低碳钢：定义、特性和应用案例

低碳钢是由铁和碳结合而成的钢。由于铁的存在，它具有良好的磁性。低碳钢不是合金钢。由于存在更多的碳，它的化学成分与其他元素或其他钢有很大的不同，因为低碳钢具有良好的表面质量，你可以通过不同的方式增加其表面硬度。让我们进一步了解这种材料。

什么是低碳钢？

钢的主要成分是铁。根据碳含量的不同，有低碳钢（也叫低碳钢或普通碳钢）、中碳钢和高碳钢。

下图显示了这三种钢的区别和特点。

从上图来看，低碳钢是一种含有0.05%-0.25%碳的钢种。由于其可塑性和延展性，该材料易于成型和加工。低碳钢零件一般非常适用于冲压、锻造。低碳钢被广泛用于工具、汽车车身部件、建筑和基础设施。

低碳钢是如何制造的？

低碳钢的制造工艺与其他碳钢的制造工艺相似。这些工艺随着时间的推移一直在变化，目前比以前更有效率，更便宜。在现代制造工艺中，用纯铁或铁矿石生产低碳钢时涉及三个主要步骤。

1. 初级炼钢

在这个过程中，铁与煤和石灰混合，在高炉中加热。 现代初级炼钢使用现代炉子，如碱性氧气炉或电弧炉。一般从电弧炉出来的钢件质量很高。

2. 二次炼钢

二次炼钢的目的主要是将碳含量降低到所需程度，并添加其他合金元素以改善钢的性能。这一步骤主要是控制和监测热处理和炉子的冷却。

3. 铸造和初级成型

炉内的钢一达到规定的含碳量，机械性能提高到一定程度，就将钢倒入模具中，这叫铸造，也有人说铸铁，这是不对的。在此过程中，液态钢将固化并形成各种几何形状。这些晶体结构的铸钢随后将被切割成更小形状的零件。

铸钢有很多缺陷。采用一种称为热轧的初级成型工艺。热轧后，钢获得更多的强度、延展性、可焊性等。

4. 二次成型

一般来说，有一个二次成型工艺，如数控加工、冷轧、粉末涂层、表面硬化或电镀，以进一步改善低碳钢零件的机械和化学性能或美学效果。在这些过程中，适当地应用了金属涂层，例如锌涂层或任何其他类型的碳钢。

低碳钢的力学性能

低碳钢的碳含量低于其他碳钢。低碳钢的碳含量仅为 0.25%。

低碳钢具有良好的冲击强度、良好的延展性和可焊性以及冷成型的可能性。凭借这些特性，数控加工低碳钢比数控加工其他类型的钢更容易。

低碳钢的主要缺点是它的抗拉强度相对较低，这意味着它比其他类型的钢更容易断裂。

幸运的是，可以使用一种称为渗碳的热处理工艺来提高抗拉强度。渗碳是将低碳钢加热到一定温度然后冷却钢的表面硬化工艺，使钢在保持钢芯柔软和延展性的同时使钢在表面硬化。

低碳钢的应用

低碳钢被广泛使用。典型应用包括普通五金工具、炊具、医疗器械、机械、建筑、基础设施等。

1. 建筑和基础设施

低碳钢在建筑项目中的建筑框架具有良好的抗拉强度。它符合抗震和抗风的要求，不能被虫子破坏，而且低碳钢具有抗侵蚀性和阻燃性，非常适合在建筑中使用。

2. 机械

低碳钢的高强度、延展性和硬度使其成为机械配件制造的首选。由于碳含量低，这种钢可以被加工、切割、压制、成型，而不会断裂。

3. 炊具

由于碳含量非常低，低碳钢不会生锈，使炊具长时间保持清洁和锋利。低碳钢比其他材料更耐热，可用作不粘材料，比铝炊具更健康。

4. 管道

由于低碳钢具有极强的延展性，因此在人们制作各种管道和电线杆时，用低碳钢制成的管道非常受欢迎。低碳钢可作为食品安全材料，因此非常适合在钢管中输送水、饮料和天然气。此外，由于其低碳含量，户外使用的管道在恶劣的环境中不会生锈和寒冷的天气。与塑料管相比，低碳钢管更环保，使用寿命更长。它也可以切割成矩形。

低碳钢使用案例

AISI 316L的碳含量很低，只有0.03%，是非常普遍使用的典型低碳钢。在多年来与各公司打交道的过程中，我们发现医疗仪器公司都喜欢使用这种材料。要制作原型或定制小批量钢制零件，CNC 加工通常是第一选择。CNC 加工的 316L 钢零件通常不需要表面处理或任何热处理工艺。CNC 低碳钢零件可用作最终产品，而不仅仅是原型。其他常见产品如钓鱼工具也大量使用AISI 316L。

低碳钢CNC加工和小批量生产

为什么人们经常抱怨钢很难数控加工？钢的切削加工性主要取决于其碳含量。高碳钢难以加工主要是因为它们的不屈服特性加上内应力。

然而，低碳钢也很难加工，因为它们太软了。CNC加工过程中出现的切屑往往会粘住并堆积，这会导致清理切屑的时间更长，并可能损坏刀具。易于加工的理想碳含量约为 0.20%。

例如，一些低碳钢太软，会导致积屑问题。我们有时会使用一种方法：首先对软钢进行表面硬化。使低碳钢在外部硬化，钢的内部保持柔软，从而解决积屑问题，并且由于钢的芯部仍然柔软，当加工过程中产生的外部应力被施加在材料上时，低碳钢的柔软性或延展性仍然会吸收应力，使零件无法断裂。

对于低碳钢零件的短期生产，CNC 加工是必经之路。CNC加工所用的低碳钢材料就是我们所说的“块材”，质量好，价格合理。与铸造和成型相比，CNC 加工速度非常快。对于铸造和成型来说，制作模具投入的时间和成本都很大。对于短线生产或低量生产的低碳钢零件，总成本通常比铸造和模压要便宜得多，因为你不需要制作模具。

低碳钢长期生产：铸造和成型

如果要生产大批量的低碳钢零件，常用的方法叫做铸造。金属注射成型（MIM）与塑料注射成型类似，是将液态的金属注入模具中，液态金属将在模具中固化。钢件从模具中脱模后，粗略成型。有一些后处理工艺可进一步提高成型零件的美观性。

与塑料注射成型一样，在设计MMI模具和零件时，设计师必须考虑拔模角度、脱模、收缩、公差等问题。

结论

低碳钢的碳含量低于0.25。由于其特性，低碳钢被广泛用于几乎所有行业。制作低碳钢原型或小批量生产级零件的常用方法是通过数控加工。对于大批量的产品，金属注射成型和铸造是一种更可行的方式。

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