Чем качественно отличается сталь от чугуна? Как отличить чугун от стали.

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».

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:

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 .

Сталь.

Сплав на основе железа, после литья ковкий при некоторых интервалах температур;

содержит марганец, углерод и часто другие легирующие элементы.

В углеродистых и низколегированных сталях, максимальное содержание углерода до 2,0 %;

в высоколегированной стали приблизительно до 2,5 %.

Делением между низколегированными и высоколегированными сталями обычно считается рубеж с содержанием приблизительно 5 % металлических легирующих элементов.

Легирующий элемент.

Элемент, добавляемый и остающийся в металле, который изменяет его структуру и химический состав.

Легированные стали.

Высокопрочные низколегированные стали.

Сталь, спроектированная для обеспечения лучших механических свойств и более высокого сопротивления атмосферной коррозии, чем углеродистая сталь. Эта сталь не должна составлять класс легированных сталей, так как была изготовлена скорее для специальных механических свойств, чем для специального химсостава (HSLA стали имеют предел текучести более чем 275 МПа или 40 ksi). Химический состав HSLA сталей может меняться в зависимости от требуемой толщины и механических свойств. Эти стали имеют низкое содержание углерода (0,05–0,25 %) для того, чтобы получить адекватную деформируемость и свариваемость, и имеют содержание марганца до 2,0 %. Малые количества хрома, никеля, молибдена, меди, азота, ванадия, ниобия, титана, циркония используются в различных комбинациях.

Низколегированные стали.

Класс черных металлов, которые проявляют прочностные свойства, большие, чем простые углеродистые стали, в результате добавления таких легирующих элементов как никель, хром и молибден. Общее содержание легирующих элементов может составлять от 2,07 % до уровня чуть ниже нержавеющих сталей, которые содержат минимум 10 % Сr.

Ковкий чугун.

Чугун, полученный при длительном отжиге белого чугуна, при котором происходят процессы декарбюризации и графитизации, устраняющие частично или полностью цементит. Графит находится в форме углерода отжига. Если преобладает реакция декарбюризации, то продукт имеет светлую поверхность излома - ковкий белосердечный чугун. Если поверхность излома будет темной - темносердечный ковкий чугун. В Соединенных Штатах производится только темносердечный ковкий чугун. Ковкий чугун имеет преимущественно ферритную матрицу; перлитный ковкий чугун может содержать шаровидный перлит или отпущенный мартенсит, в зависимости от термообработки и желаемой твердости.

Серый чугун.

Широкий класс железных литейных сплавов (чугунов), обычно характеризуемых микроструктурой пластинчатого графита в железной матрице. Серый чугун обычно содержит от 2,5 до 4 % С, от 1 до 3 % кремния и добавки марганца, в зависимости от желательной микроструктуры (от 0,1 % Мп в ферритном сером чугуне и до 1,2 % в перлитном). Сера и фосфор также находятся в малых количествах как остаточные примеси.

Чугун.

Родовой термин для большой совокупности литых железных сплавов, в которых содержание углерода превышает растворимость углерода в аустените при эвтектической температуре. Большинство чугунов содержит не меньше 2 % углерода, плюс кремний и серу и может содержать другие легирующие элементы. См. также высокопрочный чугун, ковкий чугун, серый чугун, пластичный чугун и белый чугун.

Чугун с вермикулярным графитом.

Чугун, имеющий графит в форме, промежуточной между формой пластинки, типичной для серого чугуна и сферической формой высокопрочного чугуна. В структуре отсутствует пластинчатый графит, она состоит из 20 % сфероидального графита и 80 % вермикулярного графита (ASTM A247, тип IV). Также известный как CG- чугун. Чугун с вермикулярным графитом аналогичен литому ковкому чугуну, но используется техника, подавляющая образование сфероидального графита. Типичные номинальные составы CG- чугуна содержат от 3,1 до 4,0 % С, от 1,7 до 3,0 % кремния и от 0,1 до 0,6 % марганца.

Полуспокойная сталь.

Состояние поверхности слитка полуспокойной стали близко к поверхности кипящей стали. Остальные характеристики имеют промежуточное значение между кипящей и спокойной сталями.

Спокойная сталь.

Сталь, обрабатываемая сильным раскислителем типа кремния или алюминия для того чтобы снизить содержание кислорода до такого уровня, что не возникает никакой реакции между углеродом и кислородом в течение кристаллизации.

Углеродистая сталь.

Сталь, содержащая не более принимаемых за норму концентрации 1,65 % марганца, 0,60 % кремния и 0,60 % меди - и только несущественное количество любых других элементов кроме углерода, кремния, марганца, меди, серы и фосфора. Низкоуглеродистые стали содержат до 0,30 % углерода, среднеуглеродистые стали содержат от 0,30 до 0,60 % углерода и высокоуглеродистые стали ее держат от 0,60 до 1,00 % С.

Легированные чугуны.

Чугуны, содержащие больше чем 3 % легирующих элементов. Различают легированные белые чугуны, серые чугуны, ковкие чугуны.

Легированный сплав.

Сплав, обогащенный одним или более желательным легирующим элементом, которые добавляются в расплавленный металл для получения необходимой концентрации.

Подшипниковые стали.

Легированные стали, используемые для производства подшипников качения. Обычно производятся из высокоуглеродистых (1,00 %) и низкоуглеродистых (0,20 %) сталей. Высокоуглеродистые стали используются после индукционной поверхностной закалки. Низкоуглеродистые стали цементируют, чтобы обеспечить необходимую поверхностную твердость при сохранении основных свойств.

Инструментальная сталь.

Любая из класса углеродистых и легированных сталей, обычно используемых для изготовления инструментов. Инструментальные стали характеризуются высокой твердостью и сопротивлением истиранию, сохраняя высокую твердость при повышенных температурах. Эти характеристики обычно достигаются высоким содержанием углерода и легированием.

Металл.

1) Непрозрачное блестящее элементарное вещество, которое является хорошим проводником тепла и электричества и, когда отполировано, характеризуется хорошим светоотражением. Большинство металлов ковки и пластичны и отличаются большей плотностью, чем другие элементарные вещества.

2) По своей структуре металлы отличаются от неметаллов их межатомной связью и электронным потенциалом. Металлические атомы имеют тенденцию к потере электронов с орбит. Положительные ионы, сформированные таким образом, скрепляются электронным газом. Способность этих «свободных электронов» к переносу электрических зарядов и тот факт, что эти способности уменьшаются с увеличением температуры, устанавливают главные различия металлических твердых тел.

3) С химической точки зрения, элементарное вещество, чей гидроксид является щелочным.

Прокат.

Любой технический продукт прокатного стана.

Основные отличия чугуна и стали:
Чугун легче стали
Чугун имеет более низкую температуру плавления.
Сталь лучше поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке).
Изделия из чугуна более пористые их теплопроводность значительно ниже.
Чугун обладает низкой теплопроводностью, а сталь – более высокой.
Чугун - первичный продукт черной металлургии, а сталь является конечным продуктом.
Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
Изделия из чугуна бывают только литыми, а из стали – коваными и сварными.

Развитие промышленности и создание синтетических материалов не способно умалить достоинства и преимущества традиционных материалов. К таким можно отнести чугун и сталь. Это одни из самых старых знакомых сплавов для человеческой цивилизации.

Технология ремонтных и конструкторских работ зачастую включает в себя различные виды обработки. Это может быть:

• механическая
• химическая
• термическая
• электролитическая
• плазменная и другие виды обработки.

Несмотря на тот факт, что чугун и сталь отличаются друг от друга мизерной разницей содержания углерода, способы и методы воздействия факторов на эти сплавы разнятся и требуют разных способов одного и того же метода влияния на форму и структуру металла.

Факторы, влияющие на обработку стали и чугуна

Для того что бы не потратить деньги и ресурсы на ветер, очень важно знать как определить чугун или сталь.

• Выбор сварочного электрода
• угол заточки сверла
• режим сверления и фрезерования

Это не все факторы, которые способны усложнить жизнь и труд человека, неправильно определившего тип металла. Снижение механических, прочностных и нарушение гарантированных межремонтных интервалов куда большее зло, способное нанести ущерб производству и бюджету в случае ошибки.

Визуальное определение

Как же можно отличить чугун от стали визуально, не прибегая к разрушающим методам контроля. Если стоит вопрос о сварке треснутого участка детали или даже отвалившегося куска, то есть возможность исследовать слом или структуру трещины. Металл на сломе чугунной детали наверняка будет темно-серого цвета с матовой поверхностью. При тех же условиях излом стали будет иметь светло-серый, практически белый цвет, с глянцевым блеском.

Характер трещин на поверхности высокоуглеродистых сплавов похожи на раскол на глиняной посуде, низкоуглеродистые сплавы склонны к пластическим деформациям и по этой причине трещина имеет форму разрыва пластичного материала.

По поверхностным дефектам можно выделить только чугун, который заливался в форму при низкой температуре, не обрабатывался позже и не наносился декоративный лакокрасочный слой. На таком изделии заметны полусферические мелкие зерна, образованные вследствие не пролива из-за низкой температуры.

Не забывайте о правильном визуальном методе определения материала. Советские, современные и зарубежные ГОСТы предполагают наличие маркировки материалов на всех литых изделиях. На отечественном литье значки СЧ, ВЧ, КЧ – перед вами чугунное литье. Л45, 45ХЛ, 110Г2С – говорит об использовании стального литья для данного элемента.

Механическое определение с помощью сверления

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по качеству и визуально очень напоминает стальные изделия. Осуществить проверку изделия разорвав его на разрывной машине, не совсем оправдано и разумно. Для этого можно выбрать не работающий, незаметный участок на изделии и просверлить его не на всю глубину сверлом минимального диаметра. Структура чугуна такова, что стружка не способна сформироваться в витой вьюн. Вкрапления графита, даже если они не видны, крошат стружку на этапе ее формирования. Такая стружка в руках растирается в пыль, оставляет на руках черный след, как от грифеля простого карандаша.

Стальная стружка способна образовывать вьюн больше длины самого сверла, не рассыпается в руках. При быстрых оборотах она имеет цвет побежалости на поверхности.

Механическое определение с помощью шлифования

Можно подойти к вопросу определения материала используя болгарку (угловую шлифовальную машинку). Как и предыдущем способе выбираем участок который не является плоскостью трения, контактной площадкой или другим важным конструкторским элементом. Включенной машинкой соприкасаемся с исследуемой поверхностью и следим за формой и цветом искр.

В чугунных изделиях это будет короткая искра с красноватым оттенком на звездочке в конце трека.

В металлических изделиях сноп искр будет сравнительно больший, треки длиннее, а искры ослепительно белого или желтого цвета.

Если существует неопределенность и неуверенность в методе и вашей оценке, то можно взять заведомо известный материал, например, чугунный казан в углу гаража и проверить какие искры летят при обработке шлифовальной машинкой. При этом не стоит забывать, что ряд сталей специального назначения, особенно жаропрочные, дают искру минимального размера, с коротким треком и вишнево красного цвета.

В данном материале не рассматриваются экзотические для домашнего пользования методы:

• спектрального анализа
• микроскопического анализа
• взвешивания и определения объема.

Но для домашних нужд вышеуказанных способов более чем достаточно. Независимо от метода и способа определения материала старайтесь использовать схемы, чертежи и прочую информацию к вашему агрегату или изделию. Количество информации во всемирной паутине зашкаливает и способно добраться в самый отдаленный уголок цеха или гаража.

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:

1. Низколегированная сталь — до 4%.
2. 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:

1. 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.
2. Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
3. 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.
4. 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:

1. Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
2. Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
3. 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.

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