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/м3 , 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 1520оС 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 1250оС .
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:
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.
Современности является железо. Разбирающийся знает, что под словом «железо» имеются в виду железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун. Казалось бы, два абсолютно разных материала и их очень легко отличить. Однако, учитывая широкий ассортимент их видов и марок, тонкую грань различия в химическом составе некоторых из них определить трудно. Важно обладать дополнительными навыками для того, чтобы знать ответ на вопрос: чугун от стали чем отличается?
Чугун
Характеристики:
- Шероховатый, имеющий серый матовый цвет.
- Плавление при 1000-1600˚С в зависимости от состава (для промышленных в среднем - 1000-1200˚С, белые и передельные чугуны расплавляются при более высоких температурах).
- Плотность: 7200-7600 кг/м 3 .
- 540 Дж/(кг˚С).
- Высокая твердость: 400-650НВ.
- Низкая пластичность, очень крошится при воздействии давлением; наивысшие значения относительного удлинения имеет ковкий высокопрочный чугун δ=6-12%.
- Невысокая прочность: 100-200 МПа, для ковкого ее значения достигают 300-370 МПа, для некоторых марок высокопрочного - 600-800 МПа.
- Моделируется с помощью термической обработки, однако редко и с большой осторожностью, так как для него характерен процесс трещинообразования.
- Легируется с помощью вспомогательных химических элементов, однако значительная степень легирования еще больше усложняет процессы технологической обработки.
- Характеризуется удовлетворительной свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, отличными литейными свойствами. Ковке и штамповке не подлежит.
- Хорошая износостойкость и коррозионная стойкость.
Чугун - материал для корпусных деталей, блоков, узлов машин, изготовленных методом литья. Является основной шихтовой составляющей для
Сталь
Железоуглеродистый сплав, содержащий карбон в количестве не больше 2,14 % и железо - не менее 45 %, называется сталью. Ее основные характеристики:
- Гладкая, имеет серебристый цвет с характерным отблеском.
- Плавление в пределах 1450˚С.
- Плотность составляет от 7700 до 7900 кг/м 3 .
- Теплоемкость при комнатной температуре: 462 Дж/(кг˚С).
- Невысокая твердость, в среднем 120-250 НВ.
- Отличная пластичность: коэффициент относительного удлинения δ для различных марок колеблется в рамках 5-35 %, для большинства - δ≥20-40 %.
- Средние значения предела прочности для конструкционных материалов - 300-450 МПа; для особо прочных легированных - 600-800 МПа.
- Хорошо поддается коррекции свойств с помощью термической и химикотермической обработки.
- Активно легируется различными химическими элементами с целью изменения свойств и назначения.
- Качественно высокие показатели свариваемости, обрабатываемости давлением и резанием.
- Характеризуется низкими показателями коррозионной стойкости.
Сталь - это основной конструкционный сплав в современной металлургии, машиностроении, приборостроении и технике.
Определяем происхождение по типу детали
Рассмотрев подробные характеристики этих сплавов, можно уверенно пользоваться знаниями о том, чугун от стали чем отличается. Имея перед собой металлический предмет, сомневаясь в его происхождении, рационально сразу вспомнить главные отличительные технологические свойства. Итак, чугун - это литейный материал. Из него производят простую посуду, массивные трубы, корпусы станков, двигателей, крупные объекты несложной конфигурации. Из стали изготавливают детали всех размеров и сложности, так как для этого применяются ковка, штамповка, волочение, прокатывание и другие способы Таким образом, если стоит вопрос о происхождении арматуры, сомнений быть не может - это сталь. Если интересует происхождение массивного казана - это чугун. Если же необходимо узнать, из чего изготовлен корпус двигателя или коленчатого вала - следует прибегнуть к иным вариантам распознавания, так как возможны оба варианта.
Цветовые особенности и анализ хрупкости
Для того чтобы знать, как отличить чугун от стали на глаз, нужно помнить о главных визуальных отличиях. Для чугуна характерен матовый серый цвет и более шероховатая внешняя текстура. Сталь характеризуется особым для нее серебристым блестящим оттенком и минимальной шероховатостью.
Также важными знаниями о том, как отличить чугун от стали визуально, является информация о пластичности этих материалов. Если исследуемые заготовки или металлические предметы не имеют серьёзной ценности, можно испробовать их на прочность и пластичность, применив ударную силу. Хрупкий чугун раскрошится на кусочки, в то время как сталь только деформируется. При более серьезных нагрузках, направленных на дробление, крошки чугуна получатся мелкой разнообразной формы, а кусочки стали - крупными, правильной конфигурации.
Резать и сверлить
Как отличить чугун от стали в домашних условиях? Необходимо получить из него мелкую пыль или стружку. Так как сталь обладает высокой пластичностью, то и стружка ее имеет извивистый характер. Чугун же крошится, при сверлении образуется мелкая стружка надлома вместе с пылью.
Для получения пыли можно воспользоваться напильником или рашпилем и немного подточить край интересующей детали. Полученную мелкодисперсную стружку рассмотреть на руке или белом листе бумаги. Чугун содержит углерод в большом количестве в виде графитовых включений. Поэтому при растирании его пыли остается черный графитовый «след». В сталях же углерод находится в связанном состоянии, поэтому механическое влияние на пыль не дает никаких видимых результатов.
Нагревать и искрить
Как отличить чугун от стали? Нужно оперировать необходимым оборудованием и небольшим запасом терпения.
В первом случае можно прибегнуть к нагреванию, к примеру, с помощью паяльной лампы, облачившись изначально в специальную защитную одежду и соблюдая правила безопасности в работе. Температуру нужно повышать до начала плавления металла. Уже было сказано, что температура плавления чугуна выше, чем у стали. Однако это касается преимущественно белых и Относительно всех промышленных марок - они содержат углерод в количестве не более 4,3 % и плавятся уже при 1000-1200˚С. Таким образом, его расплавить можно значительно быстрее.
Познавательным методом получения информации о том, чугун от стали чем отличается, является использование экспериментального образца на шлифовальном станке или под острым кругом шлифовальной машинки. Анализ осуществляется по характеристикам искр. Для чугуна характерны неяркие искры красного цвета, а для стали - яркие слепящие короткие лучи с бело-желтым оттенком.
Как звучит
Интересная особенность заключается в том, как отличить чугун от стали по звуку. Эти два сплава звучат по-разному. Вовсе не обязательно производить музыкальный аккомпанемент на имеющихся экспериментальных объектах. Но необходимо иметь оба образца либо обладать опытным слухом в данном вопросе. Сталь характеризуется более высокой плотностью, что отражается на ее звучании. При ударе о нее металлическим предметом звук получается намного более звонкий, нежели в той же ситуации с чугуном.
Для того чтобы знать, чугун от стали чем отличается, необходимо иметь немного знаний об этих материалах и определенный опыт. Ведь опытный профессионал в сфере ковки, шлифования, фрезерования, сверления, точения, термообработки или сварки, металлург или техник легко отличает их между собой, оценив лишь визуально или на ощупь.
«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.
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.
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.
