钢的导热系数概述及其他钢合金的热性能与常见应用

钢和其他钢合金的热性能和常见应用

前言

钢作为目前全球最受欢迎的金属,使得钢铁公司不断大规模生产,以应用到众多行业之中。钢的流行可以归因于它能够形成数千种不同的组合物,而这些组合物显示出独特的特性组合,使制造商能够选择最适合的合金用于制造业。

合金是指由两种或两种以上金属元素结合而成的金属,而钢可以被描述为铁和碳的合金。就钢而言,可以形成不同的合金,以增强整体强度和耐腐蚀性。由于钢的多功能性及其与多种不同元素结合的能力,它已经创造了3500多种不同等级的金属,并根据它们的不同性质进行了分类。而这些等级是根据存在的碳量、金属的加工方式以及金属混合物中可能含有的其他合金来确定的。

欧洲钢铁厂
图一:冷藏食物以保障食品安全

钢的导热系数

热导率描述了热能通过材料传输的速率,以瓦特/米/开尔文(W/(mK))为单位。与导热系数低的材料相比,导热系数高的材料可以更快、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,传热非常缓慢,这使其成为用于高温环境(如车辆或飞机发动机)的理想材料。大多数金属显示出很高的导热性,并含有许多快速移动的负责传导热量电子。钢的导热系数约为45 W/(mK),与铜398 W/(mK)和铝235 W/(mK)的热导率值相比,这是极低的。

飞机中钢的位置图:钢非常适合在高温暴露区域(例如发动机内部和周围)使用
图二:飞机中钢的位置图:钢非常适合在高温暴露区域(例如发动机内部和周围)使用

钢材种类

钢的多功能性及其一些关键的热性能,导致这种金属在多个行业占据主导应用地位。在食品加工设备、医疗器械和厨房用具的生产过程中,经常使用钢材。根据钢的具体类型,其应用可以变得更加具体和专业化。钢通常分为四类:碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢。

 

碳钢

碳钢是一种含碳量很高的一种合金。这种钢是最常用的,约占钢铁产量的90%。根据碳含量,碳钢可进一步分为三个类别。低碳钢(含碳量高达0.3%),具有低强度和高延展性,是应用最广泛的合金。低碳钢对于生产公司来说是一种用途广泛且成本效益极高的选择,适用于机械焊接、结构型材(L 型钢、槽钢和角钢管道)、建筑、桥梁组件和食品罐。中碳钢(含碳0.3-0.6%)比低碳钢具有更高的强度和耐磨性,常用于铁路轨道、火车车轮、齿轮和机械零件。高碳钢(含碳量超过0.6%)具有最高的耐磨性和强度,通常用于切割工具和弹簧。

碳钢代表平均导热系数最高的一类,为45 W/(m/K)。含碳量超过0.1%(取决于厚度)的钢可以通过热处理硬化,以提高金属的强度。最常用的热处理包括退火、硬化和回火。

碳(低碳)钢棒
图三:碳(低碳)钢棒

合金钢和工具钢

合金钢包含额外的元素,包括镍、铜、铬和/或铝。 添加这些金属对钢的强度和其他重要性能(如延展性、耐腐蚀性和可加工性)有重要影响。工具钢是另一种主要的金属类别,因为它们含有可以显著提高耐热性和耐用性的钨、钼、钴和钒,所以可以制造出色的切割和钻孔设备。

不锈钢

不锈钢具有15 W/(mK)的低导热系数,这使得它比其他类型的钢保留更多的热能,从而更好地稳定环境温度。由于不锈钢在高温下也能保持稳定的性能,它经常用于食品加工或高温冲击下的烤箱和输送机等应用中。不锈钢是在19世纪初被发现的,但人们花了80多年的时间才开发出一种可靠的工业方法来生产这种金属。目前有超过150个等级的不锈钢,但经常使用的只有其中的15个等级。

不锈钢被腐蚀
图四:不锈钢被腐蚀

不锈钢等级之304和316

304和316是最常见的两种不锈钢类型。每种类型都显示出在不同环境时的相关独特属性。 304不锈钢 和 316不锈钢都含有铁和铬的这两种混合物,而这两种金属的比例,是这两个等级之间明显差异的原因。

304不锈钢是用途最广泛的金属等级,非常适合在高温环境中的应用。304不锈钢通常含有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组成。

316不锈钢含有较少的铬(仅 16%),但含有较多的镍和钼。尽管316不锈钢在销量排名第二,但它对已知会腐蚀钢材的有害氯化物和酸具有出色的耐腐蚀性。它是一种非常受欢迎的等级,可用于医疗设备、食品加工和制备、沿海环境、高盐度地区以及高碱和酸的环境中。316不锈钢这种耐腐蚀性,使得有害化学物质不太可能损坏钢材的外观,让清洁也变得更容易。如果腐蚀损坏不是建筑公司主要关注点,他们可能会选择成本效益更低的304等级不锈钢而不是316。

小结

钢在多个行业有着广泛的应用。钢是一种合金,可以由各种金属和元素组成,使其暴露于不同环境条件下时,能够保持性能稳定。所有类别和等级的钢,在金属类别中,都显示出极低的导热率,这使钢能够在高温和高腐蚀环境中保持其结构完整性。钢的这些独特的热性能和其他关键特性,使它成为并继续成为世界上最受欢迎的金属。

作者:Kallista Wilson

文献参考:

304 vs 316 Stainless Steel: What You Need to Know. (2018, April 30). Retrieved August 26, 2020, from https://www.unifiedalloys.com/blog/304-316-stainless

Carbon Steel: Properties, Production, Examples and Applications. (n.d.). Retrieved August 26, 2020, from https://matmatch.com/learn/material/carbon-steel

Comparing the Thermal Conductivity of Stainless Steel to other Metals. (2020, January 30). Retrieved August 26, 2020, from https://www.stainless-structurals.com/blog/comparing-the-thermal-conductivity-of-stainless-steel-to-other-metals/

Fussell, A. (2018, June 04). 10 Fun Facts About Stainless Steel. Retrieved August 26, 2020, from https://www.diversifiedmetals.com/10-fun-facts-stainless-steel/

Sponsored by Aalco – Ferrous and Non-Ferrous Metals StockistMay 18 2005. (2020, May 29). Stainless Steels – Stainless 304 Properties, Fabrication and Applications. Retrieved August 26, 2020, from https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=2867

STEELS. (n.d.). Retrieved August 26, 2020, from https://www.thermopedia.com/content/1152/

Thermal Properties of Carbon Steel – Melting Point … (n.d.). Retrieved August 26, 2020, from https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/metals-what-are-metals/steels-properties-of-steels/carbon-steel-plain-carbon-steel/thermal-properties-of-carbon-steel-melting-point-thermal-conductivity/

Thermal Properties of Carbon Steel – Melting Point … (n.d.). Retrieved August 26, 2020, from https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/metals-what-are-metals/steels-properties-of-steels/carbon-steel-plain-carbon-steel/thermal-properties-of-carbon-steel-melting-point-thermal-conductivity/