Преимущества чугуна перед сталью
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.
Различия физико-химических характеристик
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.
Чугунная или стальная печь: какую выбрать?
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.
Содержание углерода в сплаве также дает свою классификацию металлу:
- 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/см3. 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.
Содержание углерода в составе определяет его температуру плавления (чем его больше, тем ниже температура) и выше текучесть при нагреве. Поэтому чугун – это жидкотекучий, непластичный, хрупкий и трудно поддающийся обработке материал с удельным весом 6,9 (7,3) Г/см3. Температура плавления – от 1150 до 1250°C.
Литейные качества
Большинство людей не видели чугун или сталь в расплавленном состоянии, что понятно, поскольку чугун плавится при температуре около 2300 °F, а сталь – при температуре 2600 °F, и оба они заливаются в формы при еще более высоких температурах. Люди, которые работают с жидким чугуном и сталью, часто отмечают, что они сильно различаются по степени текучести и усадки.
Чугун относительно легко лить, он легко разливается и не дает усадки так сильно, как сталь. Это означает, что он легко заполняет сложные пустоты в форме, и для этого требуется меньше расплавленного материала. Эта текучесть делает чугун идеальным материалом для архитектурных или декоративных металлоконструкций, например, таких, как ограждения и уличная мебель.
Заливка стали намного сложнее. Она менее жидкая, чем расплавленный чугун, и более реактивная к материалам форм. Сталь даёт большую усадку, когда охлаждается, а это означает что нужно налить больше расплавленного материала – обычно в запасной резервуар, называемый стояком, из которого вытягивается отливка при охлаждении.
Однако отливки обычно охлаждаются неравномерно. Внешние области и более тонкие части будут охлаждаться и сжиматься намного быстрее, чем внутренние области и более объемные части, часто создавая внутреннее натяжение или напряжение, которое можно ослабить только посредством термообработки. Сталь гораздо более восприимчива, чем чугун, к усадочным напряжениям, и в некоторых ситуациях эти напряжения могут привести к значительным внутренним и /или внешним пустотам и возможным переломам.
По этим причинам литейная сталь требует большего внимания и контроля в течение всего процесса литья, что делает производство более ресурсоёмким.
- 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.
Ударопрочность
Пока что вам может показаться, что использование чугуна имеет больше преимуществ, чем использование стали, но у стали есть одно существенное преимущество: ударопрочность. Сталь отлично выдерживает внезапные удары без изгиба, деформации или разрушения. Это связано с её прочностью: её способностью выдерживать высокие нагрузки.
Прочность без пластичности приводит к тому, что хрупкий материал очень восприимчив к разрушению, а чугун является образцом для определения термина «прочность без пластичности». Из-за своей хрупкости чугун имеет ограниченную область применения.
Ударопрочность и несущая природа стали делают ее оптимальной для многих механических и конструкционных применений, поэтому сталь является наиболее широко используемым металлом в мире.
Объёмы производства
Чугун, отлитый в виде чушек
Воспроизвести медиафайл
Выпуск чугуна из доменной печи
В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0[29]
Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[30]. Первая десятка стран-производителей чугуна выглядела следующим образом:
| Место в 2009 году | Страна | Производство чугуна, млн тонн |
| 1 | Китай | 543,748 |
| 2 | Япония | 66,943 |
| 3 | Россия | 43,945 |
| 4 | Индия | 29,646 |
| 5 | Южная Корея | 27,278 |
| 6 | Украина | 25,676 |
| 7 | Бразилия | 25,267 |
| 8 | Германия | 20,154 |
| 9 | США | 18,936 |
| 10 | Франция | 8,105 |
За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.[31]
Устойчивость к коррозии
Чугун имеет лучшую коррозионную стойкость, чем сталь. Однако оба металла окисляются при взаимодействии с влагой.
Для предотвращения коррозии рекомендуется использовать краску или порошковое покрытие. Они хорошо защищают как чугунные, так и стальные поверхности.
Любой скол или трещина, которой подвергся основной металл, может привести к коррозии, поэтому регулярное техническое обслуживание важно для металлов с покрытием. Если коррозионная стойкость является важным фактором, то, вероятно, лучшим выбором будет легированная сталь, в частности нержавеющая сталь, в которую добавлены хром и другие сплавы для предотвращения окисления.
Примечания
Износостойкость
Чугун, как правило, обладает большей устойчивостью к механическому износу, чем сталь, особенно в условиях износа при трении. Более высокое содержание графита в чугуне создает графитную сухую смазку, которая позволяет твердым поверхностям скользить друг против друга без ухудшения качества поверхности.
Сталь изнашивается легче, чем чугун, но все же может быть устойчивой к определенным типам истирания. Некоторые добавки из сплава также могут улучшить абразивные свойства стали.
Маркировка
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- передельный чугун — П1, П2;
- передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
- передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
- передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
- чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).
- антифрикционный серый — АЧС;
- антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
- антифрикционный ковкий — АЧК;
- чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
- чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
Ковкий чугун маркируется двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
История
См. также: История производства и использования железа и Доменная_печь § История
В начале I тысячелетия до н. э. технология выплавки чугуна в тиглях была освоена в Китае и прилегающих Дальневосточных территориях. Шихта состояла из кричного железа и древесного угля, плавка производилась в течение нескольких суток при температуре выше 1200 °С. Позднее китайскими металлургами была изобретена специальная печь для выплавки чугуна из железной руды или кричного железа, получившая название «китайская» вагранка. Печь по сути представляла собой сыродутный горн высотой около 1 м, оборудованный дутьевым ящиком, обеспечивавшим приток воздуха в печь. В V—III веках до н. э. в Китае было освоено производство сложных отливок из чугуна. Этот период принято считать началом художественного чугунного литья[3][4].
В начале I века[5] в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[6]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[7], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[8]. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол[9].
Появление чугуна в Европе относят к XIV веку, когда начались первые плавки в штюкофенах с получением жидкого чугуна. В России первый чугун был выплавлен в XVI веке[10][11]. Наиболее активно первые домницы строились во 2-й половине XV века в Италии, Нидерландах и Бельгии. Немецкие металлурги длительное время продолжали плавить металл в блауофенах[1].
В XIV—XV веках в Европе, с XVI века — в России появились первые цельнолитые чугунные пушки и ядра[12][13][14]. Первооткрывателем этой технологии считается мастер-литейщик Питер Боуде из деревни Бакстед[en] работавший в литейной мастерской Генриха VIII[15].
В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел. 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[16]. Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[17].
В начале XVIII века в Западной Европе обострилась проблема истощения лесов, использовавшихся для получения древесного угля. Начались поиски альтернативных видов топлива для доменных печей. Первые опыты по применению подготовленного каменного угля и торфа в доменной плавке производились в Англии и Германии ещё в первой половине XVII века. В начале XVIII века в Англии была освоена технология коксования каменного угля. В 1735 году в Англии впервые был выплавлен чугун с использованием только каменноугольного кокса. В дальнейшем коксовая металлургия распространилась по всему миру[11][18]. К 1850 году 70 % всех существовавших в мире доменных печей работали на коксе, а к 1900 году — 95 %[19][20].
К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США[21].
В начале XIX века был освоено производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти XX века начали применять легирование чугуна[10].
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[22]. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[23], 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[24]. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[25].
11 базовых характеристик, чем отличается чугун от стали
Чем отличается сталь от чугуна: преимущества/недостатки чугуна и стали в промышленности и быту + 3 особенности стальных сплавов + 5 критериев классификации металла + разбор 11 базовых характеристик сплавов + 3 метода определения материала.
Сталь и чугун – два наиболее популяризированных материала в промышленности. Помимо глобального значения для металлургии, сплавы часто используются в бытовых условиях.
В сегодняшней статье мы опишем особенности данных материалов + расскажем, чем отличается чугун от стали + каким образом можно определить находящийся перед глазами металл вообще.
Что такое сталь?
В мире почти не имеется инструментария/оборудования, в содержании которого не присутствовала бы сталь. Материал настолько плотно вписался в жизнь человечества, что представить свое существование без данного сплава очень проблематично.
Первые образцы сплава были обнаружены еще в Турции. Возраст вещей насчитывал более 3 700 лет, а это значит, что стальные предметы пользовались популярность еще до нашей эры. Войны прошлого не обходились без использования стального оружия – дешево и прочно. Технология промышленного литья была разработана в начале 19 века Гентсманом.
1) Структура и достоинства сплава
Большинство сплавов стали – это углерод + железо в разных пропорциях. Классический вариант материала имеет не более 2% углерода. Если речь о высоколегированных марках стали, то доля других металлов в составе может колебаться от 20% до 40%.
| Преимущества стали | Недостатки материала |
|---|---|
| Материал имеет хороший запас прочности с твёрдостью. | Слабое сопротивление коррозии чистых марок стали без специальных легирующих добавок. |
| Обилие свойств, обусловленное вариативностью наполнения чистого железа легирующими примесями + методы обработки. | |
| Упругость с вязкостью в оптимальном соотношении. Идеально для удержания статики, динамики и ударных нагрузок. | Увеличенная электромеханическая коррозия из-за свойства по накоплению электрической энергии. |
| Просто нарезать, варить и сгибать. | |
| Длительный срок эксплуатации за счет высокого запаса прочности. | Существенный вес стальных конструкций + высокий риск брака из-за многоэтапного процесса изготовления. |
| Простота и дешевизна литья. |
Лидерами в изготовлении стали считается Китай, и Япония с Индией. Россия стабильно входит в топ-5 стран по объемам производства, в том числе. Взяв во внимание географию ведущих производителей, легко догадаться, что Азия – это лидер стали в мире.
Важно: сталь не относится к чистым химическим элементам — это соединение на основе нескольких.
Широкий ассортимент стальных сплавов с различным уровнем прочности, стойкости к коррозии и прочим уникальными характеристиками возможен благодаря «гибкости» материала в отношении соединений с другими компонентами.
Особенности стальных сплавов:
- обязательное наличие 2 компонентов – углерода и железа. Первый отвечает за вязкость, а второй – прочность;
- при всем обилии методов добычи стали, полностью чистых вариаций добычи не существует. Любой сплав будет иметь до 1.2% кремния и до 0.5% марганца. При незначительных вкраплениях, такие примеси не сильно влияют на свойства получаемого сплава;
- для изменения свойств материала, в сплавы искусственным путем вводятся другие металлы в технологически оговоренных пропорциях.
Важно заметить, что для смены характеристик сплава иногда достаточно ввода всего 5% легирующего компонента. Такой разнобой позволяет масштабировать производство металла по усмотрению владельца, основываясь на спросе или уровне конкуренции внутри локального/глобального рынка.
2) Классификация стали
В 2020 году трудно определить весь перечень марок стали, которые доступны в рамках производства по всему миру. Каждые пару недель добавляются новые вариации материалов, а если брать во внимание и авторские разработки, число разновидностей стальных сплавов может быть в разы больше от известного сейчас официально.
Детальнее о распределении стальных сплавов расскажет таблица ниже.
| Классификатор | Составляющие | Описание |
|---|---|---|
| Химия | Углеродистые | Распределение происходит в зависимости от доли содержания углерода. Для малоуглеродистых типов стали – это не более 0.3%, а пиковое значение не более 0.7%. |
| Легированные | Стали с добавками из марганца, хрома, никеля, молибдена и прочих элементов. Низколегированная сталь содержит не более 2.5% примесей, а высоколегированные – выше 10%. | |
| Структурный состав | Перлитная | Чистые марки стали с небольшим содержанием углерода и легированных примесей. |
| Мартенситная | Разновидности материала с большим числом и объемами добавок. | |
| Аутенитная | Высокое содержание примесей – высоколегированные марки стали. | |
| Раскислитель | Спокойная | Сталь без примесей закиси железа. Из-за дороговизны производства используется только в стратегических узлах металлоконструкций. |
| Полуспокойная | Отвердевает без кипения, однако, имеются мелкие вкрапления газовых пузырьков. Часть из них удаляется во время прокатки металла. | |
| Кипящая | Сталь содержит газы, которые отображаются в характеристиках материала – трещины при сварке и прочие дефекты. | |
| Назначение | Строительные | Марки сталей, от которых требуют качественного сопротивления статическим/динамическим нагрузкам. Материал обязан хорошо поддаваться сварке. |
| Инструментальные | Стали с высоким содержанием легирующих компонентов и углерода. Существуют штамповочные и режущие подтипы инструментальных сталей. Материалу присуща высокая теплостойкость, твердость + износостойкость. | |
| Конструкционные | В составе малое содержание марганца. Используются для решения большинства рутинных задач при строительстве. | |
| Примеси | Рядовые | Вкрапление серы до 0.06%, а фосфора до 0.08%. |
| Качественные | Вкрапление серы до 0.04%, а фосфора до 0.033% | |
| Высокого качества | Вкрапление серы до 0.026%, а фосфора до 0.023% | |
| Особо высокого качества | Вкрапление серы до 0.014%, а фосфора до 0.023% |
Благодаря корректировкам легирующих вкраплений + определенному методу изготовления, в каждой из групп можно выделить еще от 20 до 100 марок материала.
3) Производство стали + ценообразование
Суть изготовления стали – это выведение из чугуна лишних примесей . Для получения стального сплава, содержание серы и фосфора обязано опуститься ниже отметки в 0.1% — эти два химических элемента делают материал хрупким с низким порогом ломкости.
О методах изготовления стали расскажет таблица ниже.
| Метод | Суть | Распространенность (из 5 ★) |
|---|---|---|
| Мартеновский | Основан на переплавке чугуна с рудой в особой печи при температурном режиме более 1 900 градусов по Цельсию – это позволяет выжечь лишний углерод. Легирующие компоненты добавляются в конце процесса. Далее, материал идет на прокат. | ★★★★★ |
| Конвертерно-кислородный | Метод с повышенной КПД. Из чугуна в печи «выдувают» примеси смесью кислорода с воздухом. Отжиг происходит быстрее + качество выше. | ★★★★ |
| Электроплавильный | Переплавка материала производится при температурном режиме более 2 100 градусов. Процесс протекает в печи закрытого типа – это исключает доступ газов. Из-за дороговизны используется редко, и только для высоколегированных марок. | ★★ |
| Прямой | Продувка чугуна производится на месте добычи. В роли топлива выступает природный газ – смесь кислорода, аммиака и прочих элементов. Температурный режим -1 000+ градусов. | ★★★ |
После применения одного из методов, процесс изготовления стали не завершается. Результатом работы должен быть материал с высоким запасом прочности, а достигнуть таковых результатов без дополнительных методов обработки не получится.
| Направление | Метод | Описание |
|---|---|---|
| Термическое | Отжиг | Сталь резко поддается температурному нагреву, после чего, охлаждается на разной скорости. |
| Закалка | Перегрев + быстрое остывание. | |
| Отпуск | Дополнение закалки для уменьшения напряжения сплава. | |
| Нормализация | Аналог отжига, но на воздухе. | |
| Термомеханическое | Высокотемпературный | Механическое воздействие происходит при сохранении материалом нагрева. |
| Низкотемпературный | Холоднокатаная сталь. Сначала идет нагрев, потом частичное охлаждение до предела в 400-500 градусов, и дальнейшая закалка. | |
| Термохимическое | Цементация | Верхняя часть поверхности стали насыщается углеродом, что делает корку более износостойкой. |
| Азотирование | Вкрапление в материал азота для получения верхнего защитного слоя. | |
| Цианирование | Совокупное насыщение азотом и углеродом. |
Цена на сталь столь же разнообразна, как и ее количество марок. На биржах для удобства используют термин «условная сталь» — от 230$ за 1 тонну материала. Если речь идет о нержавеющих марках, стоимость может повышаться до 2 000$ за 1000 кг и более.
Что такое чугун?
Чугун является сплавом ферума с углеродом, но долевое содержание второго обязано быть выше 2%. В обратном случае – это будет уже сталь. Впервые литьем материала начали заниматься в Китае – Х век. Далее, чугун равномерно распределился по всем развитым уголкам планеты, и стал одним из самых распространенных металлических сплавов на земле.
В топ-5 стран по объемам производства чугуна входят Китай, Япония, Россия, Индия и Корея. Высокий спрос материала следует не только из-за его бытового применения. Чугун часто используют как основу для изготовления стальных сплавов , а это значит, что по объемам материала требуется крайне много.
| Преимущества чугуна | Недостатки сплава |
|---|---|
| Некоторые марки чугуна имеют уровень прочности сродни стали. | При длительном воздействии воды, на поверхности чугуна начнутся процессы коррозии. |
| Равномерное распределение тепла + длительное его хранение. | |
| Эко-материал, а потому безопасен при производстве посуды. | Стоимость чугуна выше классической стали. |
| Имеет стойкость к кислотно-щелочным средам. | |
| Высокий уровень гигиеничности. | Серый чугун не пластичен, а белый слишком хрупкий. |
| Долговечность за счет высокого сопротивления коррозии. |
Выделяют 2 основных типа чугуна – белый и серый. Первый является материалом для изготовления ковкого чугуна, а второй имеет более широкие области применения как в промышленности, так и быту.
С особенностями добычи сплавов можете ознакомиться на рисунке выше. В процессе создания сплава, важную роль отыгрывает легирующая добавка (как и в случае со сталью). Число примесей насчитывает сотни, но к наиболее популярным относят 4 элемента.
Популярные примеси при изготовлении чугуна:
- сера. Понижает уровень тугоплавкости вещества + снижает его текучесть в жидком состоянии;
- фосфор. Снижает прочность, но взамен дает возможность разработать изделие более сложной формы;
- кремний. Понижает литейную температуру. Доля примеси меняет тип чугуна;
- марганец. Увеличивает прочность чугуна, но негативно сказывается на литейных и технологических свойствах сплава.
Помимо перечисленного списка, часто добавляется титан, никель, медь и алюминий. Примеси влияют как на химические свойства чугуна, так и его физику со структурой. В последнем случае имеется специальная классификация – перлитный, ферритный и перлитно-ферритный разновидности чугуна.
Отличие кроется в микроструктуре графита – шаровидный, пластичный, хлопьевидный или вермикулярный. Последняя форма создана специально для повышения качественных характеристик серого чугуна.
Области применения чугуна:
- основа для коленвалов и двигательных блоков. Хорошо зарекомендовал себя также при производстве тормозных колодок;
- одно из положительных свойств чугуна – устойчивость к температурам, что позволяет материал использовать при изготовлении оборудования, которое нацелено на жесткий климат с низкими температурами;
- изделия в металлургии ценятся за адекватную прочность с высокими показателями износостойкости;
- бытовое применение чугуна известно всем – раковины, батареи, мойки и так далее. Дороже обычной стали, но по качеству куда выше.
Материал даже нашел свое место среди любителей прекрасного. Чугун – это классический материал для произведений искусства, связанных каким-либо образом с металлами вообще. А кованые ворота – это признак состоятельности по сей день.
Чем похожи, и чем отличается сталь от чугуна?
Из-за широкого распространения материала, мы соприкасаемся с ним практически каждый день. Необходимость в знаниях, чем отличается чугун от стали возникает у небольшой части людей. Обычно – это либо работники металлургии/промышленности, или приемщики (сдающие) по металлу.
Полезно знать, в чем кроется различие материалов и для хозяек, ведь чугунные изделия куда дороже стальных аналогов. Будет обидно переплатить в 3-5 раз, и в итоге, попасться на обман настырного торгаша с рынка.
1) Схожесть/различие базовых характеристик
Общее между чугуном и сталью – категория материала. И первый, и второй имеют в своем составе углерод с железом. На этом общие черты сплавов заканчиваются. Даже при добавлении одинакового количества легирующих элементов, получаемый результат в эквиваленте характеристик не будет схож на 100% и даже 80%.
Теперь по различиям. Для упрощения восприятия, данные предоставим в виде таблицы.
| Характеристика | Сталь | Чугун |
|---|---|---|
| Доля углерода в сплаве | Более 2% | Менее 2% |
| Содержание неметаллических примесей – серы, фосфора, магния и так далее. | Минимум | Большое количество |
| Хрупкость | Средне | Сильная |
| Уровень твердости | Высокий | Средний |
| Прочность | Выше чугуна | - |
| Уровень ковкости | Выше чугуна | - |
| Простота литья | - | Выше стали |
| Теплопроводимость | - | Выше стали |
| Закалка | Нужна | Не обязательно |
| Методов обработки | Больше чугуна | - |
| Масса | - | Больше стали |
Уже на основании представленной выше информации можно сделать определенные выводы, даже просто взяв два образца материалов в руки. Важнейшим же отличительным признаком на уровне состава является доля углерода. Если в сплаве содержится 2.5% данного элемента – сплав считается уже чугунным, а не стальным.
Методы определения стали и чугуна в домашних условиях:
2) Чем отличается чугун от стали: методы определения материала
Существует 2 направления по выявлению типа материала – лабораторный и практический. Естественно, для более точных данных, таких как тип сплава, его легирующие добавки, содержание углерода до сотой доли процента и так далее, придется использовать методы спектрального и микроскопического анализа.
Для бытовых нужд, когда необходимо знание исключительно названия сплава, сгодятся и способы механического воздействия на элемент исследования.
| Метод | Описание |
|---|---|
| По излому | Приемлемо для элементов, которые пойдут далее на лом, ибо в процессе придется исследовать сплав в разрезе. Как его получить – это уже дело техники по усмотрению испытателя. Чугун на сломе темно-сероватого матового оттенка, а сталь имеет светлую глянцевую текстуру. В местах излома трещины у чугуна более выражены, ибо по характеристикам металл считается более хрупким. |
| Сверление | Выбираем сверло мелкого диаметра и проделываем неглубокое отверстие в исследуемом элементе. Стружка металла имеет витую форму, а длина кусков достигает длины самой насадки сверла. Чугунная стружка крошится сразу, и ее легко стереть в порошок. |
| Шлифование | Основным инструментом выступает шлифовальная машинка. Критерием оценки материала будет служить искра. У чугунных изделий она короткая и с красноватым оттенком + их мало. Стальные искры продолговатой формы с яркими цветами выраженного желтого и белого оттенков. |
Последний способ определения может дать и 3-й результат – багровая искра с маленькими звездочками. Такое поведение при шлифовании материала говорит о повышенном содержании углерода в высоколегированных марках стали.
Надеемся предоставленная информация помогла вам разобраться, чем отличается сталь от чугуна. Большинство чугунных изделий априори выделяются на фоне стальных, потому, зная разницу весе и структуре, выявить, где какой сплав будет проще простого.
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 .
Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами) , содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства. Стали делятся на конструкционные и инструментальны Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на малоуглеродистые (до 0,25 % С) , среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С) ; легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Чугун — сплав железа с углеродом (содержанием более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.) . Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае — 477 млн тонн) .
В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода) , эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала. Чугун включает в себя железоуглеродистый сплав, который содержит более 2 процентов углерода. В отличие от него сталь является железоуглеродистым сплавом, состоящим с менее 2.14 процента углерода, но с наличием определенных добавок в виде других элементов.
Другой отличительным признаком стали от чугуна является то, что сталь, в зависимости от своей марки, подвергается закалке, а чугун процедуре закаливания не поддается.
Чугун по своим свойствам является твердым и хрупким. Он не подвергается ковке. Сталь, в отличие от чугуна, хорошо поддается ковке, а также сварке, и вообще всем распространенным видам механической обработки.
Перечисленных признаков достаточно для определения различия между сталью и чугуном.
1.Чугун легче, чем сталь, и имеет более низкую температуру плавления.
2.Технологическими свойствами сталь поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке), чугун не поддаётся обработке, поэтому изделия из чугуна изготавливают лишь методом литья.
3.Содержанием углерода в сталях 0,002-2,14%, в чугунах 2,14-6,67%
4.Чугун является первичным продуктом черной металлургии, а сталь – конечным.
5.Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
6.Структурой, в частности наличием эвтектики ледебурит в чугуне.
7.Механическими свойствами:
Стали более пластичны и обладают высокой ударной вязкостью, а чугуны в свою очередь имеют более высокую твёрдость. Из механических свойств вытекает следующая разница:
8.Применение, в частности в отличие от сталей чугуны не применяют при изготовлении деталей работающих при высоких циклических динамических нагрузках.
9.В отличие от стали чугун подразделяют не по количеству и составу примесей, а по степени свободы графита (карбид железа), если в связанном состоянии то белый чугун, в свободном серый.
Ответить письменно на следующие вопросы:
1. Чем чугун отличается от стали?
2. Как различаются сплавы по составу?
3. Что такое сплавы?
Почему "СТАЛЬ" и "ЧУГУН" так назвали.
По составу, "СТАЛЬ" и "ЧУГУН" практически не отличаются - в чугунном литье содержание углерода более 2%, в стальном литье – менее 2%.
Слово "СТАЛЬ", по буквице - это (с) соединения (т) утверждённого (а) исток (л) направленный (ь) сотворённый.
Создание истока направленного на устойчивость соединения - ударопрочность.
Слово "ЧУГУН" - это (ч) рубеж (у) приближения (г) направленного (у) взаимодействия (н) близкого.
Предел приближения направленного близкого взаимодействия - предел воздействия - хрупкость.
Таким образом, "СТАЛЬ" и "ЧУГУН" получили названия за основное своё отличие - ударопрочность и хрупкость.
Чем отличается чугун от стали
27.08.2021
Продукция черной металлургии широко применяется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности используются как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой особенные сплавы железа и углерода.
Основой для изготовления чугуна или стали служит железо. В природе это – металл с серебристым отливом, не имеющий достаточной твердости. Такой металл практически не используется в промышленности, а широкое применение получили различные сплавы железа.
И чугун, и сталь относятся к группе черных металлов. Именно содержание железа и углерода является их главным отличием.
Сталь
Применяется сталь повсеместно. В промышленности при производстве различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и прочих изделий. В быту сталь представлена стальными столовыми приборами, кухонной утварью, предметами интерьера, мебелью и т.д.
Сталь ‒ это сплав железа и углерода. Содержание углерода в стали - не более 2% (он увеличивает прочность), а железа не меньше 45%. Также в состав стали могут входить никель, хром, кремний, марганец и прочие добавки.
Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость.
Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу.
Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость.
Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.
В зависимости от сферы применения, марки стали делятся на следующие типы:
Конструкционная сталь используется в строительстве и машиностроении. Из неё изготавливают различные детали, механизмы, конструкции массового назначения.
Инструментальная сталь имеет высокую твердость и прочность. Этот тип стали идеально подходит для изготовления ножей, клинков и другого инструмента.
По наличию легирующих компонентов марки стали бывают:
По содержанию углерода марки стали бывают:
низкоуглеродистые - содержание углерода не превышает 0,25%;
среднеуглеродистые- не более 0,55%;
высокоуглеродистые- не более 0,85%.
По содержанию неметаллических элементов с таль бывает:
обычная- содержание фтора и серы не превышает 0,05%;
качественная- менее 0,035%;
высококачественная- менее 0,025%;
особо высококачественная сталь- менее 0,015%.
Качество стали повышается в процессе закаливания. Также этот сплав обладает высокой теплопроводностью. Температура плавления всех марок стали находится в диапазоне от 1450 до 1520 °С.
Чугун
Чугун - это тоже металл, сплав железа с углеродом. Только доля углерода в нём превышает 2,14%.
Углерод в чугуне содержится в виде цементита (карбида железа) или графита (минерала, являющегося одной из модификаций углерода). Именно эти вещества и определяют цвет готового чугуна.
В зависимости от состояния и содержания углерода чугун различают на:
Белый чугун
В состав этого сплава входит цементит, который на изломе белый. Из-за этого цвета он и получил такое название. Углерод в нем находится в связанном виде. Белый чугун одновременно с твердостью обладает хрупкостью. Из такого чугуна в основном изготавливают ковкие чугунные сплавы, получаемые путем отжига.
Серый чугун
Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода. Также в состав входят и постоянные примеси в виде магния, фосфора и серы. В составе такого сплава практически весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Из-за наличия графита излом этого чугуна имеет серый цвет.
Ковкий чугун
Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна. В результате данного процесса образуется графит хлопьевидной формы, который придает сплаву высокую пластичность, вязкость, твердость, ударную сопротивляемость. Свое название чугун получил благодаря повышенной пластичности и вязкости. Ковкий чугун довольно прочный с высоким ударным сопротивлением. Из такого металла изготавливают детали для автотехники.
Высокопрочный чугун
Такой сплав имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не сильно ослабляет металлическую основу, что улучшает прочность чугуна. Поэтому и название у него – высокопрочный.
Предельный чугун.
Данный вид чугуна подвергается дальнейшей переработке и не используется в качестве самостоятельного металла.
Температура плавления чугуна составляет от 1160 до 1250 °С, зависит от содержания в нем углерода. Чем больше элемента в сплаве, тем меньше его температура и выше текучесть при нагревании. Такая зависимость определяет хрупкость материала.
Разница стали и чугуна заключается в том, что последний не поддается обработке путем сварки и ковки. Все изделия изготавливаются только путем литья.
Способы изготовления 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. Образование чугуна происходит за счет опускания железа в более горячую часть домны и растворения в нем углерода.
Сталь изготавливают из чугуна путем снижения количества углерода, серы, фосфора, марганца. Сплав получают в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.
Три способа, как отличить чугун от стали.
Определить, какое изделие перед вами находится, стальное или чугунное, можно тремя следующими способами:
По излому (визуально). Его применяют для деталей, которые идут в лом или в качестве заготовок. На чугунном сломе виден матовый темно-серый оттенок, образовавшиеся трещины имеют выраженную структуру. Стальное изделие ‒ более светлое, поверхность глянцевая.
Сверление. При сверлении стальная стружка имеет витую форму, по длине она больше сверла и хорошо гнется. Чугунная стружка крошится при малейшем воздействии.
Шлифовка. После прохождения шлифовальной машиной на стальной поверхности образуется множество продолговатых искр желтого и белого цвета. У чугунных изделий искр меньше, они короче, красноватого оттенка.
Различия чугуна и стали. Выводы.
Рассмотрев в этой статье свойства чугуна и стали, можно сделать следующие выводы:
Основное различие заключается в содержании углерода в стали и чугуне. В стали углерода меньше, в чугуне больше.
повышенной твердостью и прочностью;
высокой температурой плавления;
более высоким удельным весом;
У чугуна следующие характеристики:
более низкая температура плавления и удельный вес;
Чугун не поддается сварке и ковке. Из-за высокого содержания углерода, все чугунные изделия изготавливаются методом литья. Изделия из чугуна имеют матовую поверхность и серый цвет.
Стальные же изделия светлые и блестящие. Элементы из стали быстро нагреваются и остывают. Чугунные нагреваются очень медленно и долго сохраняют тепло.
Сталь и чугун – это сплавы из железа и углерода, в их состав входят аналогичные компоненты. Но, не смотря на данный факт, отличия чугуна и стали очевидны. Это два разных металла, имеющие различные свойства и характеристики.
Изображения изделий на сайте приведены для общего представления модельного ряда и могут отличаться от реально-поставляемого товара!
Читайте также: