Описание состава сплава чугуна и отличие его от стали. Как отличить чугун от стали в домашних условиях без специальных приборов

Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности находят применение как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой уникальные сплавы железа и углерода. Всем известно, что железо добывается из глубин земли в огромных количествах. Но в чистом виде эксплуатировать его невозможно, этот элемент слишком мягок, а поэтому непригоден для изготовления высокопрочных изделий. Поэтому в промышленных, строительных и бытовых целях употребляется не железо в чистом виде, а его производные -чугуны и стали. Чем отличается сталь от чугуна?

Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода.

Их отличие проявляется во многих качествах, и общность элементов при производстве не дает материалу идентичные характеристики.

Градация стали и чугуна

Вернуться к оглавлению

Сталь

Для получения стали железо сплавляется с углеродом и разнообразными примесями. Обязательным условием является содержание углерода не более 2% (он увеличивает прочность), а железа — не меньше 45%. Оставшуюся часть составляют легирующие связывающие компоненты (хром, молибден, никель и т.д). Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость, повышает ее антикоррозийные качества и прокаливаемость. Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость. Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.Металлурги выделяют разные виды стали. Классифицируют их в зависимости от объема оставляющих элементов. Например, содержание более 11% легирующих металлов дает высоколегированную сталь. Существует также:

Низколегированная сталь — до 4%.
Среднелегированная сталь — до 11%.

По количеству углерода сталь классифицируется на:

низкоуглеродистый металл — до 0,25% С;
среднеуглеродистый металл — до 0,55% С;
высокоуглеродистый металл — до 2% С.

Состав неметаллических элементов (фосфидов, сульфидов) классифицирует металл на:

обычную;
качественную;
высококачественную;
особо высококачественную сталь.

В итоге все виды стали представляют собой прочный, износостойкий и устойчивый к деформации сплав с температурой плавления от 1450 до 1520 °C.

Вернуться к оглавлению

Чугун

В производстве чугуна тоже сплавляется железо и углерод. Основным же отличием чугуна от стали является содержание последнего в смеси. Оно должно составлять больше 2%. Помимо этого, смесь содержит примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и легирующие металлы. Чугун более хрупок, чем сталь, и разрушается без видимого деформирования. Углерод в металле представлен графитом или цементитом, при этом объем и форма элемента дают определение разновидностям сплава:

Белый чугун, в котором весь объем углерода представлен цементитом. На изломе этот материал имеет белый цвет, очень твердый, но при этом хрупкий. Легок в обработке и применяется для производства ковкой разновидности.
Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
Ковкий, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950-1000 °С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун не куется, а название указывает лишь на его пластичность.
Высокопрочный чугун, содержащий шаровидный графит, образованный в процессе кристаллизации.

Количеством углерода в сплаве определяется температура его плавления (чем больше содержание элемента, тем ниже температура и выше текучесть при нагреве). Поэтому чугун является жидкотекучим, непластичным, хрупким и трудно поддающимся обработке материалом с температурой плавления от 1150 до 1250 °C.

Вернуться к оглавлению

Устойчивость к коррозии

Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.

Чугун в процессе использования покрывается сверху сухой ржавчиной. Это так называемая химическая коррозия. Влажная (электрохимическая) коррозия воздействует на чугун медленнее, чем на сталь. Первоначально напрашивается вывод, что антикоррозионные характеристики чугуна гораздо выше. На самом деле оба эти сплава подвержены коррозии в равной степени, просто в отношении чугунных изделий из-за толстых стен процесс занимает больше времени. Этим, например, можно объяснить разницу в сроке службы котлов: стальные — от 5 до 15 лет, чугунные — от 30 лет.

В 1913 году Гарри Бреарли совершил открытие в области металлургии. Он обнаружил, что сталь с высоким содержанием хрома имеет хорошее сопротивление к кислотной коррозии. Так появилась нержавеющая сталь. Она тоже имеет свою градацию:

Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.

Вернуться к оглавлению

Термический шок и ударопрочность

Чугун и сталь часто применяются при изготовлении отопительных котлов. При этом вопрос устойчивости к термическим ударам становится особенно важным. Если в неостывший чугунный котел попадет холодная вода, он может треснуть. Стальным изделиям термошок не страшен. Сталь более эластична и отлично переносит разницу температур. Но большие и частые температурные перепады у стали способствуют появлению «усталых» зон и, как следствие, трещин в местах, которые ослаблены сваркой.

Хорошая пластичность делает стальные изделия устойчивыми к механическим повреждениям. Хрупкость же чугуна неизбежно приводит к образованию трещин при ударах или перекосах.

Серый чугун имеет более однородную структуру, повышенные пластичность и антикоррозийные свойства, способен выдерживать большие температурные скачки.

Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали — светлые с блестящей поверхностью.

Чугун - это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

Сера уменьшает текучесть металла.
Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали - в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести 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 отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

Вопрос: 28 марта 2009
Чем отличается чугун от стали, и почему?

Ответ:
Как ни странно, но, несмотря на обилие специальной литературы на эту тему, часто нам задают и такой вопрос: 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.
А если более подробно, то – читайте классиков, уважаемые! Многие тома посвящены материаловедению и металлургии чёрных сплавов. В качестве примера привожу отрывок из фундаментальной работы Гуляева А.П. «Металловедение»:
«Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2,14% углерода. Однако указанная граница (2,14% C) относится только к двойным железоуглеродистым сплавам или сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Вопрос о границе между сталями и чугунами в высоколегированных железоуглеродистых сплавах, т.е. содержащих ещё большее количество других элементов, кроме железа и углерода, является спорным.
В свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа, в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом; тем не менее такие сплавы также называют сталями. Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50%, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически чётко».

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.

«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.