Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности находят применение как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой уникальные сплавы железа и углерода. Всем известно, что железо добывается из глубин земли в огромных количествах. Но в чистом виде эксплуатировать его невозможно, этот элемент слишком мягок, а поэтому непригоден для изготовления высокопрочных изделий. Поэтому в промышленных, строительных и бытовых целях употребляется не железо в чистом виде, а его производные -чугуны и стали. Чем отличается сталь от чугуна?
Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода.
Их отличие проявляется во многих качествах, и общность элементов при производстве не дает материалу идентичные характеристики.
Градация стали и чугуна
Вернуться к оглавлению
Сталь
Для получения стали железо сплавляется с углеродом и разнообразными примесями. Обязательным условием является содержание углерода не более 2% (он увеличивает прочность), а железа — не меньше 45%. Оставшуюся часть составляют легирующие связывающие компоненты (хром, молибден, никель и т.д). Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость, повышает ее антикоррозийные качества и прокаливаемость. Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость. Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.Металлурги выделяют разные виды стали. Классифицируют их в зависимости от объема оставляющих элементов. Например, содержание более 11% легирующих металлов дает высоколегированную сталь. Существует также:
- Низколегированная сталь — до 4%.
- Среднелегированная сталь — до 11%.
По количеству углерода сталь классифицируется на:
- низкоуглеродистый металл — до 0,25% С;
- среднеуглеродистый металл — до 0,55% С;
- высокоуглеродистый металл — до 2% С.
Состав неметаллических элементов (фосфидов, сульфидов) классифицирует металл на:
- обычную;
- качественную;
- высококачественную;
- особо высококачественную сталь.
В итоге все виды стали представляют собой прочный, износостойкий и устойчивый к деформации сплав с температурой плавления от 1450 до 1520 °C.
Вернуться к оглавлению
Чугун
В производстве чугуна тоже сплавляется железо и углерод. Основным же отличием чугуна от стали является содержание последнего в смеси. Оно должно составлять больше 2%. Помимо этого, смесь содержит примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и легирующие металлы. Чугун более хрупок, чем сталь, и разрушается без видимого деформирования. Углерод в металле представлен графитом или цементитом, при этом объем и форма элемента дают определение разновидностям сплава:
- Белый чугун, в котором весь объем углерода представлен цементитом. На изломе этот материал имеет белый цвет, очень твердый, но при этом хрупкий. Легок в обработке и применяется для производства ковкой разновидности.
- Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
- Ковкий, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950-1000 °С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун не куется, а название указывает лишь на его пластичность.
- Высокопрочный чугун, содержащий шаровидный графит, образованный в процессе кристаллизации.
Количеством углерода в сплаве определяется температура его плавления (чем больше содержание элемента, тем ниже температура и выше текучесть при нагреве). Поэтому чугун является жидкотекучим, непластичным, хрупким и трудно поддающимся обработке материалом с температурой плавления от 1150 до 1250 °C.
Вернуться к оглавлению
Устойчивость к коррозии
Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.
Чугун в процессе использования покрывается сверху сухой ржавчиной. Это так называемая химическая коррозия. Влажная (электрохимическая) коррозия воздействует на чугун медленнее, чем на сталь. Первоначально напрашивается вывод, что антикоррозионные характеристики чугуна гораздо выше. На самом деле оба эти сплава подвержены коррозии в равной степени, просто в отношении чугунных изделий из-за толстых стен процесс занимает больше времени. Этим, например, можно объяснить разницу в сроке службы котлов: стальные — от 5 до 15 лет, чугунные — от 30 лет.
В 1913 году Гарри Бреарли совершил открытие в области металлургии. Он обнаружил, что сталь с высоким содержанием хрома имеет хорошее сопротивление к кислотной коррозии. Так появилась нержавеющая сталь. Она тоже имеет свою градацию:
- Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
- Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
- Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.
Вернуться к оглавлению
Термический шок и ударопрочность
Чугун и сталь часто применяются при изготовлении отопительных котлов. При этом вопрос устойчивости к термическим ударам становится особенно важным. Если в неостывший чугунный котел попадет холодная вода, он может треснуть. Стальным изделиям термошок не страшен. Сталь более эластична и отлично переносит разницу температур. Но большие и частые температурные перепады у стали способствуют появлению «усталых» зон и, как следствие, трещин в местах, которые ослаблены сваркой.
Хорошая пластичность делает стальные изделия устойчивыми к механическим повреждениям. Хрупкость же чугуна неизбежно приводит к образованию трещин при ударах или перекосах.
Серый чугун имеет более однородную структуру, повышенные пластичность и антикоррозийные свойства, способен выдерживать большие температурные скачки.
- Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
- Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
- Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
- По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
- Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
- Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали — светлые с блестящей поверхностью.
Вопрос:
28 марта 2009
Чем отличается чугун от стали, и почему?
Ответ:
Как ни странно, но, несмотря на обилие специальной литературы на эту тему, часто нам задают и такой вопрос:
Чем чугун отличается от стали? Если коротко и в общих чертах, то можно сказать, что по составу чугун отличается от стали
более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами и малой способностью к
пластической деформации. Чугун, как правило, дешевле стали.
А если более подробно, то – читайте классиков, уважаемые! Многие тома посвящены материаловедению и металлургии чёрных
сплавов. В качестве примера привожу отрывок из фундаментальной работы Гуляева А.П. «Металловедение»:
«Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2,14% углерода. Однако указанная граница (2,14% C) относится
только к двойным железоуглеродистым сплавам или сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Вопрос о границе
между сталями и чугунами в высоколегированных железоуглеродистых сплавах, т.е. содержащих ещё большее количество других
элементов, кроме железа и углерода, является спорным.
В свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа, в которых
углерода очень мало и он является даже вредным элементом; тем не менее такие сплавы также называют сталями. Во избежание
терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50%, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами,
а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически чётко».
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.
Разница между ломом чугуна и ломом стали не только в химическом составе, но и визуальная. Для тестирования разницы Вам понадобится шлифовальный круг, кусок металла, паяльная лампа, защитная маска и перчатки
Физические свойства чугуна и литой стали
Можно различить металлы по их внешности. Чугун грубый, матово-серого цвета, в то время как литая сталь гладкая и серебристо-серого цвета.
Тест на искру
Вам понадобятся два небольших кусочка каждого металла. Прижмите шлифовальный круг к краю каждого металла и обратите внимание на цвет образующихся искр. Сталь создаст блестящие белые искры, в то время как чугун будет генерировать тусклые красные искры.
Тест на дробление
Возьмите небольшой кусочек от каждого металла, и попытайтесь раздробить. Вы увидите, что чугун ломается хаотично в то время, как литая сталь будет дробиться на длинные, гладкие тонкие части практически без усилий.
Тест на плавление
Для этого теста Вам небольшой кусок от каждого металла для плавления. Наденьте защитное снаряжение и расплавьте металл паяльной лампой. Чем больше углерода в металле, тем труднее становится металл. Вы увидите, что чугун плавится быстрее, и становится красным. Литая сталь плавится дольше, и становится белой при расплавлении.
Тест на хрупкость
Бросьте тонкую пластинку каждого из металлов и бросьте его на землю с некоторым усилием. Чугун сломается на множество частей, в то время как сталь не сломается, или сломается на две части. Это потому, что чугун более хрупкий, сталь.
Инструкция
Вы можете определить чугун по плотности изделия. Взвесьте предмет, а затем определите, какой объем воды он вытесняет. Таким образом вы рассчитаете его плотность и сделаете вывод о материале. Дело в том, что плотность основных марок стали лежит в пределах 7,7 – 7,9 граммов/см^3, плотность же наиболее распространенного серого чугуна не превышает 7,2 граммов/см^3. Но это способ ненадежен, так как есть еще белый чугун, плотность которого колеблется между 7,6 и 7,8 граммами/см^3. Поэтому, его можно применять только будучи твердо уверенным: изделие сделано либо из стали, либо из серого чугуна.
Можете воспользоваться магнитом. К он прилипает хуже, чем к стали. Но и этот способ точным назвать нельзя, поскольку некоторые виды легированных сталей с высоким содержанием никеля почти не притягивают магнит.
Поэтому надежнее пользоваться одним из следующих методов: определять чугун с помощью вида образующихся опилок или стружки, а также с помощью шлифовальной машинки. Возьмите напильник с мелкой насечкой, несколько раз проведите по поверхности изделия. Постарайтесь собрать образующиеся мельчайшие опилки на лист бумаги. Сложите бумагу вдвое и энергично потрите. Если это чугун, то бумага будет заметно испачкана, если это сталь, следов практически не останется.
Можете также немного посверлить изделие тонким сверлом (разумеется, не с лицевой стороны, а в месте, которое не бросается в глаза). При этом образуется небольшое количество стружки. По ее внешнему виду и свойствам можно безошибочно определить, из какого материала изготовлена деталь. Если это чугун – стружка буквально рассыплется у вас в пальцах, превращаясь в пыль. Если это сталь – стружка будет выглядеть как витая пружинка и может даже оцарапать ваши пальцы, если вы попробуете ее сломать.
Наконец, можно судить о материале по величине, форме и цвету искр, образующихся, когда по краю изделия проводят шлифовальной машинкой. Чем больше содержание углерода, тем ярче и сильнее будет сноп светло-желтых искр. А содержание углерода гораздо выше, чем в стали.
Если есть сомнения – лучше использовать в качестве эталонов куски чугуна и стали и сравнивать форму и свойства опилок (стружек), а также вид образующихся искр с тем, что получается при обработке этих образцов.
В своей жизни нам часто приходится сталкиваться с использованием различных изделий из чугуна , который по своей структуре представляет довольно хрупкий сплав, но с хорошей теплопроводностью. В соответствии с этим нередко возникает вопрос, а как его варить, ведь чугун из-за высокого содержания в нём углерода, серы и фосфора относится к группе плохо свариваемых металлов?
Инструкция
Опустив тонкости химического состава чугуна, химических и других процессов происходящих при сварке, давайте всё же разберёмся: как сварить ? Промышленность нашей производит серый и белый чугун, которые сильно отличаются по своему и характеристикам. Соответственно, и способы сварки для них разные. Здесь необходимо помнить, что сварить изделия из чугуна, которые длительное время подвергались воздействию высоких температур от 300 градусов и выше, а так же изделия, длительное время проработавшие в непосредственном соприкосновении с различными маслами, практически не представляется возможным.
Наиболее приемлемым способом сварки чугуна в наших бытовых является сварка с использованием электросварочного аппарата. Итак, при электросварке проведите V-образную разделку свариваемых кромок и тщательно очистите их от масла, ржавчины и грязи щеткой.
Приобретите электроды с покрытием УОНИ-13/45 (сварку данными электродами проводят при постоянном токе обратной полярности).
Сварочный шов накладывайте отдельными участками (в разбивку), это поможет вам избежать неравномерного разогрева детали (отдельно направленные участки сварочного шва должны быть не более 10 см).При сварке изделий толщиной более 5 мм не забывайте выполнить усиление шва на длину равную толщине свариваемой детали.
Во время сварки не забывайте давать остывать отдельно наплавляемым участкам до 60-80 градусов.При сварке чугуна с использованием шпилек делайте следующее: с помощью дрели (в шахматном порядке) просверлите в подготовленных кромках отверстия (не сквозные!), нарежьте резьбу и вверните в них шпильки из низкоуглеродистой стали (угол кромок свариваемых деталей должен составлять 90 градусов).
В разделку вставьте шпильки большего диаметра.Сварку выполните электродами с защитно-легирующим покрытием марки Э42 (42А) или Э50 (50А) на постоянном или переменном токе, при этом толщина электрода подбирается в зависимости от толщины свариваемого изделия.
Саму сварку выполните путём обваривания шпилек кольцевым швом и только после этого короткими участками заполните пространство между обваренными шпильками и саму разделку.Есть и другие способы сварки чугуна, но о них поговорим позже.
Видео по теме
С неослабевающей пылкостью продолжаются споры о том, можно ли заварить чугун ? Насколько надежна будет такая сварка? Опыт пытливых и упорных «самоделкиных» показывает, что устранить трещину в казане, починить печные колосники с помощью газовой или электросварки вполне возможно.
Вам понадобится
- Газовая горелка или электрический сварочный аппарат, присадочные прутки, электроды.
Инструкция
Воспользуйтесь газовой сваркой – из наиболее надежных способов сварки чугун
а. Газовая сварка позволяет получать наплавленный максимально по своим свойствам к основному.
Вести газовую сварку чугун
а лучше с предварительным подогревом. Предварительно очистите кромки свариваемого материала от и грязи металлической щеткой, удалите все следы масла.
В качестве присадочных прутков используйте чугун
ные стержни длиной 40-70 см. Диаметр прутка должен быть равным половине толщины основного .
Обратите внимание
При сварке чугуна необходимо поменять сварочные кабеля местами – с земли на держатель, а с держателя на землю.
Полезный совет
Также можете запаять чугун, используя газовую сварочную горелку, при помощи буры - в качестве окислителя - и цветных металлов – латуни, бронзы, меди.
Чугун представляет собой сплав железа с небольшим количеством углерода. Иногда в этот состав вводят также легирующие добавки, придающие ему более высокие потребительские качества. Данный металл – первичный материал для черной металлургии. Его используют не только при производстве стали и в машиностроении, но и для изготовления художественных изделий.