Разница между сталью и чугуном. Чугун необычной прочности

Чугун - это сочетание углерода (C) и железа (Fe), которое имеет ряд характерных признаков и определенное сходство со сталью. В состав стали также входит углерод и железо. Разбирая характеристики металла как химического элемента, стоит обратить внимание, чугун магнитится или нет? Что влияет на его характеристики и отчего они зависят?

Общие сведения

Представляет собой сплав железа и углерода, которого в составе лигатуры должно быть не менее 2 %. Имеет несколько разновидностей:

Ковкий.
Белый.
Серый.

По своей природе железо очень мягкий, но прочный материал, чтобы справиться с его мягкостью и придать прочность, в лигатуру добавляют углерод. Ковкий чугун - название это не говорит о том, что металл можно ковать, а обозначает его пластичность.

Белый чугун на изломе имеет белый цвет. Он тяжелый, прочный и не подвержен влажной коррозии. Имеет несколько разновидностей и используется для изготовления ковких материалов.

Серый чугун содержит примеси, таким эпитетом обозначают сплав железа, углерода и кремния. Большая часть углерода в лигатуре находится в виде графита. На изломе имеет серый цвет.

Стоит обратить внимание на высокопрочный чугун, в составе которого находится шаровидный графит. Он не так сильно ослабляет металлическую сетку, а также не считается концентратором напряжения.

По объемам производства Россия входит в тройку лидеров, уступая только Китаю и Японии.

Углерод в сплаве содержится в форме:

графита;
цементита.

Графит - минерал в виде самородков, считается модификацией углерода. Увидеть этот элемент можно при наличии в доме карандаша, там графит находится в виде стержня. Графит известен давно, его применение зависит от отрасли: относительно мягкий, в древности использовался при изготовлении посуды из глины. В сплаве с железом является источником углерода, при повышении температуры меняется, становясь более твердым, но хрупким.

В химии представляет собой атом углерода, который имеет связь с тремя другими атомами. При добавлении к железу влияет на его качества, повышая твердость сплава.

Чугунные сковороды

Цементит, или кардит железа, хрупкий, пластичный и слабо магнитится. Образуется в материале, в состав которого входит железо уже при малом количестве углерода. Считается фазовой и структурной составляющей сплава.

В процентном соотношении не превышает 2,14 %. Температура плавления - от 1150 до 1200 °C, ниже на 300 °C, чем у железа.

Стоит отметить, что чугун подвержен сухой коррозии. В сравнении со сталью может показаться, что он имеет определенное преимущество по антикоррозийным свойствам, но это не так. Сталь и чугун в равной степени подвержены коррозии.

Основные характеристики

Свойства чугуна можно классифицировать по следующим пунктам:

Химические.
Тепловые.
Технологические.
Гидродинамические.

Химические характеристики металла - это склонность к коррозии. Она зависит от состава сплава и элементов, которые входят в него, а также от факторов внешней среды. Элементы в составе лигатуры могут как снижать склонность металла к коррозии, так и повышать ее, все зависит от их влияния на структуру металла.

Теплопроводность железа уменьшается за счет увеличения в его составе примесей. Теплопроводность сплава изменяется за счет степени его графитизации.

Жидкотекучесть относят к технологическим свойствам, ее степень определяют различными способами. Свойство это увеличивается при уменьшении вязкости.

Вязкость металла уменьшается при увеличении содержания в составе марганца, а также при уменьшении в сплаве количества серы и других неметаллических включений. Вязкость также зависит от температуры. Она пропорциональна абсолютной температуре и опыту контакта с ней.

А также существуют и магнитные свойства чугуна, которые в основном зависят от структуры металла. Делятся на первичные и вторичные.

К первичным характеристикам относят:

температуру магнитного превращения;
насыщение;
индукцию;
проницаемость в сильных полях.

Эти характеристики не зависят от формы и распределения, но зависят от количества и свойства феноменальных фаз.

К вторичным характеристикам относят:

проницаемость в слабых и средних полях;
коэрцитивную силу;
индукцию;
насыщение;
остаточный магнетизм.

Вторичные свойства определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.

Существует парамагнитный, или немагнитный чугун. Это материал, который используют в том случае, если требуется снизить магнитные свойства металла, а заменить его на сплав из цветных металлов не представляется возможным.

Чаще других углерод и железо разбавляют:

Никелем.
Марганцем.
Медью и алюминием.

Магнитомягкий материал обладает магнитными свойствами. За них отвечают феррит и цементит. От количества цементита зависят магнитные характеристики металла и степень их выраженности. Одинаковое количество графита в сплаве может определить различные его металлические свойства. Таким образом, магнитными свойствами обладают не все разновидности чугуна, а только ковкий и высокопрочный.

А вот серый чугун при той же матрице подобными свойствами не обладает. Поэтому его относят к парамагнитным материалам.

Похожим образом на материал влияет и уменьшение количества перлита, что нередко используется в металлургии при изготовлении деталей. Отпуск после закалки способен улучшить магнитные составляющие металла.

Металл может обладать магнитными свойствами, а может их вовсе не иметь, и причина тут не в углероде. Железо магнитится, и все сплавы, которые имеют в составе этот элемент, имеют схожие характеристики. Но не стоит забывать и о том, что на лигатуру влияет не только железо, но и углерод, а также другие элементы: никель, медь, марганец и др. Благодаря своим свойствам материал имеет различное применение.

Таким образом, чугун и магнитится, и нет, все зависит от сплава, а также от наличия в его составе цементита.

Развитие промышленности и создание синтетических материалов не способно умалить достоинства и преимущества традиционных материалов. К таким можно отнести чугун и сталь. Это одни из самых старых знакомых сплавов для человеческой цивилизации.

Технология ремонтных и конструкторских работ зачастую включает в себя различные виды обработки. Это может быть:

механическая
химическая
термическая
электролитическая
плазменная и другие виды обработки.

Несмотря на тот факт, что чугун и сталь отличаются друг от друга мизерной разницей содержания углерода, способы и методы воздействия факторов на эти сплавы разнятся и требуют разных способов одного и того же метода влияния на форму и структуру металла.

Факторы, влияющие на обработку стали и чугуна

Для того что бы не потратить деньги и ресурсы на ветер, очень важно знать как определить чугун или сталь.

Выбор сварочного электрода
угол заточки сверла
режим сверления и фрезерования

Это не все факторы, которые способны усложнить жизнь и труд человека, неправильно определившего тип металла. Снижение механических, прочностных и нарушение гарантированных межремонтных интервалов куда большее зло, способное нанести ущерб производству и бюджету в случае ошибки.

Визуальное определение

Как же можно отличить чугун от стали визуально, не прибегая к разрушающим методам контроля. Если стоит вопрос о сварке треснутого участка детали или даже отвалившегося куска, то есть возможность исследовать слом или структуру трещины. Металл на сломе чугунной детали наверняка будет темно-серого цвета с матовой поверхностью. При тех же условиях излом стали будет иметь светло-серый, практически белый цвет, с глянцевым блеском.

Характер трещин на поверхности высокоуглеродистых сплавов похожи на раскол на глиняной посуде, низкоуглеродистые сплавы склонны к пластическим деформациям и по этой причине трещина имеет форму разрыва пластичного материала.

По поверхностным дефектам можно выделить только чугун, который заливался в форму при низкой температуре, не обрабатывался позже и не наносился декоративный лакокрасочный слой. На таком изделии заметны полусферические мелкие зерна, образованные вследствие не пролива из-за низкой температуры.

Не забывайте о правильном визуальном методе определения материала. Советские, современные и зарубежные ГОСТы предполагают наличие маркировки материалов на всех литых изделиях. На отечественном литье значки СЧ, ВЧ, КЧ – перед вами чугунное литье. Л45, 45ХЛ, 110Г2С – говорит об использовании стального литья для данного элемента.

Механическое определение с помощью сверления

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по качеству и визуально очень напоминает стальные изделия. Осуществить проверку изделия разорвав его на разрывной машине, не совсем оправдано и разумно. Для этого можно выбрать не работающий, незаметный участок на изделии и просверлить его не на всю глубину сверлом минимального диаметра. Структура чугуна такова, что стружка не способна сформироваться в витой вьюн. Вкрапления графита, даже если они не видны, крошат стружку на этапе ее формирования. Такая стружка в руках растирается в пыль, оставляет на руках черный след, как от грифеля простого карандаша.

Стальная стружка способна образовывать вьюн больше длины самого сверла, не рассыпается в руках. При быстрых оборотах она имеет цвет побежалости на поверхности.

Механическое определение с помощью шлифования

Можно подойти к вопросу определения материала используя болгарку (угловую шлифовальную машинку). Как и предыдущем способе выбираем участок который не является плоскостью трения, контактной площадкой или другим важным конструкторским элементом. Включенной машинкой соприкасаемся с исследуемой поверхностью и следим за формой и цветом искр.

В чугунных изделиях это будет короткая искра с красноватым оттенком на звездочке в конце трека.

В металлических изделиях сноп искр будет сравнительно больший, треки длиннее, а искры ослепительно белого или желтого цвета.

Если существует неопределенность и неуверенность в методе и вашей оценке, то можно взять заведомо известный материал, например, чугунный казан в углу гаража и проверить какие искры летят при обработке шлифовальной машинкой. При этом не стоит забывать, что ряд сталей специального назначения, особенно жаропрочные, дают искру минимального размера, с коротким треком и вишнево красного цвета.

В данном материале не рассматриваются экзотические для домашнего пользования методы:

спектрального анализа
микроскопического анализа
взвешивания и определения объема.

Но для домашних нужд вышеуказанных способов более чем достаточно. Независимо от метода и способа определения материала старайтесь использовать схемы, чертежи и прочую информацию к вашему агрегату или изделию. Количество информации во всемирной паутине зашкаливает и способно добраться в самый отдаленный уголок цеха или гаража.

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом , которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

Низколегированной
Среднелегированной
Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

Низкоуглеродистой
Среднеуглеродистой
Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения - оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м 3 , а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как - прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520 о С и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250 о С .

Часто применяемыми в быту продуктами металлургической промышленности являются чугун и сталь. Оба материала представляют собой уникальный сплав железа и углерода. Но использование одинаковых компонентов при производстве не наделяет материалы схожими свойствами. Чугун и сталь – два различных материала. В чем же их отличия?

Сталь

Чтобы получить сталь, необходимо сплавить железо, углерод и примеси. При этом содержание углерода в смеси не должно превышать 2%, а железа быть не менее 45%. Остальной процент в смеси могут составлять легирующие элементы (связывающие смесь вещества, например, молибден, никель, хром и другие). Благодаря углероду железо приобретает прочность и предельную твердость. Без его участия получалось бы вязкое и пластичное вещество.

Чугун

При производстве чугуна также сплавляют железо и углерод. Только содержание последнего в смеси составляет более 2%. Помимо перечисленных компонентов в смеси содержатся постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и легирующие добавки.

Отличия

В металлургии различают довольно большое количество разновидностей стали. Их классификация зависит от количества того или иного компонента в смеси. Например, большое содержание связывающих элементов дает высоколегированную (более 11%) сталь. Кроме этого существуют:

низколегированные – до 4% связывающих компонентов;
среднелегированные – до 11% связывающих элементов.

низкоуглеродистый металл – до 0,25%С;
среднеуглеродистый металл – до 0,55%С;
высокоуглеродистый – до 2%С.

И, наконец, в зависимости от содержания неметаллических включений, которые образуются в результате реакций (например, оксиды, фосфиды, сульфиды), осуществляется классификация по физическим свойствам:

особо высококачественная;
высококачественная;
качественная;
обычная сталь.

Это далеко не полная классификация стали. Еще различают виды по структуре материала, методу производства и так далее. Но каким бы способом ни сплавляли основные компоненты, в итоге получают твердый, прочный, износостойкий и устойчивый к деформациям материал с удельным весом 7,75 (до 7,9) Г/см 3 . Температура плавления стали – от 1450 до 1520°C.

В отличие от стали чугун более хрупок, его отличает способность разрушаться без заметных остаточных деформаций. При этом сам углерод в сплаве представлен в виде графита и/или цементита, их форма и соответственно количество определяют разновидности чугуна:

белый – весь необходимый углерод содержится в виде цементита. Материал белый на изломе. Очень тверд, но хрупок. Он поддается обработке и в основном используется для получения ковкой разновидности;
серый – углерод в виде графита (пластичная форма). Мягок, отлично поддается обработке (можно резать) и имеет низкую температуру плавления;
ковкий – получается после продолжительного отжига белого вида, в результате чего образуется графит. Нагрев (свыше 900°C) и скорость охлаждения графита негативно влияют на свойства материала. Это затрудняет сварку и обработку;
высокопрочный – содержит шаровидный графит, образующийся в результате кристаллизации.

Выводы сайт

Сталь более прочна и тверда, нежели чугун.
Чугун легче, чем сталь, и имеет более низкую температуру плавления.
Благодаря более низкому содержанию углерода сталь лучше поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке), нежели чугун.
По этой же причине изделия из чугуна изготавливают лишь методом литья.
Изделия из чугуна более пористые (по причине литья), чем из стали, а потому их теплопроводность значительно ниже.
Обычно художественные изделия из чугуна черные и матовые, а из стали – светлые и блестящие.
Чугун обладает низкой теплопроводностью, а сталь – более высокой.
Чугун является первичным продуктом черной металлургии, а сталь – конечным.
Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
Изделия из чугуна бывают только литыми, а из стали – коваными и сварными.

«Крепка как сталь». Сколько раз вы слышали такое? Но ни разу не слышали: «Крепок как чугун». Многовековая история чугуна привела металлургов, литейщиков и конструкторов к убеждению, что чугун хорошо воспринимает лишь сжимающие нагрузки. Он хорошо работает на сжатие. Там же, где нужна высокая прочность при растяжении, чугун непригоден. Причина малой прочности чугуна объясняется его природой. Ведь чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода. В железе же растворяется лишь часть его. Остальное количество образуют графитовые включения. В структуре обычного серого чугуна эти включения выглядят как удлиненные пластинки, разрезающие железную основу (рис. 13,а). Они хорошо видны под микроскопом. Включения пластинчатого графита можно уподобить трещинам в металле, заполненным мягким материалом - графитом. Включения графита и являются концентраторами напряжений. Стоит появиться растягивающему усилию, как чугунные изделия легко разрываются. И причиной такой слабой прочности являются включения пластинчатого графита.

А нельзя ли эти включения графита уменьшить в размерах? Придать им не удлиненную (вытянутую) форму, а сделать эти включения более компактными? Приблизить их к сферической форме?

Ковкий чугун, который не куется . Опыт показал, что если изделие отлить из белого чугуна (в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа) и затем эту отливку подвергнуть длительному отжигу при высокой температуре (выше 1000° С), то включения графита принимают совсем иную форму. Форма их становится хлопьевидной (рис. 13,6). Эти включения более компактны, они меньше надрезают металлическую основу, и такой чугун оказывается значительно более прочным. Он уже может работать на растяжение. Такой чугун называют «ковким», хотя в действительности он еще не настолько пластичен, чтобы его можно было ковать.

Теперь сделаем количественное сравнение. Прочность при растяжении измеряется в килограммах, отнесенных к одному квадратному миллиметру сечения. Представим себе проволоку сечением 1 мм 2 . Подвесим один конец ее к потолку, а к спущенному вниз концу будем подвешивать грузы. Какой максимальный груз выдержит проволока прежде чем разорвется? Проволока из чистого железа выдерживает примерно 25, а стальная до 70 кгс/мм 2 .

Серый чугун, как мы уже говорили, на растяжение работает плохо и выдерживает лишь 12-15 кгс/мм 2 . А вот ковкий чугун оказывается прочнее - он может выдержать от 30 до 60 кгс/мм 2 . Но ковкий чугун дорог. Дорог из-за того, что отлитые детали нужно еще запаковать в ящики, пересыпать их либо коксиком, либо рудой, погрузить в печь и выдержать их при температуре 950-1050° С в течение по крайней мере суток. Раньше цикл отжига длился 4-5 суток. Теперь его сумели сократить до 24-20 ч, но и это значительно удорожает чугун.

Чугун прочнее стали? За счет чего выросла в 2- 3 раза прочность ковкого чугуна? Только за счет изменения формы графитовых включений. Вместо длинных пластинок углерод после отжига белого чугуна принял более компактную форму (в виде хлопьев), размеры их значительно уменьшились по сравнению с размерами пластинок углерода в сером чугуне.

А нельзя ли размеры включений углерода сделать еще меньшими, а форму их - еще более компактной?

Оказалось и это возможно. Достичь этого удалось модифицированием чугуна, т. е. введением в жидкий чугун небольших добавок таких веществ, которые обеспечивают выделение графита в чугуне в виде крошечных шариков (рис. 13, в). Чугун с Шаровидным графитом получается при вводе в него магния, церия, иттрия, бария. Способствуют этому кремний, кальций и некоторые другие элементы.