Чем отличается чугун от стали по составу

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом, которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

  • Низколегированной
  • Среднелегированной
  • Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

  • Низкоуглеродистой
  • Среднеуглеродистой
  • Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения — оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м 3 , а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как — прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520 о С и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

  • Белый — где лидирует в большинстве цементит, этот материал на изломе имеет белый цвет. Данный компонент отличается хрупкостью и одновременно твердостью. Он легок в обработке, что придает ковкость чугуну.
  • Серый — в этой разновидности большую долю составляет графит, за счет чего чугун получается пластичным. Готовый чугун имеет небольшую температуру плавления, отличается мягкостью, его легче резать.
  • Ковкий — достигается методом обжига белого чугуна, его томят в специальных нагревательных печах при температуре в 950-1000 о С. Присущая белому чугуну твердость и хрупкость снижаются, он не куется, а только становится более пластичным.
  • Высокопрочный сплав чугуна — в нем содержится шаровидный графит, который образуется в ходе кристаллизации.

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250 о С.

Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии — начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома. Отсюда и появилась нержавеющая сталь.

Делаем вывод

Исходя их многочисленных характеристик, можно сказать следующее о чугуне и стали, в чем их отличие:

  • Сталь является более прочной и твердой, чем чугун.
  • Сталь имеет более высокую температуру плавления, она тяжелей.
  • Более низкий процент содержания углерода в стали делает ее легкой в обработке, ее проще резать, ковать и варить.
  • По этой причине изделия из чугуна можно отлить, а стальные сварить или сделать кованными.
  • Стальные изделия менее пористые, чем чугунные, поэтому они обладают большей теплопроводностью.
  • По цвету они также отличаются, сталь светлая и блестит, а чугун более темный с матовой поверхностью.
  • Стоимость на сталь всегда выше чугунных материалов.
Читайте также:  Станок для изгиба металла

Можно сделать вывод, что сталь и чугун объединяет содержание в них углерода и железа, но их характеристики отличаются и каждый из сплавов имеет свои особенности.

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.

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/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.

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/см 3 . Температура плавления – от 1150 до 1250°C.

Чугун вошел в нашу жизнь много столетий тому назад и остается популярным и по сей день. Он нашел широкое применение во многих областях. Однако чтобы разобраться, что такое чугун, важно знать его свойства и химический состав, структуру и особенности его сплавов, достоинства и недостатки этого материала, а также его производство и сферы применения.

Химический состав чугуна

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Разновидности материала

Существуют такие виды чугуна, как предельный и литейный. Первый используют при производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Кремний и марганец в таком сплаве содержится в очень малом количестве. Литейный вид материала более широко используется в промышленности и производстве. Он, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

  • Белый чугун — в нем углерод представляет собой карбид железа. При этом на его разломе видно белый отлив, откуда и пошло его название. В чистом виде он не используется. Применяется в процессе производства ковкого чугуна.
  • Для серого чугуна характерен серебристый отлив на изломе. Он имеет широкую сферу применения и отлично обрабатывается при помощи резцов.
  • Высокопрочный сплав используется для повышения прочностных характеристик изготавливаемого материала. Его получают из серого чугуна путем добавления к его массе примеси магния.
  • Ковкий чугун также является одной из разновидностей серого чугуна. Его название говорит о том, что он обладает повышенной пластичностью, а получают его из белого чугуна при помощи отжига.
  • Половинчатый — обладает специальными свойствами. Часть углерода в его составе находится в виде графита, остальная часть — в виде цементита.
Читайте также:  Клей который клеит все намертво

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

  1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
  2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь — светлая и блестящая.
  3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
  4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
  5. Сталь тяжелее по весу.
  6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Достоинства и недостатки

Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.

К достоинствам чугуна относятся такие факторы:

  • Иногда его даже сравнивают по характеристикам со сталью, ведь определенные его виды отличаются повышенной прочностью.
  • Длительное время сохраняет температуру: при нагревании тепло по нему распределяется равномерно и долгое время остается неизменным.
  • Является экологически чистым материалом, благодаря чему нередко используется при изготовлении посуды, в которой непосредственно будет готовиться пища.
  • Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
  • Является долговечным материалом.
  • Чем дольше используется изделие из этого материала, тем лучше становится его качество.
  • Этот материал является абсолютно безвредным для организма человека.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

  • Может покрываться ржавчиной даже при непродолжительном нахождении в нем воды.
  • Является весьма дорогостоящим материалом, но несмотря на это, целиком оправдывает себя. Качество, практичность и надежность — вот основные признаки изделий, изготовленных из этого сплава.
  • Серый чугун характеризуется маленькой пластичностью.
  • Белый — весьма хрупок и идет чаще всего на переплавку.

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

  1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
  2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
  3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
  4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
  5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
  6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

  • Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
  • Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
  • Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
  • Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
  • Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.
Читайте также:  Координатно фрезерный станок по дереву

Состав и структура металла

Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.

По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:

При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:

  1. Шаровидной: графит принимает эту форму при добавлении присадки магния. Обычно она свойственна высокопрочным чугунным изделиям.
  2. Пластичной: графит напоминает форму лепестков (именно в такой форме он присутствует в обычном чугуне). Такой материал характеризуется повышенной пластичностью.
  3. Хлопьевидной: такая форма получается в процессе отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидной форме встречается в составе ковкого чугуна.
  4. Вермикулярной: графит в этой форме присутствует в сером чугуне. Она разрабатывалась специально для повышения его пластичных свойств.

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Сфера использования

Этот металл используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.

Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.

В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.

В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.

Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.

Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.

Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.

На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector