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.
Железа добывается из недр земли больше, чем любого другого металла.
Но чистого железа вы не видели. Этот серебристый металл слишком мягок, а поэтому мало пригоден для изготовления изделий (за исключением сердечников электромагнитов). В промышленности, в строительстве, в домашнем быту употребляют не чистое железо, а разнообразнейшие железные сплавы - чугуны и стали. Они сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Стальным пером вы легко выцарапаете свою фамилию на чугунной сковородке.
Чугунный же осколок будет только скользить по поверхности стальных коньков и никакого вреда им не причинит. Огромное большинство сталей тверже чугуна. Как ни старайтесь, вам не удастся согнуть чугунную сковородку: при большом усилии она не выдержит - хрустнет, сломается, но не согнется.
Лезвие же стального обеденного ножа сгибается и снова выпрямляется. Чугун хрупок, а сталь упруга. Впрочем, упругость стали имеет свой предел: лезвие ножа нельзя согнуть в дугу - оно сломается.
Каждый день, заводя часы, вы скручиваете часовую пружину. Заведенная пружина раскручивается, тянет шестеренки-колесики - часы идут. Они служат вам многие годы, и изо дня в день, 365 раз в году, скручивается и раскручивается пружина, не утрачивая упругости. Как мы уже говорили, такие пружины делаются из особо упругой стали. Стремительно вращается сверло сверлильного станка, все глубже вонзаясь в стальную плиту.
Через короткое время в плите появляется сквозное отверстие. Такие сверла, а также резцы изготовлены из особой, быстрорежущей стали. Металлурги изготовляют сотни разнообразных сортов («марок») сталей, десятки сортов чугуна.
Во всех них непременно содержится углерод. Поэтому чугуны и стали называют железоуглеродистыми сплавами. Больше всего углерода (более 2%) содержат чугуны.
В сталях углерода менее 2 %; совсем мало его в мягких сталях, или ковком железе. Из ковкого железа прокатывают листы кровельного железа, протягивают проволоку; из железной проволоки изготовляют на прессах – автоматах гвозди. Удар молотка-пуансона по выступающему из матрицы кончику проволоки - и он сплющен в шляпку будущего гвоздя. Удар откусывающих ножей - и от проволоки отделяется готовый гвоздь с заостренным концом. Мягкость и податливость ковкого железа по сравнению с твердыми сталями и чугунами полезна не только при изготовлении из него проволоки или гвоздей, но иногда и при применении изготовленной из него продукции.
Так, сапожные гвозди, чтобы не царапать пола, должны истираться вместе с кожей. По химическому составу чугуны и стали отличаются друг от друга не только содержанием углерода. В состав железоуглеродистых сплавов входят в небольших количествах и другие элементы - неметаллы (кремний, фосфор, сера) и металлы. Увеличивая содержание одних элементов, уменьшая содержание других, вводя разнообразные легирующие металлы (хром, ванадий, титан и пр.), металлурги получают разнообразные специальные стали. Одни из них обладают удивительной упругостью, другие «сверхтверды», третьи не подвергаются коррозии ни на воздухе, ни в воде.
Огромная область нашей промышленности, которая занята получением чугунов, сталей и ковкого железа, называется черной металлургией, а сами железоуглеродистые сплавы - черными сплавами. Какие бывают чугуны Если железную проволоку нагревать электрическим током, то сначала она все более провисает - от нагревания железо расширяется при 760° проволока без всяких видимых изменений вдруг перестает притягиваться магнитом. А при 906° с железом происходит новое изменение: проволока внезапно натягивается, т. е. сжимается, объем железа уменьшается.
При этой температуре расположение атомов в железе изменяется и обыкновенное железо, или альфа-железо, превращается в гамма-железо. Одно из отличий гамма-железа от альфа-железа заключается в способности гамма-железа науглероживаться оно впитывает в себя углерод, как губка впитывает воду, пока не насытится им. Наконец, при 1539° железо плавится, превращаясь в подвижную, легко расплескивающуюся жидкость. Жидкое железо еще более жадно поглощает углерод, чем твердое гамма-железо. Железо выплавляют из его руд с помощью кокса. Последний как раз и представляет собой почти чистый углерод.
Поэтому ослепительно блестящая струя, вырывающаяся по сигналу доменщика из доменной печи и с шумом низвергающаяся в ковш,- это не чистое железо, а раствор углерода в жидком железе - чугун. Что же произойдет при затвердевании жидкого чугуна? Жидкое железо начнет превращаться в кристаллы железа.
Но эти кристаллы не в состоянии удержать в себе всего растворившегося углерода. Излишек углерода выделяется в виде графита, получается серый чугун. Отливка из серого чугуна слагается из кристаллов железа, переслоенных тонкими широкими чешуйками графита. Графитовые чешуйки легко расщепляются, как спрессованная стопка бумаги. Поэтому графит - «слабое» место серого чугуна.
При ударе отливка из серого чугуна разбивается на куски вдоль прослоек графита, как если бы прослойки графита были в самом деле трещинками. Тусклый серый цвет графита обнаруживается в изломе чугуна. Теперь понятно, почему такой чугун хорошо отливается в формы, но хрупок и его нельзя ковать. Из серого чугуна отливают станины малган, маховые колеса, плиты, канализационные трубы.
Но графит теперь не рассекает отливку тонкими пластинками, он «блокирован» в отдельных участках в виде включений шарообразной формы. Это достигнуто тем, что в расплавленный чугун перед его разливкой в формы ввели незначительное количество магния. Из высокопрочного чугуна можно поэтому отливать и такие ответственные детали, как коленчатый вал мощного судового двигателя.
На примере высокопрочного чугуна мы познакомились с одним из способов изменять по заказу свойства сплавов - с применением модификаторов. При модифицировании химический состав сплава не меняется: ведь высокопрочный чугун по составу практически ничем не отличается от обыкновенного. Изменяются лишь форма, размеры и расположение кристаллов тех веществ, из которых сплав образован. При быстром затвердевании чугуна в особых условиях избыточный углерод выделяется не в виде графита, а в виде блестящих белых кристаллов цементита - химического соединения углерода с железом.
В противоположность графиту цементит очень тверд, но вместе с тем очень хрупок. Благодаря ему очень тверд и хрупок и белый чугун. Когда белый чугун выдерживается в течение нескольких дней при высокой температуре, содержащийся в нем цементит постепенно разлагается, из него выделяется углерод в виде таких же шаровидных скоплений, как и при модифицировании чугуна. Так получается еще один вид чугуна - ковкий чугун. На примере белого и ковкого чугуна мы познакомились еще с одним, наиболее важным способом изменения свойств сплавов - с термической обработкой.
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».
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.
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 .