Что дороже сталь или чугун. Чугун необычной прочности. Чем качественно отличается сталь от чугуна

Среди металлов, производимых в одном технологическом процессе выделяются одни из самых распространенных — сталь и чугун. При том, что один делается в результате переделки другого, эти металлы существенно отличаются друг от друга, как по своему составу, так и по использованию в экономике.

Как варят сталь

Сталью называют железо-углеродистый сплав, в котором содержание углерода не превышает 3,4 процентов . Обычный показатель — в пределах 0,1-2,14 % . Он снижает пластические характеристики стали, при этом делая ее тверже и прочнее. В легированной и высоколегированной содержится более 45% железа. Упругость стали определяет ее востребованность при создании машиностроительной продукции, в первую очередь силовых пружин и рессор, амортизаторов, подвесок, растяжек и других упругих частей.

Независимо от форм и условий эксплуатации упругих частей машин, механизмов и приборов, у них есть общее замечательное качество. Оно заключается в том, что, несмотря на большие ударные, периодические и статические нагрузки у них нет остаточной деформации.

Стали классифицируют в соответствии с их назначением, химическим составом, структурой и качеством. Категорий назначений стали множество, в том числе такие как:

Инструментальные.
Конструкционные.
Нержавеющие.
Жаропрочные.
Устойчивые к сверхнизким температурам.

Стали могут различаться по содержанию в них углерода, от низкоуглеродистых, в которых его до 0,25%, до высокоуглеродистых с 0,6-2%. В легированных может быть от 4 до 11 и выше процентов соответствующих добавок. В зависимости от содержания различных примесей они классифицируются на стали с обыкновенными качествами, высококачественные и обладающие особо высокими качествами.

При ее производстве главное — добиться снижения до необходимого уровня содержания серы и фосфора, делающих металл ломким и хрупким. При этом применяются разные способы, окисления углерода, которые могут быть мартеновским, конверторным и электротермическим. При мартеновском способе необходимо много тепловой энергии, которая выделяется при сжигании газа или мазута. С помощью электричества нагреваются дуговые или индукционные печи. Для конвертерного варианта внешнего источника тепла не нужно. Здесь обычно расплавленный чугун отделяется от примесей путем продувания через него кислорода.

Сырьем для производства стали служит металлом, передельный чугун, добавки, образующие шлаки и обеспечивающие легирование стали. Сам процесс плавки может проводиться в разных вариантах. Случается, что он начинается в мартеновской печи, а заканчивается в электрической. Или для того, чтобы получилась сталь, устойчивая против коррозии, она после плавления в электропечи сливается в конвертер. В нем она продувается кислородом и аргоном для минимизации содержания углерода. Плавится сталь при температуре 1450-1520 °C .

Как получают чугун

Сплав железа с углеродом также может именоваться чугуном. Однако в отличие от стали, в нем должно быть не менее 2,14 % углерода, придающему этому очень твердому материалу высокую хрупкость, При этом он становится менее пластичным и вязким. В зависимости от содержания в нем цементита и графита чугун может именоваться белым, серым, ковким и высокопрочным.

Первый содержит 4,3-6,67 % углерода . Он светло-серый на изломе. Используют его преимущественно для получения ковких чугунов с применением технологии отжига. Серым называется чугун по серому цвету его излома из-за наличия графита в пластинчатом виде и наличия кремния. В результате продолжительного отжига белого чугуна выходит чугун ковкий. У него повышенная пластичность и вязкость, удароустойчивость и большая прочность. Из него изготавливают сложные детали для машин и механизмов. Его маркируют буквами «К» и «Ч», после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности и относительное удлинение.

Высокопрочный чугун отличается наличием в нем шаровидного графита, не допускающего концентрации напряжений и ослабления металлической основы. Для его упрочнения используют лазер, что позволяет получать ответственные детали машин повышенной прочности. Для промышленных потребностей существуют различные классификации чугуна передельного, антифрикционного, легированного и графитсодержащего. Его температура плавления в пределах 1 150 до 1 200 °C.

Чугун зарекомендовал себя универсальным, недорогим и прочным материалом . Из него изготавливают сложные и массивные детали машин и механизмов, уникальные художественные изделия. Чугунные украшения и памятники украшают многие города мира. Столетиями служат людям искусно выполненные из него ограды старинных зданий, ступеньки в них, водопроводные и канализационные трубы. Чугунные люки закрывают коммуникационные колодцы на улицах многих населенных пунктов. Ванны, мойки и раковины, отопительные радиаторы из этого материала отличаются надежностью и долговечностью. Из чугуна отливают коленчатые валы и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозные диски и другие детали автомобилей. Обычно чугунные детали после отливки подвергаются дополнительной механической обработке.

Что их отличает

Сталь и чугун являются материалами, широко используемыми в промышленности, на транспорте и в строительстве. Внешне они бывают очень схожими.

Однако существуют такие основные различия между ними:

Сталь является конечным продуктов сталеплавильного производства, а чугун — сырьем для него.
У стали прочность и твердость выше, чем у хрупкого чугуна.
В ней содержание углерода намного меньше, чем у чугуна.
Сталь тяжелее чугуна, у нее выше температура плавления.
Сталь можно обрабатывать путем резки, прокатки, ковки и пр., изделия из чугуна преимущественно отливаются.
Чугунные изделия пористые и имеют теплопроводность значительно ниже, чем стальные
Новые стальные детали имеют серебристый блеск, чугунные матовые и черные.
Для придания стали особых свойств, ее могут закаливать, с чугуном это не делают.

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

Общие сведения

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

Ковкий.
Белый.
Серый.

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

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

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

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

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

Углерод в сплаве содержится в форме:

графита;
цементита.

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

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

Чугунные сковороды

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

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

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

Основные характеристики

Свойства чугуна можно классифицировать по следующим пунктам:

Химические.
Тепловые.
Технологические.
Гидродинамические.

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

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

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

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

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

К первичным характеристикам относят:

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

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

К вторичным характеристикам относят:

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

Вторичные свойства определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.

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

Чаще других углерод и железо разбавляют:

Никелем.
Марганцем.
Медью и алюминием.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.