В чем отличия между чугуном и сталью, состав сплавов, что прочнее и крепче

Особенности материала

Между сталью и чугуном имеется большая разница. Чтобы выявить ее, нужно ознакомиться с определениями и характеристиками металлов.

Чугун

Чугун состоит из железа и углерода. При этом количество второго компонента должно составлять больше 2 %. Сырье легируют при помощи различных добавок. К ним относят кремний, фосфор, марганец и прочие вещества.

В зависимости от сформированной кристаллической решетки существуют такие разновидности чугуна:

1. Белый – название обусловлено оттенком излома материала. Он связан с наличием в составе цементита. Помимо твердости, материал обладает хрупкостью. При помощи отжига его используют для производства ковких чугунов.
2. Серый – оттенок сырья обусловлен высоким содержанием графита. Материал отличается пластичностью и простотой обработки. В составе присутствуют сера, фосфор, магний и кремний.
3. Ковкий – продолжительный отжиг белого чугуна приводит к образованию графита. Это вещество делает металл очень пластичным, вязким и твердым. К тому же оно придает ему хорошую ударную сопротивляемость.
4. Высокопрочный – формирование шаровидного графита во время кристаллизации обеспечивает веществу высокую степень прочности.
5. Предельный – подвергается последующей обработке. Его нельзя применять в качестве самостоятельной единицы.

Температура плавления этого металла находится на уровне 1160-1250 градусов. Конкретное значение определяется содержанием углерода. Чем больше вещества в составе, тем ниже его температура и тем больше текучесть при нагревании. С такой зависимостью связана хрупкость вещества.

Сталь

Этот материал включает 45 % железа и 2 % углерода. В зависимости от марки сталь может содержать дополнительные вещества. К ним относят хром, никель, марганец, кремний и другие. В зависимости от легирующих компонентов меняются и свойства материала.

Углерод обеспечивает материалу твердость и прочностные свойства. Благодаря наличию этого вещества материал получается прочным и пластичным. Его достаточно легко обрабатывать.

В зависимости от содержания легирующих веществ сталь может иметь такие разновидности:

• низколегированная;
• среднелегированная;
• высоколегированная.

В зависимости от содержания углерода существуют такие виды стали:

• низкоуглеродистая;
• среднеуглеродистая;
• высокоуглеродистая.

Температура плавления все марок составляет 1450-1520 градусов. Параметры плотности находятся на уровне 7700-7900 килограммов на 1 кубический метр.

Сталь отличается широкой сферой применения. Ее используют в промышленности при изготовлении разных видов металлоконструкций, элементов машин, трубопроводов и иных изделий. В бытовых условиях люди используют предметы интерьера, посуду, мебель из стали.

Железо

Чистое железо можно встретить разве что в лабораторных условиях. К тому же его нельзя применять для серийного изготовления запчастей, сантехники или бытовых предметов. В отличие от чугуна, железо обладает светло-серебристым оттенком, мягкостью и пластичностью. К тому же оно сильно подвержено коррозии.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Важно не путать железо со сталью, которая представляет собой его производную. Эти понятия нельзя считать взаимозаменяемыми. Сталь представляет собой сплав железа с небольшим количеством добавок. В качестве дополнительных компонентов используют серу, фосфор, кремний, марганец, углерод. Полученный железоуглеродистый сплав отличается эластичностью. Он является ковким и деформируемым.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Чем они различаются

Углеродные компоненты придают молекулярному строению прочность и твердость. При этом повышается хрупкость изделий при нагревании, ударах и вибрационных нагрузках. Пластичный материал легко выдерживает подобные виды воздействий.

Главным отличием чугуна от стали считается содержание углерода. Сплавы допустимо легировать одними и теми же металлами. Однако результаты при этом получаются разными. Это связано с отличиями в решетках карбидов.

Состав и микроструктура

При изготовлении стали соединяют железо, углерод и примеси. Причем количество углерода в составе должно быть не больше 2 %, а содержание железа – не меньше 45 %. Остальной процент приходится на легирующие вещества – они используются для связывания смеси. К таким компонентам относят хром, никель, молибден.

За счет наличия углерода железо становится более прочным и приобретает нужную твердость. Без него масса получилась бы вязкой и пластичной.

Чугун тоже делают из железа и углерода. Однако количество второго компонента в смеси превышает 2 %. Помимо этого, в состав чугуна тоже вводят постоянные примеси. К ним относят фосфор, серу, кремний, марганец, а также легирующие вещества.

Производство

В производственных условиях определить вид металла можно такими способами:

1. По излому – этот визуальный метод применяют для деталей, которые идут в лом или используются как заготовки. На чугунном сломе заметен матовый темно-серый цвет. При этом трещины, которые образуются, обладают выраженным строением. Стальные изделия являются более светлыми и обладают глянцевой поверхностью.
2. Сверление – стальная стружка обладает витой формой. По длине она превышает сверло и легко сгибается. Чугунная стружка крошится даже при незначительном воздействии.
3. Шлифовка – в результате прохождения шлифовальной машинкой стальная поверхность покрывается большим количеством желтых и белых искр. У чугуна меньше искр. К тому же они короче и имеют красноватый оттенок.

Характеристики

Выявить отличия между заготовками, которые можно обрабатывать, удается по визуальным признакам. На сломе чугунных изделий виден темно-серый оттенок с матовой поверхностью. При этом сталь обладает более светлым окрасом и глянцевой текстурой.

На внешний вид металла влияет количество углеродистых компонентов. Их удается отличить по типу трещин. Для высокоуглеродистых стальных поверхностей характерны дефекты в форме раскола. Если изделие изготовлено из низкоуглеродистого сплава, трещины напоминают пластичный разрыв.

Отличия между металлами заключаются и в технических характеристиках. Сталь отличается такими свойствами:

• плотность – 7700-7900 килограммов на 1 кубический метр;
• температура плавления – 1450-1520 градусов;
• прочность, износостойкость, твердость;
• стойкость к деформации;
• высокая пластичность – это помогает обрабатывать металл разными способами;
• возможность повышения качества материала с помощью закаливания;
• возможность улучшения свойств сплава при помощи введения легирующих добавок.

Чугун – это тоже сплав железа с углеродом. Однако содержание второго компонента в нем выше. Это же касается и дополнительных компонентов. Потому чугун считается более хрупким материалом – он легко разрушается.

От содержания углерода зависит температура плавления чугуна. По мере повышения объема этого компонента температура снижается. К тому же возникает увеличение текучести при нагревании. Это не лучшим образом сказывается на эксплуатационных свойствах – хрупкости, пластичности, простоте обработки. Температура плавления чугуна составляет 1160-1250 градусов.

Прочность

Сталь прочнее по сравнению с чугуном. Она крепче за счет своей структуры. Повышенное содержание углерода в чугуне делает его более хрупким и менее пластичным.

Содержание углерода

Сталь отличается от чугуна по содержанию углерода. Количество этого компонента в металле не превышает 2 %. В чугуне объем углерода обычно составляет больше 2,14 %, но меньше 4,5 %.

Сфера применения

Чугун считается литейным материалом. Его используют для изготовления простой посуды, корпусов станков, массивных труб. Также из металла делают большие объекты простой конфигурации. Из стали изготавливают детали разных размеров и сложности, поскольку для этого используют ковку, волочение, штамповку, прокатывание. Также для этого металла допустимо применять и другие методы обработки.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Если возникает вопрос, из чего сделана арматура, не стоит сомневаться – это сталь. Если интересует состав большого казана, можно с уверенностью сказать, что он сделан из чугуна. При этом корпус двигателя или коленчатого вала может быть сделан их любого металла. Потому в данном случае нужно прибегнуть к методам распознавания.

Как отличить чугун от стали?

Чтобы отличать эти металлы друг от друга, можно использовать следующие способы:

• Сверление. Для этого понадобится взять насадку с маленьким диаметром и, выбрав на заготовке ровный участок, высверлить небольшое отверстие. Если при обработке материала образуется тонкая стружка, которая формируется в витую полоску длиной больше используемого сверла, имеет цвета побежалости по всей длине и достаточно хорошо гнется, заготовка сделана из стали. Чугунный сплав менее пластичен, он практически не образует вьюна, а стружка крошится от малейшего механического воздействия: ее легко растереть до состояния порошка, поскольку материал более хрупкий;
• Шлифование. Для этого используется углошлифовальная машинка, для обработки выбирают участок, на который не воздействуют силы трения, контакт с другими металлическими поверхностями или деталями, в противном случае после шлифовки изделие может быть непригодным к дальнейшему использованию. В процессе обработки требуется следить за цветом искры и ее формой. Если сплав чугунный, искра будет короткой, звездочка будет иметь красноватый тон, а если деталь сделана из стали, искр вылетает больше, они имеют увеличенный размер и продолговатую форму. Сами искры имеют желтый или белый цвет. Исключением являются стальные сплавы с повышенным содержанием углерода, которые дают короткую багровую искру с укороченным треком и малой звездочкой.

Методы механического воздействия могут применяться в бытовых условиях, когда нужно определить, чугун или сталь перед вами, без применения специального оборудования. В лаборатории может использоваться современная техника, с помощью которой проводится спектральный или микроскопический анализ свойств металлов. Эти методы обеспечивают результат высокой точности, но используются преимущественно в промышленных целях, на производстве и в научно-технической отрасли ввиду сложности и дороговизны оборудования.

Источник

Плюсы и минусы каждого метала

Сплавы имеют определенные преимущества и недостатки. К плюсам стали относят следующее:

• высокий запас прочности и твердости;
• большое количество свойств – это связано с разными вариантами легирующих примесей;
• оптимальное соотношение упругости и вязкости – материал прекрасно удерживает статику, динамику и ударные нагрузки;
• простота обработки;
• высокий запас прочности – благодаря этому материал отличается длительным периодом эксплуатации;
• простота и доступная стоимость литья.

При этом материал обладает и рядом недостатков:

• слабое сопротивление коррозии – это касается чистых видов стали, которые не содержат легирующих компонентов;
• высокая электромеханическая коррозия – это обусловлено свойством накопления электрической энергии;
• большой вес стальных конструкций;
• высокий риск брака – это обусловлено многоэтапностью изготовления.

Для чугуна характерны такие плюсы:

• высокий уровень прочности – некоторые марки сопоставимы по этому параметру со сталью;
• равномерное распределение тепла и возможность его длительного сохранения;
• безопасный состав – это позволяет использовать чугун для изготовления посуды;
• устойчивость к кислотам и щелочам;
• высокая степень гигиеничности;
• долговечность.

При этом металл обладает и некоторыми минусами:

• риск процессов коррозии при длительном воздействии воды;
• отсутствие пластичности серого чугуна;
• повышенная хрупкость белого материала.

Стали легированные

Таблица расшифровки сталей по составу представлена ниже.

Если в названии имеется буква «Ч», значит в состав легирующих элементов входят редкоземельные элементы – ниобий, лантан, церий.

Церий (Ce) – оказывает влияние на прочностные характеристики и пластичность.

Лантан (La) и неодим (Ne) – снижают содержание серы и уменьшают пористость металла, приводят к уменьшению зернистости.

Краткая сравнительная таблица

Основные отличия металлов коротко представлены в таблице:

Расшифровка сталей: примеры

Для примера расшифровки рассмотрим распространенную марку стали 12Х18Н10Т.

Цифра «12» в начале названия марки – показатель содержания углерода в этой стали, он не превышает 0,12%. Далее идет обозначение «Х18» – следовательно, в стали имеется элемент хром в количестве 18%. Аббревиатура «Н10» говорит о присутствии никеля в объеме 10%. Буква «Т» свидетельствует наличие титана, отсутствие цифрового выражения означает, что его там менее 1,5%. Очевидно, что квалифицированная расшифровка сталей по составу сразу дает понятие о ее качественных характеристиках.

Если сравнивать обозначения легированных и углеродистых сталей, это становится заметным отличием, свидетельствующим об особенных свойствах металла, обусловленных специально введенными легирующими добавками. Расшифровка сталей и сплавов указывает на их химический состав. Основными легирующими добавками являются:

• никель (Ni) – снижает химическую активность и улучшает прокаливаемость металла;
• хром (Cr) – повышает предел прочности и предел текучести сплавов;
• ниобий (Nb) – повышает кислотостойкость и устойчивость к коррозии сварных соединений;
• кобальт (Co) – повышает жаропрочность и ударную вязкость.

Температуры плавления стали

При определённых условиях твёрдые тела плавятся, то есть переходят в жидкое состояние. Каждое вещество делает это при определённой температуре.

• Плавление — это процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.
• Температура плавления — это температура, при которой твёрдое кристаллическое вещество плавится, переходит в жидкое состояние. Обозначается t.

Физики используют определённую таблицу плавления и кристаллизации, которая приведена ниже:

На основании таблицы можно смело сказать, что температура плавления стали равна 1400 °C.

Положительные стороны легирования

Особенности свойств наиболее явно проявляется после термообработки, в связи с этим все детали из такой стали подвергаются обработке перед применением.

1. Улучшенные легированием стали и сплавы имеют более высокие механические свойства по сравнению с конструкционными.
2. Легирующие добавки способствуют стабилизации аустенита, улучшая показатель прокаливаемости сталей.
3. Из-за снижения степени распада аустенита снижается образование закалочных трещин и коробление деталей.
4. Повышается ударная вязкость, что приводит к снижению хладоломкости, и детали из легированных сталей имеют более высокую долговечность.

История [ править | править код ]

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию [1] . В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты [2] . В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область) [3] , однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке [4] .

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол [5] . C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли [6] . В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные [7] . В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки [8] . Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году [9] , а в Китае они были известны со времени династии Мин [10] , которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы [11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи [12] .

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США. [13]

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США [14] . Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов [15] , а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. [16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона [17] . Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Отрицательные стороны

Наряду с положительными сторонами легирование сталей имеет и ряд характерных недостатков. К ним можно причислить следующие:

1. В изделиях из легированных сталей наблюдается обратимая отпускная хрупкость второго рода.
2. Сплавы класса высоколегированных включают остаточный аустенит, снижающий показатель твердости и сопротивляемости усталостным факторам.
3. Склонность к образованию дендритных ликваций, что приводит к возникновению строчечных структур после прокатки или ковки. Для устранения эффекта применяется диффузионный отпуск.
4. Такие стали склонны к образованию флокенов.

Этимология [ править | править код ]

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄 , пиньинь: zhù

, палл.:
чжу
, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工 , пиньинь:
gōng
, палл.:
гун
, буквально: «дело» [1] . Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом
Valurauta
, которое имеет два корня и переводится как литое железо (
rauta
).

Добыча руды

Для производства стали прежде добывают руду и топливо. Но, даже имея в достаточном количестве железную руду и каменный уголь, (подробнее: Природные энергоносители) нельзя еще приступать к изготовлению стали. И руду и уголь необходимо по-особому приготовить. Руду обогатить, из каменного угля сделать кокс.

Обогащение руды

Долгий и сложный путь проделывает руда, прежде чем превратится в сталь. И первый этап на этом пути – обогащение руды на обогатительная фабрика. Сначала руду дробят с помощью машин, которые так и называются дробилками. Первая, самая мощная, раскалывает крупные глыбы на куски. Затем вторая превращает эти куски в щебень и так далее.

До тех пор, пока из руды не получится крупа. Но и этого еще не полное обогащение. Далее отправляют руду на мельницу и превращают ее в порошок. И только теперь начинается то, что металлурги называют обогащением, – отделение руды от сопутствующей породы, с которой она вместе лежала в земле. Происходит это так. Порошок смешивают с водой и пропускают между магнитами.

Магниты и выбирают из мутного потока частицы магнитного железняка. А то, что не нужно, – это уже не трудно догадаться, – уносится водой. Но даже такая отобранная руда еще не пригодна для дальнейшей переработки. Содержание железа в ней значительно повысилось. Однако и это еще не все. Руду снова надо превратить из порошка в куски. Для этого порошок смешивают с коксом, известью и сильно нагревают.

Кокс

Для выплавки стали главным топливом служит каменный уголь. Но не в том виде, который добывают шахтеры. Добытый уголь содержит много примесей, которые могут вредно повлиять на будущий металл. И поэтому их необходимо удалить. Уголь, как и руду, для этого сначала размалывают в тончайший порошок. Потом этот порошок в специальной камере нагревают без доступа воздуха.

Из угля выделяются газ и смола. Вместе с ними уходят и другие ненужные примеси. А сам угольный порошок спекается в плотную пористую массу. Пышущую жаром массу выталкивают из камеры на металлическую платформу и охлаждают водой. От резкого охлаждения масса разваливается на куски. Эти куски и есть кокс. Вот теперь и руда и топливо подготовлены.

Можно приступать к плавке. Но пока еще не к плавке стали. Прежде чем железная руда превратится в сталь, ей еще предстоит стать чугуном. Этот процесс происходит в домне. Домна – это печь-гигант. Даже десятиэтажный дом не кажется очень большим рядом с такой печью. Горит эта печь непрерывно в течение десятков лет.

Металлурги время от времени загружают в нее руду, кокс и известь – она тоже во время плавки необходима, – и выпускают готовый чугун. Какие процессы происходят в домне, как руда превращаться в чугун? Чтобы разобраться в этом, надо снова вернуться к железной руде.