鋼的導熱係數概述以及其他鋼合金的熱性能與應用

鋼和其他鋼合金的熱性能和常見應用

前言
鋼作為目前全球最受歡迎的金屬,使得鋼鐵公司不斷大規模生產,以應用到眾多行業之中。鋼的流行可以歸因於它能夠形成數千種不同的組合物,而這些組合物顯示出獨特的特性組合,使製造商能夠選擇最適合的合金用於製造業。

合金是指由兩種或兩種以上金屬元素結合而成的金屬,而鋼可以被描述為鐵和碳的合金。就鋼而言,可以形成不同的合金,以增強整體強度和耐腐蝕性。由於鋼的多功能性及其與多種不同元素結合的能力,它已經創造了3500多種不同等級的金屬,並根據它們的性質進行分類。這些等級是根據存在的碳量、金屬的加工方式以及金屬混合物中可能含有的其他合金而定。

欧洲钢铁厂

(圖1)  位於歐洲的鋼鐵廠_源自塔塔鋼鐵歐洲公司

 

鋼的導熱係數
熱導率描述了熱能通過材料傳輸的速率,以瓦特/米·開爾文(W/mK)為單位,也被稱為”K值”。與導熱係數低的材料相比,導熱係數高的材料可以更快、更有效地傳遞熱量。鋼是所有金屬中導熱率值最低的材料之一,傳熱非常緩慢,這使其成為用於高溫環境(如車輛或飛機發動機)的理想材料。大多數金屬顯示出很高的導熱性,並含有許多快速移動的負責傳導熱量電子。鋼的導熱係數約為45 W/(mK),與銅398 W/(mK)和鋁235 W/(mK)的熱導率值相比,這是極低的。

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

(圖2) 示意飛機設計中使用鋼材的位置,亦為高溫暴露區域(例如發動機內部和周圍)_源自 Aviation.Stack Exchange

 

鋼材種類
鋼的多功能性以及其他具關鍵性的熱性能,讓其在多個行業中佔據主導應用的地位。在食品加工設備、醫療器械和廚房用具的生產過程中,經常使用鋼材。根據鋼的具體類型,其應用可以變得更加具體和專業化。鋼通常分為四類:碳鋼、合金鋼、工具鋼和不銹鋼。

碳鋼
碳鋼是一種含碳量很高的一種合金。這種鋼是最常用的,約佔鋼鐵產量的90%。根據碳含量,碳鋼可進一步分為三個類別。低碳鋼(含碳量高達0.3%),具有低強度和高延展性,是應用最廣泛的合金。低碳鋼:對於生產公司來說是一種用途廣泛且成本效益極高的選擇,適用於機械焊接、結構型材(L 型鋼、槽鋼和角鋼管道)、建築、橋樑組件和食品罐。中碳鋼(含碳0.3-0.6%):比低碳鋼具有更高的強度和耐磨性,常用於鐵路軌道、火車車輪、齒輪和機械零件。高碳鋼(含碳量超過0.6%):具有最高的耐磨性和強度,通常用於切割工具和彈簧。

碳鋼代表平均導熱係數最高的一類,為45 W/(m/K)。含碳量超過0.1%(取決於厚度)的鋼可以通過熱處理硬化,以提高金屬的強度。最常用的熱處理包括退火、硬化和回火。

碳(低碳)钢棒

(圖三) 低碳鋼棒

合金鋼和工具鋼
合金鋼包含額外的元素,包括鎳、銅、鉻/鋁。添加這些金屬對鋼的強度和其他性能(如延展性、耐腐蝕性和可加工性)有重要影響。工具鋼是另一種主要的金屬類別,通常它們含有可顯著提高耐熱性和耐用性的鎢、鉬、鈷和釩,所以可以製造出色的切割和鑽孔設備。

不銹鋼
不銹鋼具有15 W/(mK)的低導熱係數,這使得它比其他類型的鋼保留更多的熱能,從而更好地穩定環境溫度。由於不銹鋼在高溫下也能保持穩定的性能,它經常用於食品加工或高溫環境下的烤箱和輸送機等應用中。不銹鋼是在19世紀初被發現的,但人們花了80多年的時間才開發出一種可靠的工業方法來生產這種金屬。目前有超過150個等級的不銹鋼,但經常使用的只有其中的15個等級。

不锈钢被腐蚀

(圖四) 不銹鋼被腐蝕

不銹鋼等級之304和316
304和316是最常見的兩種不銹鋼類型,每種類型都顯示出在不同環境時的相關獨特屬性。 304不銹鋼 和 316不銹鋼都含有鐵和鉻的這兩種混合物,而這兩種金屬的比例,是這兩個等級之間明顯差異的原因。

304不銹鋼是用途最廣泛的金屬等級,非常適合在高溫環境中的應用。 304不銹鋼通常含有18%的鉻和8%的鎳,所以它是製造水槽、平底鍋、餐具、管道、釀酒設備、乳製品、食品加工機械和製藥設備的關鍵組成。

316不銹鋼含有較少的鉻(僅 16%),但含有較多的鎳和鉬。儘管316不銹鋼在銷量排名第二,但它對已知會腐蝕鋼材的有害氯化物和酸具有出色的耐腐蝕性。它是一種非常受歡迎的等級,可用於醫療設備、食品加工和製備、沿海環境、高鹽度地區以及高鹼和酸的環境中。 316不銹鋼這種耐腐蝕性,使得有害化學物質不太可能損壞鋼材的外觀,讓清潔也變得更容易。也因此,如果腐蝕損壞不是建築公司在建設時的主要關注點,那他們可能會選擇成本效益更低的304不銹鋼而不是316。

小結
鋼在多個行業有著廣泛的應用。鋼是一種合金,可以由各種金屬和元素組成,使其暴露於不同環境條件下時,能夠保持性能穩定。所有類別和等級的鋼,在金屬類別中,都顯示出極低的導熱率,這使鋼能夠在高溫和高腐蝕環境中保持其結構完整性。鋼的這些獨特的熱性能和其他關鍵特性,使它成為並繼續成為世界上最受歡迎的金屬。

 

文獻參考
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