Чтобы не затягивать повествование, отвечу на вопрос следующим образом: «Чугун отличается от стали процентным содержанием углерода. Если в сплаве содержится 2,5% этого элемента, то это чугун. Помните, что для стали предел содержания примесей не должен превышать 2%.
Чем отличается чугун от стали
Оба материала являются черными металлами. Внешне их трудно отличить, а некоторые свойства совпадают. Это объясняется тем, что и сталь, и чугун являются сплавами железа с углеродом. Основное различие заключается в содержании Fe и C.
Сталь — это сплав железа и углерода, содержащий 45% и до 2% соответственно. В зависимости от марки стали в ней могут присутствовать никель, хром, кремний, марганец и другие добавки. Разнообразие легирующих элементов придает материалу различные свойства.
Углерод отвечает за твердость и прочность сплава. Это придает металлу высокую прочность, пластичность и хорошую обрабатываемость.
- по наличию легирующих компонентов:
- низколегированную;
- среднелегированную;
- высоколегированную;
- по содержанию углерода:
- низкоуглеродистую;
- среднеуглеродистую;
- высокоуглеродистую.
Температура плавления для всех типов сплавов составляет от 1450 до 1520 °C. Плотность составляет 7700-7900 кг/м3.
Сталь широко используется: в промышленности для производства различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и других изделий. В повседневной жизни мы используем стальные столовые приборы, кухонную утварь, арматуру, мебель и так далее.
Характеристики чугуна
Железо и углерод также составляют основу чугуна. Доля последнего составляет 2 %. Сырье также легируется различными добавками: Фосфор, марганец, кремний и другие.
В зависимости от формирования кристаллической решетки (цементит/графит) различают следующие виды 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 °C в зависимости от содержания углерода. Чем выше содержание этого элемента в составе, тем ниже температура и выше текучесть при нагревании. Это соотношение определяет хрупкость материала.
Производство чугуна и стали
Чугун производится в доменных печах из железной руды (агломерата), кокса, известняка и горячего воздуха. Сначала добавляется кокс, затем происходит спекание и наслоение кокса. Горячий воздух, обогащенный кислородом, поступает в нижнюю часть печи через специальные отверстия.
При сжигании кокса в доменной печи образуется углекислый газ, который проникает через слои сырья и выделяет угарный газ. Таким образом, руда постепенно преобразуется. Добавляется известняк. В результате получается силикат кальция, который отделяется в виде шлака. Окись углерода является основным восстановителем железа. Чугун производится путем восстановления Fe в более горячей части доменной печи и растворения в нем C.
Сталь производится из чугуна путем снижения содержания углерода, серы, фосфора и марганца. Сплав производится в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.
Особенности материалов
Сталь и чугун являются продуктами черной металлургии. Эти сплавы производятся из железных руд. Железо и сталь имеют одну общую черту: их варят, то есть делают по определенным рецептам, выдерживают при определенных температурах в течение определенного времени и в определенное время добавляют в расплав различные ингредиенты. По этой причине работников черной металлургии называют сталеварами.
Самое общее представление о сплавах касается содержания в них углерода. В стали оно составляет менее 2,14 %, а в чугуне соответственно превышает это значение. В отдельных видах чугуна эта доля может составлять более 6 % в различных состояниях.
Однако это не единственное различие между чугуном и сталью. Они производятся по разным «рецептам», содержат углерод в разной форме, а также могут содержать другие легирующие элементы.
Влияние элемента
Наличие углерода влияет на свойства сплава. Ковкий чугун может быть тверже стали. В отличие от стали, их трудно сваривать или ковать, а для некоторых марок эти процессы могут быть вообще невозможны. Железо в железоуглеродистом сплаве определяет его важнейшие свойства. Самое главное — температура его плавления выше 1530 °C. Это также элемент, который придает сплаву магнитные свойства. В чистом виде этот металл довольно прочный и ковкий. Однако его реактивность с кислородом не позволяет использовать его в машиностроении (металл быстро ржавеет, если подвергается реакции окисления).
Добавление углерода и других примесей в сплавы значительно повышает долговечность изделий. Часть углерода вступает в химическую реакцию с железом на стадии плавления и образует устойчивое соединение — цементит (Fe3C). Включения цементита снижают пластичность и одновременно повышают прочность и твердость получаемого сплава.
Прочность сталей с содержанием углерода около 1% особенно высока. По мере увеличения содержания соединения в сплаве это свойство постепенно снижается, но одновременно снижается ударная вязкость при надрезе и так называемая хладостойкость (реакция на изменение температуры).
Углерод также может присутствовать в химически свободном состоянии (графит). Наличие графитовых включений повышает хрупкость, но также создает зернистую структуру, которая предотвращает механическое повреждение поверхности. Графит может действовать как смазка и снижать сопротивление трению. Графитовые включения также уменьшают воздействие вибрации. Углерод в чистом виде и в его соединениях может понижать температуру плавления (до 400 °C для некоторых видов железа).
Поэтому сплавы железа и углерода (стали и чугуны) могут значительно отличаться по своим свойствам из-за различных пропорций элементов и их химической формы.
Виды чугуна по содержанию углерода
Существует три типа железа, в зависимости от количества углерода, содержащегося в сплаве. Во-первых, процентное содержание углерода в таком сплаве не должно быть меньше 2,14%. Действительно, если доля этого элемента ниже этого процента, то это сталь. В большинстве чугунов содержание углерода составляет от 2,14 до 3 %. Некоторые марки могут содержать более 3 % углерода. Максимальное содержание углерода в 6,67 % встречается в чугуне, который называется высокоуглеродистым.
Сплавы разного состава при охлаждении проходят различные фазы кристаллизации, что существенно влияет на свойства изделия. Например, сплав образует перлит — эквивалентную смесь феррита (раствора легирующих элементов и углерода в расплавленном чугуне) и цементита (карбида железа) — и лентебурит (эквивалентную смесь того же цементита и других компонентов сплава). В металлургии принято делить чугуны на три типа в зависимости от эвтектических свойств сплава.
Доэвтектические
Они имеют содержание углерода от 2,14 до 4,3 % в цементите, перлите и лентебурите. Такой сплав часто используется в качестве конструкционного материала и для трансформации — производства других видов чугуна, так как при охлаждении образуется так называемая усадочная пористость, которая сильно влияет на прочность изделий. Продукция используется в машиностроении.
Эвтектические
Они содержат около 4,3% углерода, в основном в виде лентебурита. При охлаждении могут образовываться усадочные пустоты, которые часто приводят к отклонениям формы от заданной при литье, поэтому изготовление точных изделий из этого материала не всегда оправдано. Используется как конструкционный материал для изготовления изделий различного назначения
Заэвтектические
Может содержать до 6,67% углерода в цементите и лентебурите, а также свободный графит. В основном используется в производстве других видов чугуна и стали во вторичной металлургии.
Различия между чугуном и сталью
Чтобы понять разницу между сталью и чугуном, необходимо рассмотреть их свойства. Характерной особенностью чугуна является содержание углерода. Минимальное содержание углерода составляет 2,14%. Это самая важная отличительная черта между сталью и чугуном.
Процентное содержание примесей можно определить только с помощью химического анализа. Температура плавления чугуна и стали ниже и находится между 1150 и 1250 градусами Цельсия. Температура плавления стали составляет около 1500 градусов.
Чтобы отличить материал, необходимо выполнить следующие действия:
- Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
- К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
- При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.
Плюсы и минусы материала
Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательные стороны. Как и у всего остального, у железа, например, у чугуна, есть много положительных сторон:
Однако есть и недостатки.
- при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
- высокая стоимость материала;
- низкая пластичность серого вида чугуна;
- хрупкость.
Чугун — это металл, характеризующийся высоким содержанием углерода. Это придает ему свойства, необходимые для промышленных и бытовых целей.
Характеристики стали
Сталь представляет собой сплав железной руды и примеси углерода. Классический рецепт содержит менее 2 % углерода. Однако существуют и высоколегированные марки стали с содержанием углерода 20-40 %.
Россия входит в пятерку крупнейших стран-производителей стали в мире. Существует множество видов и марок стали, которые различаются по прочности, коррозионной стойкости и температурным колебаниям.
- 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 множество способов классификации стали. Давайте рассмотрим несколько параметров.
Химия
Углерод — классификатор указывает, сколько углерода содержится в составе сплава. Некоторые марки содержат не более 0,3% примесей, а максимальное количество не превышает 0,7%.
Сплав — примеси металлов и веществ добавляются в продукт для получения новых свойств. Низкие сорта имеют добавки до 2,5%, а максимальные значения достигают 10%.
Структурный состав
Булатная сталь — это чистый продукт с небольшим количеством включений. Мартенситная сталь, как и аустенитная, имеет в своем составе различные примеси. Разница между двумя последними видами стали заключается в пропорции и количестве добавок.
Оксидировать
Quiet — это абсолютно чистый материал без оксида железа. Используется только в стратегически важных конструктивных элементах из-за более высокой стоимости и добавленной стоимости.
Полукерамический — материал затвердевает без кипения, но на его поверхности остаются небольшие пузырьки газа. Кипение — это некачественный продукт с большим количеством газовых включений, которые могут вызвать дефекты при последующем использовании, например, при сварке.
Сталь производится как мартеновским, так и конвертерным способами. Существует также прямой процесс и процесс электросварки.
Как отличить чугун от стали
Чугун и сталь можно отличить по двум или трем признакам:
- 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.
Единственное сходство между чугуном и сталью — это наличие углерода в их составе. В остальном мы имеем дело с разными материалами, используемыми для разных целей в народном хозяйстве и промышленности.
Объёмы производства
В 1892 году Германия произвела 4,9 млн. тонн чугуна против 6,8 тонн в Англии, а в 1912 году — 17,6 против 9,0 тонн.
Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2% ниже, чем в 2008 году (927,123 млн тонн). В десятку ведущих стран-производителей чугуна в мире входят:
| 1 | Китай | 543,748 млн т |
| 2 | Япония | 66,943 млн т |
| 3 | Россия | 43,945 млн т |
| 4 | Индия | 29,646 млн т |
| 5 | Южная Корея | 27,278 млн т |
| 6 | Украина | 25,676 млн т |
| 7 | Бразилия | 25,267 млн т |
| 8 | Германия | 20,154 млн т |
| 9 | США | 18,936 млн т |
| 10 | Франция | 8,105 млн т |
В четвертом квартале 2010 года мировое производство чугуна составило 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51% выше, чем за аналогичный период 2009 года.
Виды чугуна
Белый чугун
Микроструктура чугуна увеличилась в 100 раз
Весь углерод в белом чугуне находится в связанной форме (Fe3C). В зависимости от количества углерода они делятся на:
- доэвтектические (2,14—4,3 % углерода);
- эвтектические (4,3 % углерода);
- заэвтектические (4,3—6,67 % углерода).
Цементит при разрушении имеет светлый цвет, поэтому такие чугуны называют светлыми. Белый чугун в основном используется для получения чугуна с шаровидным графитом, который образуется при отжиге.
Серый чугун
Серый чугун представляет собой сплав железа, кремния и углерода и содержит постоянные примеси, такие как Mn, P и S. В структуре этого чугуна большая часть или весь углерод находится в форме пластинчатого графита. Из-за содержания графита излом этого чугуна имеет серый цвет.
Ковкий чугун
Чугун производится путем длительного отжига белого железа, в результате которого образуются хлопья графита. Металлическая основа этого чугуна состоит из феррита и, реже, перлита. Название ковкого и деформируемого чугуна (хотя он не подвергается обработке давлением) обусловлено его повышенной пластичностью и ковкостью. Ковкий чугун обладает повышенной прочностью на растяжение и высокой ударопрочностью. Ковкий чугун используется для изготовления деталей сложной формы, таких как коленчатые валы задних мостов автомобилей, тормозные колодки, стенки, уголки и т.д.
Ковкий чугун обозначается двумя буквами и двумя цифрами, например, Cr 37-12. Буквы IF означают ковкий чугун, первая цифра — десять мегапаскалей, вторая — относительное удлинение (в процентах), которое указывает на пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун имеет в своей структуре узловатый графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит не ослабляет металлическую основу так сильно, как пластинчатый графит, и не является концентратором напряжений.
Передельный чугун
Чугун не используется как самостоятельный материал, а применяется для дальнейшей переработки в сталь.
Классификация
В зависимости от содержания углерода серый чугун называют допроводящим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или сверхпроводящим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.
В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают белый и серый чугун (по цвету излома, который определяется структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочный зернистый чугун, ковкий чугун, чугун с киноварным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером чугуне в основном в виде графита.
В промышленности различают следующие виды чугуна:
- 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.
