Что такое сталь и чугун определение

Обновлено: 22.01.2025

Знать все о чугуне, о том, что это такое, и из чего состоит чугун, крайне рекомендуется любому потребителю металлургической продукции. Стоит изучить информацию из ГОСТа, сведения о получении такого металла не менее важно, чем определение чугунного сплава. Отдельно понадобится разбираться с видами, с составом и нюансами производства, со свойствами сплава и тонкостями его применения.

Что это такое?

Как и сталь, чугун состоит из железа, смешанного с некоторым количеством углерода, но разницей в концентрации карбонового компонента дело не ограничивается. Сама эта доля составляет минимум 2,14%, чаще — несколько большую величину. При этом само определение предусматривает вхождение в состав сплава еще и ряда других металлов, перечень и количество которых определяется индивидуально. Окончательное решение принимают технологи, отталкиваясь от тех свойств, которых требуется достигать.

При затвердении в печи чугун неизменно формирует эвтектику. Его углеродная структура бывает представлена как цементитом, так и графитом. В зависимости от нее, а также от содержащихся примесей, меняются свойства готового продукта. При производстве чугуна могут добавлять марганец, легирующие компоненты. А также это может быть и сплав железа с кремнием и углеродом, концентрация которого иногда превышает 6,67%.

Впрочем, в большинстве случаев доля углерода не более 4,5%. Повышенное его содержание характерно для сплавов с особыми свойствами и специальной категорией применения. При добавлении менее 2,14% углерода вместо чугуна получается сталь. У чугунных сплавов есть как положительные, так и отрицательные свойства. Сами они делятся на целый ряд более частных категорий в зависимости от параметров и сферы применения.

Особенности производства

Методика выработки чугуна постоянно улучшается. В большинстве случаев исходными материалами для этого процесса оказываются:

железная руда различных типов;

топливо (для проведения реакций и разогрева);

разного рода флюсы.

В составе руды должно присутствовать железо (в относительно чистом виде или в соединениях). Количество этого компонента и его химическое состояние оценивают, чтобы установить перспективы промышленного получения металла. Пропорции между основными расплавляемыми элементами подбирают весьма строго, учитывая нюансы технологического процесса и специфику исходного сырья. Основную роль в чугунолитейной практике получили окислы и сульфиды железа, а также шпаты. Именно эти 3 категории соединений наиболее часто встречаются во всех основных железорудных районах.

В ряде случаев металлурги используют красные, бурые, шпатовые и магнитные железняки. Сам чугун выплавляют, используя топливо с повышенной теплотворной способностью. Это свойство, а также ограничение на концентрацию серы, требования по пористости и прочности делают каменноугольный кокс почти безальтернативным решением. В редких случаях вместо него применяют древесный уголь. Чтобы улучшить отделение пустой породы и золы, добавляют флюсы.

В зависимости от состава и легкоплавкости шлаков меняется процесс доменной плавки и состав чугуна. Руды готовят к плавке предварительно. Большие фрагменты дробят и измельчают на специализированных машинах. В норме фрагменты должны быть величиной 3-10 см. Слишком мелкие куски отбраковывают в грохотах и отправляют спекаться при 1100-1200 градусах.

Руду нужно будет еще и промыть водой — для первичного удаления пустой породы. Потом сырье обжигают, чтобы подсушить его и убрать скопившуюся углекислоту. Попутно выжигается сера. В некоторых случаях прибегают к магнитному обогащению. Доменный процесс — один из основных способов выработки чугуна на практике.

Внутри домен создается очень высокая температура. Исходные компоненты преобразуются в чугунный сплав. Выделяются, обособляются при этом доменные газы и шлаки. С химической точки зрения правильно будет говорить о «восстановлении» железа углеродной окисью. Процесс идет плавно, без резких скачков.

Некоторые предприятия пользуются восстановлением железа водородом. А также практикуется восстановление твердым углеродом, или прямое восстановление. Высокопрочный чугун получают во многом благодаря науглероживанию железа. Усиленное насыщение углеродом начинается при 500 градусах. После расплавления и прогрева до высокой температуры расплав стекает по расплавленному коксу, что повышает эффективность науглероживания.

Завершение процесса происходит ниже шлаковой летки. В этот момент соотношение углерода и железа определяется содержанием иных компонентов.

Эффективность науглероживания повышается за счет примеси марганца. Тот же самый результат оказывает введение хрома, ванадия и титана. При плавлении, однако, восстанавливается не одно железо — в шихту переходят хром, марганец, свинец, цинк и так далее.

Характеристики и свойства

На передельный чугун распространяется ГОСТ 805 от 1995 года. В нормативе даны рекомендации по содержанию конкретных веществ. Массовая доля меди может составлять не более 0,3%. Доля боя в чушках достигает максимум 2%. Чушки весят от 18 до 55 кг.

Определить тепловую емкость чугунного сплава удается за счет правила смещения. Описывать его подробно, однако, не имеет смысла — технологи и так знают, а для остальных это пустая информация. Теплопроводность и температуропроводность чугунных образцов в первом приближении совпадают. Плавится чугун обычно при 1200 градусах, тогда как у стали этот показатель примерно 1500 градусов. Особенностью механических свойств продукта будет увеличенная прочность, но при этом малая стойкость к динамической нагрузке.

В связи с особенностями кристаллической решетки чугун отличается хрупкостью. Его удельный вес определяется объемом связанного углерода и уровнем пористости. Большое влияние оказывает присутствие иных примесей. Пределы прочности и пластичность зависят от структуры на уровне кристаллической решетки и распределения молекулярных групп. Упругость предопределяется формой графита. Твердость зависит от количества и размеров графитовых включений, а также от дисперсности перлита.

То, насколько сильно сплав сопротивляется коррозии, определяется его собственной структурой. Важна также внешняя среда. Сопротивление между графитом и ферритом составляет 0,56 В. Дисперсность и антикоррозионные свойства обратно пропорциональны. Присутствие марганца замедляет графитизацию, сера портит чугун в плане литейных и механических свойств, а фосфор улучшает качество отливок.

Белый

Этот вид сплавов занимает в классификации чугунов особое место. В нем присутствует заметное количество цементитов. Название связано с поверхностью специфического белого цвета. Если материал получает излом, то появляется хорошо наблюдаемый блеск. Доля графита не превышает 3/10 процента от общей массы образца. Идентификация такого компонента возможна лишь путем спектрального анализа.

Доэвтектическим считается белый чугун, в котором доля углерода не более 4,3%. Этот элемент представлен перлитом, ледебуритом, вторичным цементитом. Подобная структура достигается после полного остужения материала. Эвтектический сплав имеет ровно 4,3% углерода. При дальнейшем росте карбонизации говорят уже о заэвтектическом продукте.

Серый

Подобное название, как нетрудно догадаться, связано с серой расцветкой излома. Но такой признак не совсем точен. Он может присутствовать и у ковкого металла, о котором еще пойдет речь. С другой стороны, даже в ГОСТ ошибочно был включен под названием «серый чугун» также литейный сплав с вхождением заметного количества пластинчатого графита. За границей классификация более точна, но корректировать устоявшуюся терминологию смысла нет — нужно просто помнить этот нюанс.

Серые чугуны бывают:

Литейные свойства такого металла довольно высоки. Из него делаются очень хорошие отливки. При вибрационном воздействии внешние колебания гасятся крайне эффективно. Прочностные характеристики тоже порадуют знатоков. Правда, этот материал из-за особенностей своей структуры очень хрупок.

Ковкий

Вопреки названию, такой сплав находит применение также при отливке. Встречаются варианты с ферритной либо перлитной основой. Отливка, лишенная производственных дефектов, может быть пригодна для работы при давлении до 20 МПа, а иногда и выше. Уровень обрабатываемости примерно тот же, что и у особо прочного сплава. Сам ковкий чугун формируют на основе белого сплава.

Доля углерода варьируется от 2,4 до 2,8%. Графит внутри имеет хлопьевидную структуру. Конкретная структура определяется температурным режимом обработки и добавляемыми легирующими компонентами. Упомянутые хлопья позволяют сочетать прочность и пластичность. Все поперечное сечение имеет идентичные свойства.

Высокопрочный

Повышенные механические свойства такого металла обусловлены вхождением шаровидного графита. Износостойкость и стойкость к коррозионным изменениям могут считаться сильными сторонами материала. Часть марок такого продукта имеет отличный уровень теплостойкости и даже жаростойкости, антифрикционные свойства и превосходную обрабатываемость. Чем выше качество конкретной разновидности сплава, тем тяжелее его получить. Иногда приходится вводить молибден и различные комплексные пластификаторы.

Высокопрочный чугун больше обычного подвержен дефектам при усадке. Зато он стойко противостоит всем температурным колебаниям. Свариваемость лучше, чем у обычных высокоуглеродистых сплавов. Допускается вполне резка автогеном. Иногда для увеличения прочности добавляют магний и церий.

Передельный

Такой чугун используют не сам по себе, а как сырье в дальнейшем выпуске стали. Сам передел проводят в кислородных конвертерах, изредка — в мартеновских печах. Передельный сплав формируют в чушки. У них иногда нет пережимов, но встречаются также экземпляры с 1 или 2 пережимами. Содержание кремния и марганца сильно ограничено.

Высококачественный передельный чугун имеет минимальное количество серы и фосфора. На долю такого металла приходится основная часть чугунолитейного производства. Процент различных примесей утверждается нормативными стандартами.

Передельный чугун может относиться к высокопрочной группе. Такой материал подходит для эксплуатации в агрессивных средах.

Специальные

Подобные сплавы имеют не просто приличные механические и технологические параметры. Они отличаются привлекательным уровнем износостойкости. Иногда отмечается превосходная химическая стойкость и отменные магнитные свойства. Легированные чугуны встречаются в нескольких десятках марок. Теплостойкость таких веществ превышает иногда 1000 градусов.

Однако стандартная рабочая температура все же составляет обычно 500-700 градусов. Отливки из специальных чугунов могут подвергаться специальной термообработке. Жаростойкость часто достигается путем улучшения кремниевыми добавками. Хорошими примерами являются:

Чем чугун отличается от стали?

Многие люди довольно часто путают чугун и сталь. Эти металлы действительно очень схожи друг с другом, однако между ними есть и ряд определённых различий. О том, в чём же заключается разница между чугуном и сталью, расскажем в этой статье.

Как отличить визуально?

В первую очередь чугун от стали можно отличить на глаз. Так, если предмет сделан из чугуна, то на его сломе можно будет разглядеть сероватый матовый оттенок, в то время как железо в этом же месте будет более светлым и обладать глянцевой текстурой. Общий цвет изделия тоже поможет точно определить, из чего оно сделано: из железа или чугуна. Так, стальные изделия будут светлее по оттенку, нежели чугунные. Чаще всего к этому добавляется и глянец. Чугунные же изделия будут более тёмными, а их поверхность – матовой.

Стоит обратить внимание и на трещины, если таковые присутствуют на изделии. Так, предметы из стали, как правило, являются высокоуглеродистыми, а потому трещинки на них будут создавать эффект раскола. В это же время трещины на чугунных изделиях, которые являются низкоуглеродистыми, будут выглядеть как разрывы пластичного типа.

Различия физико-химических характеристик

Отличить чугун от стали можно и по физико-техническим характеристикам. Так, самое главное, что нужно знать, – это то, что в чугуне содержится больше 2,14% углерода. У стали же значение обычно ниже. Из этого вытекает ряд признаков, присущих чугуну: он лёгкий, твёрдый, чёрный и обладает низкой температурой для плавления. Сталь же за счёт низкого содержания в своём составе углерода тяжелее и обладает высокой прочностью и твёрдостью. Кроме того, этот металл легко поддаётся обработке, именно по этой причине его так часто используют для сварки, резания, проката и ковки – этим обуславливается и высокая теплопроводность таких изделий. Конструкции же из чугуна можно сделать только с помощью литья, из-за чего они обладают повышенной пористостью, что не очень хорошо отражается на их теплопроводности.

Стоит отметить и тот факт, что для чугуна, как правило, закалка не требуется, тогда как стали она очень нужна. При этом при производстве, если коснуться основных фаз, чугун является первичным продуктом, а сталь, в свою очередь, конечным – данный фактор значительным образом влияет на ценообразование и легко объясняет высокий ценник на последний металл. Кроме того, стоит обратить внимание и на ряд других физико-химических характеристик этих металлов.

Так, чугун отличается своей шероховатостью и тёмным цветом, а плавится он при температуре от 1000 до 1600 градусов, остывая при этом примерно за 10 минут. В составе, помимо углерода, он имеет фосфор, кремний, молибден, серу и марганец, а также ряд других добавок. Плотность этого металла может варьироваться от 7200 до 7600 кг/м3, а его удельная теплоёмкость составляет 540 Джоулей. При этом стоит обратить внимание на пониженную пластичность чугуна. Кроме того, он легко магнитится за счёт высокого содержания углерода в составе, а также крошится, если на него воздействует давления, отличается склонностью к образованию трещин и обладает повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Данный металл часто используют для создания корпусных деталей, блоков, а также для выплавки сталей, где он является главной шихтовой составляющей. Кроме того, его часто задействуют для изготовления посуды, больших труб, корпусов тех или иных станков, а также двигателей. Сталь же, в свою очередь, отличается характерным отблеском и является сплавом железа и углерода, плавится она при температуре от 1300 до 1500 градусов. Этот металл отличается своей гладкостью, его плотность варьируется в пределах от 7700 до 7900 кг/м3, а теплоёмкость составляет около 462 Джоулей. Кроме того, сталь пластична и легко легируется с разными химическими элементами, что необходимо для смены характеристик и назначения. А вот магнитится данный материал не всегда, это во многом зависит от особенностей его состава.

Стоит отметить и то, что эта разновидность легко поддаётся обработке давлением, однако обладает пониженной коррозионной стойкостью. Металл активно используют в машиностроении и приборостроении. Он также подходит для изготовления деталей разной сложности, столовых приборов, кузнечных и слесарных инструментов, а также хирургических принадлежностей.

Чем отличается чугун от стали

В мире масса строительных материалов и сырья для производства изделий, и с каждым годом сортамент растет. Однако есть и продукты, которые человечество знает уже довольно давно, однако мало кто знает, например, чем отличается чугун от стали

Чтобы не затягивать повествование, ответим на вопрос так: «Чугун отличается от стали процентным содержанием углерода. Если в сплаве этого элемента 2.5%, то это чугун». Напомним, в стали предельное содержание примесей должно быть не более 2%.

Однако на этом разница между двумя сплавами не заканчивается. Так что сегодня разберем оба материала подробнее, выясним особенности создания и параметры.

Главная разница между двумя сплавами – это примесь углерода в каждом из материалов. Другие параметры ниже:

Прочность стали выше, чем у аналога.
Вес изделий из стали меньше, и они лучше плавятся.
Отдельные типы обработки (ковка, сварка) доступны только для стали, а вот чугун создается только литьем.
Теплопроводимость чугуна ниже, чем у аналога.
Чугунные изделия не нужно обязательно закалять.

Приведем также таблицу с характерными отличиями двух сплавов.

Видно, что оба материала имеют сильные и слабые стороны, и их использование целесообразно в разных ситуациях. Рассмотрим подробнее характеристики каждого сплава.

Характеристики чугуна

Чугун – это сплав железа и углерода. При этом его содержание к общей массе изделия выше 2%. Впервые материал получили в X веке на территории Древнего Китая. Далее изделия из него равномерно распространились по всему миру. Сейчас КНР, Япония и Россия входят в ТОП-3 государств по выплавке.

При создании чугуна большую роль играют примеси. Их сейчас более 100, но популярнее всего 4:

Сера – понижает тугоплавкость сплава, а также текучесть при расплаве.
Фосфор – за счет снижения прочности улучшается пластичность. Это позволяет создавать изделия более сложной геометрии.
Кремний – снижает литейную температуру.
Марганец – повышает прочностный параметр сплава в ущерб литейным свойствам.

Также в сплав добавляют титан, медь, алюминий и титан. Температура плавления – 1160-1250 градусов по Цельсию.

На рынке есть несколько типов чугуна, которые отличаются по характеру сформированности кристаллической решетки:

Белый – в состав добавляется цементит, который определяет цвет излома. Сырье хрупкое и является основой для создания ковкого типа чугуна.
Серый – в сплав добавляется больше графита, придающего цвет изделиям. В составе также магний, фосфор и сера.
Ковкий – белый чугун долгое время термически обрабатывается до образования графита, который дает изделию высокое механическое сопротивление.
Высокопрочный – в результате кристаллизации создается шаровидный графит.
Предельный – финальное состояние чугуна, из которого после производят другие изделия. Как самостоятельное элемент не используется.

Чугун активно используется в средах с повышенными климатическими условиями благодаря высокой устойчивости к температурным перепадам. Также изделия из чугуна применяются в быту: раковины, радиаторы, мойки, ванны.

есть марки равные стали по прочности;
тепло равномерно распределяется по поверхности;
экологически чистый материал;
повышенная устойчивость к кислотно-щелочным средам;
повышенная гигиеничность;
продолжительная эксплуатация.

стоимость выше, чем у стали;
белый чугун более хрупкий, чем сталь, а серый менее пластичный.

Характеристики стали

Сталь – это сплав, который состоит из железной руды и углеродной примеси. Классический рецепт – это менее 2% углерода. Однако есть и высоколегированные марки, где углерода 20-40%.

Россия входит в Топ-5 стран по выплавке стали в мире. Популярность материала объясняется. Существует масса видов и типов стали, которые отличаются по прочности, стойкости к коррозии и температурным перепадам.

Обязательное наличие в сплаве в унифицированных пропорциях углерода и железной руды. Первый дает вязкость, а второй повышенную прочность.
Сплав всегда содержит мелкие вкрапления: 1.2% кремния и 0.5% марганца.
Чтобы изменить свойства материала, в него добавляют в унифицированных пропорциях другие металлы.

Существует масса вариантов классификации стали. Рассмотрим несколько параметров.

Химия

Углеродистые – классификатор намекает на ввод в состав сплава углерода. В одних марках не более 0.3% примеси, а максимальные значения не превышают 0.7%.

Легированные – в продукт добавляют примеси металлов и веществ, чтобы получить новые свойства. В «низких» марках процент примесей не более 2.5%, а предельные значения – до 10%.

Структурный состав

Перлитная сталь – это чистый продукт с малыми вкраплениями примесей. Мартенситная отличается обилием добавочных веществ в составе, как и аустенитная. Разница между последними двумя в пропорциях и количестве примесей.

Раскислитель

Спокойная – это полностью чистый материал без закиси железа. Ее применяют из-за повышенной себестоимости и добавочной цены исключительно в стратегически важных узлах сооружений.

Полуспокойная – материал твердеет без кипения, однако на поверхности материала все же остаются небольшие вкрапления пузырьков газа. Кипящая – это продукт низкого качества с большим количество газовых вкраплений, которые при дальнейшем использовании вызывают дефекты, например, при сварке.

Сталь производится мартеновским методом, а также конвертерно-кислородной. Еще есть прямой способ и электроплавильный.

Как отличить чугун от стали

Отличить чугун от стали можно за счет пары-тройки экспериментов:

По излому – метод подойдет, если изделие больше не будет использоваться. На изломе чугун темно-серый, а вот сталь светлая с глянцевым блеском. На изломе у чугунных изделий трещины больше видны из-за повышенной хрупкости материала.
Сверление – стальная стружка при сверлении отверстия вьется по мере движения сверла. Стружка чугуна тут же крошится и легко превращается в пыль.
Шлифование – здесь используется шлифовальная машинка. Критерий оценки – это искры. Если их мало и с красноватым оттенком, это чугун. Стальные искры более желтые или белые, и их много.

Единственная схожесть у чугуна и стали – это наличие в составе углерода. В остальном перед нами разные материалы, использующиеся под разные нужды в народном хозяйстве и промышленности.

Оба материала относятся к группе черных металлов. Внешне их сложно различить, а некоторые свойства перекликаются между собой. Это объясняется тем, что и сталь, и чугун представляют собой углеродистые сплавы железа. Именно содержание Fe и C определяет их главное различие.

Сталь ‒ это сплав железа и углерода, соотношение которых составляет от 45% и до 2% соответственно. В зависимости от марки в состав могут входить никель, хром, кремний, марганец и прочие добавки. Вариативность легирующих компонентов обеспечивает материалу обилие свойств.

Углерод отвечает за твердость и прочностные характеристики сплава. Благодаря ему металл обладает высокой прочностью, пластичностью, легко поддается обработке.

по наличию легирующих компонентов:

низколегированную;
среднелегированную;
высоколегированную;

по содержанию углерода:

низкоуглеродистую;
среднеуглеродистую;
высокоуглеродистую.

Температура плавления всех марок находится в диапазоне от 1450 до 1520 °С. Плотность составляет 7700-7900 кг/м3.

Применяют сталь повсеместно: в промышленности при производстве различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и прочих изделий, в быту мы пользуемся стальными столовыми приборами, кухонной утварью, предметами интерьера, мебелью и т.д.

Железо и углерод также являются основой чугуна. Количество последнего составляет от 2%. Сырье также легируют различными добавками: фосфором, марганцем, кремнием и другими.

В зависимости от сформированной кристаллической решетки (цементит / графит) выделяют следующие типы чугуна:

белый ‒ наличие цементита определяет цвет излома, благодаря которому материал получил название «белый», одновременно с твердостью обладает хрупкостью, путем отжига из него изготавливают ковкие чугуны;
серый ‒ содержание графита в большом количестве определяет цвет сырья и его пластичность, легок в обработке, в состав входят кремний, магний, фосфор, сера;
ковкий ‒ длительный отжиг белого чугуна образует графит, который придает металлу высокую пластичность, вязкость, твердость, ударную сопротивляемость;
высокопрочный ‒ образование шаровидного графита в процессе кристаллизации обеспечивает материалу повышенную прочность;
предельный ‒ подвергается дальнейшей обработке, не применяется, как самостоятельная единица.

Температура плавления чугуна составляет от 1160 до 1250 °С, зависит от содержания в нем углерода. Чем больше элемента в составе, тем меньше его температура и выше текучесть при нагревании. Такая зависимость определяет хрупкость материала.

Производство чугуна и стали

Чугун изготавливают в доменных печах из железной руды (агломерата), кокса, известняка и горячего воздуха. Сначала закладывают кокс, а затем послойно агломерат и кокс. В нижнюю часть печи через специальные отверстия подается горячий воздух, обогащенный кислородом.

Кокс, сгорая в домне, образует углекислый газ, который проходя через слои сырья, высвобождает оксид углерода. Таким образом руда постепенно претерпевает превращения. К ней добавляют известняк. Появляется силикат кальция, который отделяется в виде шлака. Окись углерода является главным восстановителем железа. Образование чугуна происходит за счет опускания Fe в более горячую часть домны и растворения в нем C.

Сталь производят из чугуна путем снижения количества углерода, серы, фосфора, марганца. Сплав получают в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Определить, какое изделие перед вами находится, стальное или чугунное, можно тремя способами:

Читайте также: