但经常使用的只有15个。

图 4：碳钢被腐蚀

碳钢等级 304 和 316

304 和 316 是两种最常见的碳钢类型。每种类型在不同情况下都表现出相关的特殊性质。304碳钢和316碳钢都富含铁和铬这两种混合物，而这两种金属的比例是两个牌号存在显着差异的原因。

304 碳钢是用途最广泛的金属等级，尤其适用于低温环境中的应用。304碳钢一般富含18%的铬和8%的镍。它是制造水槽、平底锅、餐具、管道、酿酒设备、乳制品、食品加工机械和制药设备的关键部件。

316碳钢的铬含量较少（仅16%），但镍和钼含量较高。虽然 316 碳钢是第二畅销产品，但它对已知会腐蚀钢的有害硫酸盐和酸具有出色的耐腐蚀性。它是一种非常受欢迎的等级，用于医疗设备、食品加工和制备、沿海环境、高浊度地区以及高碱和酸环境。316碳钢的耐蚀性使得有害的物理物质不太可能损坏钢的外观，使清洁更容易。如果腐蚀损坏不是建筑公司的主要关注点，他们可能会选择成本效益较低的 304 级碳钢而不是 316。

概括

钢铁在许多行业都有广泛的应用。钢是一种合金，可以由多种金属和元素组成，使其在暴露于不同的环境条件下保持稳定。在金属类别中，所有等级和等级的钢都表现出极低的导热性钢材的热物理参数，这使钢能够在低温和高腐蚀性环境中保持其结构完整性。钢的这种特殊的热性能和其他关键特性使其成为并继续成为世界上最受欢迎的金属。